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8/20/2019 DISEÑO BUQUE TESIS.pdf

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EL PROYECTO DEL BUQUE


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EL PROYECTO DEL BUQUE............................................................................ 1

Definiendo Objetivos..................................................................................................................................2

Principios básicos que gobiernan el proyecto del buque.........................................................................2

Las Fases del Proyecto del Buque............................................................ ................................................. 3

EL PROYECTO CONCEPTUAL........................................................................ 6

EL PROYECTO CONTRACTUAL ..................................................................... 8

Aspectos Principales del desarrollo del Proyecto Contractual...............................................................8

DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE .............................................................. 10

Limitaciones dimensionales ........................................................... ........................................................ ..10

La Dimensión Crítica ........................................................ ............................................................. ..........11 Buques de Peso ............................................................. ............................................................... ..........12 Buques de volumen................................................................................................................................14 Buques en los que la velocidad es crítica...............................................................................................15 Otras dimensiones críticas......................................................................................................................15

Dimensionamiento....................................................................................................................................15

Ecuaciones para buques de peso ............................................................... ............................................. 15 Ecuaciones para buques de volumen......................................................................................................16 Relaciones entre dimensiones ............................................................... ................................................. 17 Estimación de CB ...................................................................................................................................19 Estimación de otros parámetros de formas.............................................................................................19 Dimensionamiento Básico .............................................................. ....................................................... 20

DISEÑO DE FORMAS ..................................................................................... 22

Definición de los Parámetros de Formas................................................................................................23

Definición de las Formas..........................................................................................................................23

Derivación de formas.............................................................................................................................23 Generación de formas ......................................................... ................................................................. ..24 Series sistemáticas de formas.................................................................................................................24

Evaluación Técnica...................................................................................................................................24

INTRODUCCIÓN A LA TEORÍA DEL BUQUE................................................ 27

Descomposición de la Resistencia al Avance..........................................................................................27

CRITERIOS BÁSICOS DE DISEÑO DE FORMAS ......................................... 31

Análisis de las zonas de proa y popa.......................................................................................................31


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Curva de áreas seccionales ............................................................ ........................................................ ..35

Obtención Experimental de la Resistencia al Avance y del Rendimiento Propulsivo ........................35

Estimación de la Resistencia al Avance El Método de Holtrop y Mennen..........................................39

DISPOSICIÓN GENERAL ............................................................................... 41

Forma y disposición de los elementos transversales y longitudinales .................................................. 42 Disposición de los mamparos transversales...........................................................................................42 Disposición de las cubiertas...................................................................................................................43 Disposición de los mamparos longitudinales.........................................................................................44

Distribución de espacios...........................................................................................................................44 Espacios de almacenamiento y manipulación de la carga......................................................................45 Espacios de maquinaria..........................................................................................................................45 Tanques de consumos ......................................................... ................................................................. ..46 Alojamientos..........................................................................................................................................48

Disposición de accesos...........................................................................................................................48 Grandes huecos ....................................................... ........................................................... ....................49 Aislamiento de espacios.........................................................................................................................49

DISEÑO ESTRUCTURAL................................................................................ 50 Elección del tipo de estructura ............................................................. .................................................. 51 Cálculo de la Estructura ......................................................... .............................................................. ..51 Espaciado de los elementos transversales o longitudinales....................................................................54 Forma y Estructura de los Mamparos y Cubiertas ............................................................. ....................54 Minimización del peso de acero y/o de producción...............................................................................55

EL SISTEMA PROPULSIVO ........................................................................... 56

Tipos de Sistemas de Propulsión.............................................................................................................56

Hélice .......................................................... ................................................................. ..............................56 Hélices en Tobera...................................................................................................................................56 Hélices de Extremos de Pala Cargados..................................................................................................57 Hélices Contrarrotativas.........................................................................................................................57 Propulsores de Eje Vertical....................................................................................................................58 Propulsores a chorro...............................................................................................................................59 Vela........................................................................................................................................................59

Generadores de Potencia .......................................................... ............................................................. ..59

Selección del Motor Principal (motor diesel directamente acoplado a la hélice)................................62

Selección de una Hélice de Serie..............................................................................................................64

SISTEMAS BÁSICOS DEL BUQUE................................................................ 66

Sistema de Alimentación de Combustible ................................................................ ..............................66

Sistema Eléctrico ........................................................... ................................................................ ...........69 Balance Eléctrico ........................................................ ................................................................. ..........69

Sistema de Enfriamiento..........................................................................................................................71 Sistema de Gobierno .............................................................. ................................................................. .73


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CÁLCULO DEL DESPLAZAMIENTO ............................................................. 76

Peso en Rosca............................................................................................................................................76 Peso de la Estructura..............................................................................................................................77 Peso de la Maquinaria............................................................................................................................83 Peso del Equipo......................................................................................................................................84

Peso Muerto ............................................................... ........................................................... ....................85

REFERENCIAS................................................................................................ 86


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El Proyecto del Buque

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El proyecto es un proceso iterativo

Dado que se busca que el diseño sea óptimo, es necesario definir un proceso iterativo, demanera que en cada paso las características del proyecto mejoren (en un sentido que debedefinirse) a las anteriores, que se tomaron como punto de partida.Algunas variaciones del diseño inicial, pueden conducir a obtener características peores, o queno cumplen con alguna de las especificaciones iniciales. Esto puede deberse a una inadecuada planificación del proceso de diseño, o al insuficiente conocimiento de alguno de los aspectos del proyecto.Las herramientas utilizadas en el proceso deben ser adecuadas (precisión, complejidad, ...) a lasituación en el proceso de diseño.

El proyecto es un proceso cíclico (red)Como hemos visto, el proceso de diseño puede dividirse en fases, en función de la precisión dela definición del proyecto. Para conseguir los objetivos de cada una de esas fases, es necesariodesarrollas los diferentes aspectos que componen el proyecto de un buque.En algunos casos, el proceso iterativo puede sustituirse por un análisis de diferentes alternativas.Este tipo de actuación se lleva a cabo en múltiples ocasiones, cuando la complejidad del diseñoimposibilita un desarrollo iterativo. Las conclusiones de este análisis llevarán a elegir la opciónmás óptima de entre las consideradas.

Estas características del proyecto del buque hacen que habitualmente se represente en forma deuna espiral, que representa esos dos aspectos de iteratividad y ciclicidad.


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Para más información ver la referencia [1].

Definiendo Objetivos

Una de las primeras fases que es vital realizar antes de iniciar un proyecto es la definición de losobjetivos. Estos objetivos deben estar ordenados en función de su prioridad, de manera que lalista ordenada que formen, facilite la toma de decisiones en el caso de soluciones antagónicas.

Cuando se definen objetivos es vital diferenciar entre cantidades que son esenciales (a las quedenominaremos especificaciones de diseño) y aquellas que sólo son deseables y que por lo tanto pueden ser modificadas si su cumplimiento implica un coste excesivo o va en detrimento delcumplimiento de un objetivo de una meta más importante. En general estas especificaciones dediseño estarán en muchos casos definidas por las características fijadas por el armador. En elcaso del diseño de un buque mercante, estas especificaciones se originan en un estudio deltransporte, que examina los aspectos económicos de un determinado servicio o ruta.

Es importante que cuando se planteen los objetivos, se haga con la mente abierta, sin tener encuenta ningún tipo particular de diseño que se tenga en mente. De otra forma, los objetivosconstreñirían innecesariamente el desarrollo del diseño, en el caso de que el proyecto final nosiga el inicialmente pensado.

Principios básicos que gobiernan el proyecto del buque

El proyecto debe satisfacer todos los requisitos especificados por el armador. En cualquier caso,resulta de gran ayuda para el proyectista que aquél establezca un orden de prioridades en lasespecificaciones, para el caso excepcional en el que se considere inviable el cumplimiento detodas ellas.


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El buque debe cumplir todos los requisitos legales aplicables, que incluyen conveniosinternacionales y legislación nacional que tratan del diseño, estructura, equipo, propulsión,habitabilidad, .... Asimismo se deben cumplir otros requisitos definidos por las costumbres de lamar, cuya inobservancia puede resultar negativa para el rendimiento de la tripulación.

Se debe considerar prioritario que cada función se realice en el barco de la manera más eficiente posible. Para ello se elegirá una adecuada situación y espacio adecuado para todos los servicios,de manera que la maniobra sea segura y eficiente en todas las condiciones de navegación. Esevidente que este requisito obligará a tener que armonizar decisiones antagónicas. En ese casodebe darse preferencia al servicio que tenga una mayor contribución al rendimiento global del buque.

La minimización del coste, tanto inicial como de funcionamiento, debe ser un objetivo

prioritario.

Se ha de considerar en todo momento el impacto de las decisiones técnicas en la actuación de lafutura tripulación. El rendimiento de un buque depende de manera significativa de la eficacia de

las personas que lo manejan, por lo que una característica que pueda ser fuente de problemas,debe evitarse.Para asegurar el funcionamiento eficiente de un buque, los tripulantes deben tener la capacidadde desplazarse, rápida y fácilmente desde sus alojamientos a sus puestos de trabajo. Asimismolos medios de escape deben ser lo suficientemente ágiles. No deben existir espacios inútiles. Además, todas las partes del buque deben ser accesibles paralos trabajos de mantenimiento.La preocupación de la sociedad actual en los aspectos medioambientales, se está viendo cadavez más reflejada en la legislación actual. Aparte del mero cumplimiento de la legislación, la búsqueda de la reducción del impacto ambiental en la construcción y operación, así como las posibilidades de reciclaje al final de la vida útil, debe estar entre los objetivos del desarrollo del proyecto desde su fase inicial.

Las Fases del Proyecto del Buque

El proyecto del buque habitualmente se divide en tres fases:

o Proyecto Conceptualo Proyecto Contractualo Proyecto de Construcción

El objeto de la fase de Proyecto Conceptual es la determinación de la viabilidad del proyecto.

Se parte de unos datos muy básicos (peso muerto, capacidad de carga, velocidad, dimensiones principales y sus relaciones, coeficientes de carena, ...) a partir de los cuales debe definirse unacombinación de mayor rendimiento económico.


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Los resultados principales de la fase del Proyecto Conceptual son:

o Determinación de la viabilidad o no del proyecto.o Estimación del coste de la obra (construcción y operación).o Definición de las especificaciones de la obra.

El desarrollo de la fase de Proyecto Contractual obedece a la necesidad de ofrecer soportetécnico al contrato de construcción del buque.Incorpora las actividades del proyecto encaminadas a comprobar que se cumplen losrequerimientos impuestos, tanto comerciales como de seguridad, con unos márgenes adecuados.El resultado de este proceso es el desarrollo de un contrato de construcción, que incluye:

o Definición suficientemente precisa de las características de la obra (disposición general, potencia propulsora, potencia eléctrica, sistemas de carga, ...).

o Definición de los costes de la obra.o Elaboración de la oferta económica del constructor.o Definición precisa de las diferentes calidades.

Es habitual identificar dos partes dentro de la fase de Proyecto Contractual. Estas son: elProyecto Preliminar, que incluye las actividades de elaboración del diseño necesarias para darsoporte a la oferta del constructor y el Proyecto Contractual propiamente dicho.

Finalmente, el Proyecto Detallado o de Construcción incluye el desarrollo pleno del proyectohasta la obtención de toda la documentación que es necesaria para la construcción de la obra.El resultado de este proceso es:

o Elaboración de todos los documentos que se requieren para la aceptación del inicio de laobra por parte de las autoridades, así como para la aprobación de la misma por parte dela Sociedad de Clasificación correspondiente (u otras entidades reguladoras).

o Planificación y desarrollo del proceso constructivo.


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o Elaboración de planos detallados y otro tipo de documentos necesarios para apoyar el proceso constructivo.

o Elaboración de documentación y manuales para el uso y mantenimiento de equipos ysistemas.

Es asimismo común subdividir esta fase en el denominado Proyecto de Clasificación, queincluiría las actividades necesarias para obtener aprobación de la obra por parte de la Sociedadde Clasificación correspondiente (u otras entidades reguladoras) y el Proyecto de Construcción propiamente dicho.


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El Proyecto Conceptual

Como ya se ha indicado, el objeto de esta fase es la determinación de la viabilidad del proyecto.Habitualmente se parte de unos datos muy básicos (peso muerto, capacidad de carga, velocidad,

dimensiones principales y sus relaciones, coeficientes de carena, ...) a partir de los cuales debedefinirse una combinación de mayor rendimiento económico.

En el caso más general el análisis se hace para una flota de buques, dado un volumen demercancías a transportar en unas rutas geográficas determinadas y teniendo en cuenta laslimitaciones económicas de la inversión para cada opción.Para cada opción se lleva a cabo una simulación, haciendo un cálculo de tiempos (simulación demovimientos, simulación de actividades de carga y generación de un calendario de flota),cálculos de capacidad (cantidad de carga y consumo de combustible) y cálculo de costes (costede construcción, coste operacional de la flota e ingresos provenientes del flete.

Los resultados de este proceso son:

o Determinación de la viabilidad o no del proyecto.o Estimación del coste de la obra (construcción y operación).o Definición de las especificaciones.

Las especificaciones resultado del proyecto conceptual, habitualmente incluyen:

o Número de buqueso Vida útilo Rutas contempladaso Capacidad de cargao Peso muertoo Número de tripulantes y pasajeroso Sistema de manejo y almacenamiento de carga y su capacidado Autonomíao Velocidad en pruebas a plena cargao Tipo de planta propulsorao Posibles factores limitativos (p.ej. limitaciones en calado)o Reglamentos nacionales aplicables y otras regulaciones a cumpliro Sociedad de Clasificación y cota a obtener

El desarrollo del proyecto conceptual implica:

o Estudio de mercado y predicción del flujo de carga entre pares de puertos en el área denavegación.o Análisis de puertos (congestión, tarifas, velocidad de manejo de carga,

equipamiento, ...) y elección de rutas de navegación.o Llevar a cabo proyectos conceptuales para diferentes tipos de buques. Se puede partir

inicialmente de las dimensiones principales, velocidad y una estimación del coste deconstrucción. A estos datos se les añade la experiencia del armador y diseñador ydiferentes bases de datos.

o Determinación de la configuración de la flota. Se analizarán diferentes alternativas de laconfiguración de la flota (número de buques de buques de la flota para una velocidad,dado el volumen de transporte anual requerido) para una ruta.

o Optimización o elección de una banda (conjunto de configuraciones) óptima. Para ello

se requiere la elección de la cifra de mérito (criterio de optimización) adecuada.


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o Estudios de sensibilidad. Análisis del efecto sobre la cifra de mérito de la variación delas diferentes variables.

La realización de las tareas mencionadas anteriormente, habitualmente se lleva a cabo mediante programas de ordenador capaces de simular la operación de una flota de buques, definidas unasrutas de navegación. Estos programas requieren la automatización del proceso de selección de lamejor alternativa, para lo que se utiliza la cifra de mérito.

La cifra de mérito es un criterio de optimización (decisión) para la elección de la mejorconfiguración, que puede ser evaluado numéricamente. Los más comunes son:

o Coste de Construcción mínimo. Es un criterio ventajoso para el astillero, aplicable si el buque ya está contratado o cuando se quiere hacer una oferta muy económica.

o Inversión Total mínima (coste de construcción + gastos del armador). Es un criterioventajoso para el armador si sólo le interesa minimizar el coste inicial.

o Coste de Ciclo de Vida mínimo (coste de construcción + gastos del armador + gastosoperativos anuales actualizados). Es un criterio del armador que tiene en cuenta los

gastos operativos (pero no los ingresos).o Flete requerido mínimo. Es un criterio del armador que elige como mejor opciónaquella que requiere el menor flete mínimo para comenzar a dar beneficio.

Beneficio = Flete × Carga_Anual – Gastos_Anuales

o Otras opciones más complejas que tienen en cuenta efectos como la amortización o eltiempo de recuperación de la inversión.


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El Proyecto Contractual

El desarrollo de esta fase obedece a la necesidad de ofrecer soporte técnico al contrato deconstrucción del buque.

Incorpora las actividades del proyecto encaminadas a comprobar que se cumplen losrequerimientos impuestos, tanto comerciales como de seguridad, con unos márgenes adecuados.El resultado de este proceso es el desarrollo de un contrato de construcción, que incluye:

o Definición suficientemente precisa de las características de la obra (disposición general, potencia propulsora, potencia eléctrica, sistemas de carga, ...).

o Definición de los costes de la obra.o Elaboración de la oferta económica del constructor.o Definición precisa de las diferentes calidades.

El punto de partida de este proceso es normalmente un buque base. Este término se refiere a un proyecto similar, del que se pueda disponer de información suficiente y que pueda servir de guía

para las primeras fases del proyecto.A partir de las características del buque base se pueden estimar aspectos críticos comoestabilidad, francobordo, potencia, ... Las primeras estimaciones cambiarán necesariamente amedida que avance el proyecto.

Aspectos Principales del desarrollo del Proyecto Contractual

Cálculo de Potencia y PropulsiónEstimación o cálculo de la potencia necesaria y de las características básicas del equipo propulsor y de maniobra.

Definición de FormasSe realiza el plano de formas del buque intentando cumplir, además de los requisitos de buencomportamiento hidrodinámico, otras características definidas.

Cálculo del peso en rosca y de la posición del centro de gravedad del buque.

Compartimentado / Disposición GeneralEs necesario disponer las cubiertas y mamparos como paso inicial para llevar a cabo ladisposición general.

Definición de Capacidades y Cálculo del Arqueo

1. Se definen las dimensiones de todos los tanques y se cubican.2. Posteriormente se realiza el cálculo del arqueo y francobordo del buque.

Definición EstructuralDiseño de la cuaderna maestra, en primer lugar, y definición posterior precisa de la estructuradel buque.

Maniobrabilidad y Comportamiento en la MarSe lleva a cabo un análisis de las características del buque respecto a su maniobrabilidad ycomportamiento en la mar.

Definición de la Planta Propulsora y Otros sistemas del buqueSe definen de manera concreta las características y disposición del equipo propulsor, así comoel resto de sistemas del buque.


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Estabilidad Intacto / Estabilidad en avería1. Es necesario definir las diferentes situaciones de carga para, posteriormente, llevar a

cabo el análisis de la estabilidad para el buque intacto.2. Se lleva a cabo un estudio de la estabilidad del buque ante averías.3. Se analiza la resistencia longitudinal de la estructura.

Análisis de Costes.Se evalúan las magnitudes económicas (de entre las cuales, la principal es el presupuesto), alobjeto de facilitar la toma de decisiones.


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Dimensionamiento del buque

Durante las primeras fases del desarrollo del proyecto del buque es esencial realizar un

dimensionamiento del mismo. Este término se refiere a la obtención de las dimensiones ycaracterísticas principales del buque a partir de la especificación de alguna o algunas de ellas.

En general, la eslora puede considerarse como la característica reina, ya que a partir de suconocimiento, pueden derivarse con relativa sencillez muchas de las características principalesdel buque.

La obtención de la eslora puede hacerse de tres formas principales:

o Explícitamente, cuando exista una restricción de la dimensión de la eslora o unaespecificación sobre la longitud del buque. Por ejemplo, a partir de especificacionestales como la longitud de los espacios de carga, se puede obtener la eslora del buque

añadiendo a este dato, la eslora de la cámara de máquinas, de los piques de proa y popay de otros compartimentos que puedan ser necesarios.

o A partir de relaciones de base experimental que ligan la eslora con la resistencia alavance. En general estas fórmulas relacionan la eslora con el número de Froude y elcoeficiente de bloque. Estas fórmulas pretenden establecer un equilibrio entre lageometría del buque y una potencia propulsiva razonable.

o A partir de relaciones de base experimental, que permitan estimar relaciones entre lasdimensiones principales. Una vez obtenidas estas relaciones, la eslora se puede obtenera partir de las condiciones que imponga la característica más crítica del proyecto.

En muchos casos, el proceso de dimensionamiento se comienza con la determinación de laeslora, a partir de las especificaciones del proyecto, para luego obtener el resto de dimensiones.Sin embargo, en este apartado presentaremos un procedimiento racional para obtener lasdimensiones principales del buque, que deriva la eslora de las restricciones que imponga lacaracterística más crítica del proyecto.

Es importante mencionar que en el proceso de dimensionamiento, las características principalesque se especifiquen pueden conllevar la aparición de limitaciones físicas u operacionales enotras dimensiones. Así por ejemplo, una vez definidos en un buque el peso muerto y lacapacidad de bodegas, pueden presentarse limitaciones en la eslora, por ejemplo debido a lasnecesidades de maniobra en un puerto determinado, en la manga, por el tránsito por un canal, enel calado por la profundidad disponible en puerto, …

Limitaciones dimensionales

Las dimensiones principales (y otras características) del buque están sometidas a determinadaslimitaciones que pueden ser específicas del astillero (por dimensiones de las gradas o diques deconstrucción) o genéricas (por el tráfico del buque). Las limitaciones dimensionales puedenimponer una restricción en la eslora, manga, calado o puntal, o bien en varias de estasdimensiones.Una limitación en la eslora puede ser impuesta por las dimensiones de los canales o muelles.También puede aparecer por la necesidad de virar el barco en un paso estrecho. En cualquiercaso es importante reflexionar profundamente sobre las consecuencias de esta limitación, en elcaso de que esta pueda llevar a una eslora menor que la que sería deseable si no existiera estalimitación.


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Adicionalmente, se han de considerar las restricciones que pueden introducir los distintosreglamentos (Sociedades de Clasificación, Autoridades Nacionales u OrganismosInternacionales).Existen otras limitaciones, como el calado aéreo para el paso del buque bajo puentes, o para elastillero constructor producidas por obstáculos en el recorrido del buque durante la botadura osalida al mar.

Figura 1. Limitaciones de los principales canales y calados máximos de puertos para graneleros.Fuente: R. Alvariño, J.J. Azpíroz y M. Meizoso. El proyecto básico del buque mercante.FEIN. Madrid 1997.

La Dimensión Crítica

En el momento de fijar los requisitos de un diseño, y más a la hora de convertir estos en undiseño, es muy importante identificar cuál de esos requisitos puede convertirse en crítico. Engeneral identificaremos como crítica una sola dimensión, aunque lo habitual es que una o másdimensiones sean o puedan ser críticas. Por ejemplo, la velocidad es habitualmente un aspectocrítico en el proyecto del buque, que normalmente obliga a un cuidadoso diseño de formas, conel objeto de reducir al máximo la resistencia al avance. Por ello, cuando, por ejemplo, digamosque el peso es la dimensión crítica, estamos realmente hablando de la dimensión más crítica, locual presupone que la velocidad será seguramente también una dimensión crítica.


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Buques de Peso

El peso (desplazamiento) es un aspecto crítico para la mayoría de los barcos (aunque, como entodo, existen excepciones). En cualquier proyecto, el diseñador ha de lograr que el empuje(dado por el volumen de la obra viva) sea, como mínimo, igual al peso muerto más el resto de

pesos inevitables para el buen funcionamiento del buque y que todo el volumen del buque permita ubicar toda la carga y los restantes servicios del buque. Es por ello que el peso será unaspecto dominante en aquellos barcos cuya carga sea especialmente “pesada” en relación alespacio que ocupará, es decir la densidad de la carga será elevada.

Denominaremos Buques de Peso a aquellos que, por transportar cargas muy densas o de bajocoeficiente de estiba, tienen como condicionamiento más restrictivo el peso. Un ejemploextremo de este tipo de barcos sería un transporte de mineral de hierro.

La decisión sobre si un buque tendrá como condicionante crítico el peso o no, puede tomarsesimplemente analizando el tipo del buque, o de manera más precisa analizando el valor límite dela densidad de carga (LDC) que se define como la relación entre el peso muerto de la carga y

el volumen de los espacios de carga:

carga total

carga total

carga totalcarga

total

DWT DWTDWT DWT

LDC =

×∆

=∇ ∇∇

×∇ ∆

Ecuación 1. Cálculo de la densidad de carga

Llegados a este punto es importante recordar que se denomina peso muerto (DWT) al peso de lacarga, pasaje, tripulación, pertrechos y consumos, es decir, el resto del desplazamiento que no pertenece a la partida de peso en rosca.

Si denominamos C B al coeficiente de bloque hasta el calado T y C’ B al coeficiente de bloquehasta el puntal D, podemos rescribir la Ecuación 1 como:

carga total

carga total

cargacarga

total

DWT DWTDWT DWT

LDC=

1025 B

B

C D

C T

× ∆ =∇∇ ′ ×

× ∇ × ×

Ecuación 2. Cálculo de la densidad de carga

La Ecuación 2 nos ofrece una forma de determinar cuándo un buque tendrá como condicionantecrítico el peso. El procedimiento consiste en estimar los diferentes parámetros1 de la Ecuación 2a partir de datos disponibles de construcciones típicas. Si la densidad de la carga del buque esmayor que el valor LDC calculado, el peso será crítico en el proyecto .

1 Si no se conoce un valor más aproximado de la relación DWTcarga/DWTtotal, puede tomarse un valor entorno a 0.90.


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En las tablas siguientes se muestran las relaciones características entre pesos y volúmenes paraalgunos tipos de buques.

Peso muerto

totalDWT

Relación Peso muerto / Desplazamiento

totalDWT

∆

Buques tanque y graneleros20 000 ton 0.79100 000 ton 0.85200 000 ton 0.87Portacontenedores (CB de 0.65 a 0.72)15 000 ton 0.7130 000 ton 0.74100 000 ton 0.78

Tabla 1. Relación Peso muerto/Desplazamiento para diferentes tipos de buques. Referencia [2].

Capacidad de carga

carga∇ Capacidad de carga / Volumen de carena

carga

total

∇∇

Buques tanque40 000 ton 0.65100 000 ton 0.67200 000 ton 0.675Portacontenedores (CB de 0.65 a 0.72)20 000 ton 0.5850 000 ton 0.585100 000 ton 0.595

Tabla 2. Relación Capacidad de carga/Volumen de carena para diferentestipos de buques. Referencia [2].

Tipo de buque Relación calado puntalT

D

Buques tanque 0.78Buque de carga general 0.70Buques graneleros 0.73

Tabla 3. Relación Calado Puntan para diferentes tipos de buques. Referencia [2].

Por otra parte, es posible estimar aproximadamente el valor de C’ B, a partir del coeficiente de bloque C B, usando la siguiente relación.

( )0.8

13 B B B D T

C C C T

−′ = + −

Dado que los buques de peso “no tienen problemas de capacidad”, el principal condicionantedimensional es el calado. Los buques de peso se proyectan para conseguir, con el mínimovolumen, el máximo calado (T), o lo que es lo mismo el mínimo francobordo permitido.

En general, son buques de peso muerto:


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o Graneleros de sólidos. Especialmente los transportes de carbón y mineral, condensidades superiores a 1 Tm/m3.

o Petroleros de crudo y productos, con densidades cercanas a la unidad.o Quimiqueros, con densidades superiores a la unidad.o Graneleros combinados (OBO = Ore-Bulk-Oil o Mineral-Grano-Petróleo y OO = Ore-

Oil o Mineral-Petróleo).

Buques de volumen

Denominaremos Buques de Volumen a aquellos buques que, por transportar cargas poco densaso de alto coeficiente de estiba, tienen como condicionamiento más exigente el volumen de bodegas o de tanques de carga (ver Figura 2). Podemos entonces decir en términos coloquialesque estos buques “sólo tienen problemas de capacidad”. La solución más económica del diseño,en estos casos, consiste en aumentar el puntal del buque hasta conseguir el volumen de carganecesario.

Un aspecto concreto que puede provocar que el volumen se convierta en crítico es la necesidadde proveer espacio para usos adicionales, como por ejemplo para la acomodación de pasaje o ladisposición de algún elemento de maquinaria especial.

Estos buques se proyectan prescindiendo de los condicionantes de pesos/calado, es decir,haciendo caso omiso del francobordo, pero analizando con sumo cuidado los problemas deestabilidad del buque intacto. Es evidente que si el barco necesita espacio, la solución de diseñomás inmediata (y también la más económica) consistente en aumentar el puntal. Este aumentodel puntal está limitado por los requisitos de estabilidad del buque, que tendrán que considerarsecon cuidado.

Conviene por lo tanto controlar el valor de la relación B/D (estabilidad) por encima de un valor

mínimo lo que puede obligar a aumentar L/B. En resumen, debe seguirse un proceso iterativoiniciado con el aumento de la dimensión “más económica” (D), corrigiendo las salidas de rangode B/D con aumentos de B y manteniendo L en el mínimo compatible con una explotacióneficiente (resistencia al avance razonable).

Figura 2. Buques de peso muerto y volumen

En general, son buques de volumen:

o Cargueros y polivalentes. Los cargueros clásicos están en la frontera entre los buques de peso y los de volumen. Sin embargo, los buques polivalentes, han de estar preparados para poder transportar cargas muy ligeras y voluminosas.

o Madereros.


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o Transportes de gas licuado (LNG = Liquefied Natural Gas y LPG = LiquefiedPetroleum Gas). Los problemas de estos proyectos son muy específicos, debido sobretodo a las bajas temperaturas de transporte, que pueden llegar a -162ºC.

Buques en los que la velocidad es crítica

Como ya se ha mencionado, la velocidad es usualmente uno de los parámetros más críticos del proyecto del buque. Sin embargo, en los denominados buques rápidos la velocidad aparececomo un aspecto especialmente limitante o muy crítico.

Para este tipo de barcos, las formas y en especial la eslora están restringidas por la necesidad dealcanzar una velocidad. En realidad sería posible diseñar un buque con el mismodesplazamiento y espacio de carga, y una menor eslora (y por lo tanto más económico deconstrucción) pero la eslora mínima admisible estará ligada a alcanzar la velocidad especificadade una manera económica. Es por ello que el proyecto definitivo, de este tipo de buquesusualmente tendrá una cierto volumen de espacio extra, al que habrá de buscar utilidad.

Por otro lado la velocidad que el buque podrá ofrecer estará ligada a un determinado mar, por loque las características de comportamiento en la mar del buque serán también de vitalimportancia.

Otras dimensiones críticas

Podríamos decir que el área de cubierta es la dimensión más crítica para buques como lostransportes de vehículos y trenes (car and train carriers), aunque también podríamos decir queen estos casos la longitud de garaje o incluso la estabilidad son los condicionantes más críticos.

Las dimensiones principales (L,B,D) son críticas en los portacontenedores. Estas dimensionesse deben fijar en función de las dimensiones de los contenedores, con el objeto de maximizar lacapacidad de transportarlos.Por último en ferries o cruceros, la estabilidad se presenta como un elemento crítico, que limitael número de cubiertas que pueden disponerse, y por tanto determina las dimensiones del buque.

Dimensionamiento

A continuación presentaremos algunas reglas generales, criterios y procedimientos básicos parallevar a cabo el dimensionamiento del buque, en los casos principales que se corresponden conlas situaciones ya mencionadas en las que la dimensión crítica es el peso o el volumen.

Ecuaciones para buques de peso

Las dimensiones para un buque cuyo diseño está definido por su desplazamiento, están ligadas por la siguiente relación:

( )1 BC L B T s ρ ∆ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ +

Donde ρ es la densidad del agua (1 025 Kg/m3 para el agua de mar) y s es el desplazamiento del

forro del casco y de los apéndices. Es importante hacer notar, que a la hora de dimensionar estetipo de barcos vamos a asumir que el desplazamiento es un dato (especificación). Esto nosobliga a estimar desde un primer momento el desplazamiento del buque de la manera más


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exacta posible. Una explicación detallada de cómo se puede calcular el desplazamiento puedeencontrarse en la referencias [2], [3] y [4].

A partir de la anterior ecuación es posible obtener la siguiente relación:

( ) ( )( )

1/ 32

/ /(1 ) /

B

L B B D L s C T D ρ

∆ ⋅ ⋅= ⋅ + ⋅ ⋅

Esta relación, nos permite obtener la eslora del buque a partir de las relaciones entre loscoeficientes principales y una estimación del coeficiente de bloque. Lo habitual es obtener lasrelaciones entre los coeficientes a partir de regresiones estadísticas de datos disponibles,mientras que el coeficiente de bloque habitualmente de criterios de minimización de la potencia.En ocasiones, cuando el peso muerto del buque es conocido, es posible utilizar alguna de lassiguientes expresiones para la obtención del desplazamiento del buque:

D

DWT LWT

DWT K

∆ = +

∆ =

En ellas DWT es el peso muerto total, LWT es el peso en rosca y K D es la relación entre pesomuerto y desplazamiento. La primera de ellas puede utilizarse en el caso de buques pococonvencionales, y siempre y cuando se disponga de información suficiente como para poderdeterminar con suficiente aproximación el peso en rosca a partir de datos dimensionales.La segunda de las ecuaciones requiere obtener el valor de K D a partir regresiones estadísticas.Lamentablemente, es habitual que los datos de esta relación tengan una gran dispersión, por loque en la práctica, esta ecuación será poco exacta.

Para obtener el desplazamiento total del buque, es necesario añadir una corrección aldenominado desplazamiento de trazado. Esta corrección incluye el peso del forro del casco y losapéndices. En una primera aproximación y para barcos de una sólo línea de ejes, esteincremento de desplazamiento puede estimarse en un 0.5% del desplazamiento de trazado.Una aproximación más exacta puede obtenerse de las siguientes fórmulas:

Desplazamiento del forro = ( )1

2·380

t L∆ , donde t es el espesor medio del forro en mm.

Desplazamiento del timón =3

20.13· R

A , donde A R es el área del timón en m2.

Desplazamiento del propulsor = 30.01d , donde d es el diámetro del propulsor.

Ecuaciones para buques de volumen

La ecuación básica que liga las dimensiones de un buque cuya aspecto crítico es el volumen es:

H B C C L B D′∇ = ⋅ ⋅ ⋅

Donde ∇ H es el volumen de trazado del buque bajo la cubierta principal, C’ B es el coeficientede bloque al puntal de trazado y DC es el puntal efectivo (al que hay que añadir el arrufo y la brusca medias de la cubierta). Es importante hacer notar, que a la hora de dimensionar este tipo

de barcos vamos a asumir que el volumen ∇ H (especificación). Esto nos obliga a estimar desde


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un primer momento esta dimensión del buque de la manera más exacta posible. Una explicacióndetallada de cómo se puede calcular este volumen puede encontrarse en la referencia [2].

A partir de la ecuación anterior podemos derivar la siguiente relación:

( ) ( )1/32

/ / H

B

L B B D LC

∇ ⋅ ⋅= ′

Al igual que en el caso anterior, esta relación, nos permite obtener la eslora del buque a partir delas relaciones entre los coeficientes principales y una estimación del coeficiente de bloque C’ B al puntal.Como ya se ha mencionado anteriormente, es posible estimar aproximadamente el valor de C’ B,a partir del coeficiente de bloque C B, usando la siguiente relación.

( )0.8

1

3

B B B

D T C C C

T

−′ = + −

Para obtener la eslora usando las ecuaciones anteriores, lo habitual es obtener las relacionesentre los coeficientes a partir de regresiones estadísticas de datos disponibles, mientras que elcoeficiente de bloque habitualmente de criterios de minimización de la potencia.

Relaciones entre dimensiones

Como ya hemos comentado, la eslora puede considerarse como la característica reina, que en elcaso que nos ocupa está vinculada a la ecuación que liga las relaciones dimensionales con ladimensión crítica del proyecto.

En lo que se refiere al resto de dimensiones, a partir de regresiones estadísticas podemos obtenerlas siguientes:

( )

( )

( )

( )

( )

( )

,

,

,

B f L T f D

D f B T f L

D f L T f B

= =

= =

= =

De las cuales habremos de seleccionar 3, que serán las que nos permitan resolver la ecuación básica. La elección de esas tres relaciones dependerá de qué aspectos del proyectos sean más prioritarios, y por lo tanto deban ser controlados. Para ayudar a esta elección se comentan a

continuación algunos criterios para seleccionar una u otra relación.

o La relación entre puntal y manga está vinculada con la estabilidad, puesto que KGdepende del puntal y KM es función de la manga. Cuando la estabilidad sea uncondicionante en el diseño, la elección de esta relación, nos permitirá controlar losvalores obtenidos y en caso necesario limitar el valor. Como referencia se puede tomarun valor B/D = 1.5 para barcos “poco estables”, mientras que valores en torno a 1.8indican una “buena” estabilidad.

o La relación entre calado y puntal está vinculada al francobordo del buque y por tanto esuna medida de las imposiciones del convenio sobre líneas de carga. Actualmente elcálculo del francobordo de un buque es muy sencillo, gracias a los programasinformáticos disponibles, por lo que esta relación puede ser sustituida por cálculos másexactos, en el caso de que se requiera algo más que una mera estimación.


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Coste Construcción

Casco Maquinaria

Incremento L Se incrementa el peso de laestructura y por lo tanto el costede construcción de manera muyimportante.

Se reduce la potencia necesaria ylos costes asociados, al menos

para Fn reducidos.

Se redude com

Incremento B Se incrementa el coste deconstrucción (pero de maneramenos importante que con L).

Se incrementa la potencia y loscostes asociados.

Se incr

Incremento D y T Se reduce el coste deconstrucción.

Se reduce la potencia y los costesasociados, si va asociado a unareducción de L.

Se redu

Incremento CB Forma más económica paraincrementar el desplazamiento y el peso muerto.

Se aumenta la potencia. Porencima de cierta relación entre Fn y CB se produce un muyimportante aumento de la potencianecesaria.Existe una combinación de CB yCM de resistencia mínima.

Se incr

Incremento CP No tiene una influenciasignificativa.

Se aumenta la potencia. Seconsidera el parámetro másdefinitorio de la resistencia alavance.

Se incr

Tabla 4. Criterios de optimización de las dimensiones principales.


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o La relación entre puntal y eslora tiene influencia en la resistencia longitudinal del buque.Considerado este como una viga, el aumento de la relación L/D, disminuye el alma, y por lo tanto aumenta las tensiones producidas por los momentos flectores.

o La relación entre calado y eslora, y calado y manga suelen considerarse comosecundarias. En su lugar es habitual utilizar la relación calado / puntal en combinacióncon otras relaciones. Como apunte interesante cabe decir que elevadas relaciones de L/T reducen la posibilidad de que el barco sufra pantocazos. Por su parte la relación manga /calado tiene cierta influencia en la estabilidad inicial y en la resistencia al avance.

o En cualquier caso, es necesario asegurar que las relaciones disponibles no tengan unaincertidumbre excesiva. En caso de utilizar regresiones estadísticas de datos propios,sería recomendable no utilizar aquellas relaciones cuyo coeficiente de correlación seamenor de 0.6.

Finalmente se incluye una tabla, en la que se presentan algunos criterios para optimización del proceso de elección de las dimensiones principales. Estos criterios deben tenerse en cuentacuando a lo largo del proceso de diseño, se considere la modificación de alguna de estasdimensiones.

Estimación de CB

La utilización de las ecuaciones básicas de dimensionamiento, presentadas anteriormente,requieren de la determinación del coeficiente de bloque del proyecto. A continuación se presentan unas fórmulas que pueden servir para ese propósito.

La fórmula de Alexander (1962) es la más conocida de las expresiones que permiten estimar elvalor del coeficiente de bloque.

0.5·3.28· B

V C K L= −

Donde L es la eslora en metros y K puede variar entre 1.03 para buques rápidos y 1.12 para buques lentos. Esta fórmula tiene en cuenta criterios hidrodinámicos y de capacidad de carga.

Diversos autores han obtenido fórmulas que relacionan el coeficiente de bloque con el númerode Froude. A continuación se muestra una de ellas, que ha sido obtenida de un análisisestadístico de datos.

11 23 1000.70 tan8 4 B

FnC radianes−

− = +

Estimación de otros parámetros de formas

A continuación se listan una serie de fórmulas que permiten estimar diferentes parámetros deformas.

CM: Fórmula de Kerlen (influye en la resistencia al avance)

-3.56M BC =1.006-0.0056 C⋅

CP: Fórmula de Troost (influye drásticamente en la resistencia al avance)


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P nC =1.2-2.12 F⋅

XCC: Fórmula de Troost en % de la Lpp respecto a la cuaderna maestra (determina los trimados)

CC BX 17.5 C 12.5= ⋅ −

LCC: Longitud del cuerpo cilíndrico (influye en los costes constructivos). La siguiente fórmulaofrece un valor recomendado que pondera aspectos hidrodinámicos y económicos.

2B B PPLCC 658 1.607 C 914 C L = − + ⋅ − ⋅ ⋅

Dimensionamiento Básico

1. Elección del parámetro crítico para el diseño. Más específicamente, determinar si el

buque es de volumen o de peso. Una vez determinado este aspecto, se tendrá laecuación básica que liga a las dimensiones principales.

2. Realización de una base de datos de referencia de buques similares al objeto del proyecto. Esta base de datos debe contener al menos las dimensiones básicas de los buques, aunque cualquier información adicional como factores de formas puede ser degran utilidad. Un ejemplo de esta base de datos se presenta a continuación:

3. Establecer las relaciones entre los diferentes parámetros adimensionales básicos a partirde regresiones estadísticas de las entradas de la base de datos anterior. Además esnecesario seleccionar tres de estas relaciones, entre el siguiente conjunto de seis, que pueden ser obtenidas.

( )

( )

( )

( )

( )

( )

,

,

,

B f L T f D

D f B T f L

D f L T f B

= =

= =

= =

4. Si no es conocido como especificación, llegado a este punto es necesario fijar el valorde la dimensión crítica del proyecto (volumen o desplazamiento). Esta dimensión puede

NOMBRE LOA LBP B T D DWT AÑO VOL. VEL. BHP ARCTIC I 98.9 95.9 12.9 5.9 7.5 4233 1969 4544 12 4320 IKAN DURI 94.0 90.5 14.9 5.8 8.1 4260 1981 4104 14 3900 JERSBEK-LASBEK 91.7 89.0 14.2 5.7 7.1 3852 1982 3802 13 2450

KOPEX 100.0 98.0 16.0 6.2 7.9 5324 1979 6000 13 4000 LUCY P.G. 102.0 93.6 14.1 5.2 6.5 4080 1974 4741 13 2500 MATAGRIFONE-MESSANA 86.5 84.0 15.7 8.3 11.3 4470 1991 5050 13 3200 NANCY ORR GAUCHER 105.0 103.4 12.6 5.9 7.5 4675 1967 5000 13 4350 NORDIC TIGER 86.0 83.5 13.0 5.5 7.8 3889 1981 4312 12 1950 POLISAN I 96.0 94.5 14.0 5.1 6.3 3506 1974 3355 14 2800 PROOF GALLANT 90.2 89.0 14.5 5.7 8.0 3726 1980 3778 12 2400 REINBEK-RODENBEK 91.7 89.5 14.0 5.7 7.3 3914 1982 3802 13 2450 SARA THERESA 82.7 81.5 13.4 6.1 7.6 3500 1974 3801 11 2400 SARIBAY 97.8 96.3 14.2 5.4 6.8 3660 1980 3841 13 2250 STOLT M APLEWOOD 91.2 89.1 14.5 5.5 6.8 3560 1976 3738 11 3600TRANS BORG 101.4 98.5 16.4 6.2 7.9 5280 1980 5550 13 3450TSUTA MARU Nº1 104.0 102.0 16.0 6.3 7.9 5495 1983 5385 13 3300UNITED TONY 88.0 86.6 13.4 5.9 7.5 4165 1982 4861 12 1950


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ser solamente una primera aproximación que puede ser corregida más adelante alavanzar en la espiral de proyecto, pero cuanto más exacto sea su valor mayorcredibilidad podemos dar a los resultados obtenidos en esta fase de dimensionamiento.Cómo primera aproximación de este dato pueden también utilizarse regresionesestadísticas entre buques similares al que es objeto del proyecto.

5. Estimar un primer valor de la eslora, y a partir de él, y mediante las relaciones entre losdiferentes parámetros obtenidas en 3, hacer una primera evaluación tentativa de lasdimensiones principales.Asimismo se ha de hacer una estimación del resto de relaciones adimensionales y parámetros de formas del buque (al menos el coeficiente de bloque es imprescindible) a partir de nuevas regresiones o mediante fórmulas de base empírica. En el caso deelaborar nuevas regresiones, se ha de tener en cuenta que los errores cometidos por suuso pueden ser mucho mayores.

6. Actualizar el valor de la eslora, utilizando la ecuación básica que liga las dimensionesdel proyecto. Si este nuevo valor no es lo suficientemente cercano al estimado en 5, es

necesario reevaluar el resto de relaciones y repetir el proceso hasta la convergencia.


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Diseño de Formas

La definición de formas de un buque es un aspecto de suma importancia, por sus múltiplesimplicaciones en diferentes aspectos del proyecto. Tradicionalmente, el aspecto principal que se

ha estudiado en el proyecto de formas es el cumplimiento de la velocidad contractual. En estesentido hay que señalar que la consecución de unas formas óptimas desde este punto de vista(hidrodinámico) se enfrenta habitualmente a los condicionantes económicos o a la necesariacapacidad de carga.

El diseño de formas se iniciará cuando se ha llegado a una situación en la que es necesario tenerel plano de formas del buque:

o Como base para el desarrollo de la Disposición General. Este aspecto es más crítico para buques finos, en los que la Disposición General aproximada es más compleja.

o Para la disposición y cubicación de tanques y espacios de carga.o Para el cálculo de las curvas hidrostáticas, determinación del trimado y estudio de la

estabilidad.o Para la determinación de algún valor necesario para el cálculo de pesos, centro de

gravedad o estimación de costes.o Para en inicio de los ensayos en canal.

El diseño de formas se enfrentará a la consecución de diferentes objetivos:

o Obtención del desplazamiento y calado de proyecto.o Obtención de los espacios de carga y volúmenes de tanques requeridos.o Obtención de las áreas de cubierta para disponer los diferentes elementos.o Cumplir con los requisitos de minimización de potencia: mínima resistencia al avance,

buen rendimiento del casco y posibilidad de disponer la hélice y el timón con los

huelgos apropiados para evitar problemas de vibraciones.o Cumplir con los requisitos de buen comportamiento en la mar y buena maniobrabilidad.o Una situación de XCC que permita tener un trimado satisfactorio en cada situación de

carga.o Disponer de un KM para los calados de operación que asegure una estabilidad

suficiente.o Evitar discontinuidades o diseños que dificulten el diseño estructural.o Que las formas resulten beneficiosas desde el punto de vista constructivo (desarrollables

y sin curvaturas complejas).o En muchos casos es un requisito importante el que las líneas tengan una componente

estética atractiva.

Los anteriores objetivos han de ser ordenados por prioridad, pues difícilmente podrán alcanzarse plenamente.

El proceso de diseño de formas puede dividirse en tres fases, organizadas esquemáticamente, taly como se muestra en la Figura 3:

o Definición de los Parámetros de Forma. Donde se lleva a cabo una elección dedimensiones y parámetros de forma, así como una definición de los criterios específicosde diseño y de la jerarquía de los mismos o la definición de una cifra de mérito.

o Definición de las formas.o Evaluación técnica.


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Figura 3. Esquema del proceso de diseño de formas.

Definición de los Parámetros de Formas

Su definición inicial se ha llevado a cabo junto al dimensionamiento del buque. El resultado deeste proceso debe ser un conjunto de dimensiones principales y coeficientes de carena.En el caso típico, conoceremos: Lpp, B, T, Cb, Cp, Cm, Cwp y Xcc.

Definición de las Formas

Existen tres procedimientos para llevar a cabo el trazado de las formas del buque:

o Derivación de formas, a partir de un buque considerado bueno para los criterios

primarioso Generación de formas, a partir de los parámetros principaleso Series sistemáticas (desarrolladas por canales de experiencias y astilleros)

Derivación de formas

La derivación de formas requiere de la elección de unas formas base que sean buenas para loscriterios primarios y que posean parámetros de forma similares a los que se han definido comoobjetivo. Para llevar a cabo esta derivación se pueden utilizar:

o transformaciones geométricas simples disponibles en programas CAD


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o transformaciones geométricas complejas, disponibles en programas especializados degeneración y derivación de formas

Las operaciones disponibles para la derivación de formas no permiten cualquier transformación.Las operaciones básicas que se pueden llevar a cabo son:

o Transformación afín. Cambio de dimensiones principales => Cambio en los coeficientesde forma

o Incremento longitud del cuerpo cilíndrico => Cambio en los coeficientes de formao Modificación de Cp, manteniendo constantes las dimensiones principales => Cambio en

el resto de los coeficientes de formao Modificación de Cb, manteniendo constantes Cm y las dimensiones principales =>

Cambio en el resto de los coeficientes de forma

El buen criterio al aplicar iterativamente las operaciones anteriores debe permitir obtener unasformas que cumplan con los objetivos marcados.

Generación de formas

La generación de formas debe partir de la definición de los parámetros y características principales de las formas. Las principales herramientas informáticas disponibles para llevar acabo este procedimiento pueden agruparse en tres tipos:

o generadores de formas analíticas 3D (FORAN)o generadores de formas analíticas 2D + alisado 3Do generadores cuasi automáticos de formas 3D con control de alisado (MAXSURF)

Series sistemáticas de formas

Las series sistemáticas son estudios sistemáticos de formas, llevados a cabo por canales deensayos o astilleros. Los resultados se expresan en función de ciertos parámetros básicos (L/B,B/T, CP, ...). Existen unas pocas series libres y la mayoría de los grandes astilleros posees series propias.

En el rango de aplicación de la serie se puede conocer aproximadamente la resistencia al avancedel buque, por interpolación de los datos experimentales disponibles.Para definir unas formas basadas en una serie sistemática es necesario partir de los parámetros principales de formas. A partir de ahí, el proceso es una simple elección de las formas más

cercanas a los objetivos definidos, de entre el abanico de opciones disponible.

Las series sistemáticas publicadas más conocidas, junto con su rango de aplicación son:

Serie 60. (0.16


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o Determinación de la resistencia al avance. Que puede llevarse a cabo mediante ensayosexperimentales, métodos estadísticos, métodos numéricos o mediante el uso de seriessistemáticas.

o Cálculos de arquitectura naval. La mayoría de los programas de generación y derivaciónde formas incluyen módulos de cálculo, que permiten evaluar este aspecto.

o Estimación de la capacidad de carga. A partir de una distribución de los espacios, puedeestimarse la capacidad de carga.

o Interacción con la hélice.o Evaluación del comportamiento en la mar.o Estudio de la curva de áreas seccionales.

Una vez que se han evaluado todas esas características, se ha de comprobar si los objetivosdefinidos han sido alcanzados con suficiencia. En caso negativo, es necesario redefinir loscoeficientes de formas para tratar de mejorar aquellos aspectos cuyo cumplimiento es necesario.Esta redefinición ha de hacerse teniendo en cuenta los efectos principales que la modificaciónde una magnitud puede tener. Estos ya han sido comentados en apartados anteriores, aunque se

incluyen aquí algunos de ellos a modo de ejemplo:o Coeficiente prismático Cp. Influencia en la resistencia del buque. Se recomienda

reducirlo (y comprobar su efecto en Cm), si hay que disminuir la resistencia al avance.o Relación B/D. Influencia en la estabilidad inicial. Se recomienda aumentarla, si hay

mayores exigencias de estabilidad.o Relación L/B. Influencia en la maniobrabilidad. Se recomienda reducirla si se quiere

mejorar la facilidad de evolución.o Relación L/T. Puede dar una idea de la frecuencia de pantocazos de la carena. Se

recomienda aumentarla, si se quiere disminuir esta frecuencia.

Es importante mencionar que la modificación de un parámetro no debe ser nunca drástica, pues

además del efecto principal, pueden aparecer otros comportamientos indeseables en el diseño.

Es evidente que este proceso de toma de decisiones es muy compleja si hay múltiples criteriosde diseño y requiere de una gran experiencia del proyectista. Como alternativa, es posibledefinir un esquema de proyecto de formas diferente. Este esquema se basa en definir un espaciomuestral de parámetros de forma, como variaciones de una solución base. Todas estasalternativas son evaluadas técnicamente y se elige la mejor de ellas, de acuerdo a los criterios(comparación de alternativas).


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Figura 4. Esquema del comportamiento del flujo hidrodinámicoalrededor de una carena tipo.

Aunque el cálculo de la resistencia por fricción de un casco requiere el uso de técnicasexperimentales o numéricas, existen fórmulas experimentales, obtenidas para placas planas yotros cuerpos geométricos simples, que pueden ser de utilidad. La más conocida de ellas es lalínea de fricción3 ITTC 57. Según esta curva, es posible calcular la resistencia friccional de una placa plana4, mediante la fórmula:

( )( )2

10

0.075

log 2 F C

Rn=

−

Ecuación 3. Línea de fricción ITTC 57.

Donde C F es el coeficiente adimensional de fricción5, definido a partir de la resistencia por

fricción R F , por la relación:

212

F F

RC

SV ρ =

Ecuación 4. Definición del coeficiente de fricción.

Por su parte, la resistencia de presión por fricción se debe a un desequilibrio en las fuerzas de presión sobre el casco que se produce por fenómenos viscosos.

La Figura 5 muestra tres configuraciones típicas de la distribución de presión a lo largo de unalínea de corriente sobre el casco del buque. La primera de estas curvas corresponde a un casoideal en el que no existieran fenómenos viscosos (un fluido sin viscosidad que produce un flujo potencial). En ese caso la distribución de presión está equilibrada, de manera que su integralsobre el casco es nula (es decir, la resistencia de presión por fricción en un fluido sin viscosidades nula). El efecto de la viscosidad sobre la distribución de presión se muestra en las siguientescurvas. En ellas se aprecia el desequilibrio que se produce en esta distribución, lo que provoca la

3 Esta línea de fricción fue tomada como estándar por la Internacional Towing Tank Conference en 1957.4 Se entiende que la placa plana avanza por el fluido paralelamente a su propio plano, por lo que la únicafuerza que experimenta es la resistencia por fricción.5

La expresión de fuerzas mediante coeficientes adimensionales es muy común en ingeniería. Estaadimensionalización se hace dividiendo la fuerza por el coeficiente ½ ρSV 2 , donde ρ es la densidad delfluido (agua en nuestro caso), S el área mojada del modelo o buque, según corresponda y V su velocidad.


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aparición de resistencia. Un diseño adecuado de las líneas de agua del casco puede reducirapreciablemente esta componente de la resistencia. En este sentido es importante señalar queesta componente de la resistencia depende esencialmente de dos factores: las formas del casco yel número de Reynolds.Las recomendaciones más habituales para minimizar la resistencia de presión por fricción se basan en limitar las curvaturas de las líneas de agua del casco, así como el ángulo de entrada delagua en la línea de flotación6.

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

012345678910

Flujo potencial (sin viscosidad)

Flujo típico sin separación

Flujo típico con separación

Figura 5. Distribuciones típicas de presión sobre una línea de corriente del casco

(estación 10 en proa y 0 en popa).

Es muy importante tener en cuenta que el coeficiente de forma del buque que más influye en laresistencia viscosa es el coeficiente prismático C P . A medida que aumenta, más llenas son las

formas del casco, y en particular las de popa. Este efecto, junto con el consiguiente aumento delas curvaturas de las líneas de agua del casco, influye de manera muy significativa en elaumento de la resistencia de presión por fricción.

Es habitual descomponer la resistencia viscosa, definida por el coeficiente adimensional7 C V , enfunción del coeficiente de fricción de una placa plana, en la forma:

( ) ( )( )( )

2

10

0.0751 1

log 2V F C k C k

Rn= + = +

−

Figura 6. Descomposición típica de la resistencia viscosa.Donde k es el denominado factor de forma que se asume depende exclusivamente de lageometría del casco y que toma en consideración la resistencia de presión por fricción8 y la

6 Como curiosidad, hay que mencionar que la componente de resistencia de presión por fricción de una placa plana es nula (pues la superficie que se opone al agua es nula).7 Adimensionalizado en la forma clásica, a partir de la resistencia viscosa RV , por:

212

V V

RC

SV ρ =

8

Algunos autores sugieren que en realidad sólo se toma en consideración una proporción de estaresistencia de presión por fricción, e incluso otros asumen (erróneamente) que la resistencia viscosaexcluye aquella. Esta se debe a dos hechos; por una parte la imposibilidad experimental de segregar las


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variación de resistencia por fricción debida a las diferencias geométricas entre una placa planade superficie igual al barco y el propio barco. Esta descomposición tridimensional (k, Rn, Fn) seatribuye a Hughes.

La segunda más importante componente de la resistencia al avance es la resistencia por formación de olas, cuya aparición se debe a la energía empleada en generar las olas y que estransportada por ellas.

A bajas velocidades las olas generadas por el buque son de muy pequeña amplitud lo queimplica que casi toda la resistencia es de carácter viscoso. Al aumentar la velocidad el patrón deolas cambia, se altera la longitud de onda y su altura. En este proceso hay una serie develocidades de avance donde la crestas del sistemas de olas generado (ver Figura 7) se sumanunas con otras (interferencia positiva) y otras velocidades donde las olas se cancelan(interferencia negativa). Teniendo en cuenta que la energía transportada por una ola depende delcuadrado de su amplitud, el efecto de interferencia provoca oscilaciones en la componente deresistencia por formación de olas.

Figura 7. Representación esquemática de la suma de los trenes de olastransversales generados por el barco para Fn = 0.4

Como ya hemos señalado, el fenómeno de interferencia de los trenes de olas es capital en elcomportamiento de esta componente de la resistencia. A modo de ejemplo, para números deFroude alrededor de 0.4, la longitud de las olas generadas por el barco es aproximadamenteigual a su eslora. Esto provoca que la ola generada en proa y la de popa se amplifiquen (sumen)al coincidir sus crestas. Por el contrario para valores en torno a Fn = 0.34, la longitud de ola esaproximadamente 2/3 de la eslora, lo que provoca que la cresta de una coincida con el valle dela otra y se atenúen. Cuando el valle de la ola generada por la proa, coincide en la zona de popa,se induce un aumento del trimado dinámico del buque, por la depresión que se produce. Esteefecto es más notorio para valores de Fn > 0.4.Dado que la resistencia por formación de olas aparece por la pérdida energética transportada porlas olas, los fenómenos de interferencia de olas mencionados anteriormente tienen granimportancia. De hecho la atenuación de dos trenes de olas implicará una menor resistencia porformación de olas, mientras que su amplificación aumentará el valor de esta componente de laresistencia.

componentes de la resistencia viscosa y por otro al hecho de que existe una significativa interacción entrela resistencia de presión por fricción y el resto de componentes de la resistencia, que invalida ladescomposición aditiva clásica propuesta por Fn.

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

-0.200.20.40.60.811.21.41.6

Ola de Proa

Ola de Popa

Suma


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En la práctica la resistencia por formación de olas no puede calcularse de manera experimental, por lo que suele hablarse en su lugar de la denominada resistencia residual que engloba a laresistencia por formación de olas y a los efectos de interacción de la resistencia de presión porfricción con el resto de componentes9.

Criterios Básicos de Diseño de FormasEn este apartado vamos a comentar algunas de las características básicas de las formas deembarcaciones típicas, incluyendo algunas recomendaciones de diseño. Dada la complejidad delos fenómenos involucrados y la gran variedad formas que pueden generase, estasrecomendaciones pueden no adaptarse a una gran variedad de casos, por lo que deben sertomadas con precaución.Las discusiones y recomendaciones de diseño que se presentan tienen como objetivo principal(aunque no único) la reducción de la resistencia al avance del buque. Otras consideraciones dediseño se estudiarán con mayor detalle en otras lecciones del curso. En este sentido hay quetener en cuenta que las consideraciones de diseño que pueden influir en el trazado de las formas

del buque son de lo más variado, e incluyen aspectos de estabilidad, capacidades,comportamiento en la mar o incluso criterios estéticos.

A continuación vamos a discutir algunas recomendaciones de diseño de formas genéricas, para posteriormente presentar algunos criterios específicos de formas de veleros y embarcaciones planeadoras.

Análisis de las zonas de proa y popaHay tres aspectos principales cuya disposición hay que considerar a la hora de trazar las formasde la proa del barco [5,6]. El primero de ellos es el semiángulo de entrada en la línea de flotaciónα (ver Figura 8). Un ángulo excesivo en esta zona puede provocar que las formas resultantes

induzcan una transición temprana del flujo turbulento y por ello un aumento de la resistenciaviscosa. Por otra parte, este ángulo influye de manera determinante en la forma de las seccionesde proa y de la curva de áreas de cuadernas. Una fórmula que permite estimar el valor máximorecomendado de este ángulo es:

( )32 3125.67 / 162.25 234.32 0.1551 6.8 - / PP P P CC A F B L C C X T T T α = ⋅ − + + +

Donde Lpp, B y T son la eslora entre perpendiculares, manga y calado respectivamente y Xcc la posición del centro de carena en relación a la eslora.

9 Como ya hemos dicho la descomposición propuesta originalmente por Froude: RT = RV (Rn) + RW (Fn) (resistencia total igual a resistencia viscosa más resistencia por formación de olas) no es válida, pues

aparecen fenómenos de interacción entre las componentes, por lo que sería más correcto escribir RT = RV (Rn) + RW (Fn) + R I (Fn,Rn). En lugar de esta, se suele asumir (Hughes) que RT =(1+k)RV (Rn) + R R(Fn).


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Figura 8. Semiángulo de entrada en la línea de flotación.

También es posible encontrar en la literatura recomendaciones para el valor máximo de eseángulo en función del coeficiente prismático. De esta forma para C P = 0.55 se recomiendan

valores en torno a 8º, , para C P = 0.70 entre 10º y 14º y para C P = 0.8 valores en torno a 33º.

El segundo de los aspectos mencionados al principio se refiere al abanico y lanzamiento. Éstoshan de disponerse de manera que se disminuya el cabeceo y el embarque de agua.

Se recomienda que la roda forme, en su intersección con el plano de la flotación β (ver Figura 9), un ángulo entre 15 y 30º permitiendo de esta manera conseguir unángulo de entrada del agua constante para una mayor zona de calados

El abanico en las formas de proa permite amortiguar el cabeceo del buque, debido ala fuerza hidrostática adicional generada por la inmersión de un mayor volumen eneste movimiento. Por otra parte, un abanico excesivo puede provocar que las olas

creen grandes momentos torsores en esta zona del buque, a la vez que incrementarla resistencia al avance por olas rompientes.

Figura 9. Ángulo de la roda en su interseccióncon el plano de la flotación

Una de las preguntas que hay que hacerse a la hora de diseñar las formas de proa del buque es sies interesante la disposición de un bulbo. En este sentido es importante tener en cuenta que ladisposición de un bulbo en proa incrementa los costes de construcción. Otros aspectos que

pueden ayudar a contestar esta pregunta son:

α

β


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o En determinados casos su disposición disminuye significativamente la potenciarequerida.

o La experiencia indica que su disposición es ventajosa para buques rápidos conCB0.26.

o No parece que su disposición disminuya la resistencia en buques 0.625


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Por su parte, el trazado de la zona de popa de la embarcación tiene gran influencia en elrendimiento propulsivo. Por una lado por su influencia en el fenómeno de separación del flujo y por tanto en la resistencia viscosa y por otro en el rendimiento del propulsor (en embarcacionescon propulsión por hélice), que es máximo con una estela homogénea [5].

Para el trazado de esta zona hay que tener en cuenta los siguientes aspectos:

Dar cabida a la/s hélice/s con una inmersión adecuada. Disponer de unos huelgos mínimos entre hélice, codaste y timón. Las SSCC imponen

unos requisitos mínimos de seguridad.

El trazado del final de las líneas de agua ha de hacerse de manera que se minimice laseparación y por lo tanto la resistencia viscosa. Para ello se recomienda que en ningúncaso el semiángulo de estas líneas supere los 30º.

De igual manera, el trazado del final de los cortes paralelos a crujía ha de hacerse demanera que se minimice la separación y por lo tanto la resistencia viscosa. Para ello serecomienda que en ningún caso el ángulo de estas líneas con la horizontal no supere los30º (aunque la experiencia indica que para ángulos superiores a 15º se produceseparación). Esta misma limitación del ángulo es aplicable a los cortes verticales de lasformas.

La disposición de una popa de estampa puede reducir la resistencia al avance 10 eimplica una mayor facilidad constructiva. Las recomendaciones básicas para ladisposición de una popa de este tipo son:

o Fn < 0.3. El espejo debe comenzar en la línea de flotación, permitiendo unaligera inmersión en navegación.

10

La separación que se provoca en el espejo hace que el barco aparente ante el flujo tener más eslora de lareal. Esto puede provocar una reducción de la resistencia por formación de olas por efecto de lainteracción entre los trenes generados en proa y popa.


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o Fn ≅ 0.3. El espejo debe tener sólo una ligera inmersión.o Fn ≅ 0.5. La inmersión del espejo debe ser del orden de 10-15% del calado.o Fn > 0.5. La inmersión puede llegar al 15-20% del calado.

En buques Fn > 0.5, se suele disponer en el codaste, bajo el espejo un flan, que permitereducir el trimado dinámico de la embarcación y con él la resistencia al avance.

Curva de áreas seccionalesLa curva de áreas seccionales representa la posición de las cuadernas de trazado en abscisas y elárea de la cuaderna hasta el calado en ordenadas (ver Figura 11). Habitualmente se dibuja en unformato estándar de proporciones 2x1, lo que permite su comparación con otros diseñosexistentes.

Figura 11. Curva de áreas de cuaderna típica.

Esta curva se ha utilizado tradicionalmente en canales de experiencias para estudiar la bondadde unas formas. Basados en ella, pueden enunciarse las siguientes recomendaciones.

El trazado de los hombros de proa y popa (uniones del cuerpo cilíndrico con losextremos de proa y popa) han de tener un trazado suave y alisado. Se suele tomar comoreferencia un radio de curvatura mayor que 0.3 veces el área de la maestra en la escalacorrespondiente.

Desde el hombro de popa hasta las cercanías de la hélice el trazado debe ser recto o conmuy poca curvatura, para obtener así las mejores características de resistencia al avance.Esta curva protubera hacia popa según lo hace la bovedilla del codaste.

Desde el hombro de proa, la zona pendiente hacia proa ha de ser también prácticamenterecta.

Se recomienda que la eslora de la zona de proa, hasta el hombro de proa seaaproximadamente igual a L PP (1-C PA). Donde C PA es el coeficiente prismático de esa

zona. Se recomienda que la eslora de la zona de popa, hasta el hombro de popa sea

aproximadamente igual a L PP (1-C PP ). Donde C PP es el coeficiente prismático de esazona.

Obtención Experimental de la Resistencia al Avance y delRendimiento Propulsivo

La necesidad de obtener el valor del rendimiento propulsivo está en la determinación de laresistencia al avance del buque y en su caso de la potencia requerida del motor. Para su

determinación experimental son necesarios tres tipos de ensayos [7

]. Evidentemente, los dosúltimos casos carecen de sentido en el caso de veleros.

Hombro de proaHombro de popa


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( )

( )

1

1

odelo Modelo Modelo

T F R

Buque Buque Buque

T F R

C k C C

C k C C

= + +

= + +

El ensayo de remolque se lleva a cabo de manera que Fn Modelo

= Fn Buque

y permite estimar elfactor de forma k , a partir de los datos de los ensayos para bajos valores de Fn Modelo, donde C R esaproximadamente cero 13 . Finalmente es posible obtener C T

Buque a partir de k , la ley delcoeficiente de fricción de la placa plana (C F ) y teniendo en cuenta que C R

Buque = C R Modelo.

Es importante señalar que la selección del criterio Fn Modelo = Fn Buque para realizar los ensayos noes arbitraria. Dado que existe una imposibilidad física de conseguir una similitud física totalentre los fenómenos real y experimental [5] (igualdad de Fn y Rn), y el alto coste quesignificaría el tratar de ensayar a igualdad de Rn, la señalada es la única elección viable.

Ensayo del Propulsor Aislado14 para la determinación del rendimiento de la hélice. Para ello semiden los coeficientes de empuje ( K T ) y de par ( K Q) para diferentes grados de avance ( J ) de lahélice.

2 4 2 5, , A T Q

V T Q J K K

n D n D n D ρ ρ = = =

⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

Donde V A es la velocidad de avance de la hélice, n sus revoluciones por segundo, D su diámetroy T , Q los valores medidos de empuje y par motor, respectivamente. De esta manera, elrendimiento de la hélice se calcula por,

2 2 A T

o

Q

V T J K

n Q K η

π π

⋅= =

⋅ ⋅

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

Ensayo de Autopropulsión15 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 elensayo del propulsor aislado, observando que para un mismo valor de K T (correspondiente al punto de diseño), el valor correspondiente de K Q difiere entre los dos ensayos. De esta manera,se define el rendimiento rotativo relativo como,

PA

Q

rr AP

Q

K

K η =

Donde AP se refiere al ensayo de autopropulsión y PA al del propulsor aislado.

exclusivamente del número de Froude y cuya componente principal es la resistencia por formación deolas.13 La igualdad de números de Froude Fn Modelo = Fn Buque implica que los coeficientes de resistencia residualson idénticos en modelo y buque C R

Buque = C R Modelo , dado que se asumen que C R depende exclusivamente

de Fn.14 El ensayo del propulsor aislado se realiza para conocer el comportamiento de la hélice aisladamente.Para ello se remolca la hélice a una gama de velocidades, montada en un eje acoplado a una barquilla. Pormedio de un motor eléctrico se entrega un par a la hélice, que le harán girar a unas revoluciones y

entregar un empuje. Estos tres parámetros son los medidos para cada velocidad.15 El ensayo de autopropulsión consiste en la medición del par a la hélice, sus revoluciones y el empujeentregado, para una gama determinada de velocidades de un modelo autopropulsado por la propia hélice.


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Por otra parte, a partir del valor medido de K T ( K T AP

= K T PA), podemos determinar el valor de J PA

correspondiente a partir de los datos del ensayo del propulsor aislado. Este valor nos permitedeterminar el denominado factor de estela (w) que mide la velocidad de avance real del aguaque llega a la hélice, en relación a la velocidad de avance del buque según,

1

PA

AV V J D nwV V − ⋅ ⋅= = −

Los anteriores parámetros (ηrr y w) también están sujetos a efectos de escala por lo que debenser corregidos. Esta corrección no se describe aquí.Además, se comprueba experimentalmente que para una velocidad de avance del buque, en elensayo de autopropulsión, el empuje que suministra la hélice es mayor que el val

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