El Proyecto del BuqueEl sistema propulsivo del buque

SumarioObjetivos Tipos de sistemas propulsivos del buque Tipos de sistemas generadores de potencia a bordo El rendimiento propulsivo y estimacin de la potencia propulsiva necesaria Seleccin del motor propulsor Seleccin de una hlice de serie Conclusiones Bibliografa

ObjetivosPresentar las tipologas principales de sistemas propulsivos del buque Presentar los diferentes tipos de sistemas generadores de potencia a bordo Definir el rendimiento propulsivo y exponer las tcnicas existentes para su estimacin Presentar la metodologa tpica de seleccin del motor propulsor Hacer una introduccin a las tcnicas de diseo de la hlice

Tipos de sistemas de propulsinHliceEl funcionamiento de la hlice 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 ngulo de ataque. Esta diferente flujo provoca un empuje, por las diferencias de presin que aparecen, de manera similar a como ocurre en las alas de un avin. El ngulo de paso puede ser fijo o variable (palas orientables).

Tipos de sistemas de propulsinAlgunas definiciones importantes:circunscrito a la hlice. superficie activa.

Disco de hlice. Es la seccin recta del cilindro circular rea desarrollada de una pala. Es el rea verdadera de la

desarrolladas de las palas. rea del disco. rea del disco de la hlice. rea proyectada de la hlice. Es el rea de la proyeccin de las palas sobre un plano perpendicular al eje. Relacin del rea proyectada. Cociente entre el rea proyectada de la hlice y el rea del disco. Relacin del rea desarrollada. Cociente entre el rea desarrollada de la hlice y el rea del disco.

rea desarrollada de la hlice. Es la suma de las reas

Tipos de sistemas de propulsinHlices en tobera

El flujo de agua se acelera en el disco de la hlice, debido a la presencia de la tobera, esto permite aumentar el coeficiente de estela y el rendimiento de la hlice. El rendimiento es notable cuando el resbalamiento de la hlice es importante, como ocurre en los remolcadores. Existen sistemas que permiten que se pueda girar la tobera alrededor de un

Tipos de sistemas de propulsinHlices de estremos de pala cargadosIncorpora unas placas de cierre en los extremos de las palas que permiten que la distribucin radial de empuje en la pala tenga su mximo ms cerca del extremo, mejorando de esta forma su rendimiento. La resistencia mecnica de las palas es ms crtica que en una hlice convencional. Existen diversas patentes, que se diferencian en la forma y disposicin de las placas de cierre.

Tipos de sistemas de propulsinHlices contrarrotativas

Son hlices de palas fijas montadas coaxialmente en el mismo eje. Se caracterizan por una mayor eficacia propulsiva, al incrementarse el rendimiento rotativo relativo. Su diseo es muy complejo, debido a los problemas de cavitacin que pueden aparecer en la segunda hlice.

Tipos de sistemas de propulsinPropulsores de eje verticalConsisten en un disco que gira alrededor de un eje vertical y del que cuelgan varias palas. Estas van cambiando su posicin durante el giro, de tal manera que adoptan siempre un ngulo conveniente como para que el empuje siempre se produzca en la direccin deseada. El propulsor acta tambin de timn y de mecanismo de inversin de marcha, proporcionando gran maniobrabilidad. Su rendimiento es menor que el de una hlice convencional. Hay dos patentes: Voith-Schneider y Kirsten-Boeing

Tipos de sistemas de propulsinPropulsores a chorro (WaterJets)Consiste fundamentalmente en una turbobomba que aspira el agua del mar y la expulsa a gran velocidad a travs de una tobera, que en la mayora 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.Sistema de orientacin / inversor

eje toma de agua

bomba

tobera

Tipos de sistemas de propulsinVela1.-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 generacin de potenciaLas tipologas ms tpicas de sistemas generadores de potencia para propulsin se enumeran a continuacin: Motor diesel. Es un motor trmico que funciona segn el ciclo termodinmico de igual nombre. La diferencia con respecto a otro tipo de motores de explosin es que los diesel comprimen fuertemente el aire aspirado hasta alcanzar una temperatura que permite el encendido expontneo del combustible al ser inyectado. Son las plantas ms comunes en construccin naval, representando aproximadamente el 90% del total, debido a su economa de funcionamiento y flexibilidad de opciones. Diesel lento. Trabajan hasta 400 rmp y suelen ser los que desarrollan la mayor potencia. La lentitud del rgimen de rpm se debe al lmite que impone la inercia de sus enormes partes mviles. Suelen ser reversibles, requiriendo la parada del motor. (rpido, medio, lento). Diesel semirrpido y rpido. Trabajan entre 400 y 900 rpm los primeros y hasta 2000 rmp los segundos. Son notablemente ms pequeos que los anteriores al bajar su relacin peso potencia hasta los 3 Kg/CV, frente a los 20 Kg/CV de los lentos. Su rango de potencias es tambin menor, cubriendo una gama hasta aproximadamente 8000 CV. Turbina de vapor + generador de vapor. Consiste en una cmara a travs de la cual circula vapor a elevada presin y temperatura, impulsando el movimiento de unas paletas que estn unidas a un rotor. Para mejorar su rendimiento suelen dividirse en dos cuerpos (alta y baja presin de vapor). Requieren de un sistema adicional de generacin 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 compresin y combustin de aire, y accionamiento de unas ruedas de paletas coaxiales por el gas resultante. Sus principales caractersticas son su baja relacin peso/potencia y el gran consumo especfico frente a otro tipo de instalaciones. Este segundo hecho restringe su uso prcticamente a instalaciones que exigen la obtencin de una gran potencia durante un periodo reducido de funcionamiento, y en combinacin con otro tipo de generadores de potencia. Otros sistemas. Existen diferentes disposiones de sistemas de generacin de potencia mixtos que combinan diferentes elementos, para aprovechar las ventajas de todos ellos y funcionar en cualquier rgimen con un rendimiento ptimo. En algunos casos estas instalaciones incorporan motores elctricos, que permiten un gran control de la relacin potencia/revoluciones, combinan motores diesel y turbinas de gas ...

RendimientosDefinicionesPotencia indicada (IHP = Indicated Horsepower) es la potencia del ciclo trmico del motor Potencia 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 travs del eje (medida con un torsimetro tan cerca de la hlice como sea posible). Potencia entregada a la hlice (PHP = Propeller Horsepower) es la potencia entregada a la hlice (descontando las prdidas en el eje de la anterior). Potencia de empuje (THP = Transformed Horsepower) es la potencia transformada por la hlice (se obtiene descontando su rendimiento de la potencia a la hlice). Potencia efectiva o de remolque (EHP = Effective Horsepower) es la potencia que realmente se emplea en mover el barco o la potencia que sera necesario emplear para remolcar el barco a la velocidad de proyecto (puede obtenerse descontando de la anterior las prdidas debidas a la forma del barco, apndices, etc).

RendimientosPotencia indicada (IHP) Potencia al freno (BHP) Potencia entregada a la hlice (PHP)

Potencia de empuje (THP) Potencia en el eje (SHP)

Potencia efectiva o de remolque (EHP)

RendimientosDefinicioneseficacia en convertir la energa generada en los pistones en potencia mecnica. BHP Motor =

Rendimiento del motor (Motor): El rendimiento del motor nos indica suIHP

motor nos indica su eficacia en convertir la energa generada en los PHP pistones en potencia mecnica. m = BHP Rendimiento propulsivo (p): Este rendimiento nos da idea de eficacia propulsiva del proyecto y se compone de cuatro factores, el rendimiento del casco (h), el rendimiento del propulsor (o), el rendimiento rotativo relativo (rr) y el rendimiento mecnico de la lnea de ejes (m). EHP EHP p = h o rr m = = m BHP PHP

Rendimiento mecnico de la lnea de ejes (m): El rendimiento del

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

CT = R

1 SV 2 2

Donde R es la resistencia al avance, es la densidad del agua, S el rea mojada del modelo o buque, segn corresponda y V es la velocidad del modelo o buque. La teora clsica supone que, Rn Modelo Fn Modelo CTModelo = (1 + k ) CF + CRRn CTBuque = (1 + k ) CFBuque

Fn + CR

Buque

Donde k es el factor de forma y,CF = 0.075

( log ( Rn ) 2 )10

, Rn = 2

V L V , Fn = gL

Determinacin 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 CTBuque a partir de k, la ley del coeficiente de friccin de la placa plana (CF) y teniendo en cuenta que CRBuque = CRModelo. 2.- Ensayo del Propulsor Aislado para la determinacin del rendimiento de la hlice. Para ello se miden los coeficientes de empuje (KT) y de par (KQ) para diferentes grados de avance (J) de la hlice.

J=

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

VA T Q , KT = , KQ = n2 D4 n2 D5 n D

o =

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

VA T J KT = 2 n Q 2 K Q

Determinacin del Rendimiento Propulsivorotativo relativo. En este ensayo se miden el empuje de la hlice 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,

3.- Ensayo de Autopropulsin para la determinacin del rendimiento del casco y

rr =

AP KQ PA KQ

Donde AP se refiere al ensayo de autopropulsin y PA al del propulsor aislado. Por otra parte, a partir del valor medido de KT, podemos determinar el valor de J correspondiente 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 hlice, en relacin a la velocidad de avance del buque segn,

w=

V VA J Dn = 1 V V

Determinacin del Rendimiento PropulsivoLos anteriores parmetros (rr y w) tambin estn sujetos a efectos de escala por lo que deben ser corregidos. Esta correccin no se incluye aqu. Adems, se comprueba experimentalmente que para una velocidad de avance del buque, en el ensayo de autopropulsin, el empuje que suministra la hlice 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 succin,

t=

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

T R T

h =

Finalmente, el rendimiento propulsivo se calcula como:

1 t EHP = 1 w THP

R V 2 n AP Q AP EHP VA T p = m = m = m h rr o PHP VA T 2 n PA Q PA 2 n AP Q AP

Determinacin del Rendimiento PropulsivoTambin es posible estimar el rendimiento propulsivo de un diseo, sin recurrir a ensayos experimentales. Existen diversos mtodos estadsticos, entre los cuales el ms conocido es el desarrollado por Holtrop y Menen, que permiten calcular a partir de las dimensiones caractersticas y otros datos generales del buque, los siguientes parmetros: k, w, t y rr. Las caractersticas de la hlice pueden calcularse con bastante exactitud a partir de los datos de series sistemticas, entre las que destaca la serie B (o la ms reciente BB). A partir de sus caractersticas, podemos calcular las de una hlice cualquiera, mediante expresiones del tipo,

Donde H, D son el paso y el dimetro de la hlice, Z el nmero de palas, c0.75 la cuerda de la pala en la estacin 0.75D/2 y CD es el incremento en el coeficiente de resistencia del perfil de la seccin.

H c0.75 Z D2 c Z serieB K Q = K Q 0.25 CD 0.75 D KT = KTserieB + 0.3 CD

Determinacin del Rendimiento PropulsivoEjemplo: Cdigo C para estimacin de la resistencia por formacin de olas para Fn > 0.4 por el mtodo de Holtrop y Menen

Determinacin del Rendimiento PropulsivoEjemplo: Cdigo C para clculo de coeficiente de resistencia friccional segn ITTC57 y el factor de formas y resistencia por formacin de olas por el mtodo 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 condicin de navegacin especificada, se habr de elegir el motor propulsor, dentro de la gama disponible. La potencia deber 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 instalar deber superar en un 15% (aproximadamente) la potencia calculada, con el objetivo de que la situacin de navegacin 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.

BHP = p EHP = p R V

Seleccin Motor PrincipalFuncionamiento del motor directamente acoplado a la hlice La figura muestra la zona de funcionamiento posible de un motor genrico. El punto M es el punto de referencia (100% MCR al 100% de las revoluciones), en el que el rendimiento del motor es mximo. La curva 6 corresponde a la potencia absorbida por el propulsor en situacin de pruebas (P = krmp3), mientras que la 1 corresponde a la situacin real de navegacin (aproximadamente un 3% ms de potencia a las mismas revoluciones). El rea de funcionamiento del motor est delimitada por las curvas:3.4.5.7.8.Lmite Lmite Lmite Lmite Lmite de velocidad del motor par/velocidad por presin media efectiva de potencia continua de sobrecarga

Seleccin Motor PrincipalLa figura muestra la zona de seleccin (L1, L2, L3, L4) de un motor genrico, tal y como aparece en los catlogos. Para cada familia de motores se disponen de grficos donde los cuadrilteros L1L2-L3-L4 se solapan. Se elegir un motor que contenga en el el interior del cuadriltero el punto de MCR requerida (M), estando lo ms cerca posible de L1 (mximo rendimiento). El punto S, sobre la lnea 6, corresponde a la condicin de proyecto de la hlice, y el SP a la misma potencia pero en la lnea 1. El punto M el el punto de seleccin del motor, y se obtiene aumentando en un 10% la potencia absorbida a partir del punto SP.

Seleccin Hlice de SerieExisten series sistemticas de hlices que pueden utilizarse para hacer una primera estimacin de las caractersticas de la hlice. De entre estas series destaca la serie B (y la ms reciente BB). Las caractersticas de estas hlices de serie se presentan en grficas o frmulas matemticas que permiten obtener las curvas KT y KQ en funcin de J=V/(nD) y H/D . Se recuerda que el rendimiento de la hlice se puede obtener a partir de la relacin:

o =

El objetivo de este proceso de seleccin es obtener la hlice que posea el valor ms elevado de rendimiento o. A partir de las caractersticas obtenidas, podemos calcular las de una hlice cualquiera, mediante expresiones del tipo, H c0.75 Z KT = KTserieB + 0.3 CD D2 c Z serieB K Q = K Q 0.25 CD 0.75 D Donde c0.75 la cuerda de la pala en la estacin 0.75D/2 y CD es el incremento en el coeficiente de resistencia del perfil de la seccin.

VA T J KT = 2 n Q 2 K Q

VA n D T KT = n2 D 4 Q KQ = n2 D5 J = =

BibliografaConstruccin Naval I. Nomenclatura y Tecnologa Navales. Vol. III.F. Fernndez Gonzlez. ETSIN 1987.

El proyecto bsico del buque mercanteR. Alvario, J.J. Azproz y M. Meizoso. FEIN. Madrid 1997.

Teora del Buque (Mquinas) Tomo II-B.G. Prez. ETSIN. Madrid.

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