estudio y diseño de una embarcación de recreo con

Estudio y diseño de una embarcación de recreo con propulsión híbrida

Trabajo Final de Grado

Facultad de Náutica de Barcelona Universidad Politécnica de Cataluña

Trabajo realizado por:

Juan Llobell Buigues

Dirigido por:

Eric José Pascual Soldevilla

Grado en Ingeniería en Sistemas y Tecnología Naval

Barcelona, Julio de 2021

Departamento de Ciencia e Ingeniería Náutica


ii

Resumen

En este trabajo final de grado se realiza el estudio y diseño de una embarcación de recreo con

propulsión híbrida.

A partir de un estudio de mercado se define la tipología y la eslora de la embarcación para

posteriormente realizar un dimensionamiento básico y fijar las especificaciones generales de

partida para el diseño de la misma. Posteriormente se analiza la geometría del casco para el tipo

de embarcación a proyectar con el objetivo de conseguir unas formas óptimas.

A continuación, se analiza la resistencia al avance del casco diseñado y se estima la potencia

requerida para alcanzar la velocidad máxima de diseño. Una vez definida la potencia, se procede

al análisis de los diferentes sistemas de propulsión existentes en el mercado, seleccionando uno

de ellos que cumpla con las exigencias fijadas respecto a la propulsión híbrida. Para

posteriormente realizar la disposición general de la embarcación, la distribución de los elementos

de refuerzo del casco y el escantillonado de los mismos. El análisis estructural de la embarcación

proyectada cumple con los requisitos exigidos por las normas UNE-EN ISO referentes a las

embarcaciones de recreo.

Para finalizar, se analizan los resultados obtenidos en la ejecución del presente estudio y se

sugieren aspectos a mejorar en próximas iteraciones del proyecto.

Abstract

iii

Abstract

In this final degree project, the study and design of a pleasure boat with hybrid propulsion is

carried out.

Based on a market study, the type and length of the boat are defined in order to later carry out a

basic sizing and set the general specifications of the boat. Subsequently, the geometry of the hull

is analysed for the type of boat to be projected in order to achieve optimal shapes.

The drag of the designed hull is then analysed and the power required to reach the maximum

design speed is estimated. Once the power has been defined, we proceed to analyse the different

propulsion systems on the market, selecting one of them that meets the requirements set for

hybrid propulsion. To later make the general arrangement of the boat, the distribution of the

reinforcing elements of the hull and the scantling of the same. The structural analysis of the

projected boat complies with the requirements demanded by the UNE-EN ISO standards referring

to pleasure boats.

Finally, the results obtained in the execution of this study are analysed and aspects to improve in

future iterations of the project are suggested.


iv

Tabla de contenidos

RESUMEN .............................................................................................................................................. 2

ABSTRACT .............................................................................................................................................. 3

TABLA DE CONTENIDOS ............................................................................................................................ 4

LISTADO DE FIGURAS ............................................................................................................................... 8

LISTADO DE TABLAS ............................................................................................................................... 13

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 1

1.1. OBJETIVO DEL PROYECTO ............................................................................................................ 2

1.2. ESTUDIO DE MERCADO ............................................................................................................... 3

1.3. FASES DEL PROYECTO.................................................................................................................. 5

CAPÍTULO 2. DIMENSIONAMIENTO PRELIMINAR .................................................................... 9

2.1. PARÁMETRO CRÍTICO DE DISEÑO Y CIFRA DE MÉRITO ........................................................................ 9

2.2. BASE DE DATOS ....................................................................................................................... 10

2.2.1. DIMENSIONES PRINCIPALES E INFORMACIÓN RELEVANTE .................................................... 10

2.2.2. SÍMBOLOS, ABREVIATURAS Y UNIDADES ........................................................................... 13

2.2.3. EMBARCACIONES INCLUIDAS EN LA BASE DE DATOS,........................................................... 14

2.2.4. RELACIONES ENTRE LOS DIFERENTES PARÁMETROS ............................................................ 14

2.3. REGRESIONES LINEALES ............................................................................................................. 15

2.4. RESULTADOS OBTENIDOS .......................................................................................................... 19

CAPÍTULO 3. GEOMETRÍA DEL CASCO ................................................................................... 21

3.1. DEFINICIÓN DE LAS FORMAS ...................................................................................................... 22

3.1.1. CRITERIOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE LAS FORMAS ......................................................... 23

3.1.2. CONCLUSIONES ........................................................................................................... 37

3.2. GENERACIÓN DE FORMAS .......................................................................................................... 37

3.2.1. GENERACIÓN DE LAS FORMAS DEL CASCO ........................................................................ 39

CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPULSIVO ..................................................................................... 43

Tabla de contenidos

v

4.1. ESTIMACIÓN DE LA POTENCIA Y LA RESISTENCIA AL AVANCE ............................................................. 43

4.1.1. MÉTODO DE SAVITSKY .................................................................................................. 44

4.1.2. CÁLCULO DE RESISTENCIA AL AVANCE Y POTENCIA ............................................................. 45

4.2. ESTIMACIÓN DE LA POTENCIA REAL REQUERIDA ............................................................................. 49

4.2.1. EFICIENCIA PROPULSIVA ................................................................................................ 50

4.3. ELECCIÓN PLANTA PROPULSORA ................................................................................................. 52

4.3.1. CONSIDERACIONES PRELIMINARES .................................................................................. 52

4.3.2. COMPARATIVA PROPULSIÓN MEDIANTE MOTORES CONVENCIONALES Y PROPULSIÓN MEDIANTE

PODS……................................................................................................................................. 53

4.4. OPCIONES HÍBRIDAS EN EL MERCADO .......................................................................................... 56

4.4.1. SISTEMA HÍBRIDO EN SERIE ............................................................................................ 57

4.4.2. SISTEMA HÍBRIDO EN PARALELO ..................................................................................... 60

4.4.3. OBJETIVOS DE LA PROPULSIÓN HÍBRIDA ........................................................................... 63

4.5. MOTORES ELÉCTRICOS PARA LA HIBRIDACIÓN ............................................................................... 64

4.5.1. FUNCIONAMIENTO BÁSICO ............................................................................................ 64

4.5.2. MOTORES ELÉCTRICOS DE CORRIENTE CONTINUA .............................................................. 65

4.5.3. MOTORES ELÉCTRICOS DE CORRIENTE ALTERNA ................................................................ 67

4.5.4. MOTOR ELÉCTRICO SELECCIONADO PARA LA PROPULSIÓN HÍBRIDA ....................................... 71

4.6. SISTEMA DE PROPULSIÓN HÍBRIDA SELECCIONADO ......................................................................... 73

4.7. ALMACENAMIENTO DE LA ENERGÍA PARA LA PROPULSIÓN HÍBRIDA ................................................... 77

4.7.1. CONFIGURACIONES DE LOS BANCOS DE BATERÍAS .............................................................. 77

4.7.2. TIPOS DE BATERÍAS ...................................................................................................... 79

4.7.3. BATERÍAS PARA LA PROPULSIÓN HÍBRIDA ......................................................................... 81

4.7.4. RECARGA DE LAS BATERÍAS ............................................................................................ 82

4.8. SISTEMA DE AISLAMIENTO ......................................................................................................... 83

4.9. SELECCIÓN DE LA HÉLICE ........................................................................................................... 84

4.10. AUTONOMÍA EN LAS DIFERENTES CONDICIONES DE NAVEGACIÓN ..................................................... 85

4.10.1. CONSUMO DE COMBUSTIBLE EN LOS DISTINTOS MODOS DE PROPULSIÓN HÍBRIDA ................ 85

4.11. REPLANTEO DEL SISTEMA PROPULSIVO ........................................................................................ 87

CAPÍTULO 5. DISPOSICIÓN GENERAL.................................................................................... 95

5.1. POSICIÓN DE LOS MOTORES ....................................................................................................... 95

5.2. DISTRIBUCIÓN DE LOS ESPACIOS EN LA EMBARCACIÓN .................................................................... 98

5.2.1. COMPARTIMENTO DEL MOTOR ...................................................................................... 99

5.2.2. ESPACIO CONTIGUO AL COMPARTIMENTO DEL MOTOR ..................................................... 100

5.2.3. ACOMODACIÓN ........................................................................................................ 100

5.2.4. PLATAFORMA DE BAÑO Y ZONAS EXTERIORES ................................................................. 101

5.2.5. FLYBRIDGE ............................................................................................................... 102

5.2.6. ZONAS INTERIORES DE LA CUBIERTA PRINCIPAL ............................................................... 102

5.3. OBJETIVOS ALCANZADOS ......................................................................................................... 103


vi

CAPÍTULO 6. DISEÑO ESTRUCTURAL Y ESCANTILLONADO ................................................... 105

6.1. DISPOSICIÓN ESTRUCTURAL ..................................................................................................... 105

6.1.1. REFUERZOS LONGITUDINALES ...................................................................................... 106

6.1.2. REFUERZOS TRANSVERSALES ........................................................................................ 107

6.1.3. PANELES .................................................................................................................. 108

6.2. ESCANTILLONADO .................................................................................................................. 109

6.2.1. DATOS DE LA EMBARCACIÓN........................................................................................ 110

6.2.2. FACTORES DE AJUSTE DE LA PRESIÓN ............................................................................. 111

6.2.3. PRESIONES DE DISEÑO ................................................................................................ 114

6.2.4. OBTENCIÓN DEL VALOR DEL ESPESOR MÍNIMO REQUERIDO PARA LOS PANELES ..................... 116

6.2.5. REQUISITOS DE LOS ELEMENTOS DE REFUERZO ................................................................ 121

CAPÍTULO 7. VIABILIDAD ECONÓMICA ............................................................................... 127

7.1. COSTE DEL SISTEMA PROPULSIVO SELECCIONADO ........................................................................ 127

7.2. RENTABILIDAD ECONÓMICA DEL SISTEMA DE PROPULSIÓN HÍBRIDO ................................................ 128

CAPÍTULO 8. CONCLUSIONES ............................................................................................. 129

BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 133

ANEXO A1. BASE DE DATOS ............................................................................................... 141

ANEXO A2. PLANOS DE FORMAS ........................................................................................ 142

ANEXO A3. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS PROPULSIÓN HÍBRIDA ......................................... 145

A3.1. DATOS Y DESCRIPCIÓN TÉCNICA VOLVO PENTA IPS ...................................................................... 146

A3.2. MOTORES ELÉCTRICOS DE IMÁN PERMANENTE TRANSFLUID .......................................................... 148

A3.3. MÓDULOS DE TRANSMISIÓN HÍBRIDA TRANSFLUID ...................................................................... 150

A3.4. BATERÍAS DE FOSFATO DE HIERRO Y LITIO TRANSFLUID ................................................................. 153

A3.5. CARGADOR DE BATERÍAS TRANSFLUID LIFEPO4 .......................................................................... 155

A3.6. HÉLICES PARA EL SISTEMA VOLVO PENTA IPS ............................................................................. 156

A3.7. CÁLCULOS CONSUMO COMBUSTIBLE PARA LOS DIFERENTES MODOS EN LA CONDICIÓN FIJADA............. 158

ANEXO A4. DISPOSICIÓN GENERAL .................................................................................... 159

A4.1. VISTAS EXTERIORES DE LA EMBARCACIÓN ................................................................................... 159

Tabla de contenidos

vii

A4.2. DISPOSICIÓN GENERAL DE LA EMBARCACIÓN .............................................................................. 161

A4.3. RENDERIZADO DE LA EMBARCACIÓN ......................................................................................... 163

ANEXO A5. CÁLCULOS ESCANTILLONADO ........................................................................... 164

A5.1. DISTRIBUCIÓN DE LOS REFUERZOS ............................................................................................ 164

A5.2. CÁLCULO DE LOS FACTORES DE AJUSTE DE LA PRESIÓN .................................................................. 165

A5.3. PRESIONES DE DISEÑO ............................................................................................................ 167

A5.4. ESPESOR MÍNIMO REQUERIDO ................................................................................................. 169

A5.5. REQUISITOS DE LOS ELEMENTOS DE REFUERZO ............................................................................ 170

A5.6. MAMPAROS ......................................................................................................................... 170


viii

Listado de Figuras

Figura 1. Potencial de crecimiento de la náutica de recreo sobre la base del

PIB/habitantes/embarcaciones. Fuente: ANEN ................................................................................. 1

Figura 2. Número de matriculaciones de vehículos híbridos en España entre 2013 y 2019. Fuente:

STATISTA ............................................................................................................................................. 5

Figura 3. Espiral de diseño. Fuente: El Proyecto Básico del Buque Mercante .................................... 6

Figura 4. Determinación de Lmáx. y LH para embarcaciones monocasco a motor. Fuente: UNE-EN ISO

8666:2019 ......................................................................................................................................... 11

Figura 5. Determinación de Bmáx., T y D. Fuente: UNE-EN ISO 8666:2019 ........................................ 12

Figura 6. Determinación de la astilla muerta. Fuente: UNE-EN ISO 8666:2019 ............................... 12

Figura 7. Relación Eslora máxima - Manga. Fuente: Excel propio ................................................... 15

Figura 8. Relación Eslora máxima - Eslora de casco. Fuente: Excel propio ...................................... 16

Figura 9. Relación Eslora máxima - Calado máximo. Fuente: Excel propio ...................................... 16

Figura 10. Relación Eslora máxima - Desplazamiento en carga. Fuente: Excel propio .................... 17

Figura 11. Relación Eslora máxima - Capacidad de combustible. Fuente: Excel propio................... 17

Figura 12. Relación Eslora máxima - Capacidad de agua dulce. Fuente: Excel propio .................... 18

Figura 13. Relación Eslora máxima - Potencia máxima. Fuente: Excel propio ................................. 18

Figura 14. Relación Potencia mínima - Potencia máxima. Fuente: Excel propio ............................. 19

Figura 15. Fuerzas sobre una superficie plana de planeo. Fuente: Boat International, de Tim

Thomas ............................................................................................................................................. 23

Figura 16. Formas típicas del casco de embarcaciones de desplazamiento, semi-desplazamiento y

planeo. Fuente: Boat International, de Tim Thomas ........................................................................ 24

Figura 17. Semi-ángulo de entrada en la línea de flotación α. Fuente: Apuntes Proyecto del buque y

artefactos navales, de Julio Espinosa García .................................................................................... 25

Figura 18. Ángulo de la roda en su intersección con el plano de la flotación. Fuente: Apuntes

Proyecto del buque y artefactos navales, de Julio Espinosa García ................................................. 26

Figura 19. Formas de las secciones de proa en V (izquierda) y en U (derecha). Fuente: Apuntes

Proyecto del buque y artefactos navales, de Julio Espinosa García ................................................. 27

Listado de Figuras

ix

Figura 20. Curva de áreas seccionales. Fuente: Apuntes Proyecto del buque y artefactos navales,

de Julio Espinosa García ................................................................................................................... 28

Figura 21. Patrón de olas generado por un objeto en movimiento en el agua. Fuente: United States

Naval Academy................................................................................................................................. 29

Figura 22. Sistemas de olas de proa y popa generados por una embarcación. Fuente: Introduction

to Naval Architecture, de Gillmer and Johnson ................................................................................ 30

Figura 23. Representación de la suma de los trenes de olas transversales generados por un barco

para Fn=0,4. Fuente: Apuntes Proyecto del buque y artefactos navales, de Julio Espinosa García 31

Figura 24. Evolución de la resistencia por formación de olas en función del número de Froude.

Fuente: Principles of yacht design, de Lars Larsson and Rolf E Eliasson .......................................... 31

Figura 25. Distribución de presión y velocidad debajo de una placa plana. Fuente: Principles of

yacht design, de Lars Larsson and Rolf E Eliasson ............................................................................ 32

Figura 26. Influencia de la astilla muerta en las fuerzas de presión. Fuente: Principles of yacht

design, de Lars Larsson and Rolf E Eliasson ...................................................................................... 33

Figura 27. Sección transversal de un spray rail. Fuente: Principles of yacht design, de Lars Larsson

and Rolf E Eliasson............................................................................................................................ 35

Figura 28. Superficie mojada con y sin redanes longitudinales. Fuente: Portal Náutico Masmar ... 35

Figura 29. Expulsión del agua debida al codillo invertido. Fuente: Vesselalloy ............................... 36

Figura 30. Codillo invertido y segunda defensa en los costados. Fuente: Morningstar ................... 36

Figura 31. Series 62 Parent. Fuente: Planing hulls, de Akhil Saxena ................................................ 38

Figura 32. Curva de áreas seccionales del casco obtenido. Fuente: Propia ..................................... 40

Figura 33. Parámetros que intervienen en el cálculo mediante el método de Savitsky. Fuente:

Principles of yacht design, de Lars Larsson and Rolf E Eliasson ....................................................... 45

Figura 34. Elección del método estadístico de Savitsky en el Maxsurf Resistance. Fuente: Propia . 45

Figura 35. Resistencia al avance, en kN, en función de la velocidad, en kn. Fuente: Propia ........... 47

Figura 36. Potencia requerida, en kW, en función de la velocidad, en kn. Fuente: Propia .............. 47

Figura 37. Trimado, en grados, en función de la velocidad, en kn. Fuente: Propia ......................... 48

Figura 38. Potencias en el sistema propulsivo. Fuente: United States Naval Academy ................... 49

Figura 39. Potencias que intervienen en el sistema propulsivo. Fuente: United States Naval

Academy ........................................................................................................................................... 50

Figura 40. Comparativa barco con motorización convencional y con motorización Volvo Penta IPS.

Fuente: Naval Motor ........................................................................................................................ 53

Figura 41. Sistema IPS. Fuente: Revista Náutica y Yates.................................................................. 54


x

Figura 42. Sistema Volvo Penta IPS. Fuente: Naval Motor ............................................................... 54

Figura 43. La combinación de la acción de los IPS mediante los Joystick permite maniobrar en

cualquier sentido. Fuente: Revista Náutica y Yates ......................................................................... 55

Figura 44. Gases escape y ausencia de cavitación debido a la orientación hacia proa de los IPS.

Fuente: Naval Motor ........................................................................................................................ 55

Figura 45. Sistema de propulsión diésel-eléctrico. Fuente: Revista digital Proyectos Navales ........ 56

Figura 46. Sistema de propulsión híbrido en serie. Fuente: Revista digital Proyectos Navales ....... 57

Figura 47. Esquema del sistema propulsivo Deep Blue Hybrid de Torqeedo. Fuente: Torqeedo ..... 58

Figura 48. Pantallas información y gestión del sistema. Fuente: Torqeedo ..................................... 60

Figura 49. Sistema de propulsión híbrido en paralelo. Fuente: Revista digital Proyectos Navales .. 61

Figura 50. Sistema propulsivo híbrido en paralelo Volvo Penta IPS. Fuente: Yatemar .................... 62

Figura 51. Sistema de propulsión híbrido en paralelo HDrive Technology. Fuente: Greenline Hybrid

Yacht ................................................................................................................................................. 64

Figura 52. Partes de un motor eléctrico universal. Fuente: Aula21, centro de formación técnica

para la industria ............................................................................................................................... 65

Figura 53. Esquema de funcionamiento básico de un motor de corriente continua. Fuente:

Automatismo Industrial .................................................................................................................... 66

Figura 54. Función del colector de delgas en un motor de corriente continua. Fuente: Automatismo

Industrial........................................................................................................................................... 66

Figura 55. Funcionamiento motor asíncrono. Fuente: Scuola Elettrica ........................................... 68

Figura 56.Tipos de motores asíncronos. Fuente: ESAII y EPSEVG (UPC) ........................................... 69

Figura 57. Arranque de un motor síncrono. Fuente: Automatismo Industrial ................................. 70

Figura 58. Sistema de refrigeración líquida por circuito cerrado para motores eléctricos Transfluid.

Fuente: Transfluid ............................................................................................................................ 73

Figura 59. Módulo híbrido Transfluid HM2000. Fuente: Transfluid ................................................. 74

Figura 60. Esquema de funcionamiento de la propulsión híbrida mediante el módulo HM2000.

Fuente: Transfluid ............................................................................................................................ 75

Figura 61. Circuito de accionamiento de la toma de fuerza HFR mediante aire. Fuente: Transfluid75

Figura 62. Esquema funcionamiento del sistema de propulsión híbrida. Fuente: Transfluid .......... 76

Figura 63. Sistema de propulsión híbrida en paralelo con las unidades IPS de Volvo Penta. Fuente:

Volvo Penta ...................................................................................................................................... 77

Figura 64. Esquemas de bancos de baterías en embarcaciones de recreo. Fuente: Exide Marine .. 78

Listado de Figuras

xi

Figura 65. Necesidades de las baterías según la configuración. Fuente: Exide Marine ................... 79

Figura 66. Hélices Nibral tipo T/TS para Volvo Penta IPS. Fuente: Volvo Penta .............................. 84

Figura 67. Serie de hélices Volvo Penta tipo T/TS. Fuente: Volvo Penta .......................................... 84

Figura 68. Potencia requerida en función de la velocidad, por el método de Wyman. Fuente: Propia

.......................................................................................................................................................... 88

Figura 69. Comparativa instalación banco baterías de 288 V y de 96 V. Fuente: Propia ................ 91

Figura 70. Dimensiones del motor Volvo Penta D6-IPS650. Fuente: Volvo Penta ........................... 96

Figura 71. Separación mínima entre el motor y el espejo de popa. Fuente: Volvo Penta ................ 96

Figura 72. Distancia desde la quilla hasta el centro del motor (A). Fuente: Volvo Penta ................ 97

Figura 73. Dimensiones mínimas del ancho de los refuerzos en el orificio de la unidad propulsora

IPS. Fuente: Volvo Penta .................................................................................................................. 97

Figura 74. Disposición recomendada de los refuerzos para la instalación del sistema de propulsión

Volvo Penta IPS. Fuente: Volvo Penta .............................................................................................. 98

Figura 75. Separación entre los refuerzos longitudinales para el montaje del motor. Fuente: Volvo

Penta ................................................................................................................................................ 98

Figura 76. Definición del sistema propulsivo en el compartimento del motor. Fuente: Propia ....... 99

Figura 77. Renderizado de la embarcación a proyectar. Fuente: Propia ....................................... 103

Figura 78. Embarcación con estructura longitudinal. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5:2008 ............ 105

Figura 79. Definición de las zonas de la estructura de la embarcación. Fuente: UNE-EN ISO 12215-

5:2008............................................................................................................................................. 106

Figura 80. Disposición de los refuerzos transversales. Fuente: Propia ........................................... 107

Figura 81. Paneles de costado, en azul claro, y paneles de fondo, en azul oscuro, de la

embarcación. Fuente: Propia ......................................................................................................... 108

Figura 82. Dimensiones de los paneles y refuerzos. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5 ........................ 109

Figura 83. Dimensiones de los refuerzos con abombamiento. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5 ....... 109

Figura 84. Medición del abombamiento del panel. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5 ........................ 117


xii

Figura A 1. Base de datos dimensionamiento preliminar. Fuente: Propia ..................................... 141

Figura A 2. Especificaciones técnicas sistema propulsión Volvo Penta D6-IPS650. Fuente: Volvo

Penta .............................................................................................................................................. 147

Figura A 3. Motores eléctricos síncronos de imán permanentes de Transfluid. Fuente: Transfluid

........................................................................................................................................................ 149

Figura A 4. Módulos de transmisión híbrida Transfluid. Fuente: Transfluid .................................. 152

Figura A 5. Baterías de LiFePO4 de Transfluid. Fuente: Propia ...................................................... 154

Figura A 6. Cargadores de baterías Transfluid. Fuente: Transfluid ................................................ 155

Figura A 7. Hélices para el sistema de propulsión IPS. Fuente: Propeller Guide Volvo Penta ........ 157

Figura A 8. Cálculos consumo combustible para los diferentes modos. Fuente: Propia ................ 158

Figura A 9. Renderizado de la embarcación a proyectar. Fuente: Propia ...................................... 163

Figura A 10. Distribución de los refuerzos de la embarcación, donde las líneas rojas corresponden a

los transversales y las verdes a los longitudinales. Fuente: Propia ................................................ 164

Figura A 11. Cálculos de los factores de ajuste de la presión de los paneles de fondo y costado.

Fuente: Propia ................................................................................................................................ 165

Figura A 12. Cálculo de los factores de ajuste de la presión de los refuerzos y de los factores de

reducción de presión kz en el costado. Fuente: Propia ................................................................... 166

Figura A 13. Valores obtenidos de la presión de diseño para los paneles de fondo y costado.

Fuente: Propia ................................................................................................................................ 167

Figura A 14. Valores obtenidos de la presión de diseño para los refuerzos. Fuente: Propia .......... 168

Figura A 15. Cálculo del espesor mínimo requerido para los paneles de fondo y costado. Fuente:

Propia ............................................................................................................................................. 169

Figura A 16. Cálculos de los requisitos de los elementos de refuerzo. Fuente: Propia ................... 170

Figura A 17. Cálculos referentes a los mamparos de la embarcación. Fuente: Propia .................. 170

Listado de Tablas

xiii

Listado de Tablas

Tabla 1. Correspondencia entre las zonas de navegación nacionales y las categorías de diseño.

Fuente: MITMA (Gobierno de España) ............................................................................................... 2

Tabla 2. Número matriculaciones de embarcaciones de recreo según eslora. Fuente: ANEN ........... 3

Tabla 3. Número de embarcaciones de recreo matriculadas según tipología. Fuente: ANEN........... 4

Tabla 4. Símbolos, abreviaturas y unidades utilizadas en la base de datos. Fuente: Propia ........... 13

Tabla 5. Embarcaciones que componen la base de datos. Fuente: Propia ...................................... 14

Tabla 6. Dimensiones y datos preliminares obtenidos para el diseño del modelo. Fuente: Propia . 19

Tabla 7. Características hidrostáticas del casco obtenido. Fuente: Propia ...................................... 40

Tabla 8. Parámetros para el cálculo de la resistencia al avance y la potencia requerida mediante el

método de Savitsky. Fuente: Propia ................................................................................................. 44

Tabla 9. Resultados obtenidos de resistencia al avance y potencia requerida en función de la

velocidad. Fuente: Propia ................................................................................................................. 46

Tabla 10. Resistencia al avance y potencia obtenidos para la velocidad máxima de 25 nudos.

Fuente: Propia .................................................................................................................................. 48

Tabla 11. Especificaciones técnicas del motor eléctrico EM 300-50. Fuente: Transfluid ................. 74

Tabla 12. Especificaciones generales baterías de fosfato de hierro y litio Transfluid. Fuente:

Transfluid .......................................................................................................................................... 81

Tabla 13. Especificaciones técnicas del banco de baterías de 288 V y 300 Ah. Fuente: Transfluid . 82

Tabla 14. Estimación de la resistencia al avance y potencia requerida para velocidades inferiores a

10 nudos. Fuente: Propia ................................................................................................................. 88

Tabla 15. Resistencia al avance y potencia obtenidos para la velocidad de 6 nudos. Fuente: Propia

.......................................................................................................................................................... 88

Tabla 16. Especificaciones técnicas del motor eléctrico EM 220-20. Fuente: Transfluid ................. 89

Tabla 17. Especificaciones técnicas del banco de baterías de 96 V y 600 Ah. Fuente: Transfluid ... 90

Tabla 18. Consumo de combustible para los diferentes modos de navegación en la condición

analizada. Fuente: Propia ................................................................................................................ 92

Tabla 19. Dimensiones y datos de la embarcación utilizados para el cálculo del escantillonado.

Fuente: Propia ................................................................................................................................ 111


xiv

Tabla 20. Valores de kDC según la categoría de diseño. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5:2008 ......... 111

Tabla 21. Valores mínimos de kAR. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5 .................................................. 113

Tabla 22. Determinación del factor de alargamiento del panel por resistencia a la flexión. Fuente:

UNE-EN ISO 12215-5 ...................................................................................................................... 116

Tabla 23. Factor de corrección de curvatura kC. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5 ............................. 117

Tabla 24. Tensiones de diseño para las chapas de costado de FRP de una sola capa. Fuente: UNE-

EN ISO 12215-5 ............................................................................................................................... 117

Tabla 25. Método de determinación del nivel de evaluación de las propiedades mecánicas. Fuente:

UNE-EN ISO 12215-5 ...................................................................................................................... 118

Tabla 26. Contenido nominal de fibra en masa. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5 ............................. 118

Tabla 27. Secuencia de laminado propuesta para el fondo. Fuente: Propia ................................. 119

Tabla 28. Secuencia de laminado propuesta para el costado. Fuente: Propia .............................. 119

Tabla 29. Propiedades mecánicas del laminado de fibra de vidrio E. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5

........................................................................................................................................................ 119

Tabla 30. Factores de espesor mínimo. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5 ........................................... 121

Tabla 31. Verificación cumplimiento de la secuencia de laminado propuesta con lo exigido por la

norma UNE-EN ISO 12215-5. Fuente: Propia ................................................................................. 121

Tabla 32. Valores del factor de ajuste por curvatura de los refuerzos kCS. Fuente: UNE-EN ISO

12215-5 .......................................................................................................................................... 122

Tabla 33. Valores del factor de superficie de cizalla de un refuerzo kSA. Fuente: UNE-EN ISO 12215-

5 ...................................................................................................................................................... 122

Tabla 34. Tensiones de diseño de los refuerzos. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5 ............................. 122

Tabla 35. Presupuesto estimado del sistema de propulsión híbrido. Fuente: Propia ..................... 127

Tabla 36. Ahorro de combustible anual. Fuente: Propia ................................................................ 128

Listado de Tablas

xv

Introducción

1

Capítulo 1. Introducción

El sector de la náutica de recreo en España, según la Asociación Nacional de Empresas Náuticas

(ANEN), tiene un elevado potencial de crecimiento.

Los países con un PIB per cápita similar al español, presentan un desarrollo náutico (número de

habitantes / número de embarcaciones de recreo) muy superior, como se refleja en el siguiente

gráfico:

Figura 1. Potencial de crecimiento de la náutica de recreo sobre la base del PIB/habitantes/embarcaciones.

Fuente: ANEN

Hoy en día, una de las principales preocupaciones de la sociedad es la contaminación del medio

ambiente. Sectores como el del automóvil y el transporte público ya han incorporado tecnologías

para reducir considerablemente las emisiones contaminantes, como puede ser el uso de motores

híbridos o incluso eléctricos. Pero en cuanto a la náutica de recreo, existen muy pocas

embarcaciones que naveguen con propulsores de este tipo. Por este motivo, y considerando el

elevado potencial de crecimiento de este sector, se pretende diseñar una embarcación con

propulsión híbrida que pueda navegar con un motor eléctrico en ciertas condiciones. Reduciendo

así, de forma considerable, las emisiones contaminantes por el consumo de combustibles fósiles.


2

1.1. Objetivo del proyecto

El objetivo principal del presente proyecto es el estudio y diseño de una embarcación de recreo

monocasco, con propulsión híbrida y fabricada con materiales compuestos.

Para llevar a cabo dicho objetivo, primero se limita la eslora a un máximo de 15 metros. El motivo

de esta restricción es que la embarcación pueda ser gobernada con el título de Patrón de

Embarcaciones de Recreo (PER), que según el Real Decreto 875/2014, del 10 de octubre, con esta

titulación se permite gobernar embarcaciones de recreo a motor de hasta 15 metros de eslora.

A parte de la eslora, el título de Patrón de Embarcaciones de Recreo también delimita la

navegación en la zona comprendida entre la costa y una línea paralela a la misma, trazada a 12

millas de ésta, y la navegación entre islas dentro del archipiélago balear y canario.

A esta delimitación de distancia, se le podría asociar una zona de navegación a la embarcación,

que en este caso sería la 4. En España, las zonas de navegación dependen de la categoría de

diseño de la embarcación, especificada en el marcado CE, y de la dotación de equipos de

seguridad y comunicaciones que disponga.

Zona de

navegación

Navegación Categoría de

diseño

1 Ilimitada A

2 Hasta una línea paralela a la costa trazada a 60 millas B

3 Hasta una línea paralela a la costa trazada a 25 millas B

4 Hasta una línea paralela a la costa trazada a 12 millas C

5 No más de 5 millas de un abrigo o playa accesible C

6 No más de 2 millas de un abrigo o playa accesible C

7 En aguas protegidas, puertos, radas, rías, bahías

abrigadas

D

Tabla 1. Correspondencia entre las zonas de navegación nacionales y las categorías de diseño. Fuente:

MITMA (Gobierno de España)

La categoría de diseño determina la navegación dentro de una zona atendiendo a su construcción,

el viento que es capaz de soportar y el oleaje. Por lo tanto, si la embarcación tuviera categoría de

diseño C sería suficiente para satisfacer las limitaciones de la titulación mencionada

anteriormente. Pero con la finalidad de poder navegar a distancias más lejanas de la costa, como

sería una travesía desde la Península hasta las Islas Baleares, se diseñará con categoría de diseño

B.

Introducción

3

Otro aspecto importante a considerar es el de la velocidad de la embarcación. Ésta debe ser

capaz de alcanzar una velocidad de 25 nudos, logrando navegar en la condición de semi-planeo.

Además, la embarcación debe tener al menos una autonomía de 200 millas, pudiendo navegar

desde la Península hasta las Islas Baleares. En la condición eléctrica, será suficiente con que la

embarcación pueda navegar mínimo 1 hora sin recargar baterías, permitiendo los

desplazamientos habituales en verano desde puerto a las playas o calas cercanas.

En cuanto al máximo de tripulantes permitidos a bordo, la embarcación debe tener una capacidad

mínima de 8 tripulantes, pudiendo pernoctar 6 de ellos.

1.2. Estudio de mercado

La primera fase del desarrollo de un proyecto consiste en determinar la viabilidad del mismo.

Además de realizar una estimación de costes y definir las especificaciones generales. Esta etapa

es de vital importancia para precisar si se podrá llevar a cabo el proyecto con éxito, obteniendo

los resultados esperados.

Al ser un trabajo académico y no considerar las exigencias de un cliente externo, se analizan los

objetivos fijados previamente para confirmar su factibilidad y, por lo tanto, sí son viables.

Una de las tareas básicas a realizar es un estudio de mercado para determinar la viabilidad

comercial. Se debe investigar y anticipar la respuesta de los clientes potenciales y la competencia

ante el producto a proyectar. Una vez llevado a cabo, se buscarán posibles ventajas o

innovaciones sobre el resto que lo hagan competitivo en el mercado.

En el caso propuesto, que es el diseño de una embarcación de recreo, se deben definir las

especificaciones generales del proyecto de las que partir, como puede ser la eslora. Para ello, se

analizan los datos proporcionados por la Asociación Nacional de Empresas Náuticas (ANEN) de

matriculaciones en los últimos años según la eslora y la tipología de embarcación.

Eslora 2019 2020 2021 %^19 %^20 %19/Tot. %20/Tot. %21/Tot.

Hasta 6 m 629 582 703 11,8% 20,8% 64,5% 67,7% 62,9%

De 6 a 8 m 186 165 224 20,4% 35,8% 19,1% 19,2% 20,1%

De 8 a 12 m 106 80 129 21,7% 61,3% 10,9% 9,3% 11,5%

De 12 a 16m 43 27 44 2,3% 63,0% 4,4% 3,1% 3,9%

Más de 16m 11 6 17 54,5% 183,3% 1,1% 0,7% 1,5%

Totales 975 860 1.117 14,6% 29,9% 100,0% 100,0% 100,0%

Tabla 2. Número matriculaciones de embarcaciones de recreo según eslora. Fuente: ANEN


4

Se observa que por eslora crecen todos los segmentos en el primer trimestre del año. Las

mejores cifras corresponden a las embarcaciones de a partir de 8 metros: el segmento de 8 a 12

metros crece un 61,3%, el de 12 a 16 metros presenta un crecimiento del 63% y el de más de 16

metros del 183,3%. Aunque hay que destacar que las embarcaciones con esloras de más de 12

metros representan solamente el 5,4% del mercado náutico español, mientras que las

embarcaciones de entre 8 y 12 metros conforman el 11,5%.

Mercado 2019 2020 2021 %^19 %^20 %19/Tot. %20/Tot. %21/Tot.

MOTOS DE

AGUA 167 212 210 25,7% -0,9% 17,1% 24,7% 18,8%

BARCOS A

MOTOR 477 374 545 14,3% 45,7% 48,9% 43,5% 48,8%

NEUMÁTICAS

PLEGABLES 118 93 109 -7,6% 17,2% 12,1% 10,8% 9,8%

NEUMÁTICAS

SEMIRRIGIDAS 131 96 125 -4,6% 30,2% 13,4% 11,2% 11,2%

VELA 82 85 128 56,1% 50,6% 8,4% 9,9% 11,5%

Totales 975 860 1.117 14,6% 29,9% 100,0% 100,0% 100,0%

Tabla 3. Número de embarcaciones de recreo matriculadas según tipología. Fuente: ANEN

Por tipología, la matriculación de veleros crece un 50,6% y la de barcos a motor un 45,7%. Pero

los veleros solo representan el 11,5% del mercado náutico nacional, mientras que las

embarcaciones a motor representan el 48,8%.

Cabe destacar que el mercado náutico refleja un crecimiento sólido de la demanda de

embarcaciones de recreo en lo que va de año, lo cual es un dato significativo después de la crisis

sanitaria sufrida en el último año.

Otro aspecto a tener en cuenta es el de la propulsión híbrida. Debido a que no se comercializan

demasiadas embarcaciones híbridas y no hay estudios sobre ello, se analizan las matriculaciones

de vehículos híbridos en España en los últimos años.

Introducción

5

Figura 2. Número de matriculaciones de vehículos híbridos en España entre 2013 y 2019. Fuente: STATISTA

Se puede observar en el gráfico anterior que la tendencia es exponencial, por lo que, a medida

que pasen los años, el número de matriculaciones de coches híbridos irá en aumento.

Con lo analizado anteriormente se puede concluir que el segmento de los 8 a los 12 metros de

eslora es una opción viable para el diseño de una embarcación de recreo, ya que han aumentado

las matriculaciones un 61,3% en el último año y además representan mayor porcentaje en el

mercado que las esloras superiores. En cuanto a la propulsión, destacan considerablemente las

embarcaciones a motor.

Teniendo en cuenta que la propulsión híbrida en el sector del automóvil es una opción que cada

año eligen más personas, se debería poder aplicar en el mundo de la náutica con éxito. Por este

motivo, finalmente se decide diseñar una embarcación a motor con propulsión híbrida que tenga

una eslora máxima de 12 metros, reduciendo así el valor máximo de eslora especificado en el

apartado anterior, ya que es un segmento con más opciones de comercialización.

1.3. Fases del proyecto

Todo proyecto es un proceso complejo que requiere de la aplicación de conocimientos de

múltiples disciplinas. A partir de un planteamiento general de la embarcación y su

dimensionamiento, se debe profundizar en el desarrollo de sus formas, disposición general,

definición de su planta propulsora, de sus equipos, y realizar los cálculos necesarios asociados a su

estructura, pesos, estabilidad, características de maniobrabilidad, etc. Durante este proceso de

definición y cálculo se mantendrá como objetivo la optimización del proyecto. El proceso debe

ser cíclico e iterativo, ya que se lleva a cabo en ciclos y las iteraciones pretenden mejorar los

resultados obtenidos en las fases anteriores del proyecto. Éste se puede representar mediante la

denominada espiral de diseño:


6

Figura 3. Espiral de diseño. Fuente: El Proyecto Básico del Buque Mercante

La primera fase es la de proyecto conceptual, que consiste en determinar la viabilidad del

proyecto, su coste y sus especificaciones. Para ello, anteriormente se ha definido el tipo de

embarcación, el segmento de esloras, la categoría de diseño, la propulsión… Realmente esta fase

es la de negociaciones con el cliente para determinar sus exigencias y estudiar su viabilidad, pero

al ser un proyecto con fines académicos, es el propio estudiante el que fija las características de la

embarcación. En cuanto al coste, esta variable suele oscilar significativamente durante las

siguientes fases, por lo que en el presente proyecto académico se va a omitir esta etapa para

enfocarlo al desarrollo de otras fases del proyecto.

La primera parte del proyecto conceptual es la de dimensionamiento preliminar, que consiste en

realizar una base de datos de referencia de buques similares al objeto del proyecto, como pueden

ser las dimensiones básicas o información adicional de utilidad. Y a partir de dicha base de datos,

definir aproximadamente las dimensiones principales de la embarcación.

La siguiente fase es la de proyecto contractual, que se basa en la necesidad de ofrecer soporte

técnico al contrato de construcción de la embarcación. En esta fase se debe comprobar el

cumplimiento de los requisitos impuestos por el cliente y deben quedar definidas las

características de la embarcación, como por ejemplo la disposición general o la potencia de

propulsión.

Introducción

7

El presente Trabajo Final de Grado se va a centrar en esta parte del proyecto. Donde quedan

definidas las formas de la embarcación, la disposición general y la potencia de propulsión. Se

define también la planta propulsora, la estructura de la embarcación, etc.

La generación de la geometría del casco en 3D se realizará, con las dimensiones obtenidas,

mediante el programa “Rhinoceros”. Se analizarán todas las modificaciones realizadas en el casco

mediante el programa “Maxsurf”, hasta conseguir unas formas óptimas. Una vez obtenidas, se

analizarán sus características hidrostáticas y se determinará su resistencia al avance. Este dato se

utilizará para conocer la potencia requerida y así definir su sistema propulsivo.

Finalmente se definirán los espacios principales y se seguirán las normativas correspondientes

para el cálculo de los elementos estructurales de la embarcación.

Por último, está la fase del proyecto constructivo, que engloba todo el desarrollo del proyecto

hasta la consecución de toda la documentación requerida para la construcción de la embarcación.

Esta fase no se va a llevar a cabo en el presente estudio.


8

Dimensionamiento preliminar

9

Capítulo 2. Dimensionamiento

preliminar

Durante las primeras fases del desarrollo del proyecto de la embarcación es esencial realizar un

dimensionamiento del mismo. Este término se refiere a la determinación de las características

principales de la embarcación, como pueden ser sus dimensiones. A pesar de que es un proceso

que se realiza en las primeras etapas del proyecto y del cual se dispone de poca información, es

un proceso decisivo en el desarrollo posterior del proyecto.

Para llevar a cabo el dimensionamiento, se realiza una base de datos de referencia con las

dimensiones principales y cualquier información relevante de embarcaciones similares al objeto

del proyecto. Dicha base de datos estará formada por 20 embarcaciones de recreo con esloras

comprendidas entre 8,36 y 13,06 metros.

En ésta se incluyen todas las características que se han podido obtener de las páginas web de sus

astilleros. En algunas embarcaciones se proporcionan pocas especificaciones, por lo que en la

base de datos faltan ciertos valores de algunos parámetros.

Una vez realizada la base de datos, se establecen relaciones entre los diferentes parámetros

básicos de las embarcaciones a partir de regresiones lineales para así obtener las características

principales de la embarcación objeto.

2.1. Parámetro crítico de diseño y cifra de mérito

La cifra de mérito es el parámetro que se pretende optimizar en un proyecto. En la mayoría de

casos, la cifra de mérito suele ser económica, ya que el objetivo del proyectista es proyectar y

fabricar la embarcación al menor coste posible.

En cambio, en el presente proyecto se omitirán las cuestiones económicas y se priorizará en que

la embarcación no supere los 12 metros de eslora y que la motorización híbrida pueda imponerse

a las prestaciones de sus competidores, consiguiendo velocidades semejantes y menores

emisiones contaminantes. Por lo tanto, se tomará como cifra de mérito la eslora, ya que es el


10

requisito que se ha fijado en las fases previas del proyecto y a partir de la cual se obtendrán el

resto de dimensiones.

Se considerará como parámetro crítico del proyecto la velocidad, ya que cuando la embarcación

navegue en la condición totalmente eléctrica, estará razonablemente limitada. Por lo tanto, se

deberá reducir al máximo la resistencia al avance realizando un cuidadoso diseño de formas.

2.2. Base de datos

En la base de datos se incluyen las dimensiones principales de las embarcaciones analizadas,

como son la eslora, manga, calado y puntal. Pero, además se añade información relevante para el

dimensionamiento, como puede ser el desplazamiento, la capacidad de los tanques, o la potencia

máxima y mínima.

2.2.1. Dimensiones principales e información relevante

Las dimensiones principales de las embarcaciones de recreo1 vienen definidas por la norma UNE-

EN ISO 8666:2019, aplicable a pequeñas embarcaciones cuyo casco tenga una eslora igual o

inferior a 24 metros.

Eslora máxima, Lmáx.

La eslora máxima, Lmáx., incluye todas las partes estructurales de la embarcación y las que forman

parte integrante de la misma, tales como rodas o popas de madera, metal o plástico, las

amuradas y las juntas casco/cubierta. También incluye todas las partes que normalmente están

fijas en el casco, tales como palos fijos, penoles, plataformas salientes en cualquier extremo de la

embarcación, guarniciones de proa, timones, soportes para motores fuera borda, apoyos para

propulsión, propulsores de chorro de agua y todo sistema de propulsión que sobresalga de la

popa, las plataformas para zambullirse y subir a bordo y las protecciones y defensas permanentes.

Esta eslora excluye los motores fuera borda y cualquier otro tipo de equipo que se pueda

desmontar sin ayuda de herramientas.

1 Según el Real Decreto 1434/1999 de 10 de septiembre, se consideran embarcaciones de recreo aquéllas de todo tipo, con independencia del medio de propulsión, que tengan una eslora de casco comprendida entre 2,5 y 24 metros, proyectadas y destinadas para fines recreativos y deportivos, y que no transporten más de 12 pasajeros.


11

Eslora de casco, LH

La eslora de casco, LH, incluye todas las partes estructurales de la embarcación y las que forman

parte integrante de la misma, tales como rodas o popas de madera, metal o plástico, las

amuradas y las juntas casco/cubierta. Pero excluye todas las partes móviles que se puedan

desmontar de forma no destructiva, sin afectar a la integridad estructural de la embarcación,

como por ejemplo palos, penoles, plataformas salientes en cualquier extremo de la embarcación,

guarniciones de proa, timones, soportes para motores fuera borda, apoyos para la propulsión, las

plataformas para zambullirse y subir a bordo y las protecciones y defensas.

Figura 4. Determinación de Lmáx. y LH para embarcaciones monocasco a motor. Fuente: UNE-EN ISO

8666:2019

Manga máxima, Bmáx.

La manga máxima, Bmáx., debe medirse entre dos planos tangentes a las partes más exteriores de

la embarcación. Incluye todas las partes estructurales o que formen parte integrante de la

embarcación, tales como extensiones del casco, las juntas casco/cubierta, y otras extensiones

como los doblantes, obenques, chapas para la cadena, listones defensas y barandillas que se

extiendan más allá de los costados de la embarcación.


12

Calado, T

El calado, T, debe medirse como la distancia vertical entre la línea de flotación de la embarcación

a plena carga y lista para navegar, y un punto determinado de la obra viva. Siendo máximo al

medirse hasta el punto más bajo de la obra viva o de los apéndices en su posición más baja.

Puntal máximo, Dmáx.

El puntal máximo, Dmáx., debe medirse como la distancia vertical entre la línea de cubierta en la

mitad de la eslora de la línea de flotación y el punto más bajo de la quilla.

Figura 5. Determinación de Bmáx., T y D. Fuente: UNE-EN ISO 8666:2019

Astilla muerta, β

La astilla muerta, β, medida en grados es el ángulo de la superficie del fondo con la horizontal,

medida transversalmente, en una posición dada.

Figura 6. Determinación de la astilla muerta. Fuente: UNE-EN ISO 8666:2019


13

Desplazamiento en carga, mLDC

El desplazamiento en carga, mLDC, es el peso de la embarcación, incluyendo todos los apéndices,

cuando está completamente cargada y lista para navegar.

Peso de la embarcación en rosca, mLCC

El peso de la embarcación sin carga, mLCC (peso en la condición de embarcación en rosca) debe

incluir los elementos estructurales, el lastre, la estructura interior y alojamientos, los motores,

sistemas de combustible y los equipos internos y externos.

Tanques y capacidad de los tanques

El peso de los líquidos debe calcularse o medirse hasta el volumen máximo de los tanques. Este

apartado incluye los tanques de combustible instalados de forma permanente, los de agua dulce y

los tanques portátiles y sus contenidos.

2.2.2. Símbolos, abreviaturas y unidades

Los símbolos, abreviaturas y unidades utilizados en la base de datos se reflejan en la Tabla 5:

Denominación Símbolo Unidad

Eslora máxima Lmáx. Metros (m)

Eslora de casco LH Metros (m)

Manga B Metros (m)

Calado máximo Tmáx. Metros (m)

Puntal máximo Dmáx. Metros (m)

Desplazamiento en carga mLDC Toneladas (t)

Peso en rosca mLCC Toneladas (t)

Velocidad de crucero V crucero Nudos (Kn)

Velocidad máxima Vmáx. Nudos (Kn)

Capacidad de combustible Cap. Combustible Litros (l)

Capacidad de agua dulce Cap. Agua dulce Litros (l)

Potencia máxima Potencia máx. Kilovatios (KW)

Potencia mínima Potencia mín. Kilovatios (KW)

Astilla muerta β Grados (°)

Tabla 4. Símbolos, abreviaturas y unidades utilizadas en la base de datos. Fuente: Propia


14

2.2.3. Embarcaciones incluidas en la base de datos,

La base de datos se compone de 20 embarcaciones de recreo, con esloras comprendidas entre

8,36 y 13,06 metros. A parte de la eslora, se ha tenido en cuenta que fuesen propulsadas a motor

y que predominasen las que disponen de flybridge. Para la determinación de alguno de los

parámetros, se han descartado las embarcaciones en las que no se especificaba dicho parámetro

en la página web del astillero.

Modelos de las embarcaciones

Rodman 1090 Evolution Galeon 400 Fly

Starfisher ST1060 Rodman 870 Fly

Astondoa 44 Flybridge Faeton F-940 Fly

7Mares 1030 Flybridge Galeon 300 Fly

Jeanneau NC 37 Prestige 420 F-Line

Beneteau Gran Turismo 32 Prestige 350 Fly

Faeton F-360 Fly Space 880

Astinor 30 Astinor 1000 LX

Starfisher ST27 Fly Beneteau Antares 36

Bavaria R40 Jeanneau Merry Fisher 815

Tabla 5. Embarcaciones que componen la base de datos. Fuente: Propia

En el Anexo 1 se puede consultar la base de datos al completo.

2.2.4. Relaciones entre los diferentes parámetros

Posteriormente a la realización de la base de datos, se deben establecer las relaciones entre los

diferentes parámetros adimensionales a partir de regresiones estadísticas. El objetivo es estimar

el valor de una variable a partir de los valores de una o más variables, llamadas variables

independientes.

Se elaboran diagramas de dispersión que relacionen dos parámetros para analizar la relación que

existe entre ellos. Estos diagramas permiten cuantificar el grado de relación lineal que existe

entre las variables, aunque también se puede observar de forma visual el grado en el que la nube

de puntos se aproxima a una línea recta.

Para cuantificar si dos variables se ajustan a una relación lineal se utiliza el coeficiente de

correlación lineal de Pearson, r, cuyo valor oscila entre -1 y +1. Cuando el valor de r se aproxima a

1, indica que la relación lineal es perfecta, mientras que, si la relación lineal es nula, el valor de r

es igual a 0.


15

Figura 7. Relación Eslora máxima - Manga. Fuente: Excel propio

La recta que mejor se ajusta a la nube de puntos es aquella que hace que el error de estimación

(distancia entre el valor observado y el estimado) sea mínimo. Para saber la benignidad del ajuste

se utiliza el coeficiente de determinación R2, que indica el porcentaje de ajuste que se ha logrado

con el modelo lineal. Se cumple que R2 = r2.

A partir de las ecuaciones de las rectas producidas de cada regresión lineal, se obtendrán los

datos principales de la embarcación. Primero, se debe fijar el valor de un parámetro y a partir de

éste calcular el resto. Se fija el valor de la eslora, ya que es el parámetro más significativo que se

pretende limitar. Para el cálculo del resto de parámetros, se analizan los valores de los

coeficientes de determinación R2 de las diferentes regresiones, utilizando las relaciones con

mayor R2 posible para el cálculo del parámetro deseado.

2.3. Regresiones lineales

Las regresiones lineales que se analizan son en función de la eslora total, excepto una que

relaciona la potencia máxima en función de la potencia mínima. Se eligen estas regresiones ya

que son las de mayor coeficiente de determinación que permiten el cálculo de todos los

parámetros, siendo dicho coeficiente mayor a 0,8 en la mayoría de casos y, por lo tanto, se

consideran regresiones favorables.

Se podría haber perfeccionado la relación entre parámetros si se hubiese conseguido el valor del

puntal de todas las embarcaciones, pero los astilleros no proporcionan este dato, por lo que el

puntal no se ha considerado en las regresiones.

Como se ha mencionado anteriormente, el cálculo de los parámetros se efectúa a partir de las

ecuaciones de la recta de las diferentes regresiones lineales, partiendo del valor fijado de 12

metros de eslora.

Eslora máxima – Manga

𝑩 = 𝟎, 𝟐𝟓 ∙ 𝑳𝒎á𝒙. + 𝟎, 𝟕𝟕 ( 1 )

𝐵 = 0,25 ∙ 12 + 0,77

𝑩 = 𝟑, 𝟖𝟒 𝒎


16

Figura 8. Relación Eslora máxima - Eslora de casco. Fuente: Excel propio

Figura 9. Relación Eslora máxima - Calado máximo. Fuente: Excel propio

Eslora máxima – Eslora de casco

𝑳𝑯 = 𝟎, 𝟖𝟗 ∙ 𝑳𝒎á𝒙. + 𝟎, 𝟏𝟓 ( 2 )

𝐿𝐻 = 0,89 ∙ 12 + 0,15

𝑳𝑯 = 𝟏𝟎, 𝟖𝟕 𝒎

Eslora máxima – Calado máximo

𝑻𝒎á𝒙. = 𝟎, 𝟎𝟕 ∙ 𝑳𝒎á𝒙. + 𝟎, 𝟎𝟗 ( 3 )

𝑇𝑚á𝑥. = 0,07 ∙ 12 + 0,09

𝑻𝒎á𝒙. = 𝟎, 𝟗𝟏 𝒎

Para la obtención del calado máximo se han realizado regresiones del calado con todos los

parámetros, obteniendo un mayor coeficiente de determinación en la relación del calado máximo

con la eslora máxima.


17

Figura 10. Relación Eslora máxima - Desplazamiento en carga. Fuente: Excel propio

Figura 11. Relación Eslora máxima - Capacidad de combustible. Fuente: Excel propio

Eslora máxima - Desplazamiento en carga

𝒎𝑳𝑫𝑪 = 𝟐, 𝟎𝟕 ∙ 𝑳𝒎á𝒙. − 𝟏𝟑, 𝟗𝟑 ( 4 )

𝑚𝐿𝐷𝐶 = 2,07 ∙ 12 − 13,93

𝒎𝑳𝑫𝑪 = 𝟏𝟎, 𝟗𝟒 𝒕

Eslora máxima – Capacidad de combustible

𝑪. 𝑪𝒐. = 𝟏𝟑𝟔, 𝟏𝟏 ∙ 𝑳𝒎á𝒙. − 𝟕𝟔𝟏, 𝟏 ( 5 )

𝐶. 𝐶𝑜. = 136,11 ∙ 12 − 761,10

𝑪𝒂𝒑. 𝒄𝒐𝒎𝒃𝒖𝒔𝒕𝒊𝒃𝒍𝒆 = 𝟖𝟕𝟐, 𝟐𝟐 𝒍


18

Figura 12. Relación Eslora máxima - Capacidad de agua dulce. Fuente: Excel propio

Figura 13. Relación Eslora máxima - Potencia máxima. Fuente: Excel propio

Eslora máxima – Capacidad de agua dulce

𝑪. 𝑨𝑫. = 𝟔𝟖, 𝟒𝟗 ∙ 𝑳𝒎á𝒙. − 𝟒𝟖𝟕, 𝟑𝟖 ( 6 )

𝐶. 𝐴𝐷. = 68,49 ∙ 12 − 487,38

𝑪. 𝑨𝑫. = 𝟑𝟑𝟒, 𝟔𝟎 𝒍

Eslora máxima – Potencia máxima

𝑷𝒎á𝒙. = 𝟖𝟏, 𝟖𝟏 ∙ 𝑳𝒎á𝒙. − 𝟒𝟑𝟑, 𝟗𝟒 ( 7 )

𝑃𝑚á𝑥. = 81,81 ∙ 12 − 433,94

𝑷𝒎á𝒙. = 𝟓𝟒𝟕, 𝟖𝟏 𝒌𝑾


19

Figura 14. Relación Potencia mínima - Potencia máxima. Fuente: Excel propio

Potencia mínima – Potencia máxima

𝑷𝒎í𝒏. = 𝟎, 𝟖𝟖 ∙ 𝑷𝒎á𝒙. − 𝟒𝟖, 𝟕𝟖 ( 8 )

𝑃𝑚í𝑛. = 0,88 ∙ 547,81 − 48,78

𝑷𝒎í𝒏. = 𝟒𝟑𝟓, 𝟒𝟑 𝒌𝑾

2.4. Resultados obtenidos

Los resultados obtenidos de las diferentes regresiones analizadas permiten partir de unas

dimensiones preliminares para el diseño de la embarcación. Algunas de ellas están expuestas a

posibles modificaciones en etapas posteriores del proyecto, como puede ser el caso del calado

máximo, que ha sido calculado a partir de una regresión lineal con un coeficiente de

determinación de 0,5, que implica una relación moderada entre los parámetros.

Los resultados de las dimensiones y datos obtenidos aparecen en la tabla siguiente:

DIMENSIONES Y DATOS PRELIMINARES

Denominación Símbolo Valor Unidad

Eslora máxima Lmáx. 12,00 Metros (m)

Eslora de casco LH 10,87 Metros (m)

Manga B 3,84 Metros (m)

Calado Tmáx. 0,92 Metros (m)

Desplazamiento en carga mLDC 10,95 Toneladas (t)

Capacidad combustible Cap. Combustible 872,22 Litros (l)

Capacidad agua dulce Cap. Agua Dulce 334,61 Litros (l)

Potencia máxima Potencia máx. 547,82 Kilovatios (kW)

Potencia mínima Potencia mín. 435,43 Kilovatios (kW)

Tabla 6. Dimensiones y datos preliminares obtenidos para el diseño del modelo. Fuente: Propia


20

Algunos parámetros no se han podido analizar debido a la falta de información sobre los mismos.

Los astilleros no proporcionan esos datos en sus páginas web y por lo tanto es muy difícil

conseguirlos. Algunos de éstos son la astilla muerta, el puntal, el peso en rosca y la velocidad.

Sin embargo, en la bibliografía se encuentran los enlaces a las páginas web de los modelos

analizados por si se desea corroborar alguna información.

Geometría del casco

21

Capítulo 3. Geometría del casco

La definición de las formas de la embarcación es una fase de gran transcendencia por sus

numerosas repercusiones en distintos aspectos del proyecto. En uno de los que más influye es en

el de la velocidad y con ello en la potencia instalada, por este motivo se busca conseguir unas

formas del casco óptimas desde el punto de vista hidrodinámico, sin sacrificar otros aspectos

como puede ser la estabilidad.

El diseño de formas se realiza cuando se necesita disponer del plano de formas de la embarcación

para:

• Desarrollar la disposición general.

• Disponer y cubicar los tanques.

• Calcular las curvas hidrostáticas, determinar el trimado y estudiar la estabilidad.

• Determinar algún valor necesario para el cálculo de pesos, centro de gravedad o

estimación de costes.

• Iniciar los ensayos en canal.

La definición de formas no sólo debe cumplir criterios hidrodinámicos para minimizar la

resistencia al avance2, sino que también se deben tener en cuenta otros objetivos como:

• Obtener el desplazamiento y calado de proyecto.

• Obtener los espacios para ubicar los tanques requeridos.

• Cumplir con los requisitos de maniobrabilidad y buen comportamiento en la mar.

• Evitar discontinuidades o diseños que dificulten el diseño estructural.

• Que las formas sean beneficiosas desde el punto de vista constructivo, es decir, que sean

desarrollables y sin curvaturas complejas.

2 La resistencia al avance (Rt) es la fuerza que se opone a que un barco avance a una velocidad constante, dependiendo principalmente de la velocidad de avance y de las formas de la embarcación. Las componentes de la resistencia al avance más importantes a tener en cuenta son la resistencia viscosa (RV) y la resistencia por formación de olas (RW). Aunque existen otras componentes de la resistencia, pero son menos relevantes en los casos prácticos que las mencionadas anteriormente, como podría ser la resistencia debida al viento, al estado del mar, la debida a la rugosidad del casco, la de los apéndices…


22

• Que las líneas tengan una componente estética atractiva.

Para el diseño de las formas de la embarcación, a partir de los parámetros definidos en el

dimensionamiento preliminar, se definen y trazan las formas para posteriormente realizar una

evaluación técnica sobre el cumplimiento de los objetivos.

3.1. Definición de las formas

Existen tres métodos para realizar el trazado de las formas de la embarcación:

• Derivación de formas, a partir de unas formas base que posean parámetros de forma

similares a los que se ha definido como objetivo.

• Generación de formas, a partir de los parámetros y características principales

definidos.

• Series sistemáticas, a partir de estudios experimentales sistemáticos de formas,

realizados por canales de ensayos o astilleros.

En el caso de presente proyecto, previamente se analizarán algunas características básicas de las

formas para determinar qué derivaciones se deben realizar para cumplir con los objetivos del

proyecto. Y así poder llevar a cabo, de forma correcta, una derivación de formas para el trazado

de las mismas.

Como se ha mencionado anteriormente, las formas del casco influyen sobre la velocidad de la

embarcación. A partir de la velocidad máxima definida en los objetivos del proyecto, y aplicando

los apartados 3.6 y 3.8 de la norma UNE-EN ISO 12215-5:2008, se determina si se trata de una

embarcación de desplazamiento o planeo. Según la norma:

Embarcación de desplazamiento: 𝑉

√𝐿𝑊𝐿

< 5 ( 9 )

Embarcación planeadora: 𝑉

√𝐿𝑊𝐿

≥ 5 ( 10 )

Al desconocer el valor de la eslora de flotación en esta fase del proyecto, se considera una eslora

cercana a la de casco, obteniendo un valor más crítico en el cálculo que si se hubiera utilizado la

eslora de flotación LWL.

25

√10,87= 7,58 ( 11 )

Por lo tanto, se trata de una embarcación que puede ser considerada de planeo.


23

3.1.1. Criterios básicos para el diseño de las formas

Antes de trazar las formas, se analizarán algunas sugerencias de diseño de formas que tienen

como objetivo prioritario la reducción de la resistencia de avance de la embarcación. Aunque

también se deben considerar aspectos de estabilidad, comportamiento en el mar,

maniobrabilidad, etc. En el caso del presente proyecto, además un aspecto a tener en cuenta son

los valores estéticos, pues se pretende captar la atención de los futuros clientes.

Análisis de formas del casco

En la norma UNE-EN ISO 12215-5:2008, considerando lo establecido respecto a la velocidad

máxima, la embarcación es del tipo planeo. Pero en la condición de navegación con motor

eléctrico, tendrá una velocidad limitada y navegará en la modalidad de desplazamiento. Por lo

tanto, se pretende diseñar un casco del tipo de semi-desplazamiento, siendo así una combinación

entre los de planeo y desplazamiento, adoptando ciertas ventajas de ambos.

Los cascos de desplazamiento reciben un empuje vertical (hidrostático) debido a la presión

hidrostática del agua, hacia arriba igual al peso del volumen del fluido desalojado (principio de

Arquímedes), siendo el que actúa en todo momento sobre el casco, ya sea cuando esté en reposo

o en movimiento. Mientras que los de planeo se comportan igual a bajas velocidades, pero al

aumentar la velocidad se origina un empuje adicional (hidrodinámico) debido a la presión

hidrodinámica generada por el movimiento de las partículas de agua, que genera un efecto de

sustentación en el casco opuesto al peso de la embarcación, levantando la embarcación hasta

conseguir la condición de planeo sobre el agua. Al llegar a esta condición, la embarcación tiene

menor volumen sumergido y menor superficie mojada, lo que implica una reducción considerable

de la resistencia al avance.

Para representar las fuerzas que actúan sobre un casco de planeo, se le considera como una placa

plana. La fuerza resultante es la causante del ángulo de trimado y de la elevación del casco.

Figura 15. Fuerzas sobre una superficie plana de planeo. Fuente: Boat International, de Tim Thomas


24

Figura 16. Formas típicas del casco de embarcaciones de desplazamiento, semi-desplazamiento y planeo.

Fuente: Boat International, de Tim Thomas

Los cascos de semi-desplazamiento tienen formas intermedias entre los cascos de desplazamiento

y los de planeo. Los de desplazamiento tienen el casco redondeado, en forma de U, y se suelen

caracterizar por navegar a velocidades más lentas, por lo que requieren potencias más bajas que

las de planeo; tienen mayor volumen en los espacios interiores; y, aunque su estabilidad inicial es

menor, se caracterizan por tener buena estabilidad dinámica. Su número de Froude suele ser

máximo de 0,42.

Por el contrario, las embarcaciones de planeo tienen números de Froude superiores a 1,1. Éstas

tienen el casco más plano, en forma de V, que permite la generación de sustentación a partir de

ciertas velocidades y, por lo tanto, alcanzar la condición de planeo3. Los cascos de planeo

necesitan potencias más elevadas para conseguir las velocidades requeridas para el planeo; su

estabilidad inicial suele ser muy buena; los valores de resistencia por formación de olas son bajos;

y presentan el inconveniente de que, al navegar en condiciones de planeo con olas, se producen

impactos importantes del casco de la embarcación con las mismas.

En el presente proyecto se opta por la combinación del casco de desplazamiento y de planeo,

conocido como casco de semi-desplazamiento. Las embarcaciones de este tipo proporcionan un

mayor manejo en el mar y poseen buena estabilidad inicial. Dependiendo de la velocidad, y por

tanto del tipo de empuje que predomine sobre el casco, pueden navegar en régimen de

desplazamiento o pre-planeo, elevando ligeramente el casco sobre el agua sin alcanzar la

condición de planeo. Esto permite una reducción de la superficie mojada respecto a la de su

condición de reposo. Este tipo de casco se aplica ampliamente en el mundo de los yates y, se

caracteriza por tener números de Froude comprendidos entre 0,6 y 1,1. En la zona de proa tienen

formas en V y en popa suelen ser más redondas.

3 La condición de planeo se alcanza aumentando la velocidad de la embarcación hasta un valor determinado, a partir del cual se genera una fuerza de sustentación igual al peso de la embarcación, consiguiendo elevar el casco completamente sobre el agua.


25

Análisis de la zona de proa

Semi-ángulo de entrada en la línea de flotación

Uno de los aspectos que debe tenerse en cuenta a la hora de trazar las formas de la proa de la

embarcación es el semi-ángulo de entrada en la línea de flotación α.

Figura 17. Semi-ángulo de entrada en la línea de flotación α. Fuente: Apuntes Proyecto del buque y

artefactos navales, de Julio Espinosa García

Un ángulo excesivo en esta zona puede provocar que las formas resultantes induzcan a una

transición temprana del flujo turbulento y por ello a un aumento de la resistencia viscosa4. Por

otra parte, este ángulo influye de manera determinante en la forma de las secciones de proa y en

la curva de áreas de las cuadernas.

Se recomienda que, para coeficientes prismáticos CP = 0,55, los valores de α ronden los 8°.

Mientras que para CP = 0,70 y CP = 0,8, ronden entre los 10° y 14°, y en torno a 33°,

respectivamente.

4 La resistencia viscosa (RV) se puede descomponer en resistencia por fricción (Rf) y en resistencia de presión por fricción (Rpv). La primera se genera debido a la fricción directa entre el agua y el casco. Mientras que la segunda se debe a la diferencia de presiones sobre el casco producida por fenómenos viscosos debido a las formas del casco. Para minimizar la resistencia de presión por fricción se recomienda limitar las curvaturas de las líneas de agua del casco y el ángulo de entrada del agua en la línea de flotación. A bajas velocidades la componente de la resistencia viscosa (RV), que aumenta casi de forma lineal con la velocidad, impera sobre la resistencia por formación de olas.


26

Ángulo de la roda en su intersección con el plano de la flotación

Otro aspecto que hay que considerar es el abanico y el lanzamiento, que debe disponerse de

forma que disminuya el cabeceo y el embarque de agua.

Se recomienda que la roda forme un ángulo en su intersección con el plano de la flotación, β, de

entre 15° y 30°, causando un ángulo de entrada del agua constante que proporcione una mayor

zona de calados.

Figura 18. Ángulo de la roda en su intersección con el plano de la flotación. Fuente: Apuntes Proyecto del

buque y artefactos navales, de Julio Espinosa García

Por otro lado, el abanico en las formas de proa permite amortiguar el cabeceo de la embarcación

a causa de la fuerza hidrostática adicional generada por la inmersión de un mayor volumen en

este movimiento. Un abanico excesivo puede provocar un incremento de la resistencia al avance

por olas rompientes y además generar momentos torsores elevados en esta zona.

Disposición de formas de las secciones

El tercer aspecto a tener en cuenta es la disposición de formas de las secciones de proa, destacan

las de forma en U y las de forma en V. En la zona de proa, las ventajas de la disposición de formas

en V respecto las de en U son:

• Mayor volumen en las líneas de agua superiores.

• Mayor manga en flotación, que provoca un mayor momento de inercia del área de

flotación y un centro de empuje más alto, traduciéndose en un incremento de la

estabilidad de la embarcación.

• Menor superficie mojada.

• Mejor comportamiento en el mar, provocado por una mayor reserva de flotabilidad y

menor probabilidad a los pantocazos.

• Mayor superficie de cubierta.


27

Experimentos llevados a cabo para comparar diferentes formas de proa con la resistencia al

avance en embarcaciones similares, concluyen que son ventajosas las formas en V para números

de Froude inferiores a 0,18 y superiores a 0,25. Para números de Froude próximos a 0,23 se

comportan mejor las formas en U, siendo recomendables formas intermedias para los rangos de

transición.

Figura 19. Formas de las secciones de proa en V (izquierda) y en U (derecha). Fuente: Apuntes Proyecto del

buque y artefactos navales, de Julio Espinosa García

Análisis de la zona de popa

La zona de popa de la embarcación tiene una influencia elevada en el rendimiento propulsivo.

Esto se debe a su influencia en el fenómeno de separación de flujo y por tanto en la resistencia

viscosa, y por su influencia en el rendimiento del propulsor, que aumenta a medida que la estela

sea más homogénea. Para el diseño de esta zona se debe tener en cuenta:

• Dar un espacio suficiente para las hélices con una inmersión adecuada.

• Disponer de unos huelgos mínimos entre hélice, codaste y timón.

• El diseño del final de las líneas de agua se debe hacer de forma que se minimice la

resistencia viscosa, para ello se recomienda que el semi-ángulo de estas líneas no supere

los 30°.

• El diseño del final de los cortes paralelos a crujía se debe hacer de forma que se minimice

la resistencia viscosa, para ello se recomienda que el ángulo de estas líneas con la

horizontal no supere los 30°.

Las formas en U frecuentemente generan mayor resistencia viscosa, por lo que son peores desde

el punto de vista hidrodinámico. Mientras que las formas en V, aunque originan menor

resistencia viscosa debido a que el flujo del agua es perpendicular al casco, la resistencia por


28

formación de olas5 es mayor. Por este motivo, las formas en la zona de popa suelen ser

intermedias entre las en U y V.

Análisis de la curva de áreas seccionales

La curva de áreas seccionales representa el área de las cuadernas o secciones de la embarcación

en función de la posición de éstas a lo largo de la eslora. La curva empieza en la zona de popa y

acaba en la zona de proa, obteniendo valores bajos de área en esta última zona.

Figura 20. Curva de áreas seccionales. Fuente: Apuntes Proyecto del buque y artefactos navales, de Julio

Espinosa García

Esta representación sirve para determinar la bondad de las formas de la embarcación. Se deben

analizar los cambios de área en las formas de la embarcación, ya que variaciones bruscas pueden

significar formas que puedan afectar negativamente a la integridad del casco o zonas con grandes

diferencias de presión con el fluido. Estos cambios de área suelen originarse debido a la variación

de las formas en los hombros de proa y popa, que son las zonas de transición entre los extremos

de la embarcación con el cuerpo central de la misma. Para formas con un número de Froude

inferior al 0,3, se recomienda:

• La curva en las zonas de los hombros de proa y popa debe tener una forma suave. El radio

de curvatura debe ser superior a 0,3 veces el área de la maestra.

5 La resistencia por formación de olas (RW) se debe a la energía empleada en generar olas y que es transportada por ellas al abrirse paso el casco a través del agua. A medida que aumenta la velocidad de la embarcación, aumenta la altura de las olas producidas por el casco y, por lo tanto, también aumenta la energía necesaria para producir estas olas. Esta energía perdida se conoce como resistencia por formación de olas (RW) y a menudo, se convierte en un factor limitante en la velocidad de una embarcación.


29

• Desde el hombro de popa hasta la zona cercana a la hélice, la curva debe tener una forma

prácticamente recta o con poca curvatura, para conseguir así unas mejores propiedades

de resistencia al avance.

• Desde el hombro de proa hasta la zona de proa debe ser prácticamente recta o con poca

curvatura.

Las embarcaciones con números de Froude más elevados, se suelen diseñar con espejos de popa

rectos. Con esto se consigue la separación del flujo en popa, provocando un aumento de eslora

aparente y reduciendo así la resistencia por formación de olas.

Un objeto que se desplaza a través del agua crea tanto olas divergentes, que se extienden hacia

fuera desde el barco, como olas transversales, ilustradas en la siguiente figura:

Figura 21. Patrón de olas generado por un objeto en movimiento en el agua. Fuente: United States Naval

Academy

A diferencia del patrón de olas simple generado por un único punto de presión en movimiento,

una embarcación real crea muchos sistemas de olas. Los puntos de presión en los que se generan

los sistemas de olas más significativos son los de proa y popa, que se muestran en la Figura 22.

Pero además de éstos, hay otros puntos del casco de la embarcación donde se generan sistemas

de olas, como pueden ser los hombros de proa y popa, donde las formas del casco rompen su

continuidad.


30

Figura 22. Sistemas de olas de proa y popa generados por una embarcación. Fuente: Introduction to Naval

Architecture, de Gillmer and Johnson

Estos sistemas viajan a la misma velocidad en la dirección longitudinal que la embarcación, y la

longitud de las olas generadas depende de dicha velocidad. A bajas velocidades las olas

generadas por la embarcación son de pequeña amplitud, lo que supone que la mayoría de

resistencia al avance sea de carácter viscoso. Al aumentar la velocidad el patrón de olas cambia,

se altera la longitud de ola y su altura. En este caso, hay una serie de velocidades de avance

donde las crestas del sistema de olas generado se suman unas con otras (interferencia

constructiva) y otras velocidades donde las olas generadas interactúan entre sí y se cancelan

parcialmente (interferencia destructiva), lo que implica una reducción de la resistencia por

formación de olas.

El número de Froude6 es el que determina el número de olas que se generan a lo largo del casco

de la embarcación. Dicho número juega un papel similar en la resistencia por formación de olas

que el número de Reynolds en la resistencia viscosa. Por lo tanto, las propiedades de la

resistencia por formación de olas dependen del número de Froude.

Por ejemplo, para un número de Froude igual a 0,4, la longitud de la ola coincide con la eslora de

flotación, habiendo solamente una ola a lo largo del casco. A continuación, aparece una

representación de la interferencia del sistema de olas generado por un barco para un número de

Froude de 0,4:

6 El número de Froude (Fn) es un número adimensional que se obtiene dividiendo la velocidad de la embarcación entre la raíz cuadrada de la aceleración de la gravedad por la eslora de flotación.


31

Figura 23. Representación de la suma de los trenes de olas transversales generados por un barco para

Fn=0,4. Fuente: Apuntes Proyecto del buque y artefactos navales, de Julio Espinosa García

Entonces, realmente la resistencia por formación de olas (RW) no aumenta exponencialmente con

la velocidad, sino que depende también de las interferencias entre los sistemas de olas generados

por el casco de la embarcación. Al representar esta resistencia en función de la velocidad, se

pueden observar oscilaciones en la componente de resistencia por formación de olas.

Figura 24. Evolución de la resistencia por formación de olas en función del número de Froude. Fuente:

Principles of yacht design, de Lars Larsson and Rolf E Eliasson

Los picos (jorobas) y los mínimos de la curva de resistencia por formación de olas pueden ser más

pronunciados o menos dependiendo de las formas del casco. Si se consigue navegar a las

velocidades donde están los mínimos, la embarcación tendrá una resistencia por formación de

olas similar o menor que a velocidades inferiores. Otro punto a tener en cuenta es el del último

pico, donde la pendiente de la curva es muy elevada antes de esa velocidad y por tanto será difícil


32

superarla. Sin embargo, si se logra, a partir de dicha velocidad el aumento de la resistencia es

más gradual y el casco entra en el rango de velocidades de semi-planeo.

En conclusión, para evitar la generación excesiva de sistemas de olas que puedan influir

negativamente en la resistencia por formación de olas, se deben suavizar los cambios de

continuidad del casco en los hombros.

Análisis ángulo astilla muerta

Una placa plana rozando la superficie del agua puede ser útil para explicar los principios del

planeo, pero los barcos de este tipo tienen inevitablemente secciones en V. La razón de esto es

que un casco plano recibiría unas fuerzas verticales demasiado elevadas, además de sufrir

grandes impactos de las olas durante la navegación y tendría poca maniobrabilidad. Las formas

en V disminuyen estos problemas considerablemente, ya que tienen mayor profundidad, pero

presentan el inconveniente de que la astilla muerta en las secciones con esta forma reduce la

generación de sustentación. Teniendo una superficie mojada mayor o un ángulo de trimado

superior, que provocan un aumento de la resistencia al avance.

La razón por la que la astilla muerta reduce la fuerza de sustentación es que el agua que impacta

sobre el casco puede desviarse hacia los lados. El empuje hidrodinámico que eleva la

embarcación es causado por las fuerzas de reacción de las partículas de agua que se ven obligadas

a cambiar de dirección al acercarse al casco. Para una placa plana, el cambio de dirección es de

casi 180°, como se puede observar en la siguiente figura, dando como resultado una presión

elevada. Por lo tanto, se deben evitar ángulos de astilla muerta excesivamente pequeños.

Figura 25. Distribución de presión y velocidad debajo de una placa plana. Fuente: Principles of yacht design,

de Lars Larsson and Rolf E Eliasson


33

Sin embargo, si las partículas de agua salen hacia los lados, el cambio de dirección es mucho

menor y también lo es la fuerza de reacción. Además, esta fuerza ahora se inclina hacia crujía,

apareciendo una componente transversal que no genera empuje.

Figura 26. Influencia de la astilla muerta en las fuerzas de presión. Fuente: Principles of yacht design, de Lars

Larsson and Rolf E Eliasson

Los cascos en V, con cierto ángulo de astilla muerta, permiten que, al golpear el agua durante la

navegación, el casco se sumerja gradualmente y se eviten impactos simultáneos en toda la

superficie, como sucedería en el caso de una placa plana.

Pero como se ha comentado anteriormente, un ángulo excesivo de la astilla muerta da lugar a un

empuje inferior y, por lo tanto, a una superficie mojada superior, aumentando considerablemente

la resistencia al avance. Por este motivo, teniendo en cuenta que una placa plana tiene mejores

propiedades hidrodinámicas, muchos proyectistas optan por una astilla muerta variable. Ésta, a

0,4 veces la eslora de flotación desde el extremo de popa7, debe tener valores de máximo 30° y

mínimo de 10°. En proa, el valor de la astilla muerta es máximo y disminuye su valor a medida

que se acerque a popa, mejorando así el comportamiento general de la embarcación en su rango

de velocidades.

Análisis del fondo de la embarcación

El empuje hidrodinámico no solamente depende de la velocidad, sino que también está

influenciado por la forma transversal y longitudinal del casco.

7 La norma UNE-EN ISO 12215-5:2008 establece que a 0,4LWL a proa del extremo de popa, el máximo ángulo de astilla muerta es de 30° y el mínimo de 10°.


34

Formas transversales

En cuanto a la forma transversal del casco, puede ser recto, cóncavo o convexo. Según su forma,

la distribución transversal de presiones que actúa sobre el mismo varía.

En el caso del casco cóncavo, el valor del empuje es superior en la zona cercana al costado e

inferior en la de la quilla. Mientras que, en un casco transversalmente convexo, sucede todo lo

contrario. En las de este segundo tipo, a velocidades elevadas, la superficie mojada se reduce, el

empuje se mantiene y disponen de una manga superior. Las formas cóncavas, por el contrario, al

aproximarse a la condición de planeo pierden empuje, tienen menor manga y mayor superficie

mojada.

Una opción con mayores ventajas para el planeo que las anteriores, es la del fondo con forma

recta. Esta forma se asemeja a la convexa, pero proporciona valores inferiores de superficie

mojada. Por lo tanto, se optará por una forma transversal del casco recta.

Formas longitudinales

Respecto a la forma longitudinal del casco, también puede ser recto, cóncavo o convexo. Cada

una de ellas implica una posición diferente del punto de mayores presiones y, por lo tanto, influirá

en el comportamiento de la embarcación según su velocidad.

El fondo cóncavo proporciona un mejor rendimiento de planeo a velocidades bajas. Con un

aumento de la velocidad, la proa realiza un movimiento descendente y el punto de máximas

presiones se ubica en popa.

En el caso del fondo convexo, tiene muy buen rendimiento de planeo a altas velocidades, donde

la proa asciende su posición a medida que aumenta la velocidad, ubicándose el punto de máximas

presiones en proa.

Finalmente, el fondo con forma recta ofrece buen rendimiento de planeo a ambas velocidades.

En este caso, la proa se mueve horizontalmente y el punto de máximas presiones se halla más

centrado. Al ser una combinación de los fondos cóncavo y convexo, se opta por el fondo con

forma recta, ya que ofrece buen rendimiento a altas y bajas velocidades. Además, al no tener el

punto de máximas presiones en proa, permite que la embarcación no navegue con un trimado tan

elevado. En el caso de que lo tuviera en popa, la embarcación tendría un trimado inferior y, por lo

tanto, una superficie mojada superior. Por este motivo, se decide diseñar la embarcación con un

fondo recto.


35

Análisis de los redanes o spray rails

Como se ha visto anteriormente, los cascos de planeo y semi-planeo en forma de V no son muy

eficientes para generar sustentación. Una forma de aumentar esta generación de sustentación

consiste en añadir redanes o spray rails simétricamente a lo largo del casco. A continuación, se

muestra una sección transversal de uno de éstos:

Figura 27. Sección transversal de un spray rail. Fuente: Principles of yacht design, de Lars Larsson and Rolf E

Eliasson

Cuando el agua fluye hacia los lados, se ve obligada a cambiar su dirección por debajo del redán,

generando una fuerza de sustentación adicional. Los spray rails deben ser lo más afilados posible

en el punto A, que es donde el agua sale del casco. Mientras que en los puntos B y C se

recomienda uniones suaves con el casco para no crear una resistencia excesiva.

Añadiendo redanes longitudinales en la zona de proa principalmente, el agua corre hacia los lados

por el casco, aumentando considerablemente la superficie mojada y la resistencia al avance de la

embarcación. Por este motivo, los spray rails son más efectivos en esta zona, ya que desvían el

agua. Con esto, los redanes permiten una reducción de la superficie mojada y, con ello una

disminución de la resistencia al avance. Además, proporcionan una mayor estabilidad direccional

a la embarcación.

Figura 28. Superficie mojada con y sin redanes longitudinales. Fuente: Portal Náutico Masmar


36

Los spray rails en la zona de proa deben ser más pequeños, puesto que si al impactar con las olas

éstos fuesen demasiado grandes, se generarían elevadas aceleraciones en esta zona, reduciendo

el efecto positivo de las formas en V.

Análisis del codillo

El codillo o chine de una embarcación es la esquina del casco donde se une la parte inferior con la

superior, recorriendo el casco longitudinalmente desde la roda hasta el espejo de popa. El codillo

puede ser angular, redondeado o invertido.

Para el caso de las embarcaciones de planeo, mayoritariamente se diseñan con codillo invertido.

Así, cuando la embarcación está en movimiento, el agua expulsada por el centro del casco es

desviada hacia abajo por el codillo invertido, proporcionando mayor sustentación y evitando que

el agua ascienda por los costados, lo que permite una navegación seca y suave.

Figura 29. Expulsión del agua debida al codillo invertido. Fuente: Vesselalloy

De esta forma, la embarcación puede alcanzar la condición de planeo más fácilmente,

aumentando además la estabilidad durante la navegación y la maniobrabilidad a altas

velocidades.

Además, se optará por añadir una segunda defensa en los costados del casco de la embarcación

para evitar el ascenso de agua por estas zonas al navegar en aguas más agitadas.

Figura 30. Codillo invertido y segunda defensa en los costados. Fuente: Morningstar


37

3.1.2. Conclusiones

El casco de la embarcación tendrá formas en V en la zona de proa y formas intermedias entre U y

V en popa. El ángulo de astilla muerta será variable, aumentando desde popa a proa, siendo

cercano a los 10°-15° en popa y a los 30° en proa.

Tanto las formas longitudinales como transversales del casco de la embarcación serán rectas, ya

que proporcionan buenos rendimientos de planeo a velocidades elevadas y bajas.

Para facilitar el planeo y evitar el ascenso de agua por los costados, el casco dispondrá de dos

redanes en cada banda y de un codillo invertido en ambos lados. También tendrá una segunda

defensa en el costado, por encima de la línea de flotación, que no permita que el agua se eleve

por los costados.

3.2. Generación de formas

Como se ha comentado anteriormente, para el trazado de las formas de la embarcación se

pueden llevar a cabo tres procedimientos. El objetivo es obtener unas formas con la menor

resistencia al avance posible, sin sacrificar otros aspectos como la estabilidad. Estos tres

procedimientos son:

• Derivación de formas, a partir de un modelo considerado bueno para los criterios

primarios.

• Generación de formas, a partir de los parámetros principales.

• Series sistemáticas desarrolladas por astilleros y canales de experiencia.

Derivación de formas

La derivación de formas requiere de la elección de unas formas de las que partir que sean buenas

para los criterios primarios y posean parámetros de forma similares a los definidos como objetivo.

La derivación se realiza mediante programas que permitan realizar transformaciones geométricas

simples o complejas. Dichas transformaciones pueden ser cambios de dimensiones principales,

incrementos de longitud del cuerpo cilíndrico y modificaciones de los coeficientes prismático o de

bloque, manteniendo constantes las dimensiones principales, el coeficiente de la maestra y las

dimensiones principales, respectivamente.

Aplicando iterativamente las transformaciones anteriores se debe poder obtener unas formas que

cumplan con los objetivos fijados.


38

Generación de formas

Para la generación de formas se debe partir de la definición de los parámetros y características

principales de las formas. Para llevar a cabo dicho procedimiento se pueden utilizar diferentes

herramientas informáticas. Entre las cuales destacan los generadores de formas analíticas en 3D;

los generadores de formas analíticas en 2D y alisado 3D; y los generadores de formas en 3D con

control de alisado.

Series sistemáticas

Las series sistemáticas son estudios experimentales sistemáticos de formas, llevados a cabo por

canales de ensayos o astilleros. Los resultados se expresan en función de ciertos parámetros

básicos (L/B, B/T, CP…). Existen pocas series libres y la mayoría de los grandes astilleros poseen

series propias.

En el rango de aplicación de la serie se puede conocer aproximadamente la resistencia al avance

de la embarcación, 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. Para cascos de planeo, por

ejemplo, existen las Series 62 Parent.

Figura 31. Series 62 Parent. Fuente: Planing hulls, de Akhil Saxena


39

3.2.1. Generación de las formas del casco

Para el trazado de las formas del casco de la embarcación se parte de los planos de formas de una

embarcación con dimensiones y características similares a las especificadas anteriormente, y se

lleva a cabo una derivación de formas. Se opta por este procedimiento debido a la gran cantidad

de trabajo que supone crear una geometría desde cero. Así se podrá disponer de más tiempo

para tratar otros puntos importantes del proyecto.

El trazado se ha realizado mediante el programa Rhinoceros. Para ello, a partir de los planos de

formas de la embarcación de referencia, se modelizan las formas de la embarcación objeto,

adaptándolas a las dimensiones y características fijadas anteriormente.

Al analizar las primeras formas generadas, se obtiene un desplazamiento de 17,44 toneladas, lo

cual resulta excesivo en comparación al desplazamiento calculado en el dimensionamiento

preliminar, que era de 10,95 toneladas. Se decide disminuir el calado de la embarcación para así

reducir el desplazamiento. El motivo de modificar el calado es que para la obtención del valor de

dicho parámetro se utilizó una regresión no demasiado buena, con un coeficiente de

determinación de 0,52, el cual está por debajo del valor de 0,8 que se había fijado como límite

para considerar una regresión como favorable. Por lo tanto, el valor del calado que se obtuvo

puede ser algo distinto a su valor real. Entonces, se decide disminuir el calado de 0,92 metros a

0,86 metros, siendo un valor más cercano al del calado de las embarcaciones de dimensiones y

características similares.

Al estimar un calado de 0,86 metros se obtienen los siguientes resultados:

Magnitud Valor Unidad

Desplazamiento 15,71 Toneladas (t)

Volumen desplazado 15,32 Metros cúbicos (m3)

Calado 0,86 Metros (m)

Eslora en la flotación 9,62 Metros (m)

Manga en la flotación 3,33 Metros (m)

Superficie mojada 37,01 Metros cuadrados (m2)

Área de la maestra 2,05 Metros cuadrados (m2)

Área de la flotación 27,80 Metros cuadrados (m2)

Coeficiente prismático (Cp) 0,77 --

Coeficiente de bloque (Cb) 0,55 --

Coeficiente de la maestra (Cm) 0,71 --

Coeficiente de la flotación (Cwp) 0,86 --

Posición longitudinal del centro de carena (LCB) 3,99 Metros (m)

Posición longitudinal del centro de flotación (LCF) 4,26 Metros (m)

LCB % 41,47 --

LCF % 44,27 --

Posición vertical del centro de carena (KB) 0,55 Metros (m)


40

Radio metacéntrico transversal (BMt) 1,47 Metros (m)

Radio metacéntrico longitudinal (BML) 11,58 Metros (m)

Altura metacéntrica transversal (GMt) 2,02 Metros (m)

Altura metacéntrica longitudinal (GML) 12,13 Metros (m)

Distancia vertical desde la quilla al metacentro (KMt) 2,02 Metros (m)

Altura metacentro longitudinal sobre la quilla (KML) 12,13 Metros (m)

Toneladas por centímetro de inmersión (TPc) 0,28 (t/cm)

Momento para cambiar el asiento un centímetro (MTc) 0,19 (t.m)

Tabla 7. Características hidrostáticas del casco obtenido. Fuente: Propia

Con la disminución de calado se observa que el codillo de la embarcación queda brevemente, en

la zona de proa, por encima de la línea de flotación. Esto mejora las ventajas del codillo y

proporciona una mayor eficiencia durante la navegación que quedando por debajo de la línea de

flotación en esta zona. Además, el desplazamiento disminuye a 15,71 toneladas, aproximándose

a lo calculado en el dimensionamiento preliminar.

Respecto a la curva de áreas seccionales, se observa que, desde el hombro de popa hasta la zona

cercana a la hélice, la curva tiene una forma prácticamente recta, permitiendo así conseguir unas

mejores propiedades de resistencia al avance. Además, con excepción del hombro de popa, el

resto de variaciones de área son suaves a lo largo de la eslora de la embarcación, sin haberlas

excesivamente bruscas que puedan provocar grandes diferencias de presión en el fluido.

Figura 32. Curva de áreas seccionales del casco obtenido. Fuente: Propia

El semi-ángulo de entrada en la línea de flotación tiene un valor de 36°, siendo cercano al

recomendado para coeficientes prismáticos similares.

Finalmente, en cuanto al valor de la astilla muerta, será de 15,7° en popa y de 20,3° en la sección

media de la embarcación, aumentando su valor a medida que se aproxime a proa. A 0,4 veces la


41

eslora de flotación, la astilla muerta β0,4 es de 18,0°, cumpliendo con lo especificado en la norma

UNE-EN ISO 12215-5:2008.

Se adjuntan los planos de formas de la embarcación proyectada en el Anexo 2.


42

Sistema propulsivo

43

Capítulo 4. Sistema propulsivo

El objeto del presente capítulo es la definición del sistema propulsivo de la embarcación. Una vez

definida la geometría del casco, se procede a estimar la potencia necesaria para que se puedan

cumplir los requisitos operativos establecidos anteriormente. Conocer la potencia necesaria para

propulsar una embarcación permite al ingeniero naval seleccionar una planta propulsora,

determinar la cantidad de combustible necesaria y refinar la estimación del centro de gravedad

del barco.

Para la estimación de dicha potencia, primero se calcula la resistencia que experimenta el casco

de la embarcación al moverse por el agua. Ambas predicciones se realizan mediante uno de los

métodos más utilizados para las embarcaciones de planeo y semi-planeo, el método de Savitsky.

Finalmente, a partir de la resistencia al avance de la embarcación calculada y de la potencia

requerida estimada, se procede a la elección de la planta propulsora.

4.1. Estimación de la potencia y la resistencia al avance

Al realizar el trazado de las formas, es necesario contar con un método para evaluar el

comportamiento del modelo. Existen tres tipos de métodos para analizar el comportamiento del

modelo y, por lo tanto, de su resistencia al avance.

El primero se basa en llevar a cabo métodos experimentales, que consisten en ensayar los

modelos para determinar su comportamiento, como se ha hecho tradicionalmente. Presenta el

inconveniente de ser lento y caro, utilizándose en las últimas fases del proyecto para validar los

resultados obtenidos.

El segundo se centra en métodos numéricos, que permiten estudiar el comportamiento de unas

formas mediante diferentes herramientas de simulación por ordenador. Este tipo de métodos

permiten evaluar al momento los efectos de las variaciones que se efectúan en el proyecto.

El último procedimiento para analizar el comportamiento del modelo es el de métodos

estadísticos, que se basa en analizar regresiones sobre ensayos de modelos y mediciones

realizados en barcos reales. Presentan la ventaja de ser sencillos, ya que mediante la aplicación


44

de sencillas fórmulas se puede determinar la resistencia al avance o potencia necesaria del

modelo. Pero presentan el inconveniente de proporcionar resultados con cierta imprecisión.

En el presente proyecto, se opta por el método estadístico de Savitsky para la estimación de

dichas variables. Debido a la complejidad de los cálculos, se aplicará este método mediante el

software “Maxsurf Resistance”. Insertando las formas trazadas anteriormente en dicho

programa, se obtienen los valores de resistencia al avance y potencia requerida de la embarcación

para el rango de velocidades deseado.

4.1.1. Método de Savitsky

Daniel Savitsky llevó a cabo un gran número de experimentos sistemáticos en el Laboratorio

Davidson, en el Stevens Institute of Technology, de embarcaciones navegando en la condición de

planeo y propuso varias relaciones generales que permiten obtener aproximadamente la

resistencia en estas embarcaciones. Éstas son frecuentemente utilizadas por los diseñadores de

cascos de planeo para determinar su resistencia al avance y su potencia requerida.

Mediante dichos ensayos, Savitsky estableció una serie de ecuaciones empíricas que expresan las

relaciones entre la sustentación hidrodinámica, la superficie mojada, el centro de presiones, los

límites de estabilidad en función de la velocidad, el ángulo de la astilla muerta y el ángulo de

trimado. Estos resultados se combinaron para formular procedimientos computacionales

sencillos con el objetivo de predecir los requisitos de potencia, el trimado, el calado y la

estabilidad de los cascos de planeo, dando lugar al método de Savitsky.

Este método se aplica a embarcaciones que naveguen en las condiciones de planeo y semi-

planeo, es decir, con valores de número de Froude superiores a 0,42 aproximadamente.

Para el cálculo mediante este método es necesario conocer el valor de los siguientes parámetros:

Δ Desplazamiento 15,71 t

LCG Distancia horizontal del centro gravedad respecto el espejo popa 4,11 m

VCG Distancia vertical del centro de gravedad respecto la quilla **

f Distancia entre la línea de ejes y centro de gravedad **

B Manga entre el extremo de los codillos 3,33 m

βT Ángulo de astilla muerta en popa 15,70 °

β0 Ángulo de astilla muerta en la mitad de eslora de flotación 18,90 °

L0 Distancia entre el espejo de popa y la cuaderna maestra 4,93 m

Ɛ Ángulo entre la quilla y la línea de ejes 0 °

Tabla 8. Parámetros para el cálculo de la resistencia al avance y la potencia requerida mediante el método

de Savitsky. Fuente: Propia

** Para conocer la distancia vertical del centro de gravedad se debe hacer una distribución de pesos y definir una

condición de carga.

Sistema propulsivo

45

Figura 33. Parámetros que intervienen en el cálculo mediante el método de Savitsky. Fuente: Principles of

yacht design, de Lars Larsson and Rolf E Eliasson

Una vez conocidos los valores de los parámetros, aplicando un gran número de ecuaciones,

finalmente se puede obtener la resistencia al avance y la potencia necesaria para un rango de

velocidades definido. Debido a la complejidad de este proceso y, al disponer de una herramienta

fiable que puede realizar dichos cálculos, se opta por aplicar el método de Savitsky mediante el

programa “Maxsurf Resistance”.

4.1.2. Cálculo de resistencia al avance y potencia

El software “Maxsurf Resistance” permite seleccionar diferentes métodos de análisis estadísticos,

en este caso se selecciona el método de Savitsky. Éste diferencia entre las condiciones de planeo

y pre-planeo, es decir, cuando la embarcación empieza a planear y cuando se encuentra

planeando sobre el agua. En este caso se escogen ambas:

Figura 34. Elección del método estadístico de Savitsky en el Maxsurf Resistance. Fuente: Propia


46

Los resultados obtenidos del análisis, mediante el método de Savitsky, de las formas de la

embarcación trazadas anteriormente se muestran en la tabla siguiente:

Speed

(kn)

Froude No.

LWL

Froude No.

Vol

Savitsky

Pre-planing

Resist.

(kN)

Savitsky

Pre-planing

Power

(kW)

Savitsky

Planing

Resist.

(kN)

Savitsky

Planing

Power

(kW)

5,00 0,26 0,52 -- -- -- --

6,00 0,32 0,62 -- -- -- --

7,00 0,37 0,73 -- -- -- --

8,00 0,42 0,83 -- -- -- --

9,00 0,48 0,94 -- -- -- --

10,00 0,53 1,04 17,50 89,80 -- --

11,00 0,58 1,15 24,80 140,36 -- --

12,00 0,63 1,25 28,00 172,81 24,50 150,96

13,00 0,69 1,35 29,00 194,25 25,90 173,11

14,00 0,74 1,46 27,30 196,77 27,20 195,65

15,00 0,79 1,56 26,50 204,71 28,20 217,55

16,00 0,85 1,67 26,20 216,06 28,90 237,92

17,00 0,90 1,77 25,70 224,59 29,30 256,17

18,00 0,95 1,88 25,10 232,54 29,40 272,10

19,00 1,00 1,98 25,10 245,33 29,20 285,81

20,00 1,06 2,08 -- -- 28,90 297,57

21,00 1,11 2,19 -- -- 28,50 307,72

22,00 1,16 2,29 -- -- 28,00 316,61

23,00 1,22 2,40 -- -- 27,40 324,55

24,00 1,27 2,50 -- -- 26,90 331,82

25,00 1,32 2,60 -- -- 26,30 338,67

26,00 1,38 2,71 -- -- 25,80 345,28

27,00 1,43 2,81 -- -- 25,30 351,82

28,00 1,48 2,92 -- -- 24,90 358,43

29,00 1,53 3,02 -- -- 24,50 365,22

30,00 1,59 3,13 -- -- 24,10 372,28

Tabla 9. Resultados obtenidos de resistencia al avance y potencia requerida en función de la velocidad.

Fuente: Propia

Sistema propulsivo

47

A continuación, se analizan dichos resultados de forma gráfica. Por un lado, se muestra la

resistencia al avance en función de la velocidad y, por otro lado, la potencia requerida en función

de la velocidad.

Figura 35. Resistencia al avance, en kN, en función de la velocidad, en kn. Fuente: Propia

La resistencia al avance de la embarcación es máxima en el rango de velocidades de 17 a 19

nudos, a partir de la cual la embarcación empieza a planear y a reducir la superficie mojada del

casco, consiguiendo así disminuir considerablemente dicha resistencia a medida que aumenta la

velocidad. Se puede observar que, en el intervalo de velocidades de 19 a 28 nudos, la resistencia

disminuye casi de forma lineal. Mientras que, a partir de esta segunda velocidad, la curva

empieza a suavizarse. Por lo tanto, la elección de la velocidad máxima de 25 nudos se encuentra

en el rango de velocidades en las que la resistencia al avance disminuye linealmente.

Figura 36. Potencia requerida, en kW, en función de la velocidad, en kn. Fuente: Propia

Observando la curva de la potencia efectiva en función de la velocidad, se puede percibir que,

coincidiendo con la velocidad a la que empieza a disminuir la resistencia al avance, la potencia

requerida pasa de aumentar de forma lineal bruscamente a hacerlo de forma más suave.


48

El requisito fijado en las primeras fases del proyecto era la de poder alcanzar una velocidad

máxima de 25 nudos. Mediante el estudio con el método de Savistky para planeo se verifica que

dicha velocidad es bastante óptima, asociándole los siguientes valores de resistencia al avance y

potencia efectiva:

Velocidad (kn) Resistencia al avance (KN) Potencia efectiva (KW)

25 26,30 338,67

Tabla 10. Resistencia al avance y potencia obtenidos para la velocidad máxima de 25 nudos. Fuente: Propia

Además, se debe considerar el trimado de la embarcación, el cual presenta los siguientes valores

a diferentes velocidades:

Figura 37. Trimado, en grados, en función de la velocidad, en kn. Fuente: Propia

• Trimado máximo:

𝑉 = 17 𝑘𝑛 ( 12 )

𝑇𝑟𝑖𝑚𝑚á𝑥. = 9,89 ° ( 13 )

• Trimado a la velocidad máxima:

𝑉 = 25 𝑘𝑛 ( 14 )

𝑇𝑟𝑖𝑚 = 8,10 ° ( 15 )

Los valores de trimados obtenidos son elevados, por lo que la embarcación podría tener

problemas de porpoising, que es un fenómeno que provoca que la embarcación cabecee

constantemente de forma suave. Este problema se podría solucionar con la instalación de

deflectores o flaps en el espejo de popa, que permiten regular el asiento de la embarcación

durante la navegación. Pero en caso de instalar un motor con eje de cola, dependiendo de su

inclinación, el valor del trimado también puede verse reducido.

Sistema propulsivo

49

4.2. Estimación de la potencia real requerida

Para determinar la potencia real requerida para propulsar la embarcación, primero se deben

analizar las diferentes potencias que intervienen en el sistema propulsivo:

Figura 38. Potencias en el sistema propulsivo. Fuente: United States Naval Academy

• BHP – “Brake Horsepower” es la potencia de salida del motor. Se llama potencia al freno

porque los motores se prueban aplicando una carga mecánica al eje mediante un freno.

La potencia de un motor en rotación es el producto del par y la velocidad de rotación.

• SHP – “Shaft Horsepower” es igual a la potencia de frenado menos las pérdidas

mecánicas en la caja reductora/inversora, que es la encargada de reducir las altas

revoluciones del motor para que la hélice trabaje a una velocidad menor, consiguiendo

que ambos giren a sus velocidades más eficientes. Esta potencia se llama potencia del

eje.

• DHP – “Delivered Horsepower” es la potencia entregada a la hélice, que incluye las

pérdidas debidas a la reductora/inversora, los cojinetes y el sello de la bocina. La

potencia entregada suele ser del 95% al 98% de la potencia al freno, dependiendo del

sistema de propulsión.

• THP – “Thrust Horsepower” es la potencia de empuje de la hélice y, es igual al producto

de la velocidad de avance y el empuje generado por la hélice. Esta potencia incluye las

pérdidas de la reductora/inversora, el eje y de la hélice.

• EHP – “Effective Horsepower”, o potencia efectiva, es la potencia necesaria para mover el

casco de la embarcación a una velocidad determinada en ausencia de la acción de la

hélice. Es igual al producto de la resistencia al avance por la velocidad de la embarcación.

Esta potencia es igual a la potencia al freno menos las pérdidas debidas a la

reductora/inversora, el eje y la hélice, así como la interacción entre la hélice y el casco.


50

Por lo general, en el diseño de una embarcación, primero se estima la potencia efectiva y luego se

asumen las eficiencias para cada parte del tren motriz, para así poder estimar la potencia al freno

requerida que se instalará.

En el caso de los sistemas de propulsión diésel, las mayores pérdidas en el sistema son las

termodinámicas y mecánicas en los motores, que provocan la pérdida de aproximadamente el

60% de la energía del combustible antes de que se convierta en potencia de rotación a la salida

del motor (potencia al freno). Esta enorme pérdida es la razón por la que los ingenieros estudian

la termodinámica y se esfuerzan continuamente en lograr motores con menor consumo de

combustible.

Otras pérdidas de energía importantes son las de la reductora/inversora, los ejes y las hélices, lo

que hace que solo una cuarta parte de la energía del combustible original se convierta en energía

de empuje útil para hacer avanzar el barco. Las áreas principales que el ingeniero naval puede

controlar durante el diseño son, por un lado, la forma del casco para minimizar la potencia

efectiva requerida para propulsar el barco y, por otro lado, el diseño de la hélice para minimizar

las pérdidas de la hélice.

4.2.1. Eficiencia propulsiva

La siguiente figura muestra un diagrama de bloques del sistema propulsivo de una embarcación,

comenzando por la potencia al freno del motor principal y, terminando con la potencia efectiva

para impulsar el barco.

Figura 39. Potencias que intervienen en el sistema propulsivo. Fuente: United States Naval Academy

A continuación, se muestran los rendimientos de las principales unidades que forman el sistema

propulsivo, además de los valores en los que suelen oscilar:

Eficiencia de la reductora 𝜂𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟𝑎 =𝑆𝐻𝑃

𝐵𝐻𝑃≈ 0,95 − 0,99 ( 16 )

Eficiencia del eje 𝜂𝑒𝑗𝑒 =𝐷𝐻𝑃

𝑆𝐻𝑃≈ 0,97 − 0,99 ( 17 )

Eficiencia de la hélice 𝜂ℎé𝑙𝑖𝑐𝑒 =𝑇𝐻𝑃

𝐷𝐻𝑃≈ 0,65 − 0,75 ( 18 )

Eficiencia del casco 𝜂𝑐𝑎𝑠𝑐𝑜 =𝐸𝐻𝑃

𝑇𝐻𝑃 ( 19 )

Sistema propulsivo

51

Las eficiencias de la reductora/inversora, del eje y de la hélice son debidas a las pérdidas

mecánicas o en el fluido. Mientras que la eficiencia del casco depende de la interacción entre el

casco y la hélice, que varía según el tipo de barco. En lugar de deducir el efecto de todas las

eficiencias por separado de cada componente, se pueden combinar en una sola llamada eficiencia

de propulsión (ηP), o bien, rendimiento propulsivo.

𝜂𝑃 =𝐸𝐻𝑃

𝐵𝐻𝑃= 𝜂𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟𝑎 . 𝜂𝑒𝑗𝑒 . 𝜂ℎé𝑙𝑖𝑐𝑒 . 𝜂𝑐𝑎𝑠𝑐𝑜 ( 20 )

La eficiencia de propulsión es la relación entre la potencia efectiva y la potencia al freno del

motor, lo que permite al diseñador hacer una determinación directa de la potencia que se

requiere instalar en la embarcación. Los valores comunes de eficiencia de propulsión suelen

oscilar entre el 55% y el 75%, en este caso se estima una eficiencia del 66%. A partir de esta

potencia, se pueden considerar varias combinaciones de motores principales en función de la

potencia que producen, el peso, el consumo de combustible, etc.

A partir de la potencia efectiva (EHP) obtenida anteriormente para la velocidad máxima de 25

nudos y, considerando un valor medio del rendimiento propulsivo (ηP) dentro del rango de sus

valores comunes, se obtiene una potencia requerida de:

𝐵𝐻𝑃 =𝐸𝐻𝑃

𝜂𝑃

=338,67

0,66= 513,13 𝑘𝑊 ( 21 )

El valor de potencia obtenido se encuentra muy cercano al del dimensionamiento preliminar, que

era de 547,82 kW. Por lo tanto, se obtiene un valor de potencia próximo al esperado.

Sin embargo, se deben tener en cuenta posibles situaciones que requieran un aumento de la

demanda de potencia al motor. Así que, a la potencia anterior se le añaden los siguientes

márgenes:

• Margen de mar del 15%, para poder afrontar condiciones de mar adversas y posibles

aumentos de resistencia al avance debidos a las olas o ensuciamiento del casco.

• Margen de 10% para que el motor no trabaje a máxima potencia.

𝐵𝐻𝑃 = 513,13 ∙ 1,25 = 641,42 𝑘𝑊 ( 22 )

En conclusión, se instalará una potencia mínima de 641,42 kW, la cual permitirá que la

embarcación alcance los 25 nudos, trabajando sus motores a la potencia normal de servicio. Para

el cálculo de dicha potencia, el programa “Maxsurf Resistance” no ha considerado los redanes del

casco ni los deflectores, los cuales contribuyen a la sustentación y reducen la resistencia al

avance, consiguiendo que la embarcación llegue a planear a velocidades inferiores. Pero en

general, las formas trazadas permiten alcanzar la velocidad máxima fijada, con una potencia

cercana a la estimada en el dimensionamiento preliminar.


52

4.3. Elección planta propulsora

En este punto se pretende seleccionar una planta propulsora que permita a la embarcación

alcanzar los requisitos establecidos anteriormente. Para ello, previamente se analizarán ciertas

consideraciones para poder acotar la elección de la motorización principal.

4.3.1. Consideraciones preliminares

En cuanto a propulsión, existen diferentes opciones en el mercado, pero principalmente se divide

en motores intraborda y fueraborda. Se descarta la instalación de motores fueraborda, ya que

este tipo de motores ocupan espacio en cubierta. Además de no haber motores fueraborda en el

mercado que funcionen de forma híbrida. Por lo tanto, se opta por los motores intraborda, los

cuales suelen ser motores convencionales de transmisión por eje, aunque también existen otros

tipos como waterjets, pods, etc.

Respecto al número de motores principales, se decide instalar dos unidades. Las principales

razones es que se consigue mayor maniobrabilidad que instalando un único motor, además de

mayor seguridad al disponer de otro motor en caso de fallo mecánico en uno de ellos.

La navegación a velocidades elevadas se realizará mediante el motor de combustión,

considerando, por tanto, la potencia mínima a instalar para dicho motor. Mientras que la

condición eléctrica no superará velocidades por encima de los 10 nudos, necesitando una

potencia cercana a los 90 kW, según se ha estimado anteriormente mediante el software

“Maxsurf Resistance”. Siendo el uso del motor de combustión óptimo para velocidades medias y

altas, y el del eléctrico para velocidades bajas e incluso medias.

Por lo tanto, considerando la potencia mínima requerida de 641,42 kW para alcanzar la velocidad

máxima fijada, se instalarán a bordo dos motores de combustión de a partir de 321 kW de

potencia. Además de dos motores eléctricos de mínimo 45 kW de potencia para formar el

sistema de propulsión híbrido.

En cuanto a la autonomía, en los requisitos establecidos en las primeras fases del proyecto, se

definió que la embarcación debía ser capaz de navegar 200 millas sin repostar combustible o

cargar baterías en puerto. Se considerará esta autonomía para la condición de navegación

mediante los motores de combustión. La autonomía de los motores eléctricos depende

básicamente del tamaño y capacidad de las baterías instaladas. Pero en este caso se tendrá en

cuenta para mínimo 1 hora de navegación, pudiendo ser ampliada recargando las baterías sin

estar en puerto.

Sistema propulsivo

53

4.3.2. Comparativa propulsión mediante motores convencionales y propulsión mediante pods

Habitualmente se ha optado por instalar motorizaciones convencionales en las embarcaciones, las

cuales presentaban el inconveniente de sus limitadas prestaciones. Pero en el 2005, Volvo Penta

instaló su primera pareja de motores IPS en una Rodman 41 presentada en Southampton. Desde

entonces, este sistema de pods se ha impuesto en un amplio abanico de esloras en más de 1.100

modelos en todo el mundo.

En la siguiente figura se pueden observar ciertas diferencias entre ambos sistemas de propulsión:

Figura 40. Comparativa barco con motorización convencional y con motorización Volvo Penta IPS. Fuente:

Naval Motor

Motorización convencional

Una embarcación con motorización convencional cuenta con el motor principal acoplado a la

reductora/inversora, que se encarga de ajustar las altas revoluciones del motor a las revoluciones

idóneas para la hélice. La inversora permite invertir el sentido de giro de la hélice, pudiendo la

embarcación dar marcha avante, atrás o poner punto muerto.

Seguidamente está el eje de cola, que atraviesa el casco por la bocina y finaliza en la hélice. El eje

es suficientemente largo y con cierta inclinación para optimizar el rendimiento de la hélice y evitar

la aparición de cavitación. Esto presenta inconvenientes como la pérdida de espacio en la

embarcación, además de la necesidad de realizar complejos trabajos de alineación entre las

diferentes partes del sistema. Este tipo de motorización también presenta el problema de tener

grandes pérdidas de rendimiento a velocidades elevadas.

Aparte de esto, se debe instalar también un sistema de gobierno, uno de gases de escape y un

sistema abierto de refrigeración para los motores.

Motorización Volvo Penta IPS

El Inboard Performance System (IPS) es un sistema completamente diseñado y construido por

Volvo Penta. Surgió por la necesidad de ofrecer las prestaciones y confort que los consumidores

estaban demandando y, que no podían suministrar los motores convencionales.


54

Figura 41. Sistema IPS. Fuente: Revista Náutica y Yates

Pero aparte de las notables ventajas en la capacidad de maniobra, la comodidad a bordo y el

rendimiento, este sistema de propulsión permite disponer de más espacio a bordo de la

embarcación, ya que es un sistema completo e integrado desde el puesto de pilotaje hasta las

hélices. Además, cuenta con el EVC (Electronic Vessel Control), que es un sistema de control

electrónico de la embarcación que supervisa y conecta todos los sistemas electrónicos a bordo:

Figura 42. Sistema Volvo Penta IPS. Fuente: Naval Motor

1. Unidades propulsoras dirigibles individualmente con hélices dobles contrarrotantes

2. Motores modernos y eficaces conectados a las unidades propulsoras

3. Puesto de pilotaje con acelerador, pantallas, joystick, rueda de timón

4. Conectividad adicional con el puesto de pilotaje principal

5. Joystick para atraque

6. Otras opciones EVC disponibles, como el sistema de posicionamiento dinámico

Por lo tanto, cada instalación de un IPS consiste en un paquete de propulsión completo y

perfectamente ajustado. Este sistema se basa, principalmente, en hélices dobles contrarrotantes

Sistema propulsivo

55

mirando hacia proa en un soporte rotatorio. Éste es capaz de girar para orientarse en cualquier

posición angular y alterar la dirección del flujo de propulsión. Al montarse siempre un mínimo de

dos pods simétricos confiere a la embarcación una maniobrabilidad extraordinaria, ya que cada

uno puede orientarse de forma independiente. Llevando a cabo dichas maniobras con el sistema

de Joystick, que permite realizarlas de forma intuitiva y sin necesidad de instalar sistemas de

gobierno.

Figura 43. La combinación de la acción de los IPS mediante los Joystick permite maniobrar en cualquier

sentido. Fuente: Revista Náutica y Yates

El hecho de que las hélices dobles contrarrotantes estén orientadas hacia proa permite que

trabajen en aguas tranquilas, generando un empuje paralelo al casco y, consiguiendo así un

rendimiento mayor que en el caso de la motorización convencional.

Otra ventaja de dicha orientación es que todos los gases de escape se emiten a través de las

unidades propulsoras, en la estela de la hélice, y quedan atrás para un mayor confort a bordo.

Esto junto a los bajos niveles de vibraciones originados por las hélices contrarrotantes, permiten

disfrutar de mayor comodidad a bordo.

Figura 44. Gases escape y ausencia de cavitación debido a la orientación hacia proa de los IPS. Fuente: Naval

Motor


56

Además, las hélices tienen una posición adecuada debajo del casco para detener la entrada de

aire y, por tanto, la cavitación, incluso en giros muy pronunciados y durante la aceleración plena.

En resumen, las ventajas del IPS frente a las transmisiones con línea de ejes son:

• 40% más de autonomía a velocidad de crucero

• 20% más de velocidad máxima

• 30% menos de consumo de combustible

• 30% menos de emisiones de CO2

• 50% menos de nivel de ruido percibido

• Mayor espacio a bordo

En conclusión, debido al gran número de ventajas de este tipo de motorización en comparación a

la motorización convencional, se decide instalar dos motores Volvo Penta IPS.

4.4. Opciones híbridas en el mercado

Con el creciente afán de proteger el medio ambiente, el uso de tecnologías híbridas es una

solución atractiva para el desarrollo de yates y embarcaciones de recreo. Pudiendo ser una

opción muy popular para los propietarios con visión de futuro.

La propulsión híbrida es la que usa como recurso de energía la proveniente del combustible y de

electricidad almacenada. Este tipo de propulsión se diferencia de la diésel-eléctrica en que ésta

genera electricidad mediante generadores diésel, que mediante un controlador se transmite a los

motores propulsores eléctricos. Por lo tanto, no usa energía eléctrica almacenada, motivo por el

que no se considera propulsión híbrida. Un sistema de propulsión híbrido suele contar con una

combinación variable de motor de combustión, generadores, banco de baterías y motores

eléctricos.

Figura 45. Sistema de propulsión diésel-eléctrico. Fuente: Revista digital Proyectos Navales

Sistema propulsivo

57

La tecnología híbrida todavía está evolucionando mucho, incluso ahora, con sistemas nuevos y

más eficientes que se desarrollan constantemente. Pero los avances más notables se refieren a

los sistemas de baterías, su capacidad y sus compatibilidades.

Hay dos tipos principales de sistemas híbridos: en serie y en paralelo. Las diferencias clave entre

estos dos sistemas están en la relación entre la hélice y el motor.

4.4.1. Sistema híbrido en serie

En esta configuración, la fuente principal de energía es un motor eléctrico alimentado por

baterías, con un generador impulsado por un motor a bordo para cargarlas.

Figura 46. Sistema de propulsión híbrido en serie. Fuente: Revista digital Proyectos Navales

En esta configuración se debe generar electricidad mediante todos los recursos posibles: paneles

solares, molinos eólicos, grupos electrógenos o cualquier combinación de ellos. La electricidad

generada se almacena debidamente en un banco de baterías mediante un controlador de cargas.

Estas baterías se conectan al motor propulsor, eléctrico, accionándolo a través de un controlador.

Cuando las baterías estén cargadas, el motor eléctrico propulsará la embarcación y el motor de

combustión o generador se apagará. En los sistemas híbridos en serie, el motor de combustión y

el eje de transmisión no están conectados mecánicamente. Siendo este sistema, una apuesta

total por el propulsor eléctrico.

Debido a que el motor de combustión no está conectado directamente al eje de la hélice, el

motor eléctrico de un sistema en serie debe poder manejar los niveles de propulsión más altos

que puede alcanzar la embarcación. Mientras el sistema híbrido en serie ofrece claras mejoras en

la eficiencia (en comparación con un sistema convencional) cuando opera a velocidades más altas

u óptimas, esta configuración también puede llevar a situaciones en las que los beneficios de

eficiencia del sistema híbrido se reducen potencialmente. Por ejemplo, cuando se utiliza en


58

operaciones de baja velocidad, como sería el caso de las maniobras portuarias. Además, presenta

el inconveniente de necesitar un generador potente para poder cargar las baterías rápidamente.

Propuesta sistema híbrido en serie

En caso de que se hubiese optado por un sistema híbrido en serie para la propulsión, uno de los

que mejor se adaptaría a la embarcación proyectada es el desarrollado por la empresa Torqeedo.

El sistema de propulsión híbrido Deep Blue Hybrid es el primer sistema integral del mercado que

combina un sistema propulsor híbrido para embarcaciones con el sistema completo de a bordo de

gestión de energía. Cumpliendo con los estándares de seguridad más elevados. A continuación,

se muestra el esquema de este sistema:

Figura 47. Esquema del sistema propulsivo Deep Blue Hybrid de Torqeedo. Fuente: Torqeedo

Donde:

1. Motor eléctrico de alto voltaje DB 100i 2400, que proporciona una potencia de entrada

continua de alrededor de 100 kW a 360 V.

2. Sistema de baterías de litio de alto voltaje de 360 V.

3. Baterías de 12 V, encargadas de proporcionar la alimentación necesaria para arrancar las

baterías de alta tensión y el generador de diésel; gestionadas por el sistema Deep Blue.

4. Generador diésel Deep Blue de 25 kW de última tecnología: se activa cuando las

necesidades energéticas superan a la energía disponible de las baterías y de las fuentes de

energía renovables. Funciona siempre en su punto de trabajo óptimo y alimenta

Sistema propulsivo

59

directamente el sistema de alto voltaje de 360 V. Permite al sistema trabajar en cuatro

modos:

Eléctrico Con el generador apagado. Modo eléctrico al 100%.

Carga El generador carga las baterías. En cuanto se haya alcanzado la carga deseada, se

inicia automáticamente el modo híbrido.

Híbrido El generador se inicia automáticamente cuando la carga de las baterías baja por

debajo del límite definido previamente

Float Navegación con motor y el generador en funcionamiento, se genera exactamente la

potencia requerida y se utiliza muy poco la batería.

5. Cargadores para las tomas de puerto: permiten recargar el sistema en la red de corriente

alterna del puerto.

6. Caja de conexiones del sistema de propulsión: el punto neurálgico de la gestión del

sistema propulsor, en el que confluyen todas las conexiones y las funciones de gestión del

sistema propulsor.

7. Conexión para la toma de puerto: en el puerto se puede recargar por completo el banco

de baterías, de grandes dimensiones, para poder utilizarlo más tarde.

8. Caja de conexiones del sistema: aquí se integran las conexiones y las funciones de gestión

del sistema para formar un sistema completo y se anexan otras funciones adicionales para

embarcaciones de más eslora.

9. Convertidor corriente alterna: garantiza una independencia total de las características de

la corriente eléctrica en tierra ya que permite seleccionar la tensión y la frecuencia

deseada.

10. Red de tensión alterna aislada (corriente alterna 120/240 V, 50/60 Hz): permite conectar

los dispositivos y los enchufes gracias a un distribuidor de corriente alterna.

11. Convertidor de corriente continua bidireccional DC/DC: conecta la red de a bordo de

corriente continua de 24 V con el sistema de baterías y posibilita la transferencia libre de

energía.

12. Baterías de a bordo de 24 V: sirven de reserva de energía para todos los aparatos

eléctricos de la embarcación.

13. Regulador de carga solar: convierte la electricidad procedente de los módulos

fotovoltaicos a la tensión adecuada para la red de a bordo.

14. Módulo fotovoltaico: genera energía solar que complementa a la energía del sistema.

15. Palanca de acelerador: regula la potencia del motor eléctrico.

16. Pantalla con ordenador de a bordo: permite controlar y adaptar los parámetros de forma

flexible según el uso del sistema.


60

Figura 48. Pantallas información y gestión del sistema. Fuente: Torqeedo

Este sistema completo de propulsión en serie ofrece unas prestaciones elevadas en comparación

con las de sus competidores. Contando además con baterías de alto rendimiento procedentes de

la industria automovilística, que permiten recorrer grandes distancias con el motor de hasta 50

millas marinas sin utilizar el generador.

Pero, además, este sistema se diseñó tomando de referencia los estándares de seguridad

existentes, como, por ejemplo, los de la industria automovilística, que hasta ahora brillaban por

su ausencia en motores eléctricos de alta potencia para embarcaciones. Adaptando dichos

estándares a las exigencias de la náutica, donde destacan los siguientes aspectos:

• Todos los componentes son estancos al agua.

• Amortiguación de las baterías para evitar impactos durante la navegación.

• Control de aislamiento de todos los componentes de alta tensión con la embarcación.

• Baterías seguras de litio concebidas para el sector náutico con los avanzados requisitos de

seguridad del sector del automóvil.

Toda esta información se puede consultar y ampliar en el enlace [24] de la bibliografía.

4.4.2. Sistema híbrido en paralelo

Esta configuración híbrida es más versátil que la anterior. Ofrece múltiples opciones para las

operaciones, lo que permite al usuario cambiar fácilmente entre los modos de propulsión (ya sea

con motor eléctrico o de combustión). A diferencia de la configuración en serie, en un sistema

paralelo, el motor de combustión y el eje de transmisión están conectados directamente, con el

motor eléctrico trabajando en el mismo eje de transmisión.

Sistema propulsivo

61

Figura 49. Sistema de propulsión híbrido en paralelo. Fuente: Revista digital Proyectos Navales

Con este sistema, la configuración tradicional del motor de combustión permanece para cuando

se requieren largos períodos de funcionamiento. El sistema eléctrico se puede utilizar según sea

necesario, dependiendo de la configuración / condiciones / requisitos, y ambos pueden funcionar

en paralelo.

En esta configuración, hay un motor de combustión que actúa como motor propulsor principal y

tiene también acoplado al eje propulsor un motor eléctrico, mediante una toma de fuerza que

actúa sobre un embrague. El acople se puede dar en la caja de transmisión o en un cojinete de

empuje externo. Mientras la navegación se realiza mediante el motor eléctrico, el de combustión

se encuentra desembragado del eje de transmisión. En el caso de que la embarcación se propulse

con el motor de combustión, el motor eléctrico actúa como un alternador de cola, permitiendo

generar electricidad y almacenarla en los bancos de baterías. Por lo tanto, la energía eléctrica

almacenada en las baterías puede provenir de: un alternador del motor de combustión principal,

un grupo electrógeno independiente, paneles solares o molinos eólicos.

Los elementos eléctricos de un sistema paralelo no necesitan operar a niveles de propulsión tan

altos como los de un sistema en serie. El motor principal de combustión se puede usar para

niveles más altos, mientras que el motor eléctrico generalmente se usará cuando se requieran

velocidades bajas o moderadas. Por lo tanto, el motor tradicional generalmente se utilizará para

velocidades más altas y / o cuando las baterías se agoten. Lo que significa que la forma más

eficiente de operaciones se podrá seleccionar y utilizar según sea necesario, además de tener una

alternativa de propulsión en caso de fallar una de ellas.

El sistema a emplear y los niveles de potencia, rangos y eficiencias posibles dependerán de una

serie de variables, incluido el tipo y uso de la embarcación y la preferencia del propietario.

Cualquiera que sea el tipo de sistema en uso, el objetivo final es ofrecer las operaciones más

eficientes posibles, haciendo uso de todos los sistemas y de la energía eléctrica disponible.


62

Propuesta sistema híbrido en paralelo

Uno de los sistemas de propulsión híbrida en paralelo que mejor se ajusta a la embarcación

diseñada es el Volvo Penta IPS híbrido. Este sistema permite mantener la alta eficiencia ofrecida

por el sistema IPS, explicado anteriormente, y añade la capacidad de funcionar en entornos de

cero emisiones mediante un motor eléctrico.

El funcionamiento consiste en añadir un embrague y un motor eléctrico entre el motor y la unidad

propulsora IPS. El motor eléctrico es compatible con paquetes de baterías de litio escalables

(según las necesidades de la aplicación) que pueden cargarse externamente utilizando cargadores

de CA o CC; o bien recargarse utilizando el motor de combustión primario. Al abrir el embrague,

la embarcación funciona solo en modo eléctrico y, con el embrague cerrado, se puede utilizar en

paralelo la propulsión eléctrica y diésel. En términos de funcionamiento, el capitán utilizará las

conocidas interfaces de control del sistema IPS, con la incorporación de nuevos modos de

propulsión entre los que elegir.

Figura 50. Sistema propulsivo híbrido en paralelo Volvo Penta IPS. Fuente: Yatemar

En los sistemas en paralelo, el tamaño del motor eléctrico se puede diseñar según su uso previsto,

que suele ser el modo de bajas velocidades. De esta forma se alcanza una eficiencia óptima: a

baja velocidad el motor eléctrico propulsa a la embarcación dentro de su gama óptima de

funcionamiento. Esto supone una ventaja crucial frente a los sistemas convencionales, ya que los

motores de combustión no funcionan con la eficiencia óptima a bajas velocidades, mostrando

bajos niveles de eficiencia. El hecho de poder apagar dicho motor para utilizar el motor eléctrico

ayuda a prolongar su vida útil.

Por las razones expuestas, más las ventajas que proporciona el sistema propulsivo Volvo Penta

IPS, se elige esta opción para propulsar la embarcación a proyectar.

Toda esta información se puede consultar y ampliar en la página web [25] de la bibliografía.

Sistema propulsivo

63

4.4.3. Objetivos de la propulsión híbrida

En general, hoy en día, las propulsiones híbridas se usan para desplazarse con energía eléctrica en

los primeros rangos de velocidad de una embarcación menor. Esto se debe a que los motores de

combustión no tienen un consumo de combustible óptimo hasta alcanzar tramos de velocidad

más elevados.

Para lograr los primeros nudos y vencer a la resistencia al avance, la hélice instalada no es la

óptima, ya que siempre se diseña para alcanzar las máximas rpm y para una velocidad de flujo

estimada que será luego la velocidad máxima del barco.

Este primer tramo del avance del barco es importante para configurar la posibilidad de no usar el

motor diésel y usar el motor eléctrico. Ahorrando así combustible y aumentando la autonomía de

la embarcación al embragar el motor eléctrico, haciendo un uso más eficiente de la energía que

un sistema de propulsión convencional. Por lo tanto, se deberá prestar atención a las líneas del

casco para disminuir la fricción en el primer tramo de la curva de resistencia al avance.

La autonomía, en la propulsión eléctrica, estará ligada a la capacidad de almacenamiento de la

energía y, la velocidad máxima a la potencia del motor eléctrico y la hélice, en coyuntura con la

eficiencia en el diseño de líneas de casco.

Durante la navegación en modo eléctrico, la vida a bordo es más silenciosa y con menores

vibraciones, traduciéndose en una mayor comodidad en los pasajeros de la embarcación.

La reducción de horas de funcionamiento del motor de combustión, la mayoría de las cuales son a

regímenes óptimos al desembragarlo durante la realización de maniobras y la navegación a bajas

velocidades. Junta al motor eléctrico y las baterías libres de mantenimiento, permiten que el

coste del mantenimiento de esta tecnología sea notablemente inferior.

Pero, además, tiene diferentes beneficios ambientales. El uso de un sistema híbrido reduce el

consumo de combustible, reduce las emisiones, aumenta la eficiencia y permite que la

embarcación llegue más lejos por menos. Significa una navegación más ecológica, algo que es

más importante que nunca a medida que el mundo se vuelve más consciente del impacto de los

combustibles fósiles y la contaminación.

Con el aumento del número de zonas protegidas, donde los barcos que funcionan con

combustibles fósiles no pueden visitar para protegerlas, la capacidad de navegar con energía

eléctrica seguramente se volverá cada vez más atractiva. Desde los arrecifes de coral hasta los

arrecifes naturales, hay un número creciente de áreas de navegación donde pronto solo las

embarcaciones con propulsión eléctrica podrán ingresar.


64

4.5. Motores eléctricos para la hibridación

Como se ha comentado anteriormente, se optará por la propulsión mediante un sistema híbrido

en paralelo. Este sistema lleva tanto el motor de combustión interna como el motor eléctrico

acoplados directamente a la caja de transmisión. Esto se logra mediante un conjunto de

engranajes.

Este tipo de sistema híbrido se adapta tanto a los motores de combustión convencionales como a

los pods. Además, no requiere de la instalación de grandes generadores, como sería el caso del

sistema híbrido en serie.

La embarcación puede navegar en modo eléctrico, a través del motor eléctrico, consumiendo

energía del banco de baterías. O bien se puede propulsar mediante el motor de combustión. En

dicha condición el motor eléctrico puede actuar como alternador y recargar las baterías. El

esquema de este tipo de sistema es el siguiente:

Figura 51. Sistema de propulsión híbrido en paralelo HDrive Technology. Fuente: Greenline Hybrid Yacht

Con el objetivo de seleccionar un motor eléctrico que se adapte a las necesidades de este tipo de

propulsión, se realizará un estudio de los diferentes tipos de motores eléctricos disponibles en el

mercado, y se realizará un análisis del funcionamiento básico de los motores de este tipo.

4.5.1. Funcionamiento básico

Un motor eléctrico es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía

mecánica mediante interacciones electromagnéticas. Este tipo de motores pueden funcionar

conectados a una red de suministro eléctrico o a baterías. Algunos de ellos son reversibles, es

decir, pueden transformar energía mecánica en eléctrica funcionando como alternadores.

Los motores de corriente alterna y los de corriente continua se basan en el mismo principio de

funcionamiento, el cual establece que, si un conductor por el que circula corriente eléctrica se

encuentra dentro de la acción de un campo magnético, éste tiende a desplazarse

perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnético.

Sistema propulsivo

65

El conductor tiende a funcionar como un electroimán debido a la corriente eléctrica que circula

por el mismo adquiriendo así propiedades magnéticas. Éstas provocan, debido a la interacción

con los polos ubicados en la parte fija o estátor, el movimiento circular que se observa en el rotor

del motor, que es la parte giratoria.

Figura 52. Partes de un motor eléctrico universal. Fuente: Aula21, centro de formación técnica para la

industria

Por tanto, partiendo del hecho de que cuando pasa corriente por un conductor produce un

campo magnético, además si lo ponemos dentro de la acción de un campo magnético, el

producto de la interacción de ambos campos magnéticos hace que el conductor tienda a

desplazarse produciendo así la energía mecánica. Dicha energía es comunicada al exterior

mediante un dispositivo llamado flecha o eje.

Según la naturaleza de la corriente eléctrica transformada, los motores eléctricos se clasifican en

motores de corriente continua y motores de corriente alterna, que, a su vez, los de alterna se

agrupan, según su sistema de funcionamiento, principalmente en motores asíncronos y motores

sincrónicos. Tanto unos como otros disponen de todos los elementos comunes a las máquinas

rotativas electromagnéticas.

Tanto los motores de corriente continua como los síncronos de corriente alterna, tienen una

utilización y unas aplicaciones muy específicas. Mientras que los motores de corriente alterna

asíncronos son los que tienen aplicaciones más generalizadas. Esto se debe a su fácil utilización,

poco mantenimiento y bajo coste de fabricación.

4.5.2. Motores eléctricos de corriente continua

La conversión de energía en un motor eléctrico se debe a la interacción entre una corriente

eléctrica, en este caso corriente continua, y un campo magnético. Un campo magnético, que se

forma entre los dos polos opuestos de un imán, es una región donde se ejerce una fuerza sobre

determinados metales o sobre otros campos magnético. Como se ha comentado anteriormente,


66

un motor eléctrico aprovecha este tipo de fuerza para hacer girar un eje, transformándose así la

energía eléctrica en movimiento mecánico.

Los dos componentes básicos de todo motor eléctrico de corriente continua son el rotor y el

estátor. El rotor es una pieza giratoria, un electroimán móvil, con varios salientes laterales, que

llevan cada uno a su alrededor un bobinado por el que pasa la corriente eléctrica. El estátor,

situado alrededor del rotor, es un electroimán fijo, cubierto con un aislante. Al igual que el rotor,

dispone de una serie de salientes con bobinados eléctricos por los que circula la corriente. Al ser

corriente continua, la entrada y la salida de dicha corriente siempre tiene el mismo sentido. Por

este motivo se coloca el colector de delgas, que se encarga de recoger la corriente desde las

escobillas y hacer que la corriente siempre entre y salga por el mismo lado.

Figura 53. Esquema de funcionamiento básico de un motor de corriente continua. Fuente: Automatismo

Industrial

Cuando la corriente eléctrica pasa por el circuito, el inducido empieza a girar y la rotación dura

hasta que la espira alcanza la posición vertical. Al girar las delgas del colector con la espira, cada

media vuelta se invierte el sentido de circulación de la corriente eléctrica. Esto quiere decir que la

parte de la espira que hasta ese momento recibía la fuerza hacia arriba, ahora la recibe hacia

abajo, y la otra parte, al contrario. De esta manera la espira realiza otra media vuelta y el proceso

se repite mientras gira el inducido.

Figura 54. Función del colector de delgas en un motor de corriente continua. Fuente: Automatismo Industrial

Escobilla

Colector de delgas

Sistema propulsivo

67

Estos motores se utilizan en casos en los que es importante el poder regular continuamente la

velocidad del motor, tanto en aplicaciones de baja potencia, como aplicaciones de alta potencia.

Este tipo de motores tienen en el rotor y el estátor el mismo número de polos y el mismo número

de escobillas. Otra ventaja es el alto torque de arranque que presentan, pudiendo ser utilizados

en aplicaciones donde se requiera una gran fuerza de giro en el arranque del motor. Aunque

presentan inconvenientes como:

• El coste del mantenimiento es elevado debido al desgaste de las escobillas.

• Son más caros de fabricar.

4.5.3. Motores eléctricos de corriente alterna

Los motores de corriente alterna tienen una estructura similar, con pequeñas variaciones en la

fabricación de los bobinados y del conmutador del rotor. Estos motores trabajan a velocidad

constante, ya que ésta depende de la frecuencia de la corriente eléctrica, aunque mediante

variadores de frecuencia se puede regular. Su funcionamiento se basa en la acción que ejerce el

campo magnético giratorio generado en el estátor sobre las corrientes que circulan por los

conductores situados en el rotor. Según su sistema de funcionamiento, se clasifican en motores

asíncronos, motores sincrónicos y motores de colector.

Generalmente destacan por ser motores de menor coste que los de corriente continua, tanto en

mantenimiento como en fabricación. Además, se utilizan en aplicaciones donde se requiera un

rendimiento máximo y elevada entrega de par.

Motores asíncronos

Se llama motores de inducción o asíncronos a los motores de corriente alterna, en los que la

velocidad de rotación del rotor es menor que la del campo magnético del estátor. La máquina

asíncrona tiene la propiedad de ser reversible, es decir, puede funcionar como motor y como

generador. Este tipo de motores utilizan el fenómeno de inducción electromagnética para

transformar la energía eléctrica en energía mecánica.

Los motores asíncronos están formados por un rotor, que puede ser de jaula de ardilla o

bobinado, y un estátor, en el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son

trifásicas y están desfasadas entre sí 120° en el espacio. Según el Teorema de Ferraris, cuando

por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas equilibradas, cuyo desfase en el

tiempo es también de 120°, se induce un campo magnético giratorio que envuelve al rotor.

Entonces se produce el efecto Laplace, que es por el cual todo conductor por el que circula una

corriente eléctrica, inmerso en un campo magnético experimenta una fuerza electrodinámica que

tiende a poner en movimiento a los conductores que arrastran al rotor haciéndolo girar. Este

campo magnético variable va a inducir una tensión en el rotor.


68

Figura 55. Funcionamiento motor asíncrono. Fuente: Scuola Elettrica

La acción mutua del campo giratorio creado por el bobinado del estátor y las corrientes existentes

en los conductores del rotor, origina una fuerza electromotriz de inducción que hacen girar el

rotor del motor.

Como la inducción en el rotor sólo se produce si hay una diferencia en las velocidades relativas del

campo estatórico y el rotórico, la velocidad del rotor nunca alcanza a la del campo rotante. De lo

contrario, si ambas velocidades fuesen iguales, no habría inducción y el rotor no produciría par

motor.

La principal diferentes entre estos motores y los síncronos es que el devanado del rotor no está

conectado al circuito de excitación del motor, sino que está eléctricamente aislado. Por lo tanto,

en este sistema solo se necesita una conexión a la alimentación, que corresponde al estátor,

eliminándose el sistema de escobillas que se precisa en otros tipos de motores. Otra diferencia a

destacar es que, en los motores asíncronos, el rotor no está alimentado directamente mediante

una conexión eléctrica, sino que se genera la corriente eléctrica que circula por el rotor mediante

el fenómeno de inducción.

Según la construcción del rotor, se distingue entre los de jaula de ardilla y los bobinados. Las

principales diferencias entre ambos es el nivel de torque que pueden generar y sus circuitos. Los

segundos presentan un bobinado abierto, formado por tres series de conductores bobinados, que

se conectan a tres anillos colectores montados sobre el eje del motor, a los que se pueden

conectar resistencias que lo cierran. Para arrancarlos, se conectan las resistencias exteriores.

Esto limita las corrientes en el estátor, y a medida que el motor acelera, se van reduciendo hasta

dejarlas en cortocircuito, alcanzando el régimen de velocidad máximo. Presentan el

inconveniente de ser más complejas de fabricar que las de jaula de ardilla, además de necesitar

un mantenimiento más exhaustivo.

Sistema propulsivo

69

Figura 56.Tipos de motores asíncronos. Fuente: ESAII y EPSEVG (UPC)

Mientras que los de jaula de ardilla, están formados por una serie de conductores metálicos

(normalmente de aluminio) dispuestos paralelamente unos a otros, y cortocircuitados en sus

extremos por unos anillos metálicos. Este tipo de rotores tienen la ventaja de ser fáciles de

construir, ya que se encuentran en cortocircuito permanente, además de no requerir

prácticamente mantenimiento y proporcionar un funcionamiento seguro. Su principal

inconveniente es que absorben una elevada intensidad en el estátor durante el arranque del

motor.

El motor de inducción es el motor de corriente alterna más utilizado, debido a su fortaleza y

sencillez de construcción, buen rendimiento y bajo coste, donde características de

funcionamiento se adaptan bien a una marcha a velocidad constante.

La velocidad de estos motores es una velocidad fija, que depende de la frecuencia de la red,

siendo algo menor que la de sincronismo. Gracias a los avances de la electrónica de potencia,

actualmente se fabrican arrancadores estáticos que pueden regular la velocidad de estos motores

actuando sobre la frecuencia de la alimentación del motor, es decir, convierten la frecuencia

industrial de la red en una distinta que se aplica al motor. De ahí que reciban el nombre de

convertidores de frecuencia, pudiendo regular la velocidad, amortiguar el arranque e incluso

frenarlo.

Pero este tipo de motores presentan la desventaja en el factor de potencia, que es menor a la de

los síncronos, reduciendo la potencia efectiva del motor e induciendo una carga reactiva.

Motores síncronos

Los motores síncronos son naturalmente motores de velocidad constante. Operan en

sincronismo con la frecuencia de la corriente de alimentación y comúnmente se utilizan en

campos donde se necesita una velocidad constante y la carga pueda ser variable. El motor

sincrónico es un motor eléctrico accionado por corriente alterna que consta de dos componentes


70

básicos: un estátor y un rotor. El estátor contiene bobinas de cobre a las que se le suministra una

corriente alterna para producir un campo magnético giratorio. El rotor magnetizado está sujeto al

eje de salida y crea una fuerza de torsión debido al campo giratorio del estátor. La velocidad de

un motor sincrónico (n) se determina por el número de pares de polos (p) y por la frecuencia de

entrada de la red (f).

𝑛 =60 ∙ 𝑓

𝑝 ( 23 )

Al alimentar su estátor mediante un sistema trifásico de corriente alterna se genera en el mismo

un campo magnético giratorio, cuya velocidad sabemos que es N = 60 f/p donde f es la frecuencia

de la red, y p es el número de pares de polos del rotor. Si en estas circunstancias, con el rotor

parado, se alimenta el devanado del mismo con corriente continua se produce un campo

magnético rotórico fijo, delante del cual pasa el campo magnético del estátor. Los polos del rotor

están sometidos ahora a atracciones y repulsiones en breves periodos de tiempo, por parte de los

polos del estátor, pero el rotor no consigue girar, a lo sumo vibrará.

Al llevar el rotor a la velocidad de sincronismo, haciéndolo girar mediante un motor auxiliar, al

enfrentarse polos de signo opuestos se establece un enganche magnético que les obliga a seguir

girando juntos, pudiendo ahora retirar el motor auxiliar. Este enganche magnético se produce

porque el campo giratorio estatórico arrastra por atracción magnética al rotor en el mismo

sentido y velocidad.

Figura 57. Arranque de un motor síncrono. Fuente: Automatismo Industrial

A diferencia de los motores asincrónicos, la puesta en marcha requiere de maniobras especiales a

no ser que se cuente con un sistema automático de arranque. Otra particularidad del motor

síncrono es que al operar de forma sobreexcitado consume potencia reactiva y mejora el factor

de potencia. Algunas ventajas son:

• Elevada eficiencia en la conversión de energía eléctrica en mecánica.

• Buena estabilidad en caso de utilizarlos con convertidores de frecuencia.

• Capacidad de mantener la velocidad constante en condiciones de variación de carga.

• Pueden funcionar como alternadores.

Sistema propulsivo

71

En cuanto a los motores síncronos, se pueden diferenciar en varios tipos, siendo los más

comunes:

• Motores síncronos de imán permanente (PMSM motors). Destacan por su densidad de

potencia, la cual es mayor que la de los motores asíncronos en los mismos rangos, ya que

no cuentan con potencia del estátor destinada a la producción de campos magnéticos. A

igual potencia, los motores PMSM son más pequeños. Además, presentan buen par,

buena capacidad de sobrecarga y un rendimiento elevado. Son los motores más utilizados

en vehículos con motores eléctricos.

• Motores de imán permanente sin escobillas (BLC motors). Son motores que ofrecen alta

eficiencia, gran fiabilidad, buena relación velocidad-par motor y altos rangos de velocidad.

Éstos presentan el inconveniente de requerir controles complejos y caros.

• Motores de reluctancia variable (VRM motors). Se utilizan en aplicaciones de media y

elevada potencia que requieren elevado par de arranque y elevado rendimiento. Pero

presentan el inconveniente de tener niveles de ruido acústico y tamaños superiores que

el resto.

• Motores paso a paso (steppers motors). Este tipo de motores síncronos se aplican en

campos donde se requieren movimientos muy precisos.

• Motores síncronos de rotor bobinado con excitación CC. Son los motores que se

alimentan con corriente continua en el inductor para generar un campo magnético. Éstos

son empleados en aplicaciones en las que se requieren gran potencia a velocidades bajas

de funcionamiento.

4.5.4. Motor eléctrico seleccionado para la propulsión híbrida

Los motores síncronos de imanes permanentes (PMSM) son los más utilizados para los sistemas

de propulsión híbridos y eléctricos, tanto en la industria naval como en la del automóvil, debido a

su menor tamaño y mayor eficiencia. Este tipo de motores presentan imanes permanentes en el

rotor que no necesitan excitación externa ni escobillas para generar un campo magnético en el

rotor, haciéndolo girar cuando se somete al campo generado en el estátor. Este hecho permite

que sean más compactos que el resto.

Además, presentan aproximadamente un 15% más de eficiencia que los motores asíncronos,

alcanzando mayor densidad de potencia disponible. Permitiendo así el uso de baterías de menor

tamaño, manteniendo la autonomía.

Estos factores son clave para la instalación en una planta propulsora de una embarcación. Pero a

todo esto, se le deben añadir las ventajas de los motores síncronos sobre los asíncronos, como

son: capacidad de mantener la velocidad constante en condiciones de variación de carga; buena


72

estabilidad en caso de utilizarlos con convertidores de frecuencia; pueden funcionar como

alternadores; y presentan buen par motor y buena capacidad de sobrecarga.

Por lo tanto, se opta por instalar un motor eléctrico síncrono de imanes permanentes para la

propulsión híbrida de la embarcación.

Propuesta de motor eléctrico

El motor eléctrico seleccionado es de la marca Transfluid, conocida internacionalmente por sus

transmisiones y sistemas híbridos y eléctricos para la industria y construcción naval. Como se ha

comentado anteriormente, para el sistema de propulsión híbrido, se seleccionan dos motores

eléctricos síncronos de imán permanente de mínimo 45 kW. Éstos proporcionan una alta

eficiencia y simplicidad con un peso y tamaño limitados.

Este tipo de motores eléctricos están controlados por un controlador vectorial (variador de

frecuencia) que permite que la máquina funcione como motor o como generador. Permitiendo

una instalación compacta del sistema, haciendo que la gestión del motor y su velocidad de giro

sea fácil y eficaz durante cualquier fase de funcionamiento. Al funcionar con corriente alterna,

lleva un inversor integrado que permite transformar la corriente continua de las baterías a

corriente alterna utilizada para alimentar el motor eléctrico, y viceversa cuando trabajan como

generador.

Los principales objetivos alcanzados por estos motores son:

• Alta eficiencia, lo que conlleva a mayor ahorro de energía.

• Mayor tiempo de funcionamiento de la batería, que se traduce en mayor autonomía.

• Menor coste.

• Sin vibraciones, poco ruidoso y cero emisiones.

• Tamaño compacto y alta relación potencia/peso.

• Perfil de par muy flexible.

Las características estructurales de las máquinas eléctricas están optimizadas para un uso

específico en sistemas híbridos hasta 3000 rpm. El sistema se puede enfriar mediante

refrigeración por líquido o por aire convencional, lo que facilita la instalación a bordo y le permite

aprovechar la potencia progresivamente durante todo su rango de revolución. En este caso se

opta por la refrigeración líquida mediante circuito cerrado, la misma que utilizan los motores

Volvo Penta IPS, en la que el circuito cerrado se refrigera con agua de mar a través de un

intercambiador de calor. Este tipo de refrigeración evita la entrada de contaminantes o la

formación de incrustaciones en el sistema, presentando un menor mantenimiento. Transfluid

desaconseja el uso de refrigeración por aire para motores que estén en funcionamiento más de

500 horas al año, por lo que se decide descartar esta opción.

Sistema propulsivo

73

Figura 58. Sistema de refrigeración líquida por circuito cerrado para motores eléctricos Transfluid. Fuente:

Transfluid

La curva de par que caracteriza a este tipo de motores a baja y media velocidad puede ser hasta el

doble del valor nominal, hasta aproximadamente 1500 rpm, durante un tiempo limitado. En

aplicaciones marinas, esto es muy útil para maniobras de embarcaciones a baja velocidad.

4.6. Sistema de propulsión híbrida seleccionado

El sistema de propulsión híbrida en paralelo estará formado por:

• 2 motores diésel Volvo Penta IPS de mínimo 321 kW de potencia.

• 2 motores eléctricos síncronos de imán permanente Transfluid de mínimo 45 kW de

potencia.

Para el caso de los motores de combustión, se seleccionan los Volvo Penta D6-IPS650, los cuales

proporcionan una potencia al cigüeñal de 353 kW cada uno de ellos. Las prestaciones de estos

motores son superiores a las del resto, teniendo únicamente el inconveniente de rondar los 200

mil euros sin IVA la unidad. Se adjuntan en el Anexo 3 las dimensiones de los mismos, junto con

los datos técnicos y los gráficos de consumo de combustible, par motor y potencia.

A éstos, se les añaden dos motores eléctricos síncronos de imán permanente Transfluid EM 300-

50 refrigerados por líquido. Los cuales proporcionan una potencia nominal de 50 kW a 3000 rpm

y una potencia intermitente de 65 kW. Consiguiendo así que la embarcación alcance los 10 nudos

en la condición totalmente eléctrica. En la tabla siguiente se adjuntan sus especificaciones

técnicas:

Potencia nominal motor 50 kW

RPM 3000 máx.

Potencia máxima motor 65 kW

Potencia como generador 49 kW

Voltaje nominal 178 Vrms


74

Par motor nominal 159 Nm

Corriente nominal 167 Arms

Peso 135 kg

Dimensiones 602 x 360 mm

Grado de protección IP65

Batería 288 Vdc

Tabla 11. Especificaciones técnicas del motor eléctrico EM 300-50. Fuente: Transfluid

Transfluid ofrece una gama completa de sistemas de propulsión híbridos en paralelo, combinando

los beneficios de la navegación eléctrica con la autonomía de un motor de combustión interna.

Para ello, se instala un módulo entre el motor de combustión y la transmisión, con el motor

eléctrico montado en paralelo a la línea de propulsión, en un espacio compacto.

En este caso se selecciona el sistema de transmisión híbrida Transfluid HM2000. Éste admite unas

potencias de entrada máximas de 435 kW de potencia desde el motor térmico y 150 kW de

potencia desde el motor eléctrico. El par máximo de entrada que admite es de 2000 Nm,

pudiendo acoplarlo con el motor de combustión seleccionado, ya que el par máximo del motor

Volvo Penta D6-IPS650 es de 1100 Nm.

Figura 59. Módulo híbrido Transfluid HM2000. Fuente: Transfluid

El sistema está compuesto por los siguientes elementos:

• Sistema de embrague multidisco HFR para acoplar y desacoplar el motor de combustión

según la propulsión que se desee utilizar, también conocido como toma de fuerza.

• Válvula solenoide de control de embrague.

• Motor eléctrico síncrono de imán permanente con función de motor o generador.

Sistema propulsivo

75

El sistema de transmisión híbrido perteneciente a la serie HM ha sido diseñado con la ayuda de

los principales fabricantes de baterías recargables y los principales fabricantes de sistemas de

propulsión para motores eléctricos de imanes permanentes para que puedan instalarse

fácilmente entre los diferentes componentes del sistema, proporcionando una comunicación

fluida entre ellos.

Figura 60. Esquema de funcionamiento de la propulsión híbrida mediante el módulo HM2000. Fuente:

Transfluid

El sistema de embrague multidisco lleva acoplada una fuente de alimentación de aire completa,

de hasta 14 bar, para su accionamiento de forma remota mediante el controlador MPCB de

Transfluid. Esta fuente incluye filtro de aire, válvulas, presostato, depósito de aire y un motor

eléctrico de corriente continua de bajo ruido y larga duración.

Figura 61. Circuito de accionamiento de la toma de fuerza HFR mediante aire. Fuente: Transfluid


76

El sistema de gestión MPCB mencionado anteriormente es un dispositivo capaz de gestionar las

diferentes funcionalidades (modos) del sistema híbrido: diésel, eléctrico, y booster. Además de

integrar la información de otros componentes y supervisar el sistema de diagnóstico general.

Figura 62. Esquema funcionamiento del sistema de propulsión híbrida. Fuente: Transfluid

• Modo eléctrico. Permite navegar utilizando los motores eléctricos de 50 kW, pudiendo

alcanzar velocidades máximas cercanas a los 10 nudos. Navegación silenciosa y cero

emisiones. Los motores diésel permanecen desacoplados.

• Modo diésel. Se acoplan los motores diésel, permitiendo navegar utilizando los motores

de combustión de 353 kW, pudiendo superar la velocidad máxima fijada de 25 nudos. Los

motes eléctricos pueden actuar como generadores para recargar las baterías.

• Modo booster. Durante la aceleración, los motores eléctricos ayudan a los motores diésel

proporcionándoles un par adicional. Mediante este modo se permite alcanzar la

velocidad máxima, pudiendo bajar la potencia de los motores térmicos y proporcionarla

mediante los motores eléctricos. Así se consigue una disminución importante del

consumo de combustible para el alcance de velocidades elevadas.

En el caso del sistema de propulsión Volvo Penta IPS, la inversora/reductora se encuentra en la

propia unidad propulsora IPS. Por lo tanto, queda definido el esquema del sistema propulsivo

híbrido en paralelo. El motor de combustión Volvo Penta IPS se acopla, mediante la toma de

fuerza Transfluid HFR, a la unidad de transmisión Transfluid HM2000. Ésta está compuesta por un

motor eléctrico síncrono de imán permanente Transfluid EM 300-50, el cual puede funcionar

como motor propulsor o como generador. Y finalmente, la unidad Transfluid HM2000 se conecta

a la unidad propulsora IPS a través de la inversora/reductora. Consiguiendo así un esquema del

sistema propulsivo híbrido similar al siguiente:

Sistema propulsivo

77

Figura 63. Sistema de propulsión híbrida en paralelo con las unidades IPS de Volvo Penta. Fuente: Volvo

Penta

Se adjuntan en el Anexo 3 las dimensiones de los motores eléctricos y de los módulos de

transmisión híbrida, junto con los datos técnicos.

4.7. Almacenamiento de la energía para la propulsión híbrida

Las baterías constituyen el único medio de almacenamiento energético a bordo. Por ello, desde la

fase de diseño de la embarcación, se debe realizar un balance eléctrico para determinar la

demanda de los consumidores y dimensionar las baterías para disponer de la suficiente capacidad

de almacenamiento sin tener que realizar ciclos continuos de carga.

En este caso, se procederá a seleccionar los grupos de baterías que satisfagan la demanda de los

motores eléctricos. Para ello, previamente se analizarán las diferentes configuraciones de

baterías a bordo y los diferentes tipos de baterías más utilizados.

4.7.1. Configuraciones de los bancos de baterías

Las configuraciones de baterías (grupos o bancos) que se pueden instalar en una embarcación de

recreo pueden ser diversas, siendo las más habituales:

• A. Un grupo /banco de baterías para el motor.

• B. Un grupo/banco de baterías para el motor y los equipos eléctricos.


78

• C. Dos grupos / bancos de baterías para el motor y los equipos eléctricos.

• D. Más de dos grupos / bancos de baterías para el motor, equipos eléctricos y otros

servicios como hélices de proa, winches, etc.

Figura 64. Esquemas de bancos de baterías en embarcaciones de recreo. Fuente: Exide Marine

La gama de baterías de la configuración A (arranque) está diseñada para suministrar alta potencia

para el arranque del motor. El rango de baterías, con un rendimiento de potencia de arranque

elevado, suele tener un valor de MCA de 500 A a 1400 A.

El MCA (Marine Cracking power in Amps) es un parámetro característico de las baterías de

arranque. Éste indica la corriente que puede suministrar la batería durante 30 segundos a 0 °C de

temperatura, manteniendo el voltaje de salida a un valor operativo. También se usa el CCA (Cold

Cranking Amps), que es lo mismo, pero a −18 °C de temperatura.

Para la elección de las baterías de las configuraciones C o D, se debe calcular el valor de Watt x

hora que se debe disponer para unas 20 h, sin llegar al límite de descarga recomendado. Suelen ir

de 350 Wh a 2100 Wh, según el tipo de barco y necesidades.

Sistema propulsivo

79

Figura 65. Necesidades de las baterías según la configuración. Fuente: Exide Marine

En el caso del presente proyecto, se optará por la configuración de más de dos grupos de baterías.

Uno de ellos se utilizará para la propulsión híbrida, otro para equipos eléctricos y servicios, y otro

para el arranque del motor.

4.7.2. Tipos de baterías

Actualmente en el mercado existen, principalmente, cinco tipos de baterías. A continuación, se

presentan las características de cada uno de ellos:

• Baterías de plomo-ácido. Funcionan por medio de unas placas de plomo de polaridad

positiva y negativa, aisladas entre sí, que están sumergidas libremente en ácido sulfúrico.

Estas baterías no son estancas, es decir, deben estar en posición vertical para evitar

derrames de ácido; necesitan mantenimiento, que consiste en rellenarlas periódicamente

con agua destilada; y liberan gases nocivos mientras se cargan, teniendo que estar

debidamente ventiladas para evitar posibles peligros. En caso de no recargarse, pierden

mensualmente un 15 % de su capacidad.

• Baterías de plomo-calcio. Son similares a las anteriores, pero la diferencia radica en que

las placas están fabricadas con una aleación de calcio. Esto permite que las placas no

sufran corrosión y que reduzcan el consumo de agua destilada, eliminando la necesidad

de realizar mantenimientos.

• Baterías de gel. Este tipo contienen el electrolito gelificado y no desprenden gases

nocivos ni requieren mantenimiento, pudiendo instalarse en lugares con poca ventilación.


80

Presentan una durabilidad elevada, pero no se recomienda usarlas como baterías de

arranque.

• Baterías de electrolito absorbido. También conocidas como baterías AGM (Absorbed

Glass Mat). Las de este tipo no utilizan electrolito líquido, por lo que no pueden sufrir

derrames, alargando así su vida útil. Además de no necesitar mantenimiento y poderse

colocar en cualquier posición, son resistentes a los choques y a las vibraciones. Destacan

también por su potencia, por lo que pueden ser usadas como baterías de arranque. Tanto

las de este tipo como las baterías de gel, presentan auto descargas reducidas en

comparación a las de plomo-ácido.

• Baterías de fosfato de hierro y litio. Éstas presentan considerables ventajas respecto a los

otros tipos de baterías. Entre ellas, se cargan más rápidamente, ofrecen más densidad

energética por tamaño y peso, y cuentan con una vida útil mayor. Además, no requieren

mantenimiento ni emiten gases, por lo que pueden instalarse en lugares sin ventilación.

Las baterías de este tipo también destacan por no tener efecto memoria, pudiendo ser

cargadas y descargadas incompletamente sin que pierdan capacidad. También presentan

la ventaja de mantener el mismo voltaje durante toda la descarga sin necesidad de

instalar reguladores de voltaje. Pero tienen el inconveniente de ser caras y de ofrecer

rendimientos inferiores a bajas temperaturas.

Para alimentar los equipos eléctricos y servicios, se instalarán baterías de gel, ya que presentan

importantes ventajas respecto a las de plomo-ácido, plomo-calcio y las de electrolito absorbido

para este fin. Además, cabe destacar que las baterías de este tipo son mucho más económicas

que las de litio y satisfacen los requisitos básicos para su instalación en la embarcación. Para el

cálculo de estas baterías se debería hacer un balance eléctrico para determinar la demanda

energética de los consumidores de la embarcación, pero en el presente estudio no se va a llevar a

cabo.

También se instalarán baterías que serán utilizadas únicamente para el arranque del motor diésel.

Para esta finalidad se recomiendan las baterías de electrolito absorbido, las cuales proporcionan

una potencia de arranque superior. La capacidad y tamaño de ellas tampoco se va a dimensionar.

Finalmente, para los grupos de baterías para la propulsión híbrida se eligen las de fosfato de

hierro y litio. Éstas se analizarán posteriormente con la finalidad de determinar sus dimensiones y

capacidad según la demanda energética de los motores eléctricos y la autonomía fijada.

Sistema propulsivo

81

4.7.3. Baterías para la propulsión híbrida

El tipo de baterías utilizado para la propulsión híbrida y eléctrica en el sector naval son las baterías

de fosfato de hierro y litio. Esto se debe a las grandes ventajas que proporcionan en comparación

a los otros tipos de baterías. Como la de ofrecer mayor densidad energética por tamaño y peso

que otros tipos de baterías.

La marca Transfluid dispone de grupos de baterías de este tipo desde 48 V hasta 384 V y con

distintas capacidades. Éstas tienen una vida útil de más de 4000 ciclos, no requieren

mantenimiento, no desprenden emisiones y permiten una carga rápida para aumentar la cantidad

de energía diaria disponible. Además, están aprobadas por la sociedad de clasificación DNV-GL,

con número de certificación TAE00003SJ.

Las baterías de Transfluid se pueden conectar al sistema MPCB para mostrar los datos de las

baterías y gestionar la energía disponible en ellas. Y cuentan con la opción de realizar cargas

rápidas, pudiendo alcanzar el 50 % de su carga en 30 minutos y el 100 % en 2 horas.

Las capacidades disponibles son las siguientes:

Capacity

Ah

Contin.

discharge

A

Pulse

discharger

A

Continuous

charge

A

Pulse

charge

A

Operating

Temperature

°C

Box

Material

Protection

class

100 100 200 80 120

-20 / 60 SS316L

IP65

(No cooling

required)

200 200 400 160 240

300 300 600 240 360

400 400 800 320 480

600 600 1200 480 720

800 800 1600 640 960

Tabla 12. Especificaciones generales baterías de fosfato de hierro y litio Transfluid. Fuente: Transfluid

Las especificaciones del motor eléctrico indican que debe alimentarse mediante un grupo de

baterías de 288 V y que su corriente nominal es de, aproximadamente, 167 A. Por lo tanto,

considerando una autonomía de 1 hora de navegación a su potencia nominal (50 kW), llegando a

alcanzar velocidades cercanas a los 10 nudos, se necesita un banco de baterías con capacidad de:

𝐶 = 167 ∙ 1 = 167 𝐴ℎ ( 24 )

Pero para el cálculo de las baterías se debe añadir un factor de seguridad a la capacidad

energética demandada, para así asegurar que se pueda satisfacer dicha demanda de energía. En

este caso se aplica un factor de seguridad de 1,5.

𝐶 = 167 ∙ 1,5 = 250,5 𝐴ℎ ( 25 )


82

Se selecciona un grupo de baterías de fosfato de hierro y litio de la marca Transfluid, el cual tiene

una capacidad de 300 Ah y una tensión nominal de 288 V.

Tensión nominal 288 V

Capacidad 300 Ah

Energía 86,4 kWh

Arquitectura 3 en serie y 3 en paralelo

Régimen de descarga 300 A

Temperaturas de funcionamiento -20 °C a 60 °C

Dimensiones de un módulo 506 x 876 h293 mm

Número de módulos 9 + MCR (módulo de conexiones)

Peso total 1170 kg


Tabla 13. Especificaciones técnicas del banco de baterías de 288 V y 300 Ah. Fuente: Transfluid

En el caso del presente proyecto, al disponer de dos motores eléctricos, se necesitarán dos

bancos de baterías para alimentar independientemente cada motor.

Se adjuntan en el Anexo 3 las dimensiones y las características técnicas de las baterías Transfluid.

4.7.4. Recarga de las baterías

Las baterías para los equipos eléctricos y servicios se pueden cargar de diferentes formas. Una de

ellas es mediante la toma de puerto, la cual está conectada al cargador de baterías y éste les

proporciona la carga. Otra opción es la de recargar las baterías mediante el alternador del motor,

el cual es capaz de generar 12V/150A o 24V/80A.

Cabe la posibilidad de instalar un pequeño generador diésel a bordo, en la cámara de máquinas,

para poder cargar las baterías en el caso de que sea necesario.

Los bancos de baterías destinados a la propulsión híbrida, aparte de cargarse durante el modo de

navegación diésel, donde el motor eléctrico actúa como generador, también lo deben poder

hacer mediante una toma de puerto.

En el caso de carga durante la navegación, las baterías se recargan mediante los inversores que

hay a la entrada de los motores, los cuales actúan como convertidores bidireccionales. Es decir,

cuando el motor eléctrico está en funcionamiento, actúan como inversores transformando la

corriente continua de las baterías en corriente alterna. Mientras que cuando actúan como

generadores impulsador por el IPS, los convertidores funcionan como rectificadores,

transformando la corriente alterna en continua, comportándose como un cargador de baterías.

Sistema propulsivo

83

En el caso de recarga por la toma de puerto, se realiza mediante un cargador de baterías. El

cargador seleccionado es el cargador de baterías Transfluid LiFePO4.

Este cargador de 18 kW de potencia máxima se encarga de rectificar la corriente alterna a

continua para poder cargar las baterías. La carga se realiza a una intensidad de 50 A y un voltaje

de 288 V en corriente continua. Por lo tanto, para realizar una recarga completa de cada banco

de baterías de 300 Ah, se requiere el siguiente tiempo:

𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑜 =86,4

18= 4,8 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 ( 26 )

El tiempo calculado se estima para el caso de que las baterías estén completamente descargadas.

Se adjuntan las especificaciones del cargador de baterías en el Anexo 3.

Los cargadores se conectan a la caja de conexiones del sistema, que cuenta con un repartidor de

cargas que distribuye la carga a las baterías y además actúa como separador de baterías.

Para la recarga de las baterías de 86,4 kWh y capacidad de 300 Ah seleccionadas para la

propulsión híbrida, durante la navegación con los motores térmicos, se necesitaría un tiempo de:

𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑛𝑎𝑣𝑒𝑔𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =86,4

49= 1,76 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 ( 27 )

Donde 49 kW es la potencia de generación de los motores eléctricos, teniendo en cuenta que

vayan a 3000 rpm.

Además, existe la posibilidad de instalar un convertidor DC/DC para recargar las baterías de

servicios a partir de las baterías pertenecientes al sistema de propulsión híbrido, en caso de que

sea necesario.

4.8. Sistema de aislamiento

Al tratarse de un sistema eléctrico de alta tensión, principalmente el sistema de baterías de

almacenaje de la propulsión híbrida, se tiene que instalar un sistema aislante de protección contra

electrocuciones por contacto indirecto. Éste consiste en un esquema de conexión IT de régimen

neutro, con medidores de aislamiento.

Los medidores de aislamiento se encargan de vigilar posibles fugas de corriente entre los

conductores de corriente continua para detectar el momento en que se produzca alguna

derivación a masa. Según el valor de la derivación, el dispositivo desconecta las baterías del

sistema para evitar posibles peligros contra las personas y la embarcación.


84

4.9. Selección de la hélice

El propio fabricante de los sistemas de propulsión Volvo Penta IPS propone las hélices a instalar.

En este caso, para el motor Volvo Penta D6-IPS650, recomienda las hélices Nibral tipo T/TS. Éstas

están desarrolladas específicamente para IPS con motores D6 para brindar una eficiencia,

comodidad a bordo y maniobrabilidad excepcionales.

Están fabricadas en una aleación de nibral (níquel-bronce-aluminio) extremadamente resistente.

Que proporciona una durabilidad excelente y buena resistencia a la corrosión. Las hélices son

dobles contra rotatorias y están orientadas hacia proa. La delantera es de 3 palas, mientras que la

trasera es de cuatro, como se puede observar en la siguiente figura:

Figura 66. Hélices Nibral tipo T/TS para Volvo Penta IPS. Fuente: Volvo Penta

Para la elección de las hélices se debe tener en cuenta que el número de palas de las hélices no

sea múltiplo del número de cilindros del motor. Hecho que ya tiene en cuenta Volvo Penta antes

de proponer estas hélices.

La serie de hélices del tipo T/TS cubre aplicaciones desde barcos de semi-planeo con velocidades

máximas moderadas hasta embarcaciones de planeo con velocidades muy elevadas.

Figura 67. Serie de hélices Volvo Penta tipo T/TS. Fuente: Volvo Penta

En este caso, se decide optar por una hélice intermedia, la cual proporcione una eficiencia

equilibrada tanto para velocidades medias como para altas. Se selecciona por tanto la hélice T4.

En el Anexo 3 se adjunta la guía de hélices de Volvo Penta consultada para la elección de las

mismas.

Sistema propulsivo

85

4.10. Autonomía en las diferentes condiciones de navegación

Para el modo diésel, la autonomía debe ser de al menos 200 millas. Considerando que la

velocidad máxima es de 25 nudos, se puede obtener el tiempo de navegación:

𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑛𝑎𝑣𝑒𝑔𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =200 𝑚𝑖𝑙𝑙𝑎𝑠

25 𝑛𝑢𝑑𝑜𝑠= 8 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 ( 28 )

De la curva de consumo de combustible de los motores Volvo Penta D6-IPS650 adjunta en las

especificaciones de los motores en el Anexo 3, se obtiene que su consumo es de 55 litros/hora

aproximadamente. Se considera que los dos motores navegan a una potencia suficiente para

garantizar la autonomía definida en cualquier condición, como a su velocidad máxima.

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 = 55 ∙ 8 ∙ 2 = 880 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 ( 29 )

Por lo tanto, la capacidad de los tanques de combustible debe ser de 880 litros para que la

embarcación pueda navegar 200 millas a su velocidad máxima. La cantidad de combustible

calculada se encuentra próxima al valor definido en el dimensionamiento preliminar, que era de

872 litros.

En cuanto al modo eléctrico, la embarcación podrá navegar durante 1 hora con los motores

eléctricos Transfluid EM 300-50 a su potencia nominal sin recargar las baterías. Se estima que, en

esta condición, alcanzará de velocidad máxima unos 10 nudos. Siendo, por tanto, la autonomía de

mínimo 10 millas.

Todas éstas pueden verse aumentadas. Por un lado, si no se navega a máxima potencia y, por

otro lado, si se combinan ambos modos de propulsión. Durante el modo diésel, los motores

eléctricos actúan como generadores y recargan las baterías. Por lo tanto, si se navega en el modo

eléctrico hasta descargar las baterías y, posteriormente, con los motores diésel hasta que se

recarguen, se podría volver a la condición eléctrica. Y repetir este proceso varias veces,

aumentando considerablemente la autonomía de la embarcación.

4.10.1. Consumo de combustible en los distintos modos de propulsión híbrida

El objetivo del presente apartado del proyecto es analizar el consumo de combustible para los

diferentes modos de navegación mediante el sistema híbrido. Para ello, se considerará una

autonomía de 200 millas y una velocidad de 10 nudos. No se tienen en cuenta velocidades

superiores ya que, durante la condición eléctrica, no se podría alcanzar la misma velocidad que

con el motor térmico.


86

Modo diésel

Durante la navegación con los motores térmicos, sin utilizar los motores eléctricos para propulsar

la embarcación ni recargar las baterías, 200 millas a 10 nudos de velocidad, se obtiene un

consumo total de combustible de 110 litros.

Modo híbrido, sin cargar baterías

En la condición de navegación híbrida, en la que la salida de puerto se hace con las baterías

cargadas y la llegada con las baterías descargadas, sin recargarse durante la navegación, se

realizan 10 millas con los motores eléctricos y 190 millas con los motores térmicos. Ya que la

autonomía en la condición eléctrica es de 1 hora a 10 nudos de velocidad. El consumo total de

combustible de los motores térmicos es de 104,5 litros, ya que solamente se utilizan una hora

menos que en la condición anterior.

Modo híbrido, cargando las baterías durante la navegación

Finalmente, se analiza una condición de navegación mediante la propulsión híbrida, en la que los

motores térmicos trabajan a mayor potencia para poder recargar las baterías a través de los

motores eléctricos. En este caso, se consigue propulsar la embarcación con los motores eléctricos

durante 7,24 horas. Las 12,76 horas restantes, la embarcación es propulsada mediante los

motores térmicos, los cuales trabajan a potencias superiores que en las condiciones analizadas

anteriormente. En este caso, el consumo total de combustible es de 102,1 litros.

Modo booster

El uso de este modo de propulsión para la condición de navegación fijada, de 200 millas a 10

nudos de velocidad, no se puede analizar. Este modo se utiliza para poder alcanzar velocidades

superiores durante periodos relativamente cortos, por lo que no se puede considerar para 20

horas de navegación. Las ventajas que aporta este modo consisten en que la embarcación puede

alcanzar velocidades máximas superiores, ya que la potencia suministrada a la hélice proviene

tanto de los motores térmicos como los eléctricos. La otra opción es que permite, para

navegaciones a velocidades elevadas, que los motores térmicos trabajen a menor potencia y el

resto de potencia requerida sea suministrada por los eléctricos, siempre que tengan sus baterías

cargadas.

Se observa que, para una travesía de 200 millas a una velocidad de 10 nudos, la condición híbrida

en la que se van cargando las baterías durante la navegación, ofrece un ahorro de combustible en

Sistema propulsivo

87

comparación a la propulsión completamente diésel y a la híbrida sin recargar baterías. A parte, la

navegación realizada, en los intervalos con los motores eléctricos, es más silenciosa y cómoda.

Permitiendo además una reducción de las horas de uso de los motores térmicos, consiguiendo

alargar su vida útil.

Los cálculos realizados se adjuntan en el Anexo 3.

4.11. Replanteo del sistema propulsivo

Como se comentó al inicio de este trabajo, todo proyecto es un proceso iterativo. Durante la

realización de la disposición general de la embarcación, se llega a la conclusión de que los grupos

de baterías propuestos presentan unas dimensiones excesivas para su instalación a bordo.

Debido a esto, se crea la necesidad de encontrar una solución. Por lo que se retrocede a fases

anteriores del proyecto y se analiza la potencia requerida para velocidades inferiores. El objetivo

es analizar la potencia requerida y fijar un rango de velocidades que permita la instalación de

motores eléctricos menos potentes. Y con ello, que requieran de grupos de baterías con unas

dimensiones acordes a la embarcación proyectada.

Estimación de la resistencia al avance para velocidades inferiores

La estimación de la resistencia al avance y de la potencia requerida para velocidades inferiores se

realiza mediante el método de Wyman. Éste está basado en una formulación universal que

permite el cálculo de las variables mencionadas tanto en cascos de planeo como de

desplazamiento.

El método de Wyman, a velocidades relativamente bajas, coincide con las predicciones de

resistencia al avance del método de Holtrop, el cual se utiliza para dichas estimaciones en

embarcaciones de desplazamiento.

Los resultados obtenidos son los siguientes:


88

Figura 68. Potencia requerida en función de la velocidad, por el método de Wyman. Fuente: Propia

Velocidad (kn) Resistencia (KN) Potencia (KW)

1,00 0,30 0,15

2,00 1,20 1,22

3,00 2,70 4,13

4,00 4,80 9,80

5,00 7,40 19,15

6,00 10,70 33,09

7,00 14,60 52,55

8,00 19,10 78,45

9,00 24,10 111,70

10,00 29,80 153,23

Tabla 14. Estimación de la resistencia al avance y potencia requerida para velocidades inferiores a 10 nudos.

Fuente: Propia

Se observa que, a partir de los 6 nudos, la curva de la potencia estimada en función de la

velocidad, aumenta de forma más brusca. Al pasar de una velocidad de 6 nudos a 7 nudos, el

valor de la potencia requerida aumenta casi 20 kW. Por lo tanto, se decide fijar la velocidad

máxima en la condición eléctrica a 6 nudos. La cual presenta una relación bastante óptima de

velocidad y potencia requerida. Los valores obtenidos para esta velocidad son los siguientes:

Velocidad (kn) Resistencia al avance (KN) Potencia efectiva (KW)

6,00 10,70 33,09

Tabla 15. Resistencia al avance y potencia obtenidos para la velocidad de 6 nudos. Fuente: Propia

Sistema propulsivo

89

Selección del sistema propulsivo híbrido

Debido a la disminución de potencia requerida para propulsar la embarcación en la condición

eléctrica, se procede a la elección de otro motor eléctrico. Para alcanzar la velocidad de 6 nudos,

se necesita una potencia efectiva de 33,09 kW. Es decir, cada motor eléctrico debe ser de 16,55

kW como mínimo.

Al igual que en el primer caso, se opta por instalar dos motores eléctricos síncronos de imán

permanente de la marca Transfluid. Pero en este caso se escogen los Transfluid EM 220-20,

refrigerados por líquido también. Éstos proporcionan una potencia nominal de 20 kW a 3000 rpm

y una potencia intermitente de 25 kW. Permitiendo así que la embarcación alcance los 6 nudos en

la condición totalmente eléctrica. En la tabla siguiente se adjuntan sus especificaciones técnicas:

Potencia nominal motor 20 kW

RPM 3000 máx.

Potencia máxima motor 25 kW

Potencia como generador 17 kW

Voltaje nominal 68 Vrms

Par motor nominal 64 Nm

Corriente nominal 175 Arms

Peso 58 kg

Dimensiones 460 x 278 mm


Batería 96 Vdc

Tabla 16. Especificaciones técnicas del motor eléctrico EM 220-20. Fuente: Transfluid

Este modelo de motor se debe alimentar mediante un grupo de baterías de 96 V, mientras que los

anteriores lo necesitaban de 288 V. Por lo tanto, se podrá reducir considerablemente el tamaño

de los bancos de baterías, ya que se necesitará un menor número de baterías.

Para el caso del sistema de transmisión híbrida, se mantiene la elección del modelo Transfluid

HM2000. Los modelos inferiores no admiten potencias de entrada del motor de combustión

suficientes para los Volvo Penta D6-IPS650.

Selección de las baterías para la propulsión híbrida

Como se ha comentado anteriormente, las especificaciones del motor indican que debe

alimentarse mediante un grupo de baterías de 96 V. Además de que la corriente nominal del

motor es de, aproximadamente, 175 A.

Al consultar las baterías de 96 V de Transfluid y realizar algunas comprobaciones en los espacios

de la embarcación, se llega a la conclusión de que el grupo de baterías de 96 V y una capacidad de


90

600 Ah se adapta perfectamente a los espacios disponibles. Por lo tanto, se opta por el banco de

baterías de fosfato de hierro y litio de la marca Transfluid que tiene una capacidad de 600 Ah y

una tensión nominal de 96 V. Sus especificaciones técnicas son las siguientes.

Tensión nominal 96 V

Capacidad 600 Ah

Energía 57,6 kWh

Arquitectura 3 en paralelo

Régimen de descarga 600 A

Temperaturas de funcionamiento -20 °C a 60 °C

Dimensiones de un módulo 619 x 955 h352 mm

Número de módulos 3 + MCR (módulo de conexiones)

Peso total 690 kg


Tabla 17. Especificaciones técnicas del banco de baterías de 96 V y 600 Ah. Fuente: Transfluid

Con el aumento de capacidad de las baterías, aumenta también la autonomía de la embarcación

en la condición eléctrica. Considerando un factor de seguridad de 1,5, el tiempo de navegación a

la potencia nominal de los motores eléctricos es:

𝑡 =600

175 ∙ 1,5= 2,28 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 ( 30 )

Por lo tanto, al navegar durante 2,28 horas a una velocidad máxima de 6 nudos, la autonomía

mínima será de:

𝐴𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚í𝑎 = 2,28 ∙ 6 ≈ 13,7 𝑚𝑖𝑙𝑙𝑎𝑠 ( 31 )

En cuanto a la carga de los bancos de baterías, con capacidad de 600 Ah y 57,6 kWh cada uno, a

partir de la toma de puerto, ésta se realiza con los cargadores de baterías Transfluid AXigo &

FleXis. Los cuales suministran 200 A y un voltaje de 96 V en corriente continua, siendo el tiempo

de recarga de:

𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑜 =600

200= 3 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 ( 32 )

Respecto a la recarga durante la navegación a través de los motores eléctricos, éstos ofrecen una

potencia de carga de 17 kW, pudiendo cargar las baterías de 57,6 kWh en un tiempo de:

𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑛𝑎𝑣𝑒𝑔𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =57,6

17= 3,38 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 ( 33 )

Sistema propulsivo

91

Resumen

En conclusión, con una disminución de 4 nudos en la velocidad máxima de la embarcación se ha

modificado lo siguiente:

• Instalación de dos motores eléctricos de imán permanente de 20 kW, mientras que los

anteriores eran de 50 kW.

• Montaje de dos bancos de baterías de 96 V y 600 Ah. Los anteriores eran de 288 V y 300

Ah.

Con esto se ha logrado, por un lado, disminuir el tamaño de los motores eléctricos 140 mm

aproximadamente. Aumentar la autonomía de 1 hora de navegación a 2,28 horas, más del doble

que en el primer caso. Y, lo más importante, se ha reducido el tamaño de cada banco de baterías

en 795 mm de ancho y 673 mm, aproximadamente. El peso también se ha disminuido más de

1000 kg. A continuación, se muestra una comparativa del tamaño de los bancos de baterías

seleccionados previamente y los nuevos a instalar:

Figura 69. Comparativa instalación banco baterías de 288 V y de 96 V. Fuente: Propia

Consumo de combustible en los distintos modos de propulsión híbrida

Para analizar el consumo de combustible para los diferentes modos de navegación del sistema

híbrido, se considerará una autonomía de 200 millas y una velocidad de 6 nudos. No se tienen en

cuenta velocidades superiores ya que, durante la condición eléctrica, no se podría alcanzar la

misma velocidad que con el motor térmico.

• Modo diésel.

Durante la navegación con los motores térmicos, sin utilizar los motores eléctricos para propulsar

la embarcación ni recargar las baterías, 200 millas a 6 nudos de velocidad, se obtiene un consumo

total de combustible de 133,33 litros.


92

• Modo híbrido, sin cargar baterías.

En la condición de navegación híbrida, en la que la salida de puerto se hace con las baterías

cargadas y la llegada con las baterías descargadas, sin recargarse durante la navegación, se

realizan 13,68 millas con los motores eléctricos y 186,32 millas con los motores térmicos. Ya que

la autonomía en la condición eléctrica es de 2,28 horas a 10 nudos de velocidad. El consumo total

de combustible de los motores térmicos es de 124,5 litros, ya que solamente se utilizan 2,28

menos que en la condición anterior.

• Modo híbrido, cargando las baterías durante la navegación.

Finalmente, se analiza una condición de navegación mediante la propulsión híbrida, en la que los

motores térmicos trabajan a mayor potencia para poder recargar las baterías a través de los

motores eléctricos. En este caso, se consigue propulsar la embarcación con los motores eléctricos

durante 13,40 horas y 80,4 millas. Las 19,92 horas y 119,6 millas restantes, la embarcación es

propulsada mediante los motores térmicos, los cuales trabajan a potencias superiores que en las

condiciones analizadas anteriormente. En este caso, el consumo total de combustible es de 79,70

litros.

• Modo booster.

Como se ha comentado en la primera condición estudiada, el uso de este modo de propulsión

para la condición de navegación fijada, de 200 millas a 6 nudos de velocidad, no se puede analizar.

Modo Velocidad (kn) Potencia M. térmico (kW) Consumo total combustible (l)

Diésel 6 33,09 133,33

Híbrido sin recarga 6 33,09 124,21

Híbrido con recarga 6 50,09 79,70

Tabla 18. Consumo de combustible para los diferentes modos de navegación en la condición analizada.

Fuente: Propia

Se observa que, para una travesía de 200 millas a una velocidad de 6 nudos, la condición híbrida

en la que se van cargando las baterías durante la navegación, permite ahorrar combustible en

comparación a la propulsión completamente diésel y a la híbrida sin recargar baterías. A parte, la

navegación realizada, en los intervalos con los motores eléctricos, es más silenciosa y cómoda.

Permitiendo además una reducción de las horas de uso de los motores térmicos, consiguiendo

alargar su vida útil.

Los cálculos realizados se adjuntan en el Anexo 3.

Sistema propulsivo

93

Con el replanteo del sistema híbrido, el ahorro de combustible en el modo híbrido, en el que se

recargan las baterías durante la navegación, es considerablemente mayor. Permitiendo realizar

largas travesías con ahorros de combustible elevados respecto a la propulsión totalmente a

diésel.

También se deben considerar las navegaciones cortas a bajas velocidades, las cuales se podrán

realizar mediante los motores eléctricos, sin utilizar combustible. Incluso, para navegaciones

relativamente cortas a velocidades elevadas, se podrá utilizar el modo booster, permitiendo

combinar los motores eléctricos y térmicos para que los segundos no trabajen a potencias tan

elevadas y consuman menos combustible. Por lo tanto, con la combinación de los diferentes

modos que proporciona el sistema de propulsión híbrido, se podrán disminuir considerablemente

los consumos de combustible, que es uno de los principales objetivos de los sistemas híbridos.


94

Disposición general

95

Capítulo 5. Disposición general

En el presente capítulo se procede a definir la disposición general de la embarcación proyectada.

Primero se delimita la posición de los motores y se estudian los requisitos de instalación que

impone el propio fabricante. Y posteriormente se procede a establecer la disposición general de

la embarcación.

Durante la distribución de los espacios se tiene en cuenta una repartición de pesos adecuada. El

motivo es evitar la necesidad de realizar grandes modificaciones de la distribución en futuras

fases del proyecto debido a repartos de pesos adversos.

El objetivo es realizar una distribución de los espacios que ofrezca la mayor comodidad posible a

bordo, ya que se trata de una embarcación de recreo. Además, se deben considerar los requisitos

establecidos en las primeras fases del proyecto, que son los siguientes:

• Capacidad para llevar mínimo a 8 personas a bordo.

• Capacidad de pernocta para 6 personas.

• Alcanzar velocidades de 25 nudos.

• Categoría de diseño B.

• Autonomía de al menos 200 millas.

A lo largo del capítulo se describirá el cumplimiento de los requisitos y objetivos explicando la

distribución de los espacios de la embarcación. También se procederá a la definición de la

posición de los motores y de la disposición estructural en la zona de su instalación.

5.1. Posición de los motores

Previamente a definir la disposición estructural, se debe determinar la posición de los motores.

En este caso, los motores Volvo Penta D6-IPS650 presentan una instalación con diversas

particularidades. Por lo tanto, para evitar posibles problemas en fases avanzadas del proyecto, se

consulta el manual de instalación de los motores. Sus dimensiones principales son las siguientes:


96

Figura 70. Dimensiones del motor Volvo Penta D6-IPS650. Fuente: Volvo Penta

En cuanto a su posición longitudinal en la embarcación, debe haber una distancia mínima (A) de

50 mm entre el espejo de popa y el tubo de escape, que es el elemento más próximo al espejo.

Además, la distancia entre el mamparo transversal más cercano y el motor no debe ser inferior a

200 mm.

Figura 71. Separación mínima entre el motor y el espejo de popa. Fuente: Volvo Penta

Respecto a su posición transversal, los motores deben estar separados, de centro a centro,

aproximadamente 1400 mm. Para ello, el propio fabricante suministra una tabla que indica el

valor de la distancia desde la quilla hasta el centro del motor (A) en función del ángulo de astilla

muerta. En este caso, al tener un ángulo de aproximadamente 15°, la distancia debe ser de 836

mm. Además, entre el motor y el costado de la embarcación debe haber una separación mínima

de 200 mm.


97

Figura 72. Distancia desde la quilla hasta el centro del motor (A). Fuente: Volvo Penta

Como se ha comentado anteriormente, los motores están unidos a la unidad propulsora IPS, la

cual atraviesa el casco. Para el montaje de este sistema de propulsión sobre el fondo de la

embarcación, se tienen que diseñar unos refuerzos estructurales que permitan su sujeción y

soporten los momentos producidos durante su utilización. La distribución de ellos se muestra a

continuación:

Figura 73. Dimensiones mínimas del ancho de los refuerzos en el orificio de la unidad propulsora IPS. Fuente:

Volvo Penta

Donde el ancho (A) mínimo recomendado para los refuerzos es de 120 mm. Para el caso de las

embarcaciones de poliéster reforzado con fibra de vidrio (PRFV), el fabricante recomienda la

siguiente disposición de los refuerzos para el montaje del sistema IPS:


98

Figura 74. Disposición recomendada de los refuerzos para la instalación del sistema de propulsión Volvo

Penta IPS. Fuente: Volvo Penta

Además, la bancada del motor se debe instalar de forma horizontal transversalmente. Por lo

tanto, los refuerzos longitudinales, en la zona de apoyo del motor, estarán a la misma altura. La

separación (C) entre ellos debe ser de 700 mm, como se muestra en la siguiente figura:

Figura 75. Separación entre los refuerzos longitudinales para el montaje del motor. Fuente: Volvo Penta

5.2. Distribución de los espacios en la embarcación

Una vez fijada la posición de los motores de combustión y de la unidad propulsora IPS, se define la

distribución general de los espacios en la embarcación. En esta fase del proyecto se deben

considerar las exigencias del cliente, los cuales exigen una capacidad de pernocta para 6 personas.

Además, al ser una embarcación de recreo, se debe prioriza la comodidad de las personas en la

misma.

Para la realización de la disposición general, primero se define el compartimento del motor y

posteriormente el resto de espacios de la embarcación. El motivo de esto es que el sistema de


99

propulsión híbrida cuenta con una serie de elementos conectados entre sí, que necesitan un

espacio mayor para su correcta instalación que una motorización convencional.

La disposición general en una embarcación con propulsión híbrida requiere una mayor

optimización de los espacios debido al elevado número de elementos que conforman dicho

sistema. En una embarcación con propulsión convencional, no se deben considerar los espacios

para bancos de baterías para la propulsión, ni espacios en el compartimento del motor para

sistemas de transmisiones o motores eléctricos. Por este motivo se deben optimizar al máximo,

para que la embarcación cuente con los mismos espacios que otra embarcación, y que tenga las

ventajas de poder propulsarse de forma híbrida.

5.2.1. Compartimento del motor

El compartimento del motor se ubica en la cubierta inferior, en la parte más a popa de la

embarcación. Para su acceso se cuenta con una escalera vertical que permite descender desde la

bañera a través de una escotilla. Este espacio de la embarcación es totalmente necesario para la

instalación del sistema propulsivo, pero se debe evitar sobredimensionarlo, ya que se perdería

espacio para la habilitación.

En este compartimento se instalan las unidades IPS, según recomienda el fabricante. Acoplados a

ellas, van los sistemas de transmisión híbrida Transfluid HM2000, que presentan unas

dimensiones de 458 mm de largo y 620 mm de ancho. Además, acoplados a dicho sistema de

transmisión se encuentran los motores Volvo Penta y los motores eléctricos Transfluid EM 220-20,

obteniendo una instalación similar a la estudiada en el apartado del sistema propulsivo.

Figura 76. Definición del sistema propulsivo en el compartimento del motor. Fuente: Propia


100

Además, en el compartimento de los motores también se ubican los tanques de combustible. En

este caso, el volumen total de combustible debe ser de 880 litros, repartido en dos tanques de

440 litros de capacidad. Estos tanques se colocarán lo más a proa posible para evitar diferencias

de trimados excesivas según la cantidad de combustible que tengan. Los tanques serán

simétricos, es decir, uno irá a babor y otro idéntico a estribor, y deberá consumirse el combustible

que contengan simultáneamente para evitar escoras innecesarias.

Se pueden consultar las dimensiones de los elementos que forman el sistema propulsivo en el

Anexo 3.

5.2.2. Espacio contiguo al compartimento del motor

En la cubierta inferior, a proa del compartimento del motor, se instalan los bancos de baterías.

Previamente a la optimización del sistema propulsivo híbrido, apareció el problema de necesitar

un espacio excesivo para la colocación de los bancos de baterías, sacrificando la mayoría de

espacio de la cubierta inferior. Posteriormente a esta optimización, se requiere un espacio de

1,24 m de longitud y 1,57m de amplitud para cada banco de baterías. Por lo que se decide

instalarlas en la zona contigua al compartimento del motor, la cual presenta una altura

insuficiente para destinarla a habilitación.

Los bancos de baterías se instalan simétricamente respecto la línea de crujía de la embarcación. Y

cada uno tiene un peso de aproximadamente 700 kg. La ventaja de instalar los bancos de baterías

en esta ubicación es que estarán cercanos al centro de gravedad de la embarcación,

contribuyendo a una mayor estabilidad.

En este espacio también se dispondrán otros elementos del sistema eléctrico, los cuales no se van

a detallar en el presente capítulo.

5.2.3. Acomodación

El espacio destinado a la acomodación se encuentra en la cubierta inferior y se accede a él a

través de unas pequeñas escaleras que descienden de la cubierta principal. En esta zona se

contará con numerosos espacios de estiba, como armarios y cofres. Y se divide principalmente en

un camarote principal, un camarote doble y un baño. El acceso a ellos se realiza a través de

puertas correderas, disminuyendo la pérdida de espacio causada por las puertas abatibles.

Camarote principal

El camarote principal se sitúa a proa y dispone de una cama doble, con canapé abatible de

almacenamiento, para dos personas y con vistas al mar.


101

Está dotado de dos armarios pequeños y dos armarios para colgar ropa, permitiendo estancias

con gran comodidad a bordo.

Los muebles de este camarote se diseñarán de forma que se consiga esconder las variaciones de

las formas del casco, aprovechando al máximo el espacio con pequeños armarios.

Camarote doble

El camarote doble está situado a popa del camarote principal, a babor de las escaleras de acceso.

Éste también cuenta con una cama doble, con vistas al mar, para dos personas y dos pequeños

armarios.

Cuarto de baño

El cuarto de baño común se ubica a popa del camarote principal, a estribor de las escaleras de

acceso a la cubierta inferior. Está formado por un plato de ducha de 50 x 50 cm, un retrete y un

lavabo con su mueble de baño. Además, al lado del mueble de baño, se dispone de un pequeño

armario.

A popa del cuarto de baño se reserva un espacio para la instalación de algunos elementos de los

diferentes sistemas de la embarcación, los cuales no se van a analizar en el presente estudio.

5.2.4. Plataforma de baño y zonas exteriores

La embarcación, a popa en la cubierta principal, cuenta con una plataforma de baño. Ésta dispone

de unas escaleras que permiten embarcar desde el agua.

A proa de la plataforma de baño se encuentra un amplio sofá con una mesa central. Entre la

mesa y la zona interior de la embarcación se halla la escotilla que permite el acceso al

compartimento del motor. Junto a la superestructura, a estribor, se dispone de unas escaleras

que permiten el ascenso al flybridge. Además, esta zona también permite el acceso al solárium de

proa a través de los pasillos laterales y a las zonas interiores de la embarcación a través de una

amplia puerta corredera principal de cristal, que da una mayor sensación de amplitud.

El solárium de proa se sitúa a proa de la embarcación. En esta zona encontramos una amplia

colchoneta, con capacidad para más de cuatro personas, que permite disfrutar de los días de sol y

de las navegaciones estivales. En el extremo de proa se ubica el ancla de la embarcación, junto

con el molinete y un registro para el acceso a la zona de estiba del fondeo.

Tanto los pasillos laterales como la zona de proa disponen de las pertinentes barandillas de

seguridad.


102

5.2.5. Flybridge

A la cubierta superior o flybrige se accede mediante unas escaleras formadas por 8 peldaños, que

permiten ascender desde la zona exterior situada a popa. Estas escaleras se ubican próximas a la

superestructura y la atraviesa por su interior, consiguiendo disponer de mayor espacio en la zona

de popa. Así, se sacrifica un pequeño espacio interior para conseguir una mayor amplitud en la

bañera de la embarcación.

El flybridge dispone de un amplio sofá central, en forma de L, desde donde se pueden observar

tanto las zonas de proa y como de popa. Además, dispone de un puesto de gobierno, formado

por una butaca, y las pantallas y equipos necesarios para el manejo de la embarcación. Desde

aquí se presenta un mayor ángulo de visión para el gobierno de la misma. Finalmente, a estribor

de éste se encuentra un pequeño sofá para el disfrute durante la navegación.

5.2.6. Zonas interiores de la cubierta principal

El acceso a las zonas interiores de la embarcación se realiza a través de la puerta corredera

principal. En esta cubierta, el interior está formado por una pequeña cocina, un sofá con una

mesa central y el puesto de gobierno principal. Toda la zona interior de la cubierta principal está

rodeada de una ventana que ofrece una mayor iluminación y sensación de amplitud.

A estribor se sitúa la cocina, formada por una encimera dotada de armarios y cajones, y sobre la

que se hallan el fregadero y la vitrocerámica. En el espacio situado debajo de las escaleras para

acceder al flybridge, ser reserva para la nevera y un pequeño armario, permitiendo aprovechar al

máximo dicho espacio.

Justo a proa de la cocina se ubica el puesto de gobierno principal de la embarcación. Éste está

compuesto por un amplio sillón para el patrón y de todas las pantallas y equipos necesarios para

el manejo de la embarcación. Este puesto presenta mayor comodidad durante la navegación y

una habitabilidad superior en comparación al puesto de gobierno del flybridge, necesarias en las

navegaciones con mal tiempo.

A babor del mismo, se sitúan las escaleras que permiten descender a la cubierta inferior.

Finalmente, a babor de la cocina y del puesto de gobierno, se halla un sofá en forma de L con una

mesa central. Permitiendo el descanso y las comidas en el interior en caso de condiciones

adversas de tiempo. Además, el sofá y la mesa podrán convertirse en una cama doble,

satisfaciendo la exigencia de los clientes de capacidad de pernocta para 6 personas. Para llevarlo

a cabo se tendrá que bajar la altura de la mesa, mediante una rosca, y se fijarán los respaldos del

sofá sobre la misma mediante un sistema a medida.


103

5.3. Objetivos alcanzados

Con la disposición general propuesta se consigue una embarcación cómoda y funcional, que suele

ser uno de los principales requisitos deseados por el cliente. Se dispone de grandes espacios de

estiba, importantes para un mayor disfrute en la vida a bordo. Además de un amplio baño y

cocina que proporcionan gran comodidad en el día a día en la embarcación.

Respecto a la capacidad de pernocta para 6 personas, se puede garantizar perfectamente. Podrán

dormir 4 personas en camarotes y 2 personas en el sofá-cama del salón o, en caso de que lo

deseen, en los sofás exteriores durante las noches de verano.

Por lo tanto, es un diseño hecho a medida para un cliente que quiera presumir de tener una

embarcación bonita, moderna, práctica y muy cómoda. Hay que destacar que la decisión de los

acabados y los materiales de los suelos y mobiliario corresponde al cliente, por lo que no se va a

detallar en el presente punto del proyecto.

Previamente a la realización de este capítulo se diseñó la embarcación en 3D con el programa

“Rhinoceros”. Teniendo en consideración todos los aspectos estéticos y funcionales mencionados

anteriormente, la embarcación obtenida es la siguiente:

Figura 77. Renderizado de la embarcación a proyectar. Fuente: Propia

En el Anexo 4 se adjuntan tanto los planos de distribución de las diferentes cubiertas de la

embarcación como las vistas exteriores de la misma.


104

Diseño estructural y escantillonado

105

Capítulo 6. Diseño estructural y

escantillonado

El presente capítulo se centrará en el estudio y diseño estructural del casco de la embarcación a

proyectar. Se definirán tanto los materiales a utilizar, como la disposición estructural, las cargas

soportadas y los espesores de los paneles y refuerzos.

La norma a seguir para su realización es la UNE-EN ISO 12215, la cual regula la construcción de

cascos y escantillones de embarcaciones de una eslora de casco comprendida entre 2,5 m y 24 m,

siempre que no superen una velocidad máxima de 50 nudos.

6.1. Disposición estructural

Según la norma, la disposición estructural típica de una embarcación de polímeros reforzados con

fibra (FRP), como es el caso de la embarcación a proyectar, consiste en reforzar el forro del casco

con refuerzos secundarios longitudinales. Soportados por refuerzos principales transversales,

tales como bulárcamas, mamparos y varengas profundas.

Figura 78. Embarcación con estructura longitudinal. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5:2008


106

Para la realización del escantillonado, la norma UNE-EN ISO 12215-5 subdivide la estructura de la

embarcación en diferentes zonas.

Figura 79. Definición de las zonas de la estructura de la embarcación. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5:2008

Siendo:

1. Zona 1. Fondo.

2. Zona 2. Costado.

3. Zona 3. Cubierta.

4. Zona 4. Superestructura.

5. Zona 5. Parte superior de la superestructura.

En este caso, se estudian solamente las zonas de fondo y costado.

6.1.1. Refuerzos longitudinales

Los principales refuerzos longitudinales son las vagras y los palmejares. Los primeros,

generalmente, soportan otros elementos de refuerzo tales como varengas transversales de fondo,

cuadernas y baos. Mientras que los palmejares soportan directamente las chapas del casco.

En el caso del presente proyecto, se decide disponer de cuatro refuerzos longitudinales en la zona

del fondo de la embarcación., también llamados vagras. Debido a la obligación impuesta por el

fabricante del motor sobre la disposición de los refuerzos en la zona donde la unidad IPS atraviesa

el casco, se decide aprovecharla y se disponen longitudinalmente por el fondo.

En los costados de la embarcación se añade un palmejar que recorre la embarcación

longitudinalmente. Éste se coloca a la mitad de los costados, permitiendo así soportar las chapas

de costado.


107

Se debe tener en cuenta que la disposición de los refuerzos es simétrica respecto al plano de

crujía. Por este motivo, sólo se va a proceder al cálculo de las chapas y los refuerzos para una

mitad de la embarcación, siendo idéntica la otra mitad.

Se adjunta una figura con la distribución de los refuerzos longitudinales en el Anexo 5.

6.1.2. Refuerzos transversales

En cuanto a refuerzos transversales, se diferencia entre cuadernas, baos, bulárcamas y varengas.

La primera de ellas tiene la función de soportar las chapas del casco, igual que los baos para las

chapas de cubierta. Las bulárcamas, consideradas como un refuerzo principal, soportan los

palmejares y las vagras menos importantes de la embarcación. Y finalmente, las varengas son

utilizadas para unir las cuadernas.

La embarcación a proyectar se refuerza transversalmente mediante 5 mamparos y 6 cuadernas.

El primer mamparo, empezando desde proa, corresponde al mamparo de colisión. El cual es

completamente estanco y tiene la función de evitar la entrada de agua en el resto de

compartimentos de la embarcación en caso de colisión frontal. Los otros dos mamparos estancos

son el del espejo de popa y el que separa el compartimento del motor con el resto de la

embarcación. Entre estos dos mamparos estancos, dentro del compartimento del motor, se

dispone de otros cuatro refuerzos transversales, dos de los cuales son exigidos para la instalación

de la unidad IPS que atraviesa el casco. Y los otros dos se disponen de forma que refuercen la

estructura en los puntos de apoyo de los motores de combustión principales.

Finalmente, se dispone de un mamparo para separar la zona donde se ubican las baterías del

resto de la embarcación. Y de otro que separa el camarote principal, el cual tiene una apertura

para poder acceder a su interior. Entre ambos mamparos y a proa del segundo, se añaden otros

dos refuerzos transversales debido a la separación excesiva entre ellos.

Figura 80. Disposición de los refuerzos transversales. Fuente: Propia

Se adjunta una figura con la distribución de los refuerzos transversales en el Anexo 5.


108

6.1.3. Paneles

El casco de la embarcación se divide en paneles, que serán utilizados para calcular el espesor

mínimo del forro y para obtener el módulo con el que realizar el cálculo de las dimensiones de los

refuerzos. Tanto los refuerzos longitudinales como los transversales determinarán los paneles a

analizar.

A continuación, se muestran los diferentes paneles que forman la estructura del casco de la

embarcación, en azul claro los de costado y en azul oscuro los de fondo. Además, las líneas rojas

representan los refuerzos transversales y las verdes los refuerzos longitudinales:

Figura 81. Paneles de costado, en azul claro, y paneles de fondo, en azul oscuro, de la embarcación. Fuente:

Propia

Para identificar los paneles durante la realización del escantillonado, se numeran con una “F” los

de fondo y con una “C” los de costado. Respecto a los de fondo, la numeración asciende desde

crujía hasta el costado y desde proa a popa. Sin embargo, para los de costado, asciende desde la

línea de flotación hasta la línea de la cubierta, también de proa a popa.

La obtención de las dimensiones de cada uno de ellos viene definida por su disposición entre los

refuerzos, siendo l la dimensión mayor del panel entre dos refuerzos consecutivos y b la

dimensión menor. Además, en la siguiente figura también se muestran otras dos dimensiones

que se utilizarán para el dimensionamiento de los refuerzos.


109

Figura 82. Dimensiones de los paneles y refuerzos. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5

Donde la s es la separación entre los ejes de los refuerzos y lu es la mayor dimensión de un panel

entre dos refuerzos adyacentes. En el caso de los refuerzos curvos, cu es el abombamiento o

curvatura del panel o del refuerzo.

Figura 83. Dimensiones de los refuerzos con abombamiento. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5

6.2. Escantillonado

Para el cálculo de los espesores mínimos de los diferentes paneles en los que se divide la

estructura de la embarcación, se sigue la norma UNE-EN ISO 12215-5:2008, que trata sobre las

presiones y tensiones de diseño y la determinación del escantillón.

Las presiones de diseño se calculan para las distintas zonas y elementos de la estructura en

función del régimen de navegación de la embarcación. Estas presiones se ajustan, mediante

factores de reducción, en función de aspectos como la categoría de diseño y la ubicación relativa

dentro de la embarcación.


110

Según la norma, dependiendo del valor de la relación entre la velocidad máxima y la raíz cuadrada

de la eslora de flotación de la embarcación, se trata de una embarcación de desplazamiento o

planeadora.

Embarcación de desplazamiento: 𝑉

√𝐿𝑊𝐿

< 5 ( 34 )

Embarcación planeadora: 𝑉

√𝐿𝑊𝐿

≥ 5 ( 35 )

25

√9,63= 8,06

( 36 )

Por lo tanto, la embarcación proyectada será del tipo planeadora y se le considerará como tal en

los cálculos del escantillonado. Se tiene que prestar especial atención a lo establecido en la

norma. La cual indica que para las embarcaciones planeadoras a motor de las categorías de

diseño A y B, se analizarán los paneles de costado tanto en la forma planeadora como en la de

desplazamiento, y se utilizará el peor de los casos. En este caso, al tratarse de una embarcación

con categoría de diseño B, se tendrá en cuenta esta consideración.

A partir de la norma UNE-EN ISO 12215-5:2008, una vez obtenidos los espesores mínimos de los

paneles, junto con las presiones de diseño y los factores de ajuste, se procede a dimensionar los

refuerzos de la estructura.

6.2.1. Datos de la embarcación

Para la realización de los cálculos se necesitan las siguientes dimensiones y datos referentes a la

embarcación. Todos ellos medidos de acuerdo a la norma UNE-EN ISO 8666.

• mLDC: desplazamiento, expresado en kilogramos.

• LH: eslora del casco, en metros.

• LWL: eslora en la flotación, en metros.

• BC: manga en el pantoque, medida a 0,4LWL a proa de su extremo de popa, en metros.

• β0,4: es el semiángulo del diedro del fondo a 0,4LWL a proa de su extremo de popa, en

grados. No debe ser ni inferior a 10° ni superior a 30°.

• V: es la velocidad máxima en aguas tranquilas, en nudos. Esta velocidad no debe ser

inferior a 2,36√𝐿𝑊𝐿.

• Categoría de diseño de la embarcación.


111

Se obtienen los siguientes resultados, estando todos dentro de los rangos exigidos por la norma:

Parámetro Valor/Dato

mLDC 15710 kg

LH 10,87 m

LWL 9,63 m

BC 3,11 m

β0,4 14,64 °

V 25 kn

Categoría de diseño B

Tabla 19. Dimensiones y datos de la embarcación utilizados para el cálculo del escantillonado. Fuente:

Propia

6.2.2. Factores de ajuste de la presión

Previamente al cálculo de las presiones de diseño, se deben definir los factores de ajuste de dicha

presión. Éstos permiten ajustar la presión final de diseño en función de la categoría de diseño,

tipo de embarcación, la ubicación relativa del panel, etc. Tal y como define la norma UNE-EN ISO

12215-5:2008, determina el valor de los siguientes.

Factor de categoría de diseño kDC

Este factor tiene en cuenta la variación de las cargas de presión debidas a la mar con la categoría

de diseño. Como se indica en las especificaciones iniciales, la embarcación tendrá una categoría

de diseño B. Por lo que, en este caso, el kDC tendrá un valor de 0,8.

Tabla 20. Valores de kDC según la categoría de diseño. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5:2008

Factor de carga dinámica nCG para las embarcaciones planeadoras a motor

Para la obtención de este factor, la norma diferencia entre embarcaciones planeadoras a motor y

veleros y embarcaciones a motor en la modalidad de desplazamiento. En este caso, se utiliza la

primera, que es la que se adapta a la embarcación objeto.

Este factor corresponde a la aceleración negativa que soporta la embarcación al chocar contra

una ola a gran velocidad o al caer desde la cresta de una ola hasta su sima. El valor del factor de


112

carga dinámica para las embarcaciones planeadoras a motor se obtiene mediante la siguiente

ecuación:

𝑛𝐶𝐺 = 0,32 (𝐿𝑊𝐿

10 × 𝐵𝐶

+ 0,084) × (50 − 𝛽0,4) ×𝑉2 × 𝐵𝐶

2

𝑚𝐿𝐷𝐶

( 37 )

Si la ecuación anterior da un valor de nCG menor o igual a 3, se utiliza dicho resultado. Pero en

caso de que sea superior a 3, se debe utilizar el valor dado por la siguiente ecuación:

𝑛𝐶𝐺 =0,5 × 𝑉

𝑚𝐿𝐷𝐶0,17

( 38 )

En cualquier caso, no se debe tomar un valor de nCG superior a 7.

Tras la realización del cálculo de la primera ecuación, se obtiene un valor de nCG igual a 1,71. Por

lo tanto, es el que se tomará, omitiendo la segunda ecuación.

Factor longitudinal de distribución de presión kL

Éste tiene en cuenta la variación de las cargas de presión debidas a la situación en la embarcación.

Se debe calcular mediante las ecuaciones:

𝑘𝐿 =1 − 0,167 × 𝑛𝐶𝐺

0,6∙

𝑥

𝐿𝑊𝐿

+ 0,167 × 𝑛𝐶𝐺 pero sin ser >1 para 𝑥

𝐿𝑊𝐿≤ 0,6 ( 39 )

𝑘𝐿 = 1 para 𝑥

𝐿𝑊𝐿> 0,6 ( 40 )

Donde x es la posición longitudinal del centro del panel o del punto medio de refuerzo analizado a

proa y popa de LWL. Por lo que 𝑥

𝐿𝑊𝐿 es su posición proporcional a la eslora de la flotación, donde

dicha relación es igual a 0 en proa y a 1 en popa de LWL.

Este factor, a diferencia de los anteriores, será propio de cada panel y refuerzo. Se adjuntan

calculados para cada panel y cada refuerzo en el Anexo 5.

Factor de reducción de presión según la superficie kAR

Este factor tiene en cuenta la variación de las cargas de presión según el tamaño del panel o

refuerzo.

𝑘𝐴𝑅 =𝑘𝑅 × 0,1 × 𝑚𝐿𝐷𝐶

0,15

𝐴𝐷0,3 ( 41 )

Donde:


113

• kR es el factor estructural del elemento y tipo de embarcación. Para las embarcaciones

planeadoras a motor, que funcionen en la modalidad de planeadora, como es el caso, se

toma un valor de kR = 1.

• AD es el área de diseño, en metro cuadrados, de las chapas y los refuerzos.

El valor máximo de kAR es de 1 y el valor mínimo viene especificado en la siguiente tabla

dependiendo de varios factores.

Tabla 21. Valores mínimos de kAR. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5

En este caso, al considerar los paneles de una sola capa y refuerzos de fondo y costados, y tener

una categoría de diseño B, el valor mínimo del factor de reducción de presión según la superficie

es de 0,25.

Al igual que el factor kL, éste es propio de cada panel y cada refuerzo. Se adjuntan los valores de

kAR para cada uno de ellos en el Anexo 5. Se verifica que todos superan el valor mínimo exigido y

que se encuentran por debajo del valor máximo de 1.

Factor de reducción de presión kZ en el costado

El factor kZ interpola la presión del costado entre la presión de los fondos en la flotación y la

presión de la cubierta en su borde superior. Se calcula mediante la siguiente ecuación:

𝑘𝑍 =𝑍 − ℎ

𝑍 ( 42 )

Donde:

• Z es la altura de la parte superior del casco o del límite casco/cubierta por encima de la

línea de flotación, en metros.


114

• h es la altura del centro del panel o del punto medio del refuerzo por encima de la

flotación, en metros.

Este factor también es propio de cada panel y cada refuerzo, y sólo se aplicará a aquellos que se

encuentren por encima de la línea de flotación, es decir, los de costado. Los valores calculados se

muestran en el Anexo 5.

6.2.3. Presiones de diseño

Una vez obtenidos todos los factores de ajuste de presión, se procede al cálculo de las presiones

de diseño de la estructura de la embarcación. Para ello, se siguen las especificaciones de la norma

UNE-EN ISO 12215-5: 2008, concretamente el Apartado 8 de la misma.

La presión de diseño en los fondos de la embarcación dependerá de la modalidad en la que

navegue, PBMD para el caso de desplazamiento y PBMP para el caso de planeo. Se seleccionará la de

mayor valor, ya que, con mar gruesa, las embarcaciones que normalmente planean con mar llana

deben avanzar a una velocidad más lenta, de la misma forma que una embarcación de

desplazamiento.

La presión de diseño en los costados, en el caso de las embarcaciones de categoría de diseño A y

B, también será la de mayor valor entre la correspondiente a la modalidad de desplazamiento

PSMD y a la de planeo PSMP.

Presión en los fondos para embarcaciones a motor en la modalidad de desplazamiento PBMD

Se calcula mediante las siguientes ecuaciones, escogiendo la de mayor valor:

𝑃𝐵𝑀𝐷 = 𝑃𝐵𝑀𝐷 𝐵𝐴𝑆𝐸 × 𝑘𝐴𝑅 × 𝑘𝐷𝐶 × 𝑘𝐿 ( 43 )

𝑃𝐵𝑀 𝑀Í𝑁. = 0,45 ∙ 𝑚𝐿𝐷𝐶0,33 + (0,9 × 𝐿𝑊𝐿 × 𝑘𝐷𝐶) ( 44 )

Donde

𝑃𝐵𝑀𝐷 𝐵𝐴𝑆𝐸 = 2,4 ∙ 𝑚𝐿𝐷𝐶0,33 + 20 ( 45 )

Presión en los fondos para embarcaciones a motor en la modalidad planeadora PBMP

Es la de mayor valor de:

𝑃𝐵𝑀𝑃 = 𝑃𝐵𝑀𝑃 𝐵𝐴𝑆𝐸 × 𝑘𝐴𝑅 × 𝑘𝐿 ( 46 )

𝑃𝐵𝑀 𝑀Í𝑁. = 0,45 ∙ 𝑚𝐿𝐷𝐶0,33 + (0,9 × 𝑘𝑊𝐿 × 𝑘𝐷𝐶) ( 47 )


115

Donde

𝑃𝐵𝑀𝑃 𝐵𝐴𝑆𝐸 =0,1 ∙ 𝑚𝐿𝐷𝐶

𝐿𝑊𝐿 × 𝐵𝐶

× (1 + 𝑘𝐷𝐶0,5 × 𝑛𝐶𝐺) ( 48 )

Como se ha mencionado anteriormente, la presión de diseño en los fondos de la embarcación es

la de mayor valor entre la PBMD y la PBMP. Por lo tanto, se procede al cálculo de las presiones en los

fondos, para ambas modalidades, de todos los paneles y refuerzos ubicados en el fondo de la

embarcación, y se escoge la de mayor valor. La presión de diseño obtenida para los paneles y

refuerzos de fondo corresponde en todos los casos a la referente a la modalidad de planeo PBMP,

superando en todos los casos la PBM MÍN..

El valor máximo de la presión en el fondo de la embarcación es de 91,73 kN/m2, correspondiente

al panel 21. Se adjuntan los cálculos en el Anexo 5.

Presión en el costado para las embarcaciones a motor en la modalidad de desplazamiento PSMD

Viene determinada por el mayor valor de:

𝑃𝑆𝑀𝐷 = [𝑃𝐷𝑀 𝐵𝐴𝑆𝐸 + 𝑘𝑍 × (𝑃𝐵𝑀𝐷 𝐵𝐴𝑆𝐸 − 𝑃𝐷𝑀 𝐵𝐴𝑆𝐸)] × 𝑘𝐴𝑅 × 𝑘𝐷𝐶 × 𝑘𝐿 ( 49 )

𝑃𝑆𝑀 𝑀Í𝑁. = 0,9 ∙ 𝐿𝑊𝐿 × 𝑘𝐷𝐶 ( 50 )

Presión en el costado para las embarcaciones a motor en la modalidad planeadora PSMP

Es la de mayor valor de:

𝑃𝑆𝑀𝑃 = [𝑃𝐷𝑀 𝐵𝐴𝑆𝐸 + 𝑘𝑍 × (0,25 × 𝑃𝐵𝑀𝑃 𝐵𝐴𝑆𝐸 − 𝑃𝐷𝑀 𝐵𝐴𝑆𝐸)] × 𝑘𝐴𝑅 × 𝑘𝐷𝐶 × 𝑘𝐿 ( 51 )

𝑃𝑆𝑀 𝑀Í𝑁. = 0,9 ∙ 𝐿𝑊𝐿 × 𝑘𝐷𝐶 ( 52 )

Ambas presiones de costado también se calculan para cada panel y refuerzo de costado.

Escogiendo la de mayor valor entre las de las diferentes modalidades de navegación. En este

caso, todas las presiones de costado de los paneles y refuerzos corresponden a las referentes a la

modalidad de desplazamiento PSMD, superando en todos los casos la PSM MÍN..

El valor máximo de la presión en el costado de la embarcación es de 26,09 kN/m2,

correspondiente al panel 4. Se adjuntan los cálculos en el Anexo 5.


116

6.2.4. Obtención del valor del espesor mínimo requerido para los paneles

El Apartado 10 de la norma UNE-EN ISO 12215-5:2008 especifica las ecuaciones y procedimientos

a realizar para la obtención de los espesores mínimos de los paneles que componen el forro de la

embarcación. Previamente a esto, se debe considerar el tipo de laminado que se va a realizar,

que en este caso será un laminado de FRP de una sola capa.

A continuación, se procede a la determinación de los diferentes factores y tensiones de diseño,

propios de cada panel, necesarios para el cálculo del espesor mínimo.

Factor de alargamiento del panel por resistencia a la flexión k2

Este factor se obtiene de la siguiente tabla:

Tabla 22. Determinación del factor de alargamiento del panel por resistencia a la flexión. Fuente: UNE-EN

ISO 12215-5

Donde l es la dimensión mayor del panel entre dos refuerzos consecutivos y b es la dimensión

menor.

Factor de corrección de la curvatura de los paneles kC

El valor de kC se extrae de la siguiente tabla, donde c es el abombamiento del panel.


117

Tabla 23. Factor de corrección de curvatura kC. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5

Figura 84. Medición del abombamiento del panel. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5

Tensión de diseño para las chapas de costado de FRP de una sola capa

La norma específica el valor de la tensión de diseño σd para las chapas de este material.

Tabla 24. Tensiones de diseño para las chapas de costado de FRP de una sola capa. Fuente: UNE-EN ISO

12215-5

En donde la resistencia mínima a la flexión σuf se debe determinar a partir de las propiedades

mecánicas del laminado de FRP de acuerdo con el anexo C de la misma norma.

Para ello, primero se define el método para determinar el nivel de evaluación de las propiedades

mecánicas.


118

Tabla 25. Método de determinación del nivel de evaluación de las propiedades mecánicas. Fuente: UNE-EN

ISO 12215-5

Al no poder realizar mediciones explícitas ni del contenido de fibra ni de las propiedades

mecánicas del material, se opta por el método de evaluación de nivel “EL-c”.

El siguiente paso es elegir el tipo de laminado FRP de una sola capa a utilizar y la tipología de

moldeado. En el presente estudio se opta por un laminado con combinación de roving-mat

mediante un moldeado abierto. Esta elección presenta un contenido nominal de fibra en masa Ψ

que viene definido en la siguiente tabla.

Tabla 26. Contenido nominal de fibra en masa. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5

Para calcularlo, se debe resolver la ecuación:

𝛹 = 0,46 − 0,18 ∙ 𝑅 ( 53 )

Donde R representa la masa total del mat entre la masa total del vidrio en el laminado roving-

mat.

Para una primera estimación se considera la siguiente secuencia de laminado para los paneles de

costado y fondo de la embarcación. Pudiendo optimizarse posteriormente para conseguir

espesores y masa de fibra inferiores.


119

Capas Ψ w (kg/m2)

Gel coat -- --

2x MAT 225 0,30 0,45

4x MAT 300 0,30 1,20

4x Rov-MAT 500/300 0,39 3,20

4x Rov 800 0,48 3,20

Total 0,35 8,05

Tabla 27. Secuencia de laminado propuesta para el fondo. Fuente: Propia

Capas Ψ w (kg/m2)

Gel coat -- --

2x MAT 225 0,30 0,45

2x MAT 300 0,30 0,60

3x Rov-MAT 500/300 0,39 2,40

2x Rov 800 0,48 1,60

Total 0,37 5,05

Tabla 28. Secuencia de laminado propuesta para el costado. Fuente: Propia

A partir de la fórmula siguiente se puede obtener el espesor de la secuencia de laminado

propuesta:

𝑡 =𝑤

3,07∙ (

2,56

𝛹− 1,36) ( 54 )

Consiguiendo un espesor de 15,50 mm en el fondo y de 9,24 mm en el costado mediante estas

secuencias de laminado.

Una vez determinado el tipo de laminado, se procede a la estimación de las propiedades

mecánicas del mismo a partir de la tabla C.4 de la norma.

Tabla 29. Propiedades mecánicas del laminado de fibra de vidrio E. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5


120

De esta tabla se consiguen las ecuaciones para calcular la resistencia de rotura por flexión σuf del

laminado a considerar, mediante su contenido nominal de fibra en masa Ψ. Multiplicando el valor

obtenido por 0,5 se determina la tensión de diseño σd para las chapas de la embarcación.

Para un Ψ de 0,35, el valor de la resistencia de rotura por flexión σuf tiene un valor de 169,16

N/mm2, que al multiplicarla por 0,5 se obtiene una tensión de diseño de los paneles de fondo de

σd de 84,58 N/mm2.

En cuanto a los paneles de costado, la resistencia de rotura por flexión σuf tiene un valor de 174,56

N/mm2 y la tensión de diseño σd de 87,28 N/mm2.

Espesor mínimo requerido

Según la norma UNE-EN ISO 12215-5:2008, el espesor mínimo requerido para las chapas de

costado de FRP de una sola capa viene determinado por la siguiente ecuación:

𝑡 = 𝑏 × 𝑘𝐶 × √𝑃 × 𝑘2

1000 × 𝜎𝑑

𝑚𝑚 ( 55 )

Donde:

• t es el espesor mínimo, en milímetros.

• kC es el factor de corrección de curvatura de los paneles.

• P es la presión de diseño, en kN/m2.

• k2 es el factor de alargamiento del panel por resistencia a la flexión.

• σd es la tensión de diseño de las chapas de FRP, calculada anteriormente, en N/mm2.

Espesor mínimo requerido para los paneles de fondo y costado

Se calculan los espesores mínimos requeridos para todos los paneles que forman el fondo y el

costado de la embarcación, teniendo en cuenta todos los factores definidos anteriormente.

Además, se tiene que determinar la masa mínima de fibra seca para el laminado de FRP, que

viene definido por la siguiente ecuación:

𝑤𝑀Í𝑁. = 0,43 × 𝑘5 × (𝐴 + 𝑘7 × 𝑉 + 𝑘8 × 𝑚𝐿𝐷𝐶0,33) ( 56 )

Donde A, k5, k7 y k8 son factores de espesor mínimo y están definidos en esta tabla:


121

Tabla 30. Factores de espesor mínimo. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5

Para comprobar el cumplimiento de la norma UNE-EN ISO 12215-5 respecto al escantillonado de

los paneles de fondo y costado de la embarcación, se debe verificar que el espesor y la masa

mínima de fibra seca de las secuencias de laminado, propuestas para estas zonas, superan el

mínimo requerido por la norma.

Panel tmín. (mm) wmín. (kg/m2) tlaminado (mm) wlaminado (kg/m2) ¿CUMPLE?

12 - FONDO 14,23 2,53 15,50 8,05 SÍ

3 - COSTADO 8,36 2,21 9,24 5,05 SÍ

Tabla 31. Verificación cumplimiento de la secuencia de laminado propuesta con lo exigido por la norma

UNE-EN ISO 12215-5. Fuente: Propia

Como se puede observar, el espesor de la secuencia de laminado propuesta es mayor que el

mínimo exigido por la norma. Cumpliendo también con la masa mínima de fibra seca requerida.

6.2.5. Requisitos de los elementos de refuerzo

Para la realización del escantillonado de los refuerzos de la embarcación también se sigue la

norma UNE-EN ISO 12215-5, concretamente el Apartado 11. La rigidez relativa de los elementos

de refuerzo principales y secundarios debe ser tal que las cargas se transmitan efectivamente de

los secundarios a los primarios, y de ahí al casco y los mamparos.

A parte de los factores de ajuste explicados anteriormente, también se deben considerar dos

factores de ajuste de las propiedades de los refuerzos. Los cuales son propios de cada refuerzo y

se pueden consultar sus valores en el Anexo 5.


122

Factor de ajuste por curvatura de los refuerzos kCS

Éste se debe tomar de la tabla siguiente:

Tabla 32. Valores del factor de ajuste por curvatura de los refuerzos kCS. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5

Factor de superficie de cizalla de un refuerzo kSA

Su valor se halla de la siguiente tabla:

Tabla 33. Valores del factor de superficie de cizalla de un refuerzo kSA. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5

Tensiones de diseño de los refuerzos

Tanto la tensión de diseño en tracción y compresión σd como la tensión de diseño a la cizalla τd

para los laminados de PRF se especifican en esta tabla:

Tabla 34. Tensiones de diseño de los refuerzos. Fuente: UNE-EN ISO 12215-5


123

La tensión de diseño en tracción y compresión σd es igual a 0,5 σut y 0,5 σuc, respectivamente.

Mientras que la tensión de diseño a la cizalla τd es 0,5 τu. Todas estas tensiones se calculan

mediante la Tabla 29, la cual proporciona las siguientes expresiones:

𝜎𝑢𝑡 = 800 ∙ 𝛹2 − 80 ∙ 𝛹 + 37 en N/mm2 ( 57 )

𝜎𝑢𝑐 = 150 ∙ 𝛹 + 72 en N/mm2 ( 58 )

𝜏𝑢 = 80 ∙ 𝛹 + 38 en N/mm2 ( 59 )

Requisitos para los refuerzos

Una vez obtenidos los valores de las tensiones de diseño y de los factores de ajuste y superficie de

los refuerzos, los cuales se pueden consultar en el Anexo 5, se procede a la determinación de los

requisitos para los refuerzos.

La superficie del alma AW y el módulo de inercia mínimo SM del refuerzo, incluyendo la chapa del

costado asociada efectiva no deben ser inferiores a los valores que se dan en las ecuaciones

siguientes:

𝐴𝑊 =𝑘𝑆𝐴 × 𝑃 × 𝑠 × 𝑙𝑢

𝜏𝑑

∙ 10−6 ( 60 )

𝑆𝑀 =83,33 × 𝑘𝐶𝑆 × 𝑃 × 𝑠 × 𝑙𝑢

2

𝜎𝑑

∙ 10−9 ( 61 )

Donde:

• kCS es el factor de curvatura del refuerzo.

• kSA es el factor de superficie de cizalla del refuerzo.

• P es la presión de diseño del panel, en kN/m2.

• s es la separación entre refuerzos, en milímetros.

• lu es la longitud del refuerzo, en milímetros.

• σd es la tensión de diseño del refuerzo, en N/mm2.

• AW es la superficie de cizalla, en cm2.

• τd es la tensión de diseño de cizalla del alma del refuerzo, en N/mm2.

Para los refuerzos de FRP, el segundo momento de área, incluyendo la chapa efectiva asociada, no

debe ser inferior al dado por la siguiente fórmula en la ecuación:

𝐼 =26 × 𝑘𝐶𝑆

1,5 × 𝑃 × 𝑠 × 𝑙𝑢3

𝑘1𝑆 × 𝐸𝑡𝑐

∙ 10−11 ( 62 )

Donde:


124

• Etc es la media de los módulos de elasticidad en tracción/compresión del material, en

N/mm2.

• k1S = 0,05 es el factor de deflexión para los refuerzos.

Los resultados obtenidos de todos los cálculos se encuentran adjuntos en el Anexo 5 para poder

ser consultados. En este caso, los valores máximos sobre los requisitos mínimos para los

diferentes refuerzos son los siguientes:

Refuerzo AW (cm2) SM (cm3) I (cm4)

Varengas 21,96 307,22 240,61

Longitudinales fondos 8,69 726,32 2533,96

Cuadernas 6,17 106,03 81,18

Palmejar 8,07 327,47 1264,42

Selección de los refuerzos

Básicamente existen tres tipos de refuerzos comerciales: los de sobrero de copa achatados, los

sombreros de copa cuadrados y los sombreros de copa altos. Sus propiedades mecánicas y

geométricas vienen definidas en el Anexo G de la norma UNE-EN ISO 12215-5.

Para su elección se tendrán en cuenta los valores mínimos calculados de la superficie del alma AW,

el módulo de inercia mínimo SM del refuerzo y el segundo momento de área I. En caso de que se

pueda seleccionar cualquiera de los tres tipos, se priorizarán los de menor tamaño.

Los refuerzos propuestos para las varengas, las vagras, las cuadernas y los palmejares son los

siguientes:

Refuerzo Tipo refuerzo AW (cm2) SM (cm3) I (cm4)

Varengas S.C. “Alto” 200x75x75x15 33,60 322,1 5 296

Longitudinales fondo S.C. “Alto” 300x100x100x10 71,5 792,2 14 779

Cuadernas S.C. “Cuadrado” 125x125x105x10 12,3 111,7 1 169

Palmejar S.C. “Alto” 200x100x100x10 33,6 330,5 4 626

Espesores mínimos mamparos

En el caso de lo mamparos, según indica la norma UNE-EN ISO 12215-5:2008, se deben diferenciar

entre estancos, de tanques estructurales, de balance, de colisión y estructurales pero no estancos.

La embarcación analizada tendrá un mamparo de colisión en proa, uno estanco en popa y otro en


125

proa del compartimento del motor, y otros dos estructurales pero no estancos. Aunque estos

últimos también se dimensionarán siendo considerados como estancos, obteniendo así valores

superiores de los espesores mínimos requeridos.

Las presiones de diseño de los mamparos estancos PWB se calculan mediante la siguiente

expresión:

𝑃𝑊𝐵 = 7 ∙ ℎ𝐵 ( 63 )

Mientras que las presiones diseño del mamparo de colisión PTB se obtienen a partir de la siguiente

ecuación:

𝑃𝑇𝐵 = 10 ∙ ℎ𝐵 ( 64 )

Donde hB es la altura de carga de agua, en metros, medido desde la parte superior del mamparo a

un punto a 2/3 de la altura total del mamparo.

Una vez obtenidas las presiones de diseño de cada mamparo, se procede al cálculo del espesor

mínimo requerido por la norma UNE-EN ISO 12215-5. Se opta por hacer una primera estimación

considerando la misma secuencia de laminado que para los paneles de fondo. El mamparo con

mayor valor de espesor mínimo requerido es el que divide el camarote principal del resto de

zonas, que debe ser de mínimo 15,49 mm.

La secuencia de laminado propuesta sería válida con un margen muy ajustado, sirviendo para una

primera estimación, pero los mamparos suelen sobredimensionarse para evitar posibles

problemas que comprometan la estructura del barco o el avance del proyecto en futuras fases.

Los mamparos también se podrían hacer en estructura tipo sándwich, pero para ello se debería

analizar detalladamente, por lo que no se va a llevar a cabo en el presente estudio.

Los resultados se adjuntan en el Anexo 5, donde se muestran tanto las presiones de diseño de

cada uno de los mamparos como sus espesores mínimos requeridos.

Estimaciones de los espesores mínimos y refuerzos obtenidas

Los resultados obtenidos en el presente capítulo corresponden a una primera estimación según

los requisitos de la norma UNE-EN ISO 12215-5.

El proceso de escantillonado de una embarcación es mucho más complejo que el tratado en el

presente proyecto, habiendo gran cantidad de zonas y consideraciones a tener en cuenta para su

realización.

En este proyecto se ha procedido a determinar los espesores mínimos, requeridos por la norma,

de los paneles de los costados y fondo de la embarcación de forma básica. Comprobando el

cumplimiento de la secuencia de laminado propuesta con el resultado obtenido.


126

Además, se han definido los requisitos de los elementos de refuerzo exigidos por la norma para

posteriormente llevar a cabo un primer dimensionamiento de los mismos. Pero únicamente se

han analizado los refuerzos de la estructura longitudinal que forma la embarcación, como la

propuesta en la norma UNE-EN ISO 12215-6, sin considerar otros elementos a reforzar tales como

la quilla o la roda.

Viabilidad económica

127

Capítulo 7. Viabilidad económica

En el presente capítulo se analizará la viabilidad económica y rentabilidad del sistema de

propulsión híbrido frente a un sistema de propulsión convencional.

7.1. Coste del sistema propulsivo seleccionado

El coste del sistema híbrido, al añadirle una serie de elementos a la motorización diésel, será

superior respecto a un sistema propulsivo convencional de una embarcación. El presupuesto

estimado del sistema híbrido escogido en este proyecto es de:

Producto Precio (euros)

Motores Volvo Penta IPS650 516.078,00

Sistema híbrido (incl. motores eléctricos) 52.300,00

Cargadores de baterías 3.142,00

Baterías 96 V 57,6 kWh 31.540,00

TOTAL 603.060,00

Tabla 35. Presupuesto estimado del sistema de propulsión híbrido. Fuente: Propia

Los precios son meramente orientativos, ya que los fabricantes no ofrecen los precios al público,

solamente a las empresas pertenecientes al sector. En el caso del precio de los IPS se ha

conseguido de uno de los distribuidores de Volvo Penta de Holanda.

Como puede observarse, sin considerar posibles descuentos, el coste total del sistema híbrido

sería de 603.060,00 euros. Mientras que el de una motorización convencional con los Volvo

Penta IPS, sería de 516.078,00 euros aproximadamente. Con lo que la inversión inicial sería un

15% superior en el caso de instalar un sistema híbrido para propulsar la embarcación.


128

7.2. Rentabilidad económica del sistema de propulsión híbrido

Para analizar la viabilidad económica del pago de un sobrecoste inicial del 15% para disponer de

un sistema de propulsión híbrido, se debe estimar el tiempo que se tardaría en conseguir un

ahorro de combustible que permitiera rentabilizar el sistema frente uno convencional.

Se parte del ahorro de combustible calculado en la condición fijada en el presente proyecto, que

era de 53,63 litros por motor en travesías de 200 millas a 6 nudos de velocidad. Además, se tiene

en cuenta que la autonomía de la propulsión en modo eléctrico es de 2,28 horas a 6 nudos. En el

mismo tiempo y las mismas condiciones, los motores diésel consumirían aproximadamente 4 l/h,

es decir, 18,24 litros entre los dos al navegar 2,28 horas a 6 nudos.

Se estima un tiempo de navegación anual de 500 horas, de las cuales el 60% serán de largas

travesías y el 40% de tiempos inferiores a las 2,28 horas. El precio del diésel considerado es de

1,266 euros/litro, que es el precio medio del último mes.

Tipo

navegación

Horas

navegación

Ahorro

combustible

(litros)

Precio combustible

(€/l)

Ahorro anual

(euros)

Travesías 300 965,44 1,26 1.216,45

Cortas 200 1.600 1,26 2.016,01

TOTAL 500 2.565,44 1,26 3.232,46

Tabla 36. Ahorro de combustible anual. Fuente: Propia

Considerando un uso medio-elevado anual de la embarcación, se estima un ahorro anual de

combustible de 3.232,46 euros. Para pagar la diferencia del 15% inicial, respecto a una

motorización convencional, en ahorro de combustible, se estima que se necesitarían 20 años

aproximadamente.

Por lo tanto, la rentabilidad de la inversión en un sistema híbrido en ahorro de combustible se

conseguiría en unos 20 años frente a una motorización convencional. Con lo que se puede

concluir que el diseño de la embarcación es viable desde el punto de vista económico, siendo la

inversión inicial solamente un 15% superior a la de un sistema de propulsión diésel. Todo esto sin

considerar consumos mayores de combustible al navegar a elevadas velocidades, los cuales

podrían reducirse en el sistema híbrido con el modo booster; ni el costoso mantenimiento de los

motores de combustión; ni el resto de ventajas que ofrece la navegación eléctrica, como la

comodidad.

Conclusiones

129

Capítulo 8. Conclusiones

Con la realización del presente proyecto, se puede concluir que, la propulsión de una

embarcación de recreo mediante un sistema híbrido es completamente viable. El objetivo

principal del proyecto era diseñar una embarcación, poniendo en práctica los conocimientos

adquiridos y que, además, tuviera alguna tecnología innovadora y respetuosa con el medio

ambiente.

Las emisiones contaminantes a la atmósfera son una de las principales preocupaciones de la

sociedad actual. Estas emisiones de gases contaminantes proceden de la combustión de

combustibles fósiles, realizada entre otros, en los motores de combustión. Hecho que ha

provocado que la sociedad se encuentre en constante desarrollo de alternativas sostenibles para

mitigar sus efectos. Además de las restricciones, cada vez mayores, impuestas por los gobiernos

para reducirla.

En el sector del automóvil, las tecnologías híbridas y eléctricas han adquirido gran importancia en

los últimos años, hasta el punto de que cada vez es más común ver circular coches de este tipo en

el día a día. En el sector naval, estos sistemas de propulsión están menos expandidos, siendo

relativamente pocos los astilleros que instalan estas tecnologías en sus embarcaciones. Aun así,

existe algún astillero puntero en implantarlas en sus proyectos, como Green Line Yachts, que

propulsan sus embarcaciones con unos sistemas híbridos en paralelo.

Por este motivo, en el presente proyecto, se ha desarrollado un estudio y diseño sobre una

embarcación de recreo híbrida. Analizando detalladamente los elementos principales que forman

el sistema híbrido y seleccionando un modelo comercial de cada uno de ellos. Al realizar el

estudio, se concluye que el sistema híbrido en paralelo, con las unidades propulsoras de Volvo

Penta IPS, sería la mejor opción para propulsar la embarcación. En cuanto a los componentes

híbridos, se escogen los de la empresa Transfluid, una empresa consolidada en el mercado con

diferentes sistemas híbridos, tanto para el sector naval como el industrial.

Posteriormente a la selección de las baterías para el sistema híbrido, se realizó la distribución

general de la embarcación, llegando a la conclusión de que la instalación de esas baterías era

totalmente inviable debido a la falta de espacio. Por lo tanto, se realizó un replanteo del sistema

de propulsión híbrida. Primero se analizó la resistencia al avance a velocidades inferiores a los 10

nudos. Concluyendo que, con una pequeña reducción de 4 nudos en la velocidad máxima a

alcanzar, se podría optimizar la potencia requerida para los motores eléctricos, consiguiendo una


130

buena relación velocidad - potencia. Con esto, se permitió la selección de unos motores eléctricos

de menor potencia y la instalación de unas baterías de menor tensión. Éstas, con menores

dimensiones, permiten casi triplicar la autonomía de la embarcación en el modo eléctrico sólo con

reducir 4 nudos su velocidad máxima. De este modo se optimizó todo el sistema, consiguiendo

una embarcación más eficiente y a un menor coste.

Al analizar los diferentes modos de navegación que permite el sistema de propulsión híbrido, se

concluye que, para largas travesías, la recarga de baterías mediante los motores térmicos para ir

alternando los modos diésel y eléctrico, supone ahorros elevados de combustible. Por ejemplo,

para la condición de navegación de 200 millas a 6 nudos, la combinación de los modos eléctricos y

diésel, recargando baterías durante la travesía, permite un ahorro de casi el 40% de combustible

respecto a la propulsión completamente diésel. Por lo tanto, con los resultados obtenidos sobre

el sistema híbrido propuesto, se podría afirmar que la viabilidad técnica de propulsar la

embarcación con esta tecnología sería buena. En fases posteriores se podría definir su viabilidad

económica.

En el caso del estudio y diseño de la embarcación no se trata al detalle su sistema eléctrico, sino

que más bien se selecciona un sistema de propulsión que se adapte a las alternativas sostenibles

para combatir la contaminación. La parte de la embarcación más influyente sobre la propulsión

es el casco, por lo que en el proyecto se ha priorizado esta parte de la misma. La finalidad era

analizar y conducir el proyecto en las primeras etapas de la espiral de diseño, para

posteriormente realizar el resto de fases e ir iterando para mejorar los resultados obtenidos en las

fases anteriores del proyecto.

La consecución de las formas se ha analizado detalladamente con el objetivo de reducir al máximo

la resistencia al avance de la embarcación, pudiendo conseguir así mayores velocidades en el

modo eléctrico, sin necesidad de aumentar la potencia de la planta propulsora.

El análisis de la disposición estructural de la embarcación y su escantillonado se ha realizado a

partir de la norma UNE-EN ISO 12215, sobredimensionando algunos valores para asegurar el buen

comportamiento estructural de la embarcación. Pero, aun así, esta fase puede someterse a

futuras iteraciones con el objetivo, por ejemplo, de reducir el peso de los elementos

estructurales, pudiéndose analizar otras secuencias de laminado o el uso de paneles sándwich

para alguno de ellos.

En cuanto a la viabilidad económica, se debe destacar que la instalación de un sistema híbrido

solamente supone un sobrecoste inicial del 15% frente a una motorización convencional. Este

hecho permite que los futuros clientes puedan optar por esta tecnología sin tener que pagar

precios excesivos respecto las embarcaciones tradicionales propulsadas mediante motores de

combustión. Otro aspecto a considerar es el constante incremento del precio del diésel, lo que

supondría mayores ahorros anuales en cuanto a combustible en unos años.

Conclusiones

131

Con la finalización del Trabajo se abren posibles vías de mejora y optimización del proyecto.

Algunas opciones aparecerían en la reducción de pesos de los equipos y una redefinición de la

estructura y escantillonado del buque, de tal modo que, utilizando una menor cantidad de

material en su construcción, se consiguiera la misma resistencia estructural. Todo ello requeriría

de un estudio exhaustivo de los materiales utilizados y la disposición de cada uno de los

elementos. Con ello, el coste de la embarcación aumentaría considerablemente.

En conclusión, este estudio ofrece una primera visión y orientación de un proyecto de una

embarcación con propulsión híbrida. Es cuestión de tiempo que las tecnologías híbridas

aparezcan en el sector naval y sea para quedarse.


132

Conclusiones

133

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Conclusiones

137

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[68] Volvo Penta uses pilot technology in one of the UK's first hybrid crew transfer vessels. Volvo Penta. https://www.volvopenta.com/about-us/news-media/press-releases/2020/oct/volvo-penta-uses-pilot-technology-in-one-of-the-uks-first-hybrid-crew-transfer-vessels/ Consultado el 07/06/2021

[69] Motor síncrono de imán permanente (PMSM). Farnell. https://es.farnell.com/motor-control-permanent-magnet-sync-motor-pmsm-technology Consultado el 08/06/2021

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[85] Tipos de batería de coche. Grupo Sadeco. https://www.gruposadeco.com/blog/tipos-bateria-coche/ Consultado el 14/06/2021

[86] Hybrid & electric technology. Transfluid. https://www.transfluid.eu/wp-content/uploads/2020/10/brochure-electrichybrid_gb_20.09_lq.pdf Consultado el 14/06/2021

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[90] Las baterías convencionales tienen unas desventajas que las hacen inviables para el nuevo modelo energético. Kuantica Hybrid Solar Technologies. https://www.kuantica-hst.com/las-baterias-convencionales-tienen-unas-desventajas-que-las-hacen-inviables-para-el-nuevo-modelo-energetico-conocelas-para-entender-mejor-las-puertas-que-nos-aren-las-baterias-linadium-energy/ Consultado el 17/06/2021

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[93] Ventajas y desventajas de las baterías de Litio-ion (Li-Ion). Baterías de litio recargable. https://www.bateriadelitiorecargable.com/es/content/8-ventajas-y-desventajas-de-baterias-de-litio Consultado el 17/06/2021

[1] Ahadme Yahyai, Hodayfa. Estudio y diseño de una embarcación de 18,5m de eslora.

Universidad Politécnica de Cataluña (UPC), Barcelona, 2017.

[2] Albariño, R., Azpíroz, J.J y Meizoso, M. El Proyecto Básico del Buque Mercante. Colegio Oficial

de Ingenieros Navales, España, 2007.

[3] Alonso i Roig, Joan. Estimación y comparación de la resistencia al avance de embarcaciones

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[4] Arbuniés, G. y Caja, G. Proyecto de diseño preliminar de un yate de 40 metros de eslora.


[5] Bausà García, Guillem. Diseño de un yate híbrido. Universidad Politécnica de Cataluña (UPC),

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Cataluña (UPC), Barcelona, 2018.

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Conclusiones

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[7] Carreras Ruiz, Àlex. Diseño de una embarcación de 17,5 m de eslora. Universidad Politécnica

de Cataluña (UPC), Barcelona, 2019.

[8] Chinchilla Lozano, Aurora. Embarcación deportiva a motor fabricada en PRFV de 12,5 m de

eslora total y 8500 kg de desplazamiento. Universidad de Cádiz, Cádiz, 2007.

[9] Fabregas Claramunt, Ignacio. Estudio métodos de predicción de resistencia al avance.


[10] García Espinosa, Julio. Tema 2a. Diseño de formas. Apuntes asignatura impartida en la

Facultad de Náutica de Barcelona (UPC), Barcelona, 2021.

[11] García, J. y Gutiérrez, J.E. Tema 1. El proyecto del buque. Dimensionamiento básico. Apuntes

asignatura impartida en la Facultad de Náutica de Barcelona (UPC), Barcelona, 2021.

[12] Gavilanez, D. y Iza, Y. Diseño y construcción del sistema de transmisión eléctrica y suspensión

delantera del vehículo hibrido tipo Buggy 4X4 para la carrera de ingeniería Automotriz de la

Espoch. Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Ecuador, 2019.

[13] Girona Berná, Borja. Anteproyecto de una embarcación de recreo de 15 metros de eslora.

Universidad Politécnica de Cartagena, Cartagena, 2019.

[14] Jawaad, M., Abir, M. y Dutta, S. Resistance and power prediction of different ship hulls using

numerical methods. Bangladesh University of Engineering and Technology, Bangladesh, 2020.

[94] Landaluce, Alejandro. Situación y futuro de la náutica de recreo en España. Propuestas dinamizadoras. Revista Economía Industrial, España, 2009.

[14] Larsson, L. y E Eliasson, R. Principles of yacht design. Adlard Coles Nautical, Londres, 2000.

[15] Nicolau, M. y Melich, F. Diseño de una embarcación de recreo de 10,86 m de eslora.


[16] Rebassa Crespí, Maria Magdalena. Estudio y diseño de una embarcación de recreo.


[17] René Huenante Llauca, Wilibaldo. Estudio experimental de resistencia al avance en barcazas

menores. Universidad Austral de Chlile, Valdivia-Chile, 2018.

[18] Ribot Grau, Lleó de. Estudio de la implementación de la batería de grafeno en la propulsión

eléctrica de una embarcación de recreo. Universidad Politécnica de Cataluña (UPC),

Barcelona, 2020.

[19] Ros Bautista, Eduard. Diseño de una embarcación de recreo de 14 metros de eslora.


[20] Sánchez Rodríguez, Pablo. Diseño de una embarcación de 7 metros de LOA. Universidad

Politécnica de Cataluña (UPC), Barcelona, 2013.


140

[21] Torralbo Gavilán, Jordi. Tema 4: Descripción de los sistemas en las embarcaciones de recreo.

Inspección de embarcaciones de recreo. Apuntes asignatura impartida en la Facultad de

Náutica de Barcelona (UPC), Barcelona, 2021.

[22] United States Naval Academy (USNA). EN400 Principles of Ship Performance. USNA, United

States of America, 2020.

[23] Volvo Penta. Genuine Volvo Penta Propellers. Volvo Penta AB, Suecia, 2016.

[1] UNE-EN ISO 8666. Pequeñas embarcaciones. Datos principales.

[2] UNE-EN ISO 12215-5. Pequeñas embarcaciones. Construcción de cascos y escantillones. Parte

5: Presiones de diseño, tensiones de diseño y determinación del escantillón.

[3] UNE-EN ISO 12215-5. Pequeñas embarcaciones. Construcción de cascos y escantillones. Parte

6: Dispositivos estructurales y detalles de construcción.

Anexo A1. Base de datos

141

Anexo A1. Base de datos

Figura A 1. Base de datos dimensionamiento preliminar. Fuente: Propia


142

Anexo A2. Planos de formas

Anexo A2. Planos de formas

143

Anexo A3. Especificaciones técnicas propulsión híbrida

145

Anexo A3. Especificaciones técnicas

propulsión híbrida


146

A3.1. Datos y descripción técnica Volvo Penta IPS


147

Figura A 2. Especificaciones técnicas sistema propulsión Volvo Penta D6-IPS650. Fuente: Volvo Penta


148

A3.2. Motores eléctricos de imán permanente Transfluid


149

Figura A 3. Motores eléctricos síncronos de imán permanentes de Transfluid. Fuente: Transfluid


150

A3.3. Módulos de transmisión híbrida Transfluid


151


152

Figura A 4. Módulos de transmisión híbrida Transfluid. Fuente: Transfluid


153

A3.4. Baterías de fosfato de hierro y litio Transfluid


154

Figura A 5. Baterías de LiFePO4 de Transfluid. Fuente: Propia


155

A3.5. Cargador de baterías Transfluid LiFePO4

Figura A 6. Cargadores de baterías Transfluid. Fuente: Transfluid


156

A3.6. Hélices para el sistema Volvo Penta IPS


157

Figura A 7. Hélices para el sistema de propulsión IPS. Fuente: Propeller Guide Volvo Penta


158

A3.7. Cálculos consumo combustible para los diferentes modos en la condición fijada

Figura A 8. Cálculos consumo combustible para los diferentes modos. Fuente: Propia

Anexo A4. Disposición general

159


A4.1. Vistas exteriores de la embarcación


160


161

A4.2. Disposición general de la embarcación


162


163

A4.3. Renderizado de la embarcación

Figura A 9. Renderizado de la embarcación a proyectar. Fuente: Propia


164

Anexo A5. Cálculos escantillonado

A5.1. Distribución de los refuerzos

Figura A 10. Distribución de los refuerzos de la embarcación, donde las líneas rojas corresponden a los

transversales y las verdes a los longitudinales. Fuente: Propia


165

A5.2. Cálculo de los factores de ajuste de la presión

Figura A 11. Cálculos de los factores de ajuste de la presión de los paneles de fondo y costado. Fuente: Propia


166

Figura A 12. Cálculo de los factores de ajuste de la presión de los refuerzos y de los factores de reducción de presión kz en el costado. Fuente: Propia


167

A5.3. Presiones de diseño

Figura A 13. Valores obtenidos de la presión de diseño para los paneles de fondo y costado. Fuente: Propia


168

Figura A 14. Valores obtenidos de la presión de diseño para los refuerzos. Fuente: Propia


169

A5.4. Espesor mínimo requerido

Figura A 15. Cálculo del espesor mínimo requerido para los paneles de fondo y costado. Fuente: Propia


170

A5.5. Requisitos de los elementos de refuerzo

Figura A 16. Cálculos de los requisitos de los elementos de refuerzo. Fuente: Propia

A5.6. Mamparos

Figura A 17. Cálculos referentes a los mamparos de la embarcación. Fuente: Propia

estudio y diseño de una embarcación de recreo con

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