El proyecto del buque. El sistema propulsivo del buque

El Proyecto del Buque

El sistema propulsivo del buque

SumarioObjetivosTipos de sistemas propulsivos del buqueTipos de sistemas generadores de potencia a bordoEl rendimiento propulsivo y estimación de la potencia propulsiva necesariaSelección del motor propulsorSelección de una hélice de serieConclusionesBibliografía

ObjetivosPresentar las tipologías principales de sistemas propulsivos del buquePresentar los diferentes tipos de sistemas generadores de potencia a bordoDefinir el rendimiento propulsivo y exponer las técnicas existentes para su estimaciónPresentar la metodología típica de selección del motor propulsorHacer una introducción a las técnicas de diseño de la hélice

Tipos de sistemas de propulsión

Hélice El funcionamiento de la hélice se debe al diferente flujo que se produce entre las caras activa e inactiva (o pasiva), debido a la forma de las secciones de la pala y a su ángulo de ataque. Esta diferente flujo provoca un empuje, por las diferencias de presión que aparecen, de manera similar a como ocurre en las alas de un avión.

El ángulo de paso puede ser fijo o variable (palas orientables).


Algunas definiciones importantes:Disco de hélice. Es la sección recta del cilindro circular circunscrito a la hélice.Área desarrollada de una pala. Es el área verdadera de la superficie activa.Área desarrollada de la hélice. Es la suma de las áreas desarrolladas de las palas.Área del disco. Área del disco de la hélice.Área proyectada de la hélice. Es el área de la proyección de las palas sobre un plano perpendicular al eje.Relación del área proyectada. Cociente entre el área proyectada de la hélice y el área del disco.Relación del área desarrollada. Cociente entre el área desarrollada de la hélice y el área del disco.


Hélices en tobera

El flujo de agua se acelera en el disco de la hélice, debido a la presencia de la tobera, esto permite aumentar el coeficiente de estela y el rendimiento de la hélice.El rendimiento es notable cuando el resbalamiento de la hélice es importante, como ocurre en los remolcadores.Existen sistemas que permiten que se pueda girar la tobera alrededor de un eje vertical. De esta manera el propulsor se puede utilizar como timón.


Hélices de estremos de pala cargados

Incorpora unas placas de cierre en los extremos de las palas que permiten que la distribución radial de empuje en la pala tenga su máximo más cerca del extremo, mejorando de esta forma su rendimiento.

La resistencia mecánica de las palas es más crítica que en una hélice convencional.

Existen diversas patentes, que se diferencian en la forma y disposición de las placas de cierre.


Hélices contrarrotativas

Son hélices de palas fijas montadas coaxialmente en el mismo eje. Se caracterizan por una mayor eficacia propulsiva, al incrementarse el rendimiento rotativo relativo.

Su diseño es muy complejo, debido a los problemas de cavitaciónque pueden aparecer en la segunda hélice.


Propulsores de eje verticalConsisten en un disco que gira alrededor de un eje vertical y del que cuelgan varias palas. Estas van cambiando su posición durante el giro, de tal manera que adoptan siempre un ángulo conveniente como para que el empuje siempre se produzca en la dirección deseada.

El propulsor actúa también de timón y de mecanismo de inversión de marcha, proporcionando gran maniobrabilidad.

Su rendimiento es menor que el de unahélice convencional.

Hay dos patentes:Voith-Schneider yKirsten-Boeing


Propulsores a chorro (WaterJets)Consiste fundamentalmente en una turbobomba que aspira el agua del

mar y la expulsa a gran velocidad a través de una tobera, que en la mayoría de los casos es orientable, lo que permite la maniobra.

Este sistema tiene un gran rendimiento para altas velocidades, mientras que es muy poco eficiente para bajas velocidades.

ejetobera

toma de agua

bomba

Sistema de orientación / inversor


Vela

1.-Vela tarquina

2.-Vela al tercio

3.-Vela cangreja

4.-Vela guaria

5.-Vela bermudina o marconi

6.-Velas de cuchillo

7.-Velas latinas

8.-Velas cuadras o redondas

Tipos de sistemas de generación de potencia

Las tipologías más típicas de sistemas generadores de potencia para propulsión se enumeran a continuación:Motor diesel. Es un motor térmico que funciona según el ciclo termodinámico de igual nombre. La diferencia con respecto a otro tipo de motores de explosión es que los diesel comprimen fuertemente el aire aspirado hasta alcanzar una temperatura que permite el encendido expontáneo del combustible al ser inyectado. Son las plantas más comunes en construcción naval, representando aproximadamente el 90% del total, debido a su economía de funcionamiento y flexibilidad de opciones.

Diesel lento. Trabajan hasta 400 rmp y suelen ser los que desarrollan la mayor potencia. La lentitud del régimen de rpm se debe al límite que impone la inercia de sus enormes partes móviles. Suelen ser reversibles, requiriendo la parada del motor. (rápido, medio, lento).Diesel semirrápido y rápido. Trabajan entre 400 y 900 rpm los primeros y hasta 2000 rmp los segundos. Son notablemente más pequeños que los anteriores al bajar su relación peso potencia hasta los 3 Kg/CV, frente a los 20 Kg/CV de los lentos. Su rango de potencias es también menor, cubriendo una gama hasta aproximadamente 8000 CV.

Turbina de vapor + generador de vapor. Consiste en una cámara a través de la cual circula vapor a elevada presión y temperatura, impulsando el movimiento de unas paletas que están unidas a un rotor. Para mejorar su rendimiento suelen dividirse en dos cuerpos (alta y baja presión de vapor).Requieren de un sistema adicional de generación de vapor (caldera o reactor nuclear). El rendimiento y empacho del sistema completo es sensiblemente peor que en el caso del motor diesel.Turbina de gas. Su principio de funcionamiento consiste en la compresión y combustión de aire, y accionamiento de unas ruedas de paletas coaxiales por el gas resultante. Sus principales características son su baja relación peso/potencia y el gran consumo específico frente a otro tipo de instalaciones. Este segundo hecho restringe su uso prácticamente a instalaciones que exigen la obtención de una gran potencia durante un periodo reducido de funcionamiento, y en combinación con otro tipo de generadores de potencia.Otros sistemas. Existen diferentes disposiones de sistemas de generación de potencia mixtos que combinan diferentes elementos, para aprovechar las ventajas de todos ellos y funcionar en cualquier régimen con un rendimiento óptimo. En algunos casos estas instalaciones incorporan motores eléctricos, que permiten un gran control de la relación potencia/revoluciones, combinan motores diesel y turbinas de gas ...

RendimientosDefiniciones

Potencia indicada (IHP = Indicated Horsepower) es la potencia del ciclo térmico del motorPotencia al freno (BHP = Brake Horsepower) es la potencia del motor, medida en el acoplamiento del motor al eje (por medio de un freno).Potencia en el eje (SHP = Shaft Horsepower) es la potencia transmitida a través del eje (medida con un torsiómetro tan cerca de la hélice como sea posible).Potencia entregada a la hélice (PHP = Propeller Horsepower) es la potencia entregada a la hélice (descontando las pérdidas en el eje de la anterior).Potencia de empuje (THP = Transformed Horsepower) es la potencia transformada por la hélice (se obtiene descontando su rendimiento de la potencia a la hélice).Potencia efectiva o de remolque (EHP = Effective Horsepower) es la potencia que realmente se emplea en mover el barco o la potencia que sería necesario emplear para remolcar el barco a la velocidad de proyecto (puede obtenerse descontando de la anterior las pérdidas debidas a la forma del barco, apéndices, etc).

RendimientosPotencia indicada (IHP) Potencia al freno (BHP)

Potencia en el eje (SHP)

Potencia entregada a la hélice (PHP)

Potencia de empuje (THP)

Potencia efectiva o de remolque (EHP)

RendimientosDefiniciones

Rendimiento del motor (ηMotor): El rendimiento del motor nos indica su eficacia en convertir la energía generada en los pistones en potencia mecánica.

Rendimiento mecánico de la línea de ejes (ηm): El rendimiento del motor nos indica su eficacia en convertir la energía generada en los pistones en potencia mecánica.

Rendimiento propulsivo (ηp): Este rendimiento nos da idea de eficacia propulsiva del proyecto y se compone de cuatro factores, el rendimiento del casco (ηh), el rendimiento del propulsor (ηo), el rendimiento rotativo relativo (ηrr) y el rendimiento mecánico de la línea de ejes (ηm).

MotorBHPIHP

η =

mPHPBHP

η =

p h o rr m mEHP EHPBHP PHP

η η η η η η= ⋅ ⋅ ⋅ = =

Determinación del Rendimiento PropulsivoLa necesidad de obtener el valor del rendimiento propulsivo está en la determinación de la potencia del motor (BHP), básica para el proyecto del buque. Para su determinación experimental son necesarios tres tipos de ensayos.1.- Ensayo de Remolque para la determinación de la curva del coeficiente de resistencia (CT) - velocidad del modelo y extrapolación de estos datos a la escala del buque.

Donde R es la resistencia al avance, ρ es la densidad del agua, S el área mojada del modelo o buque, según corresponda y V es la velocidad del modelo o buque.La teoría clásica supone que,

Donde k es el factor de forma y,

( )( )1

1

Modelo Modelo

Buque Buque

Modelo Rn FnT F R

Buque Rn FnT F R

C k C C

C k C C

= + +

= + +

( )( )210

0.075 , ,log 2

FV L VC Rn Fn

g LRnρ

µ⋅ ⋅

= = =⋅−

212

TRC

SVρ=

Determinación del Rendimiento PropulsivoEl ensayo de remolque se lleva a cabo de manera que FnModelo = FnBuque y permite estimar el factor de forma k, a partir de los datos de los ensayos para bajos valores de FnModelo, donde CR es aproximadamente cero. Finalmente es posible obtener CT

Buque a partir de k, la ley del coeficiente de fricción de la placa plana (CF) y teniendo en cuenta que CR

Buque = CRModelo.

2.- Ensayo del Propulsor Aislado para la determinación del rendimiento de la hélice. Para ello se miden los coeficientes de empuje (KT) y de par (KQ) para diferentes grados de avance (J) de la hélice.

Donde VA es la velocidad de avance de la hélice, n sus revoluciones por segundo, Dsu diámetro y T, Q los valores medidos de empuje y par motor, respectivamente. De esta manera, el rendimiento de la hélice se calcula por,

Evidentemente, los anteriores valores, obtenidos directamente para el modelo, también deben extrapolarse a la escala del buque, para lo que existen diversas técnicas que no se incluyen aquí.

2 4 2 5, ,AT Q

V T QJ K Kn D n D n Dρ ρ

= = =⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

2 2A T

oQ

V T J Kn Q K

ηπ π

⋅= =

⋅ ⋅

Determinación del Rendimiento Propulsivo3.- Ensayo de Autopropulsión para la determinación del rendimiento del casco y rotativo relativo. En este ensayo se miden el empuje de la hélice y par motor entregado, de igual manera que en el ensayo del propulsor aislado, observando que para un mismo valor de KT, el valor correspondiente de KQ difiere entre los dos ensayos. De esta manera, se define el rendimiento rotativo relativo como,

Donde AP se refiere al ensayo de autopropulsión y PA al del propulsor aislado.Por otra parte, a partir del valor medido de KT, podemos determinar el valor de Jcorrespondiente a partir de los datos del ensayo del propulsor aislado. Este valor nos permite determinar el denominado factor de estela (w) que mide la velocidad de avance real del agua que llega a la hélice, en relación a la velocidad de avance del buque según,

APQ

rr PAQ

KK

η =

1AV V J D nwV V− ⋅ ⋅

= = −

Determinación del Rendimiento PropulsivoLos anteriores parámetros (ηrr y w) también están sujetos a efectos de escala por lo que deben ser corregidos. Esta corrección no se incluye aquí.Además, se comprueba experimentalmente que para una velocidad de avance del buque, en el ensayo de autopropulsión, el empuje que suministra la hélice es mayor que el valor de la resistencia del casco, obtenido en el ensayo de remolque, para la misma velocidad. Este efecto se mide por el denominado coeficiente de succión,

A partir de los coeficientes anteriores, se define el rendimiento del casco como,

Finalmente, el rendimiento propulsivo se calcula como:

T RtT−

=

11ht EHPw THP

η −= =

−

22 2

AP APA

p m m m h rr oPA PA AP APA

EHP R V n Q V TPHP V T n Q n Q

πη η η η η η ηπ π

⋅ ⋅ ⋅ ⋅= ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

Determinación del Rendimiento PropulsivoTambién es posible estimar el rendimiento propulsivo de un diseño, sin recurrir a ensayos experimentales.Existen diversos métodos estadísticos, entre los cuales el más conocido es el desarrollado por Holtrop y Menen, que permiten calcular a partir de las dimensiones características y otros datos generales del buque, los siguientes parámetros: k, w, ty ηrr.Las características de la hélice pueden calcularse con bastante exactitud a partir de los datos de series sistemáticas, entre las que destaca la serie B (o la más reciente BB). A partir de sus características, podemos calcular las de una hélice cualquiera, mediante expresiones del tipo,

Donde H, D son el paso y el diámetro de la hélice, Z el número de palas, c0.75 la cuerda de la pala en la estación 0.75D/2 y ∆CD es el incremento en el coeficiente de resistencia del perfil de la sección.

0.752

0.75

0.3

0.25

serieBT T D

serieBQ Q D

H c ZK K CD

c ZK K CD

⋅ ⋅= + ⋅∆

⋅= − ⋅∆

Determinación del Rendimiento PropulsivoEjemplo: Código C para estimación de la resistencia por formación de olas para Fn > 0.4 por el método de Holtrop y Menen

Determinación del Rendimiento PropulsivoEjemplo: Código C para cálculo de coeficiente de resistencia friccional según ITTC57 y el factor de formas y resistencia por formación de olas por el método de Holtrop y Menen

Potencia PropulsivaLa potencia propulsiva que se debe instalar en el buque viene entonces definida por:

Donde V es la velocidad de proyecto, y R es la resistencia al avance para esa velocidad.

Una vez calculada la potencia propulsiva necesaria para la condición de navegación especificada, se habrá de elegir el motor propulsor, dentro de la gama disponible.La potencia deberá aumentarse en aquellos casos en los que se desee incorporar alguna toma de potencia adicional como PTO (power take off).Por otra parte la potencia pico del motor propulsor que se instalará deberá superar en un 15% (aproximadamente) la potencia calculada, con el objetivo de que la situación de navegación en mar se cumplan los criterios de velocidad exigidos (margen de mar).Asimismo se acostumbra a aumentar en un margen del 10% adicional el valor la potencia instalada, para disminuir los costes de mantenimiento del motor.

p pBHP EHP R Vη η= ⋅ = ⋅ ⋅

Selección Motor PrincipalFuncionamiento del motor directamente acoplado a la héliceLa figura muestra la zona de funcionamiento posible de un motor genérico.El punto M es el punto de referencia (100% MCR al 100% de las revoluciones), en el que el rendimiento del motor es máximo.La curva 6 corresponde a la potencia absorbida por el propulsor en situación de pruebas (P = k·rmp3), mientras que la 1 corresponde a la situación real de navegación (aproximadamente un 3% más de potencia a las mismas revoluciones).El área de funcionamiento del motor está delimitada por las curvas:

3.- Límite de velocidad del motor4.- Límite par/velocidad5.- Límite por presión media efectiva7.- Límite de potencia continua8.- Límite de sobrecarga

Selección Motor PrincipalLa figura muestra la zona de selección (L1, L2, L3, L4) de un motor genérico, tal y como aparece en los catálogos.Para cada familia de motores se disponen de gráficos donde los cuadriláteros L1-L2-L3-L4 se solapan.Se elegirá un motor que contenga en el el interior del cuadrilátero el punto de MCR requerida (M), estando lo más cerca posible de L1 (máximo rendimiento).El punto S, sobre la línea 6, corresponde a la condición de proyecto de la hélice, y el SP a la misma potencia pero en la línea 1. El punto M el elpunto de selección del motor, y se obtiene aumentando en un 10% la potencia absorbida a partir del punto SP.

Selección Hélice de SerieExisten series sistemáticas de hélices que pueden utilizarse para hacer una primera estimación de las características de la hélice. De entre estas series destaca la serie B (y la más reciente BB).Las características de estas hélices de serie se presentan en gráficas o fórmulas matemáticas que permiten obtener las curvas KT y KQ en función de J=V/(n·D) y H/D . Se recuerda que el rendimiento de la hélice se puede obtener a partir de la relación:

El objetivo de este proceso de selección es obtener la hélice que posea el valor más elevado de rendimiento ηo.A partir de las características obtenidas, podemos calcular las de una hélice cualquiera, mediante expresiones del tipo,

Donde c0.75 la cuerda de la pala en la estación 0.75D/2 y ∆CD es el incremento en el coeficiente de resistencia del perfil de la sección.

2 2A T

oQ

V T J Kn Q K

ηπ π

⋅= =

⋅ ⋅

0.752

0.75

0.3

0.25

serieBT T D

serieBQ Q D

H c ZK K CD

c ZK K CD

⋅ ⋅= + ⋅∆

⋅= − ⋅∆

2 4

2 5

A

T

Q

VJn DTKn DQKn D

δ

ρ

ρ

= =⋅

=⋅ ⋅

=⋅ ⋅

BibliografíaConstrucción Naval I. Nomenclatura y Tecnología Navales. Vol. III.

F. Fernández González. ETSIN 1987.El proyecto básico del buque mercante

R. Alvariño, J.J. Azpíroz y M. Meizoso. FEIN. Madrid 1997.

Teoría del Buque (Máquinas) Tomo II-B.G. Pérez. ETSIN. Madrid.

Practical Ship Design. Volume 1.D.G.M. Watson. Elsevier Ocean Eng. Book Series. Oxford 1998

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