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TRABAJO DE FIN DE ESPECIALIDAD
VENTAJAS Y DESVENTAJAS EN LOS SISTEMAS DE PROPULSION Y
GENERACION DE CORRIENTE ENTRE LOS MOTORES DIESEL Y LAS TURBINAS
DE GAS.
E.E. ANTONIO ESCAÑO
- Jefatura de Estudios -
Tutor TAD:
TN MARTINEZ FRAGA
19 de MARZO de 2018
TN. Francisco DIUFAIN FLETHES
TN. Luis GARCÍA CARDO
TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
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TRABAJO DE FIN DE ESPECIALIDAD
VENTAJAS Y DESVENTAJAS EN LOS SISTEMAS DE PROPULSION Y
GENERACION DE CORRIENTE ENTRE LOS MOTORES DIESEL Y LAS TURBINAS
DE GAS.
SUMARIO.
Desde los primeros prototipos, hablar de barcos conlleva hablar de su propulsión.
Desde el remo, pasando por la vela y motores de combustión, hasta las más modernas
turbinas, la propulsión es algo implícito y fundamental en todas las plataformas que
surcan mares y ríos. Conforme fueron creciendo estas plataformas, tanto en tamaño
como en funcionalidad, fueron creciendo a la par tanto sus sistemas de propulsión
como sus métodos de generación de corriente a bordo hasta llegar a los dos más
usados a día de hoy: los motores diesel y las turbinas de gas. Todas la plataformas
navales de gran porte utilizan actualmente uno u otro de estos sistemas, cuando no
utilizan una combinación de ambos. En este estudio, se realizara una comparación de
estos sistemas, tanto en la propulsión como en la generación de electricidad a bordo,
atendiendo a costes y dificultad de mantenimientos, eficacia, consumos, impacto
medioambiental, y rendimientos, para intentar determinar la mejor configuración de
ellos a bordo de nuestros buques.
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E.E. ANTONIO ESCAÑO
- Jefatura de Estudios -
Tutor TAD:
TN MARTINEZ FRAGA
19 de MARZO de 2018
TN. FRANCISCO DIUFAIN FLETHES
TN. LUIS GARCÍA CARDO
TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
ÍNDICE
1.INTRODUCCIÓN............................................................................................3
1.1.PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACION...............................................3
2.ANÁLISIS.
2.1.COMPARATIVA EN LA PROPULSION.......................................................5
2.1.1.RENDIMIENTOS Y CONSUMOS........................................................5
2.2.COMPARATIVA EN LA GENERACION DE ELCTRICIDAD......................10
2.2.1. RENDIMIENTOS Y CONSUMOS......................................................12
2.3.COMPARATIVA DE MANTENIMIENTOS..................................................14
2.3.1. Mantenimientos periódicos................................................................15
2.3.2. Mantenimientos incidentales..............................................................18
2.4.IMPACTO MEDIOAMBIENTAL..................................................................20
3.VENTAJAS Y DESVENTAJAS.....................................................................22
4.CONCLUSIONES.........................................................................................24
5.ANEXOS.......................................................................................................28
6.BIBLIOGRAFIA............................................................................................25
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TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
1.INTRODUCCION.
Tras una larga evolución que va desde la propia fuerza del individuo hasta la propulsión
nuclear, actualmente en la Armada Española, son dos los sistemas utilizados en los
barcos para su propulsión y la producción de electricidad a bordo: los motores de
combustión y las turbinas de gas.
Más resistentes, accesibles y "económicos" (respecto al gasto de combustible) unos, o
más fiables, potentes y caros otros, encontramos ventajas y desventajas en ambos
sistemas, que se intentarán reflejar en este estudio.
La elección de uno u otro sistema de propulsión a la hora de diseñar el buque depende
fundamentalmente del propósito al que vaya destinado , encontrando así turbinas en
los buques a los que se les vayan a exigir mayores velocidades y maniobras más
agresivas (escoltas), y motores en transportes, anfibios y patrulleros, con menos
demanda de potencia, y más orientados a estar largos periodos patrullando mismas
zonas, o en tareas de desembarco anfibio. En el área de energía, encontramos la
única turbina utilizada en la Armada para la generación de electricidad en el Juan
Carlos I, primer buque AES (All Electric Ship). No es la primera, ya que las antiguas
corbetas clase DESCUBIERTA llevaban en su configuración inicial una pequeña turbina
como generador de emergencia ,aunque fue desinstalada por poco uso.
A día de hoy en la Armada, sólo los barcos que tienen en su planta propulsora turbina
de gas superan con facilidad los 23 nudos, lo que hace indispensable la instalación de
estos sistemas en buques como los escoltas, que necesitan maniobrar en cortinas y
sectores a mayores velocidades de las que puedan alcanzar las unidades a las que
protegen.
1.1. PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN.
Para este trabajo de investigación, se hará una comparación entre los motores diesel y
las turbinas de gas tanto en la propulsión como en la generación de electricidad en
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TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
distintos campos, como son los consumos y rendimientos de cada sistema, coste de los
mantenimientos programados, impacto en el medio ambiente y ventajas y desventajas
de operar con cada uno de estos sistemas a bordo.
Para dicha comparación se utilizarán, en la medida de lo posible, las mismas
condiciones de desplazamiento o demanda de potencia eléctrica para cada sistema. De
esta manera, en el área de propulsión, se obtendrán los datos de una fragata F-100, ya
que dispone de los dos sistemas de propulsión. En el área de generación de
electricidad la única plataforma en la Armada con generación de electricidad por medio
de turbina de gas es actualmente el Juan Carlos I, por lo que será nuestro principal
foco de estudio.
2. ANÁLISIS
2.1. Comparación en la propulsión.
A día de hoy, los sistemas propulsores navales son muy diversos y a la vez de muy
distinto coste a corto y largo plazo. Debido a esto, la aplicación de la turbina de gas a
los buques mercantes ha sido limitada. Pero en los buques de guerra las circunstancias
son totalmente distintas por las misiones y requisitos que deben cumplir.
Las cualidades esenciales que ha de reunir la maquinaria propulsora de un buque de
guerra son:
Aptitud para funcionar durante largos períodos de tiempo.
Máxima flexibilidad de funcionamiento, incluso pudiéndose poner en funcionamiento en
muy corto tiempo.
Consumo reducido de combustible, especialmente a velocidades de crucero.
Sencillez de manejo y posibilidad de control desde un lugar próximo al mando.
Aptitud para resistir al choque u otras averías fruto del combate.
Posibilidad de fácil defensa contra ataque N.B.Q.
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TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
Peso y dimensiones reducidas.
Disponibilidad permanente. Mantenimiento por sustitución de componentes.
Como es lógico, ninguna máquina marina cumple a la perfección con todos estos
requisitos, pero, de entre todas ellas, la turbina de gas es en muchos aspectos la que
mejores prestaciones da.
Como se dijo anteriormente, para ver las diferencias entre el motor diesel y la turbina
de gas (en adelante, T.G.) en la planta propulsora, se van a reflejar datos obtenidos de
las fragatas F100, para ver cómo responde cada uno de los sistemas con la misma
plataforma. Los datos que se van a presentar a continuación son un promedio de las 4
fragatas de la primera clase.
Las 4 fragatas F-100 tienen propulsión CODOG (COmbined Diesel Or Gas), con dos
motores CATERPILLAR BRAVO 12 y dos turbinas de gas GENERAL ELECTRIC 7 LM
2500 PF-MLG12 , uno por cada eje, pudiendo navegar con uno u otro sistema por eje.
En las F-100, se habla de MODO MOTORES, cuando se lleva la propulsión con un
motor diesel por eje, y MODO TURBINA, cuando se lleva una turbina por eje.
Para empezar, en la siguiente tabla se puede ver como establecen la planta en las
distintas situaciones de alistamiento:
5
BR Y ER GUARDIA T.G.
Z/C
T.G. (MOTOR SI ES
EMERGENCIA EN LA MAR)
Z/V T.G. (NOTA 1)
RAS/FAS T.G.
TRANSITOS MOTOR/MIXTA (NOTA 2)
TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
NOTA 1: Con buenas condiciones meteorológicas, se pueden realizar operaciones de
vuelo en modo motores.
NOTA 2: El modo de propulsión MIXTA consiste en llevar una turbina en un eje y un
motor en el otro. Aunque no estaba definido en su configuración inicial, se empieza a
usar debido a la baja velocidad económica que proporcionan los motores BRAVO12
buscando unas velocidades de transito mayores, pero sin llegar al alto consumo que
supondría el modo con dos turbinas..
Se puede observar que la turbina está seleccionada en la mayoría de las situaciones
comprometidas, reflejando una de sus cualidades más destacables como es la
fiabilidad y la garantía de tener la potencia requerida cuando sea necesario.
Por otro lado, debido a que el generador de gas y la turbina de potencia no están
unidas físicamente por un eje y tener un único movimiento rotatorio, la turbina es más
flexible a los cambios de velocidad y menos brusca que los motores, siendo la
utilizada en las maniobras que necesitan rápidos ajustes de velocidad, como RAS/FAS,
operaciones de vuelo y salidas y entradas de puerto.
2.1.1. RENDIMIENTOS Y CONSUMOS.
Los rendimientos teóricos de cada modo son los siguiente:
Modo motor diesel CATERPILLAR BRAVO 12
Máxima potencia 1 X 4500 Kw 6118,29 CV
2 X 9000 Kw 12.236,59 CV
Velocidad de entrada 1000 rpm.
Velocidad del eje principal 116 rpm.
Velocidad máxima buque 18 nudos.
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TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
Modo turbina de gas GENERAL ELECTRIC LM 2500
Máxima potencia 1 X 17.500 Kw 23.793,37 CV
2 X 35.000 Kw 47.586,75 CV
Velocidad de entrada 3600 rpm.
Velocidad del eje principal 180 rpm.
Velocidad máxima buque 27 nudos.
En cuanto a datos reales de velocidades proporcionadas por los barcos, los datos que
se han obtenido son los siguientes:
VELOCIDAD MAXIMA
TURBINA 31 KNT
MOTORES 20 KNT
VELOCIDAD ECONOMICA 14 KNT CON MOTORES
Tras experiencias reales, cabe decir que en los MOTORES han resultado menos
capaces de lo estimado, llegando a la velocidad máxima teórica sólo con condiciones
meteorológicas favorables y a un régimen de revoluciones más alto de lo normal.
No hay duda de la superioridad de la turbina frente el motor diesel, a la hora de llegar a
altas velocidades, sin embargo, es ahí donde encontramos el principal punto
desfavorable de la turbina: su elevado consumo de combustible.
En la siguiente tabla se resumen los consumos reales de motores y turbinas a
diferentes regímenes de velocidad obtenido de las fragatas F-101,F-102 y F-103. Los
buques de la 31 Escuadrilla han obtenido los datos por el medio tradicional de sondar
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TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
tanques, ya que estos barcos no disponen de caudalímetros que faciliten la toma de
datos.
VELOCIDAD CONSUMO MODO MOTORESBuque NUDOS ltrs/hora ltrs/millaALVARO DE BAZAN 10 250 50ALVARO DE BAZAN 11 270 49,0909ALVARO DE BAZAN 12 300 50ALVARO DE BAZAN 13 350 53,8462ALVARO DE BAZAN 14 450 64,2857ALVARO DE BAZAN 15 550 73,3333ALVARO DE BAZAN 16 700 87,5ALVARO DE BAZAN 17 1050 123,5294ALVARO DE BAZAN 18 1200 133,3333JUAN DE BORBON 10 250 50JUAN DE BORBON 12 425 70,8333JUAN DE BORBON 14 600 85,7143JUAN DE BORBON 16 750 93,75JUAN DE BORBON 18 840 93,3333BLAS DE LEZO 10 250 50BLAS DE LEZO 11 275 50BLAS DE LEZO 12 300 50BLAS DE LEZO 13 375 57,6923BLAS DE LEZO 14 450 64,2857BLAS DE LEZO 15 575 76,6667BLAS DE LEZO 16 725 90,625BLAS DE LEZO 17 900 105,8824BLAS DE LEZO 18 1125 125
Con estos datos, el Gabinete de Investigación Militar Operativa (G.I.M.O.), realiza un
estudio de la velocidad económica para las fragatas F-100. Tras descartar los datos
proporcionado por la F-102, por verse una clara discordancia en su medición, se estima
la velocidad económica en modo Motores en 11 nudos con un consumo de 48.65
litros/milla.
En cuanto a turbinas, los datos obtenidos de las tres mismas fragatas son los
siguientes:
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TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
VELOCIDAD CONSUMO MODO TURBINASBUQUE NUDOS ltrs/hora ltrs/millaALVARO DE BAZAN 10 2200 220ALVARO DE BAZAN 12,5 2600 208ALVARO DE BAZAN 15 2800 186,666ALVARO DE BAZAN 17 3000 176,4705ALVARO DE BAZAN 21,5 4600 213,9535ALVARO DE BAZAN 22,5 5800 257,777ALVARO DE BAZAN 25,5 9000 352,941ALVARO DE BAZAN 27,5 9200 334,545454JUAN DE BORBON 10 2400 240JUAN DE BORBON 12 2600 216,666JUAN DE BORBON 14 3100 221,4285JUAN DE BORBON 16 3500 218,75JUAN DE BORBON 18 4200 233,333JUAN DE BORBON 19 5000 263,1578JUAN DE BORBON 20 5800 290JUAN DE BORBON 25 7600 304BLAS DE LEZO 11 2600 236,3636BLAS DE LEZO 12 2800 233,333BLAS DE LEZO 13 3400 261,5384BLAS DE LEZO 14 3600 257,14124BLAS DE LEZO 15 3800 253,333BLAS DE LEZO 16 4000 250BLAS DE LEZO 17 4200 247,36BLAS DE LEZO 18 4400 244,444BLAS DE LEZO 19 4700 247,36841BLAS DE LEZO 20 5000 250BLAS DE LEZO 21 5300 252,3842BLAS DE LEZO 22 5600 254,545454BLAS DE LEZO 23 5900 256,5214BLAS DE LEZO 24 6100 254,16666BLAS DE LEZO 26 8000 301,886BLAS DE LEZO 28 9600 342,85
Para este caso, la estimación de velocidad económica obtenida por el GIMO es de 15
nudos, con un consumo de 224,92 litros/milla.
Estas tablas han sido obtenidas de las F-100, la primera clase. En la F-105, habiendo
quedado probada la poca potencia que daban los BRAVO 12 a la plataforma, lleva
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TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
instalado motores BRAVO 16, con cuatro cilindros mas, teniendo una notable mejoría, y
dando unas velocidades mantenidas de 18 nudos incluso con mala mar.
De los datos obtenidos se puede ver una relación de consumos entre modo motores y
modo turbinas que, aunque van disminuyendo en tanto aumenta la velocidad, son
mucho más económicas para modo motores. Así, a 12 nudos, se observa que el
consumo en modo turbina es unas 9 veces mayor, a 15 nudos pasa a ser 6 veces más,
y a 18 nudos se consumen 4 veces más en modo turbina. También hay que mencionar,
que dando 18 nudos, estos motores están a su máximo régimen de revoluciones,
siendo poco recomendable tenerlos así por largos periodos de tiempo, mientras que la
turbina no llega al 60 % de la potencia que pueden dar.
Por lo tanto, hablando de su aplicación en propulsión, podemos sumar a la turbina los
puntos favorables de fiabilidad, posibilidad de alcanzar mayores velocidades, y su
flexibilidad en los cambios de regímenes de máquinas. Mientras que en los motores
diesel, destacan por sus bajos consumos, ideales para tránsitos a velocidad
económica, y patrullas a bajas velocidades.
2.2. COMPARATIVA EN GENERACION DE ELECTRICIDAD.
Como se ha mencionado anteriormente, para este análisis se ha elegido el Juan Carlos
I, que es la única plataforma de la Armada Española que utiliza motores, turbinas o una
combinación de ambas para generar corriente eléctrica. Dicha corriente eléctrica,
además, se utiliza para propulsar y dotar de todos los servicios a la plataforma
aeronaval más versátil de la historia de nuestra Armada.
El objetivo de esta comparativa de rendimientos y consumos es sacar conclusiones
para definir las ventajas y desventajas de los dos sistemas.
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TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
Generalidades del LHD “Juan Carlos I”
El buque tiene dos diésel generadores (en adelante D.G.) MAN 16V 32/40, de 16
cilindros en V y una turbina (T.G.) GENERAL ELECTRIC CM-2500 PI-MLG-09. Con
uno, dos o todos los sistemas en marcha, el portaaeronaves recibe la energía eléctrica
necesaria para afrontar lo que se le demanda en cada momento. Además, dispone de
un diésel generador extra que se usa principalmente en caso de “Black Out” para
restablecer la planta eléctrica.
Para profundizar en los distintos aspectos de la comparativa es necesario detallar las
distintas configuraciones de la planta eléctrica del buque en las diversas situaciones
operativas:
1. Atracado en puerto base (Base Naval de Rota): Corriente de tierra.
2. Atracado en puerto fuera de base: 1 D.G. arrancado.
3. Babor y Estribor de Guardia: 2 D.G. arrancados o 1 D.G. + 1 T.G. arrancada.
4. Zafarrancho de Combate: 2 D.G. arrancados + 1 T.G. arrancada.
5. Zafarrancho de Vuelo: 2 D.G. arrancados o 1 D.G. + 1 T.G. arrancada.
6. Zafarrancho Anfibio: 1 D.G. arrancado o 2 D.G. arrancados.
Consideraciones previas de los elementos generadores
Existen ciertas diferencias sustanciales entre los elementos generadores del LHD “Juan
Carlos I” y otras máquinas generadoras de las distintas plataformas de la Armada:
1. En lo que se refiere a diésel generadores, los dos MAN del LHD son más
grandes que los diésel generadores del resto de buques ya que deben generar
electricidad para un buque de enormes dimensiones que, además, usa la
electricidad para propulsarse. Así, los consumos que efectúan son más
parecidos a los que realiza un propulsor de un buque tipo fragata que a los que
realiza un diésel generador de ese mismo tipo.
2. La turbina de gas que monta el LHD, la CM-2500, es ligeramente distinta al resto
de turbinas que montan los otros buques de la Armada ya que está enfocada a
la generación eléctrica y no a la propulsión.
Los diesel generadores, al igual que en la mayoría de buques de la Armada se suelen
llevar la mayor cantidad de tiempo posible entre un 70% y un 80% de su rendimiento.11
TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
Los motores y la turbina se encuentran separados en dos cámaras de máquinas,
estando los primeros en la cámara de proa y la segunda en la cámara de popa. Este
diseño de planta dividida es fundamental para asegurar la capacidad de generación del
buque en caso de pérdida parcial de la planta eléctrica.
2.2.1 RENDIMIENTOS Y CONSUMOS
Para contribuir a la comparativa global del trabajo se va a reflejar los rendimientos y los
consumos de los diésel generadores y de la turbina en las diferentes configuraciones.
Dentro de cada configuración, se detallara la situación operativa que corresponde, los
consumos a los regímenes de potencia más habituales y aspectos de rendimiento que
resulten interesantes:
Un DG arrancado
Esta configuración es la correspondiente a la de buque atracado en puerto fuera de
base o, en ocasiones, si se pretende ahorrar, la que corresponde a zafarrancho anfibio
(buque usando PODS para mantenerse en el sitio y lanzar o recuperar embarcaciones).
En esta situación, teniendo en cuenta que el motor no debe estar a más del 80%, se
genera una potencia de 5958 KW y se consumen 1287 litros/hora.
Dos DG arrancados
Esta configuración es la que abarca más situaciones operativas posibles y la que más
se ha utilizado en los años operativos del buque, con el propósito de ahorrar en
combustible. Se contempla en Br y Er de guardia, en zafarrancho anfibio para no
depender de un solo motor, en zafarrancho de vuelo o en tránsito normal.
En esta situación, con los dos motores mantenidos al 80%, se genera una potencia de
11916KW y se consumen 2739 litros/hora. Además, en este régimen, se consiguen 130
rpm de giro de los PODS pudiéndose conseguir una velocidad máxima de 15 nudos.
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TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
Turbina de Gas arrancada
La turbina por sí sola da una potencia de 20.000 KW con un consumo de 5.900 litros
por hora, suficiente para afrontar la mayoría de situaciones operativas del buque. Sin
embargo, el Juan Carlos I en particular ha tenido problemas de regulación y
sustentación tras el arranque de la turbina, teniendo dificultades para mantenerla en
marcha. Por esta razón no se contempla que vaya arrancada sin el acompañamiento
de un motor puesto que si se parase, irremediablemente se produce una pérdida de la
planta eléctrica total con los inconvenientes que eso acarrea.
Turbina de Gas y un DG arrancados
Menos usada que la configuración con dos DG, sobre todo porque dispara el consumo,
es la otra configuración que daría garantías a la planta eléctrica del buque. Se
contempla en Br o Er de guardia o en zafarrancho de vuelo y permite incrementar
considerablemente la potencia y la velocidad del buque en situaciones que lo
requieran. Con ambos, se consigue una potencia máxima de 25958 KW para dar 170
rpm de los PODS, que se traduce en una velocidad máxima de 19,5 nudos.
Esta situación, aunque se ha dado durante pocas veces en la vida del buque presenta
un inconveniente principal: Si hay una variación de la demanda de energía, la turbina al
tener mayor rapidez de reacción asume toda la carga, y el diesel generador disminuye
su porcentaje de trabajo, de manera que existe el riesgo de ser arrastrado por la
turbina. Este efecto se denomina "potencia inversa" y tiene lugar debido a la falta de
repartidores asíncronos de carga. Esto ocurre al acoplar dos tipos de generadores
distintos. Para evitar estos efectos, lo más recomendable es que los generadores a
acoplar sean del mismo tipo y potencia. De hecho los LHD entregados a la Armada
Australiana sustituyen la turbina por otros dos motores diesel.
Para evitar el efecto de potencia inversa a bordo, si disminuye la demanda de
consumo se recomienda arrancar un segundo diesel generador y parar la turbina.
Turbina de Gas y dos DG arrancados
Es la configuración menos usada. Se utiliza solamente en zafarrancho de combate ya
que es la que más potencia y redundancia ofrece. Es la menos óptima si se relacionan13
TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
consumos/rendimientos. Arrancando un segundo motor, se aumentan
considerablemente los consumos y sólo se suben 5 revoluciones en los dos PODS lo
que aumenta apenas 1,5 nudos la velocidad llegando así a la velocidad máxima: 21
nudos.
Tras detallar los distintos tipos de configuraciones que se llevan a bordo y sus
consumos y rendimientos es necesario reflejar unos comentarios finales de este
apartado:
1. La turbina CM 2500 ha presentado problemas de sustentación tras el arranque en
varias ocasiones desde que el buque entró en servicio, principalmente por un problema
de software relativo a la regulación electrónica de la válvula de control de combustible.
Por este motivo, no se ha dado tanto uso a este elemento generador y por
consiguiente, se han aumentado considerablemente el número de horas de los diesel
generadores.
2. En el siguiente cuadro se reflejan las horas de los elementos generadores
HORAS/GENERADO
R
DG 1A DG 1B TURBINA
HORAS 12000 12725 105
3. Debido al hecho mencionado acerca de los problemas de la turbina, y a su poco uso,
los datos de consumo se consideran poco exactos para este estudio.
2.3. COMPARATIVA DE MANTENIMIENTOS.
Para este apartado se va a proceder mediante dos vías. En primer lugar se reflejara
una visión general de los costes de los mantenimientos programados de los motores
14
TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
diesel y las turbinas de gas. Por otra parte, se obtendrán de GALIA los costes de
mantenimientos incidentales y no programados de los motores y turbinas de algunos
buques ( principalmente JCI y fragatas F-100) en el mismo periodo de tiempo.
2.3.1. Mantenimientos programados.
Los mantenimientos programados de los motores se rigen por horas de
funcionamiento. La siguiente tabla muestra los tipos de mantenimientos programados
para un motor CATERPILLAR BRAVO 12 propulsor de cuatro F-100 como ejemplo.
Horasx1000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Escalón C3 C3 C4 C3 C3 C5 C3 C3 C4 C3 C3 C6
Desde el año 2007, estos mantenimientos se vienen ejecutando por el contrato
centralizado para motores diesel de la Armada. Los importes de mano de obra y
material han ido sufriendo actualizaciones con el transcurso del tiempo hasta el día de
hoy, donde en el contrato actual podemos encontrar los siguientes presupuestos para
los mantenimientos anteriormente señalados:
TIPO DE
MANTENIMIENTOPRECIO PLAZO (días)
C3 13.041.64€ 5
C4 55.410.49€ 15
C5 418.011.49€ 32
C6 605.171.10€ 60
Para las turbinas de gas hasta la fecha se han llevado a cabo las tareas periódicas
mandatorias (M) consistentes básicamente en la comprobación de la alineación
15
TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
respecto al reductor y soportado elástico del módulo. Quedando de la siguiente
manera:
TURBINA DE POTENCIA
EQUIPO TAREA DEFINICION PERIODO/HORAS PRECIO
7 LM 2500 PB 101-D GTB11 Inspección TP 0 €
7 LM 2500 PB 101-D GTB-12 Holgura alabes 6º 12500 50 €
7 LM 2500 PB 101-D OVH Overhaul 25000 2-4 mill€
GENERADOR DE GAS
EQUIPO TAREA DEFINICION PERIODO/HORAS PRECIO7 LM 2500 PF MLG12 GTB11 Inspección Generador de gas 0 €7 LM 2500 PF MLG12 GTB-24 Pines antirotación 6000 300-1200€
7 LM 2500 PF MLG12 GTB-22 Alabes 1º escalón 10000 15.000 €
7 LM 2500 PF MLG12 OVH Overhaul 20000 2-4 mill€
Dichas tareas se están realizando con auxilio de personal del taller de turbinas del
ISEMER el cual se apoya, cuando es necesario, con personal de NAVANTIA (hasta
hace poco, se realizaba con personal de la empresa ITP) o empresas locales.
Los cambios de los Generadores de gas (GG) y de turbinas de potencia (TP) de las
fragatas se efectúan con una periodicidad de 20.000 horas el GG y de 25.000 horas la
TP, tardándose aproximadamente dos semanas en sustituir un GG, y tres semanas en
la sustitución de la TP.
El coste aproximado de un OVERHAUL completo de la turbina, es aproximadamente
de 3.000.000 €, aunque pocas veces se hace completo ya que depende del estado en
el que se encuentren los elementos. Lo primero que se realiza es una inspección
completa del G.G. para ver qué elementos son renovados, cuales son saneados y
cuales pueden continuar en funcionamiento.
16
TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
Para hacerse una idea en tiempo, del periodo que abarcan 20.000 horas en
funcionamiento de una turbina en un buque COGAG, no ha sido hasta 2016 cuando se
ha sustituido el primer generador de gas de la fragata CANARIAS desde su entrega a
la Armada en 1994, y de los datos de turbinas de las F-100, la que más horas de
funcionamiento lleva apenas sobrepasa las 10.000 horas.
Un estudio realizado por el ramo de Casco del Arsenal de Ferrol refleja una
comparativa en los gastos de mantenimientos programados realizados en las fragatas
de la primera serie F-100 tanto en motores diesel de propulsión como en turbinas de
gas desde su entrega a la Armada hasta 2014. Los resultados descubrieron lo
siguiente:
BUI MOTORES
PROPULSORES
TURBINAS DE GAS
ADB 1.676.553,43 78.097,80
AJB 1.301.039,01 95.024,33
BDL 1.079.520,12 52.356,58
MNZ 1.540.502,95 3.928,34
TOTAL 5.597.615,51 229.407,05
Estos gastos contemplan los costes de mano de obra y material, así como los
correspondientes a las ampliaciones surgidas durante la realización de los mismos.
En el periodo de tiempo donde se han tomado esos gastos, la media de horas de
funcionamiento de los motores por cada fragata fue de 46.274 horas, mientras que las
horas de funcionamiento de las turbinas fueron de 16.559.
Con estos datos hemos estimado un valor que hace referencia a coste en
mantenimiento por horas de funcionamiento, que queda de la siguiente manera:
Coste en mantenimientos por hora de funcionamiento de motor: 31 €/h.
Coste en mantenimientos por hora de funcionamiento de la turbina: 4 €/h.
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TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
Como refleja la tabla superior, se puede observar que los gastos en mantenimientos de
motores diesel es unas 24 veces superior al gasto en mantenimientos de las turbinas
de gas, aunque si se ajusta al coste por horas de funcionamiento se reduce a 9 veces
mayor el coste de mantenimiento de los motores en un largo periodo de tiempo (10
años aproximadamente).
2.3.2. Mantenimientos Incidentales.
En la parte correspondiente a obras o mantenimientos incidentales, se ha recabado
información en GALIA, sobre los Partes de mantenimientos (PPMM) y obras solicitadas
tanto por la F-101 en concreto (primera de su clase) , tanto como por el Juan Carlos I,
en lo que a motores y turbinas se refiere, obteniéndose los resultados del ANEXO 1,
1. En el periodo que abarca desde enero de 2011 hasta el presente estudio en abril de
2018, el Juan Carlos I lleva acumulados 472.411.58 € en gastos relacionados con los
Diésel Generadores, y tan solo 33.606.52 € destinados a la Turbina de Gas. Como se
explicó en el análisis de los rendimientos de la turbina en el Juan Carlos I, debido a los
problemas en la regulación de la turbina, han hecho muy poco uso de la misma, por lo
que no es fiable esta comparativa para el estudio.
2.En el periodo de enero 2015 hasta el presente estudio, la fragata F-101 lleva
acumulados alrededor de 70.000 € en gastos relacionados a Motores propulsores con
9.567 horas de funcionamiento y cerca de 7.000 € destinados a las turbinas de gas con
3.180 horas de funcionamiento. Esto nos da una idea de un gasto aproximado a corto
plazo(3 años) de 7,3 eur/hora en motores, y de 2.2 eur/horas en la turbina de gas.
Esta comparación trata de reflejar los gastos incidentales asociados a ambos sistemas,
donde podemos ver que ante la sencillez de construcción de la turbinas, simplicidad y
equilibrio de fuerzas ( funcionamiento sin vibraciones) reducen las averías de estos
equipos, centrándose sus mantenimientos programados en comprobaciones en su
mayoría y resultando más económica la turbina.
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TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
Ahora bien, estos datos, como se puede ver, son para un uso mucho muy restrictivo de
las turbinas (un tercio del tiempo de uso de los motores), debido principalmente a su
alto consumo de combustible.
Si igualamos las horas de uso de la turbina y el motor diesel a la velocidad económica
de cada uno por un periodo estimado de 30 años, los datos muestran lo siguiente.
1 año 2 años 3 años 4 años 5 años 6 años 7añoshoras 8.760 17.520 26.280 35.040 43.800 52.560 61.320 4 años 9 años 13años 18 años 23 años 27 años 32 años
Litros 4.677.840 9.355.680 14.033.520 18.711.360 23.389.200 28.067.04032.744.88
0Millas nav. 92.251 184.502 276.753 369.004 461.255 553.506 645.757Coste Mant. 100.000 60.000 1.264.412 1.345.904 1.858.448 2.502.742 3.015.286Coste Comb. 935.568 1.871.136 2.806.704 3.742.272 4.677.840 5.613.408 6.548.976Obras 100.000 225.000 325.000 450.000 575.000 675.000 800.000Coste total 1.135.568 2.156.136 4.396.116 5.538.176 7.111.288 8.791.150
10.364.262
Años 6 años 13 años 19 años 26 años 32 años Litros 29.565.000 59.130.000 88.695.000 118.260.000 147.825.000 Millas nav. 131.400 262.800 394.200 525.600 657.000 Coste Mant. 700 16.000 6.020.000 6.040.000 9.000.000 Coste Comb. 5.913.000 11.826.000 17.739.000 23.652.000 29.565.000 Obras 12.000 26.000 38.000 52.000 64.000 Coste total 5.925.700 11.868.000 23.797.000 29.744.000 38.629.000
En la tabla se han utilizado las velocidades económicas obtenidas por el GIMO es
decir, 11 nudos con un consumo de 534 litros/milla con motores, y 15 nudos con un
consumo de 225 litros/milla con turbina. Las horas en rojo, son las horas de
funcionamiento continuadas. Para que la comparación se mas exacta, en vez de por
días de mar se han equiparado las horas de funcionamiento por millas navegadas,
siendo la media de una F-100 de 20.000 millas al año. De esa manera, en amarillo se
puede ver el tiempo que tardan en llegar a las horas de funcionamiento indicadas en
rojo. Y en verde está indicado el coste total, sumando combustible consumido,
mantenimientos programados y mantenimientos incidentales. 19
TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
Esta es la representación de la tabla en una gráfica de coste total por años de vida :
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 310
5000000
10000000
15000000
20000000
25000000
30000000
35000000
40000000
45000000
AÑOSMOTORTURBINA
Del estudio se obtiene, que a partir del primer OVERHAUL de la turbina, la media del
coste de mantenimiento de la turbina es más elevado que el del motor, disparándose
en el segundo OVERHAUL. A esto hay que sumar, que la turbina va a tener un
consumo al menos 3 veces mayor que el motor lo que supone la mayor parte de la
diferencia de costes.
2.4.IMPACTO MEDIOAMBIENTAL
Uno de los puntos que se han estudiado para la comparativa entre motores diesel y
turbinas de gas es el impacto medio ambiental de los mismos. La comparativa del
impacto medio ambiental se planteó para estudiar dos aspectos diferentes: Emisiones e
impacto acústico de motores y turbinas.
En el estudio del impacto acústico se ha investigado a través de NAVANTIA y ramos de
arsenales de apoyo. A día de hoy, no existe ninguna medición de ruidos en los motores
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TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
o las turbinas que sirvan para detectar exceso de ruido o frecuencias perjudiciales para
la fauna marina. Si se toma mediciones en las cámaras por parte de seguridad
operativa de la FLOTA mediciones para el personal que opera en las cámaras. La única
medida asociada a los ruidos de alta frecuencia de la turbina es el modulo que la
contiene, al que es imposible acceder mientras está en funcionamiento, y permite las
rondas y trabajo en la cámara aunque esté la turbina arrancada.
A la hora del estudio de las emisiones se ha obtenido algo más de información. En lo
que se refiere a los motores diésel, se ha averiguado a través de la ICOFER que en las
especificaciones de los mismos, NAVANTIA entrega los motores de los barcos de
nueva construcción con una especificación de emisiones según el convenio MARPOL
anexo VI "Reglas para prevenir a contaminación atmosférica ocasionada por los
buques" . Sin embargo, a lo largo de la vida útil del motor no se miden emisiones ni a
bordo de las unidades ni en periodos de mantenimientos por parte de NAVANTIA. En
los manuales técnicos de los motores, en su apartado de impacto medioambiental, sólo
se hace referencia al uso del combustible y aceites adecuados, así como su correcta
sustitución y reciclaje.
Con estos datos de NAVANTIA al entregar el motor, y el certificado del barco de que se
han hecho los mantenimientos correspondientes, la Jefatura de Apoyo Logístico emite
los certificados del ANEXOIV de MARPOL.
El subgrupo ENPRO de la GRUPLAT, y en las Juntas de Combustibles y Lubricantes
de la Armada, se ha realizado un estudio sobre el posible uso de aditivos como la
UREA (de nombre comercial Ad-Blue en los vehículos diésel de nueva matriculación)
para hacer que tras combustión se reduzca la emisión de gases tóxicos y
contaminantes como los NOX y los SOX a la atmósfera.
Tras el estudio, se determinó que: " La adaptación de las unidades para añadirles el
tanque de urea, e instalar todos los equipos y sistemas auxiliares para su empleo a
bordo (tuberías, bombas...) e implementar el sistema en los motores es muy alto,
afecta a la estabilidad y de desplazamiento del buque. Se estima (sin realizar un
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TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
estudio económico que lo avale), que el coste-beneficio de la instalación en las
unidades actuales es demasiado alto."
A pesar de ello, se abre la ventana al uso de UREA en los buques de nueva
construcción, aunque en las F-110 ya ha sido rechazado por los mismos motivos.
Además se suma el inconveniente de que nuestros buques de aprovisionamiento no
tienen tanques reservados para suministrar este aditivo.
Aunque la Armada y los buques de guerra en general no están regidos por la normativa
civil internacional de la OMI que regula las emisiones de NOX (Código técnico sobre los
NOX de 2008) se desconoce si se prevé establecer una línea de acción que aproxime
medioambientalmente los motores navales a los motores marinos.
Para finalizar, se concluye en este apartado que la información existente, aunque
complementa el trabajo, no sirve para comparar motores diésel y turbinas en temas de
impacto medioambiental.
3.VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Una vez completado el análisis de los principales factores a comparar, se pueden reunir
las ventajas y desventajas de las turbinas de gas frente a los motores diésel.
VENTAJAS DE LA TURBINA.
En primer lugar, se podría decir que la mayoría de las ventajas de la turbina de gas
derivan de su SIMPLICIDAD. Sus partes en movimiento, compresor y rotor, en un
mismo eje axial, no tienen fuerzas desequilibradas, por lo que tiene un funcionamiento
suave y, sobre todo, sin vibraciones (ya se ha visto lo ventajoso que resulta esto en la
prevención de averías). Todos sus equipos auxiliares son sencillos y funcionan con la
fuerza de la propia turbina.
Su principal ventaja es la alta relación POTENCIA/PESO, alcanzando velocidades
muy superiores a las que pueden proporcionar los motores en propulsión, o generar
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TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
potencia eléctrica equivalente a dos DDGG, además de una rápida entrada en
servicio, pues una vez arrancada y alcanzada la velocidad de ralentí, la turbina se
puede acelerar a plena carga en pocos segundos sin necesidad de periodos de
calentamiento.
Son mas económicas en cuanto a mantenimientos. Se ha comprobado en el
apartado de mantenimientos, que debido a su simplicidad, y pocas vibraciones, tienen
un menor coste, tanto de averías o mantenimientos incidentales, como de
mantenimientos programados.
DESVENTAJAS DE LA TURBINA.
Por contrapartida, su principal desventaja es el alto consumo de combustible (entre 4
y 9 veces más que los motores diesel) poco compatible con estos tiempos de
austeridad en la Armada. Derivado de este elevado consumo de combustible resulta
una menor autonomía sin repostar de la plataforma.
Necesitan de una estación de mantenimiento y reparación. Salvo pequeñas
excepciones, las turbinas no van a poder ser reparadas a bordo, y tendrán que ser
desmontadas y reemplazadas por otra nueva o reparada. Una operación que puede
llevar de dos a tres semanas.
El alto nivel de ruidos de alta frecuencia hace necesaria la instalación de un modulo
para que no afecte al personal de la cámara.
Desde el punto de vista operativo, por un lado tenemos una reducción de ruidos de
baja frecuencia ( propio de los movimientos alternativos de los motores diesel) lo que
reduce la posibilidad de detección por sonar, y como desventaja la gran cantidad de
calor en los gases de exahustación que hacen que sea un blanco fácil a los
detectores de calor e infrarrojos. Problemas que a su vez se intentan reducir con
sistemas enfriadores de gases de escape o señuelos de infrarrojos. Por otra parte,
siempre nos van a dar una mayor potencia, necesaria para darle mayor
maniobrabilidad al buque en situaciones de escoltas, cortinas de sectores, operaciones
de vuelo..etc
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TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
VENTAJAS DE LOS MOTORES.
En cuanto a los motores diésel, destaca como principal ventajas que son sistemas
compactos y robustos, en la mayoría de los casos se van a poder afrontar las averías
que sufran con personal y material del primer escalón de mantenimiento y al contrario
que las turbinas de gas, tienen un consumo reducido, que dota a la plataforma de
mayor autonomía.
DESVENTAJAS DE LOS MOTORES.
Por otra parte, se pueden achacar las siguientes desventajas a los motores:
Su alta demanda de mantenimientos programados, así como sustitución de diversos
elementos y lubricantes hacen que, a la larga, tengan un coste mucho más elevado
que las turbinas.
Como se dijo anteriormente, están sometidos a movimientos alternativos, produciendo
altas vibraciones, de las que resultan en primer lugar una mayor posibilidad de
averías, y en segundo lugar, vibraciones de baja frecuencia, fáciles de detectar con
sonar.
4.CONCLUSIONES
Tras este estudio, se ha llegado a las siguientes conclusiones:
1. Las características de flexibilidad, rapidez de entrada en servicio y , por supuesto,
mayor potencia, hacen de la turbina el sistema de propulsión necesario para buques
de gran desplazamiento destinados a funciones de escolta, dotándolos de gran
maniobrabilidad para las acciones que les sean requeridas.
2. A la hora de generar electricidad, hay problemas de distribución de carga cuando se
acoplan diferentes elementos generadores, corriendo el riesgo del efecto de
POTENCIA INVERSA, por lo que la mejor opción es distribuir la planta con dos turbinas
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TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS
y dos motores, de forma que puedan funcionar dos a dos, o directamente, montar 4
diesel generadores.
3. A la hora de gastos en mantenimientos, por los factores estudiados y datos
recopilados, a día de hoy salen más baratos los mantenimientos de las turbinas, ya que
se tienen menos horas de uso, y sus gastos mantenimientos hasta el OVERHAUL son
mínimos. Sin embargo, a iguales horas de uso, tanto por consumo por mantenimientos
es más cara la turbina.
6.BIBLIOGRAFIA.
-PUBLICACIONES E.E. Antonio de Escaño:
Turbinas de Gas marinas. Turbina de gas LM-2500. PE-EYP 626(A)
Motores de combustión interna. PE-EYP.203(A)
Motores específicos combustión interna.
TURBINAS DE GAS. Publicación nº103.
Manuales técnicos:
- TG-LM2500-GEK50501
-Motor MTU 396
-MOTOR BRAVO 12.
-MAN
-Oferta económica NAVANTIA Motores.
-GALIA.
-Intranet Armada.
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