¿Cuál es la diferencia entre un tornillo y una hélice en un submarino?

En la Marina, la hélice ES el tornillo. Diablos, incluso en el portador llamamos a esas bestias de 30 toneladas los tornillos. (Curiosamente, nunca nos referimos a las hélices de nuestra aeronave como tornillos). Oficialmente, las hélices modernas se denominan correctamente “hélices de tornillo”. Antes del desarrollo de las hélices de tornillo, las ruedas de paletas eran de uso común. La primera demostración práctica de la hélice helicoidal fue a principios de 1800. [1]

El primer barco de la Armada encargado con una hélice de tornillo, fue el USS Princeton, en 1841. La hélice de tornillo submarino era menos vulnerable al daño de batalla.

La acción de la hélice que pasa a través del agua es similar a la imagen mental del giro de un tornillo, que “impulsa” el tornillo a través de su medio. Esto se ilustra adecuadamente considerando un tornillo de Arquímedes.

Su verdadera pregunta es … ¿por qué las hélices submarinas más viejas y más nuevas se ven diferentes?

La respuesta es … física y tecnología.

El diseño de una hélice submarina es fundamental. No solo debe convertir la potencia al movimiento de manera eficiente, sino que también debe hacerlo en silencio.

A medida que gira, las palas de la hélice tienen regiones de presión positiva en las superficies delanteras y presión negativa en las superficies traseras. La cavitación ocurre cuando la presión negativa es lo suficientemente grande como para crear burbujas de gas. La implosión de estas burbujas crea ruido y también daña las superficies de la cuchilla.

La física para diseñar una hélice eficiente y silenciosa (y sus palas) es bastante sencilla. Estados Unidos probablemente había introducido los nuevos diseños en sus submarinos ya en la década de 1960. Los diseños de las hélices fueron clasificados. Los esfuerzos para mantener los diseños en secreto incluyeron cubrir las hélices en dique seco; quitar las hélices durante la revisión; y prohibiendo cámaras en bases submarinas.

La introducción de la tecnología requerida para producir estas hélices es más interesante.

La fabricación moderna de hélices requiere fundición de precisión, seguida de mecanizado asistido por computadora. [2] Muchos países, incluida la Unión Soviética, no tenían estas capacidades. Desafortunadamente, eso cambió:

A mediados de la década de 1980, la compañía japonesa Toshiba vendió maquinaria de fresado de hélices a los soviéticos a través de la firma noruega Kongsberg; esta y otra inteligencia submarina proporcionada por el anillo de espías Walker resultó en submarinos soviéticos significativamente más tranquilos para la última parte de la década. [3]

La clase Akula soviética fue la primera en incorporar la nueva tecnología, y resultó en una reducción significativa de ruido.

Anécdota

Durante la década de 1980, la Marina de los Estados Unidos siguió muy interesada en el progreso de la introducción de las nuevas tecnologías de hélice.

Antes de una visita a una de las bases submarinas de nuestros aliados, me pidieron que observara y tomara nota de cualquier cosa de interés, y particularmente de las hélices submarinas. Sin embargo, nuestro aliado tenía la misma atención a la seguridad: el único submarino que observé fuera del agua tenía su hélice envuelta.

Notas al pie

[1] Hélices de tornillo

[2] http: // Hélices marinas y Pro …

[3] La domesticación del tornillo (Página 2)

A pesar de la terminología, se trata de dinámica de fluidos.

La hélice más moderna (que se conoce coloquialmente como un tornillo) fue diseñada para optimizar mejor la distribución de la carga. Bueno, hay muchos factores [como la cavitación mencionada en otras respuestas], pero lo mantendremos simple.

Como telón de fondo, ¿por qué los camiones grandes tienen muchas ruedas? Nuevamente, distribución de carga. Es más eficiente (y seguro) distribuir la carga.

La hélice ideal tendría infinitas palas, pero eso no es posible debido a restricciones estructurales, de masa y otras. A medida que se desarrollan mejores materiales y técnicas de construcción, la cantidad de cuchillas se ha inclinado hacia arriba. Como el a400m:

¿Mencioné que el aire es un fluido? Bueno, mas o menos. Entonces notará tendencias similares con el diseño moderno de hélices de aviones, desde cuadricópteros hasta aviones de carga.

También notará el giro de “cimitarra” a las cuchillas en el diseño de “tornillo”. Esto, nuevamente, tiene que ver con la optimización de la carga en todo el tramo de la hélice. La ‘punta de ala’ de la hélice (en el borde) se mueve mucho más rápido que la parte de la pala en el centro. Esto se debe a la física, ya que la rotación es constante a través de la cuchilla, el borde debe moverse más rápido para mantenerse en el medio (la misma razón por la cual los velocistas alrededor de una pista tienen diferentes posiciones de bloque de inicio). Por lo tanto, este giro de cimitarra se realiza para que la cantidad de aire que se mueve en el centro sea similar a la cantidad de aire que se mueve en la punta.

¡Hay muchas otras cosas divertidas para aprender como la entropía, el cubo de poder requerido para el diámetro de la cuchilla y más! Si realmente quieres sumergirte, un buen libro como este o esto o incluso una tesis que involucre mucho el diseño de hélice, como este, te llevará por el agujero de conejo proverbial.

En la Armada, claro, tenemos tornillos con cabeza, sujetadores roscados externamente, como este:

Y nuestros barcos y submarinos son impulsados ​​por tornillos. Varias veces he trabajado en equipos reemplazando los tornillos de los submarinos en diques flotantes como en la foto a continuación:

Aquí hay una mejor ilustración (pero es un sub ruso):

Pero las únicas hélices que tiene la Marina están en aviones como en este ejemplo:

En otras palabras, para un marinero, los tornillos y las hélices son dos cosas completamente diferentes.

Las hélices, ya sean aviones, barcos o turbinas eólicas, son similares en funcionamiento, el principio de Bernoulli.

Una simple comprensión del trabajo que podría darte. Primero, la elevación o empuje que genera las hélices es proporcionada por el fluido que atraviesa su pala. Mientras más agua o aire atraviese la hélice, mayor será el empuje que se pueda generar. En segundo lugar, la elevación o el empuje dependen de la velocidad del flujo de aire, los cortes más rápidos significan un mayor empuje. Por lo tanto, en conclusión, el área de la sección transversal del disco que cubren las hélices y la velocidad de giro son directamente proporcionales a la cantidad de empuje que puede generarse. .

Para contestar la pregunta.

Como ingeniero, ¿cómo va a poner una tonelada de avión en el aire o un barco de un millón de toneladas en el viaje?

  1. Usted diseña una hélice que cubra un área transversal grande como sea posible. Entonces obtienes diseños tempranos como hélices simétricas duales que tienen un diámetro muy largo. Ideal para motores de baja eficiencia que no pueden girar rápido.
  2. Usted diseña una hélice con muchos pedales para cubrir un área de sección transversal más grande en un diámetro dado. Tri-pedales si te gusta el análisis de estrés o 4 ~ 6 hélices posicionadas simétricamente.

Suficientemente fácil. Sin embargo, el diámetro grande es engorroso y la velocidad de centrifugado más alta requiere materiales para soportar un alto estrés. Entonces, cuando la ciencia de los materiales y la ingeniería del motor progresan. Somos capaces de crear más pedales con un diámetro corto y una alta velocidad de giro.

Un último misterio, el giro de las cuchillas , o lo llaman el tornillo. Esto se debe al requisito del ángulo de ataque (ángulo en el que la cuchilla corta el fluido) a una velocidad de giro alta. Es por eso que ves este loco giro o diseño de tornillo. Es una señal de barco que usa mejores motores.

En conclusión. El diseño del tornillo es más compacto y de alto empuje que los tradicionales.

El diseño no es nada realmente revolucionario, es solo que podemos aplicar una teoría más antigua con mejores materiales y máquinas a mano.

Realmente no hay una diferencia clara entre un tornillo y una hélice. Aquí hay algunas diferencias en general, pero no siempre son válidas en el uso moderno.

  • Las hélices a menudo se operan cavitando, donde giran lo suficientemente rápido como para formar huecos en las áreas de baja presión de las palas. Los tornillos rara vez se usan de esta manera
  • Normalmente se llama tornillo si ha sido diseñado para operar de manera muy eficiente y silenciosa. No fue hace mucho tiempo que se hizo una gran hélice para un barco fundiendo, moliendo y lijando a mano las cuchillas. El equilibrio se realizó lijando cada cuchilla hasta que lo consiguieron lo más equilibrado posible. Hoy un tornillo significa una hélice mejor diseñada y construida.

Son sinónimos Veo un accesorio de cinco cuchillas y un accesorio de siete cuchillas. O tornillos, si lo prefieres.

En los diez años que estudié docenas de hélices submarinas diferentes en la comunidad de guerra antisubmarina, nunca las llamamos más que hélices. Y eso incluye a los dos representados en la pregunta.

Creo que es en gran medida una cuestión de terminología ordinaria y terminología submarina geek. Sin embargo, aprendí algo significativo. Tal vez la Marina tiende a retener el término “tornillo” para artículos de alta tecnología con muy buena anticavitación.

La domesticación del tornillo (Página 2)

Este artículo también menciona que los submarinos más modernos no usan tornillos ni hélices. Su propulsión, si no recuerdo mal, es el resultado de que de alguna manera el agua es absorbida por una pala en la parte delantera de un submarino, acelerada por algún proceso a lo largo del paso desde la proa hasta la popa del submarino, y luego se emite como un chorro de agua. Entonces esta especie de submarino funciona más como un calamar.

Me parece recordar que no se utilizan partes móviles para acelerar el agua y que el trabajo se realiza mediante interacciones electromagnéticas entre los circuitos externos y el agua en el canal. Lo encontré: impulsión magnetohidrodinámica – Wikipedia

Submarino clase Virginia – Wikipediause the Pump-jet – Wikipedia

En principio no hay diferencia porque son exactamente lo mismo. Son sinónimos Muchos puristas dicen que las hélices son para aviones y los tornillos para barcos y barcos. Webster y Oxford no hacen esa distinción. No recuerdo muchos casos en los que se lo llamara tornillo. Principalmente fue el accesorio.