querer, al instalar un bulbo para equipar un sonar militar, se dieron cuenta que aquellos barcos consumían mucho menos combustible. Aquello demostró que siempre existe lugar para la innovación y las mejoras.

Algo parecido ocurría hace pocos años en un departamento de ingeniería en una empresa naval de Estados Unidos. Si las hélices trabajan según un principio parecido al de las alas de los aviones y éstas han evolucionado en los aviones comerciales al añadirse los "wind-Tips" que reducen los vórtices en sus extremos, quizás se podría rediseñar las hélices de los barcos para mejorar el flujo del agua impulsada e incrementar por tanto el rendimiento.

La hélice Sharrow

Así pensaban en Filadelfia los ingenieros de Sharrow Engineerings. Se hicieron muchos diseños mediante impresoras 3D y pruebas en los canales hidrodinámicos de la Universidad de Michigan, probablemente la universidad más importante en ingeniería naval de EEUU, hasta que finalmente el ingeniero jefe Greg Sharrow dio con una modelización que conseguía mejorar las hélices típicas que hasta ahora conocemos de dos, tres o cuatro palas. Y es que la clave de la mejoría no reside en el número de palas, si no en el diseño de estas con una forma continua de lazo que evita los bordes y discontinuidades, como ocurre con las hélices conocidas hasta la fecha.

Antes de pasar al modelado 3D, se hicieron diferentes estudios mediante programas de dinámica de fluidos computerizada (CFD) y estudios de análisis de elementos finitos (FEA) que dieron lugar a los primeros modelos y pruebas reales.

El inventor Greg Sharrow además de ingeniero, es director de producción de vídeos y recibió el encargo de desarrollar una hélice silenciosa para crear drones ultra silenciosos para la industria de filmación, en donde el nivel de ruido es un factor importante, y para aplicaciones militares.

Greg se dio cuenta que el ruido es generado por los vórtices creados en los extremos de las palas. Había que suprimir los extremos y acabar con las discontinuidades, pues son estos vórtices terminales los que generan ruido, vibraciones, rozamientos y pérdidas de rendimiento. El nuevo modelo de Greg reduce drásticamente la cavitación y por tanto propulsa por el mismo consumo energético, más volumen de agua a mayor velocidad.

Los resultados conseguidos son tan buenos, que Sharrow comenzará la venta y distribución durante el próximo salón de Miami en Febrero de 2020.

Diseño nuevo, o re-evolución de lo ya inventado

A tenor de la imagen rescatada de 1914, no parece que sea tan nueva la nueva hélice de lazo cerrado. A principios de siglo se montaron dos hélices cuyos alabes habían sido inclinados unos hacia proa y los posteriores hacia popa, para que el diseñador inquieto ideara la conexión de cada pareja de alabes y conseguir así esta hélice de lazos cerrados ahora re-inventada.

Hace 100 años, quizás la idea fuera fruto del capricho de un ingeniero superdotado, o de la sensación de una mayor solidez estructural del conjunto, o de necesidad de no estropear los vértices de las palas en las aguas de los puertos más someros.

Lo cierto es que hace 100 años nadie sabía de la necesidad de montar "tips" en las alas de los aviones para mejorar la mecánica de fluidos, y poco se sabía sobre el estudio de vórtices y cavitaciones en las hélices navales. Sea como fuere, la existencia de este diseño de nuestros tatarabuelos, quizás produzca "peleas" en los juzgados y departamentos de patentes, pues la Sharrow parece que mejora y por goleada todo lo existente hasta la fecha y sin embargo la base conceptual no parece tan innovadora.

Las primeras pruebas de hélices Sharrow: +15% de rendimiento

El incremento conseguido es importante dependiendo del tamaño, paso, velocidad angular, y numero de palas. Los ingenieros de Filadelfia estiman mejoras de rendimiento entre un 9º y un 15% respecto a los diseños estándar en la industria conocidos como "Wageningen B-Series".

Los últimos 7 años de investigación y desarrollo han conducido a 22 nuevas patentes y acuerdos con fabricantes e importantes astilleros que comenzarán a utilizar en breve, este tipo de hélices de lazo cerrado.

Cooperación con el laboratorio hidrodinámico de la Universidad de Míchigan

El departamento de ingeniería naval de la universidad de Míchigan cerró un acuerdo con Greg Sharrow para desarrollar esta nueva hélice y así poder formalizar y comprobar las ventajas del nuevo diseño por un organismo independiente. Se fabricaron modelos a escala real optimizados para grandes mercantes y petroleros y naturalmente barcos de recreo e incluso drones, aunque estos sean un mercado residual. Por el contrario, el ahorro de combustible en un gran mercante es muy importante, pues estos enormes leviatanes consumen decenas de miles de euros al día, todos los días del año.

En las fotos del canal de estudios navales se puede apreciar cómo mientras una hélice convencional produce un vórtice en sus extremos, la línea de flujo (naranja) que atraviesa una hélice Sharrow atraviesa sus palas sin romperse en los vértices.

Fabricar una hélice Sharrow

Tan importante es tener una buena idea, como poder desarrollar un método de producción que mantenga el precio del producto dentro de los márgenes normales. Se han empleados tecnologías innovadoras de impresión tridimensional que han permitido acelerar la producción de modelos a escala real para probar y conseguir el desarrollo más optimizado a cada tipo de embarcación.

Pero la producción a gran escala, se realizará aún por sistemas de fundición más conocidos, pues el 3D aún es caro en comparación con otros métodos, aunque si es posible, pues ya existen impresoras 3D para aluminio, que depositan pixel a pixel micro-partículas de aluminio fundido. Para las pruebas reales el sistema elegido ha sido el fresado con máquinas de 5 ejes movidos por ordenador.

Comparativas reales

En náutica de recreo se han realizado tests reales, concretamente con una motora de 6,2 metros de eslora equipada con el mismo fueraborda de 150 cv, en el cual se ha probado con dos hélices estándar en Inox y la nueva Sharrow. Entre test y test se volvió a llenar el depósito de gasolina para que las comparativas fueran rigurosamente en las mismas condiciones. Se instaló un caudalímetro de alta precisión para poder evaluar los rendimientos y ahorros de combustible.

Con la primera hélice de 15 pulgadas, el barco se puso en planeo a partir de las 3.600 rpms y a 4.000 rms se alcanzaron los 27,7 nudos con un consumo de 4,5 millas por galón. Con la segunda hélice de mismo paso y diámetro, muy conocida en el mercado por su eficacia y bajo consumo, se obtuvieron valores muy parecidos pasando al planeo a 3.400 rpms y obteniendo una lectura de consumo a 3.500 vueltas de 4,3 millas por galón. La Sharrow probada de mismo diámetro, fue tallada a partir de un bloque de aluminio en una fresadora de 5 ejes y mostró una completa falta de vibraciones en comparación con las dos anteriores. Esta nueva hélice consigue una elevada tracción debida a sus 3 palas y 3 adicionales de cierre del lazo, haciendo que el barco parezca que va extraordinariamente "‘agarrado" a la superficie del mar, lo cual permite hacer giros cerrados con mayor confianza y sin derrapes. El barco en las mismas condiciones se puso en planeo a 2.700 rpms.

Es bien sabido que las hélices con mayor número de palas producen menos vibración y son más silenciosas y la Sharrow, aún siendo de 3 palas como las dos comparadas, en realidad es como si fuera de 6 palas lo cual explica su impresionante suavidad.

En cuanto a velocidad, la Sharrow también logró los mejores resultados desde el ralentí con una mejora del 16% y mejora del consumo también del 16%. Es importante destacar que, de media, el 40% del tiempo los barcos navegan a ralentí, lo cual da una idea de la importancia en esta mejora a bajas revoluciones.

A 1.000 rpms la comparativa entrega mejoras de un 14% y 17 % frente a las otras dos hélices y mejores consumos en un 4% y 8% respectivamente. A 3.000 rpms las mejoras son escandalosas, pues como sólo la Sharrow ha alcanzado el planeo, el consumo baja a la mitad frente a las dos otras hélices. A 4.000 rpms la Sharrow conseguía una aplastante mejora de velocidad de 17% y 19%, respecto a las dos hélices convencionales.

Optimización para un tipo de navegación

Ya lo saben los aficionados a navegar a altas velocidades. Si queremos las más altas prestaciones en velocidad para un mismo motor, tendremos que montar hélices de alta velocidad, con las cuales perderemos en rendimiento a bajas y medias revoluciones, mientras que si montamos una hélice que vaya bien para cruceros normales, no lograremos alcanzar la más alta velocidad.

Este compromiso siempre molesto, queda olvidado con las Sharrow pues se consiguen las mejores prestaciones en los dos extremos de las revoluciones. Igual de sorprendente e interesante es que la Sharrow mejora los consumos en todo el rango de revoluciones y velocidades.

Quizás veamos en poco tiempo a toda la industria cambiando sus hélices habituales por las Sharrow. No sería la primera vez que toda una industria cambia de la noche a la mañana debido a una innovadora mejora. Ya ocurrió con los Skies hace 20 años con la aparición de las perfiles "carving" que dejó simplemente obsoleto a todo lo anterior, y en unas pocas temporadas todas las tablas de ski fueron actualizadas.

Razones hay para ello pues el nuevo diseño Sharrow consigue mejores consumos y mejores vibraciones avanzando a ralentí o bajas revoluciones, logra planeos a muchas menos revoluciones al conseguir una tracción mucho mayor debido al incremento de superficie de pala de los cierres de bucles, disminuyendo la resistencia hidrodinámica al desaparecer los vórtices de discontinuidad. También mejoran las velocidades y consumos a cualquier régimen e rpms, especialmente a las revoluciones a las que otras hélices aún no han conseguido hacer despegar el casco del agua.

En las pruebas reales, se mejoró el consumo a velocidad crucero de 26 nudos en un 18% lo cual es una cifra que por si sola debería ser recordada por toda la industria náutica, pero además ha permitido lograr una velocidad punta más alta, y todo ello con una navegación más cómoda y asentada en giros cerrados a altas velocidades, menores vibraciones y percepción sonora más baja, y mayor potencia y rendimiento al operar con la hélice en contragiro durante las maniobras en marcha atrás.