unidad i

UNIDAD 1

LECCION 1.1.

HIDRODINÁMICA, RESISTENCIA Y

PROPULSIÓN MARINA

FUNDAMENTOS DE CONSTRUCCIÓN NAVAL Y TEORÍA DEL BUQUE Escuela Politécnica Superior de Ingeniería. Sección de Náutica, Máquinas y Radioelectrónica Naval


OBJETIVO DEL CURSO

Transmitir a los alumnos los conocimientos básicos necesarios del estudio de la resistencia al avance de un buque, estudio del sistema de propulsión completo, estudiando la carena, la planta de energía y el propulsor.

Acercar al alumno a las técnicas y procedimientos de la ingeniería naval en el diseño y desarrollo de un proyecto de un sistema de propulsión.


• MÓDULO I. • INTRODUCCIÓN • MECÁNICA DE FLUIDOS

• MÓDULO II. • CARENAS. • RESISTENCIA AL AVANCE

• MÓDULO III. • PROPULSIÓN. • GOBIERNO DEL BUQUE


Hemos de estudiar el conjunto del sistema de propulsión de un buque que está compuesto de una forma interrelacionada por el propulsor (hélice, vela, propulsión a chorro, etc.), el casco (monocasco, catamarán, trimarán, etc.) y la planta de energía (motores de combustión interna, turbinas de vapor, de gas, etc.); de esta forma, podemos decir que el buque tendrá tanto más rendimiento, cuanto más eficaz sea su sistema de propulsión, esto es, la cantidad de energía necesaria para la propulsión del barco, debe ser tan pequeña como sea posible.

1.1. INTRODUCCIÓN

HIDRODINÁMICA, RESISTENCIA Y PROPULSIÓN MARINA


El sistema de propulsión será tanto más eficaz, cuánto más eficiente sea la relación entre los elementos que la componen, mejor será la propulsión.

En otras palabras, el sistema de propulsión debe combinar el ahorro de energía, con la maniobrabilidad y el buen navegar (estabilidad) del barco.


1.1. INTRODUCCIÓN


Los propulsores con los que normalmente vamos a trabajar, serán hélices, mientras que las plantas de energía pueden consistir en Calderas de Vapor y Turbinas, Turbinas de Gas ó Motores de Combustión Interna Diésel, e incluso las velas, en cuanto al casco el tipo más usado en la marina mercante es del tipo de monocasco de desplazamiento convencional.



Las fuerzas que se van a dar en el buque deben ser estimadas en función de las dimensiones, geometría y estructura del mismo, todo esto antes de que se haga el primer diseño. En la actualidad existen muchos caminos y soluciones posibles para encontrarla solución a los problemas de diseño. La Ingeniería Naval propone tres grupos principales:

1. Usar la observación directa de registros tomados a bordo de buques similares.

2. Usar modelos matemáticos en conexión con cálculos numéricos. 3. Usar modelos físicos (geometría).



El proyecto del buque habitualmente se divide en tres fases:

• Proyecto Conceptual • Proyecto Contractual • Proyecto de Construcción

Fases del Proyecto del Buque




El objeto de la fase de Proyecto Conceptual es la determinación de la viabilidad del proyecto. Se parte de unos datos muy básicos (peso muerto, capacidad de carga, velocidad, dimensiones principales y sus relaciones, coeficientes de carena,...) a partir de los cuales debe definirse una combinación de mayor rendimiento económico.



El resultado de este proceso es el desarrollo de un contrato de construcción, que incluye: • Definición suficientemente precisa de las características de la obra (disposición general, potencia propulsora, potencia eléctrica, sistemas de carga,...). • Definición de los costes de la obra. • Elaboración de la oferta económica del constructor. • Definición precisa de las diferentes calidades. El punto de partida de este proceso es normalmente un buque base. Este término se refiere a un proyecto similar, del que se pueda disponer de información suficiente y que pueda servir de guía para las primeras fases del proyecto. A partir de las características del buque base se pueden estimar aspectos críticos como estabilidad, francobordo, potencia,... Las primeras estimaciones cambiarán necesariamente a medida que avance el proyecto.




Cálculo de Potencia y Propulsión

• Estimación o cálculo de la potencia necesaria y de las características básicas del equipo propulsor y de maniobra.

• Definición de Formas: Se realiza el plano de formas del buque intentando cumplir, además de los requisitos de buen comportamiento hidrodinámico, otras características definidas.

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

• Compartimentado / Disposición General: Es necesario disponer las cubiertas y mamparos como paso inicial para llevar a cabo la disposición general.

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



Definición Estructural • Diseño de la cuaderna maestra, en primer lugar, y definición posterior

precisa de la estructura del buque.

• Maniobrabilidad y Comportamiento en la Mar: Se lleva a cabo un análisis de las características del buque respecto a su maniobrabilidad y comportamiento en la mar.

• Definición de la Planta Propulsora y Otros sistemas del buque: Se definen de manera concreta las características y disposición del equipo propulsor, así como el resto de sistemas del buque.

• Estabilidad Intacto / Estabilidad en avería 1. Es necesario definir las diferentes situaciones de carga para, posteriormente, llevar a cabo el análisis de la estabilidad para el buque intacto. 2. Se lleva a cabo un estudio de la estabilidad del buque ante averías. 3. Se analiza la resistencia longitudinal de la estructura.

• Análisis de Costes: Se evalúan las magnitudes económicas (la principal es el presupuesto), al objeto de facilitar la toma de decisiones



Dimensionamiento del buque

• Durante las primeras fases del desarrollo del proyecto del buque es esencial realizar un dimensionamiento del mismo. Este término se refiere a la obtención de las dimensiones y características principales del buque a partir de la especificación de alguna o algunas de ellas.

• En general, la eslora puede considerarse como la característica principal, ya que a partir de su conocimiento, pueden derivarse con relativa sencillez muchas de las características principales del buque.

• En el proceso de dimensionamiento, las características principales que se especifiquen pueden conllevar la aparición de limitaciones físicas u operacionales en otras dimensiones. Así por ejemplo, una vez definidos en un buque, el peso muerto y la capacidad de bodegas, pueden presentarse limitaciones en la eslora, por ejemplo debido a las necesidades de maniobra en un puerto determinado, en la manga, por el tránsito por un canal, en el calado por la profundidad disponible en puerto, dimensiones críticas, etc…



Dimensionamiento del buque

• Explícitamente, cuando exista una restricción de la dimensión de la eslora o una especificación sobre la longitud del buque.

• A partir de relaciones de base experimental que ligan la eslora con la resistencia al avance. En general estas fórmulas relacionan la eslora con el número de Froude y el coeficiente de bloque. Estas fórmulas pretenden establecer un equilibrio entre la geometría del buque y una potencia propulsiva razonable.

• A partir de relaciones de base experimental, que permitan estimar relaciones entre las dimensiones principales. Una vez obtenidas estas relaciones, la eslora se puede obtener a partir de las condiciones que imponga la dimensión más crítica del proyecto

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



Diseño de formas del buque

La definición de formas de un buque es un aspecto de suma importancia, por sus múltiples implicaciones en diferentes aspectos del proyecto. Tradicionalmente, el aspecto principal que se ha estudiado en el proyecto de formas es el cumplimiento de la velocidad contractual. En este sentido hay que señalar que la consecución de unas formas óptimas desde este punto de vista hidrodinámico se enfrenta habitualmente a los condicionantes económicos o a la necesaria capacidad de carga.




El diseño de formas se enfrentará a la consecución de diferentes objetivos: • Desplazamiento y calado de proyecto. • Espacios de carga y volúmenes de tanques requeridos. • Áreas de cubierta para disponer los diferentes elementos. • Optimización de potencia: mínima resistencia al avance, buen

rendimiento del casco • Buen comportamiento en la mar y buena maniobrabilidad. • Trimado satisfactorio en cada situación de carga. • Buena estabilidad para los calados de operación. • Evitar discontinuidades que dificulten la resistencia estructural. • En muchos casos es un requisito importante el que las líneas

tengan una componente estética atractiva.



Diseño de formas del buque El diseño de formas requiere la evaluación de al menos, los siguientes aspectos: • Determinación de la resistencia al avance. Que puede llevarse acabo

mediante ensayos experimentales, métodos estadísticos, métodos numéricos o mediante el uso de series sistemáticas.

• Cálculos de arquitectura naval. • Estimación de la capacidad de carga. A partir de una distribución de los

espacios, puede estimarse la capacidad de carga. • Interacción con la hélice. • Evaluación del comportamiento en la mar. • Estudio de la curva de áreas seccionales.




Una vez que se han evaluado todas esas características, se ha de comprobar los coeficientes de formas para tratar de mejorar los efectos principales que la modificación de una magnitud puede tener, por ejemplo:


• Coeficiente prismático Cp. Influencia en la resistencia del buque. Se recomienda reducirlo (y comprobar su efecto en Cm), si hay que disminuir la resistencia al avance.

• Relación B/T. Influencia en la estabilidad inicial. Se recomienda aumentarla, si hay mayores exigencias de estabilidad.

• Relación L/B. Influencia en la maniobrabilidad. Se recomienda reducirla si se quiere mejorar la facilidad de evolución.

• Relación L/T. Puede dar una idea de la frecuencia de pantocazos de la carena. Se recomienda aumentarla, si se quiere disminuir esta frecuencia.

L = Eslora; B = Manga; T = Calado


1.2 EVOLUCIÓN HISTÓRICA La hidrodinámica aplicada al buque constituye la parte más significativa de la teoría del buque al presentar una gran complejidad en su estudio para buques que navegan en superficie. El hecho de navegar en la separación de dos fluidos (agua y aire) complica de manera importante su análisis. Estas dificultades en el estudio teórico se han intentado suplir de una manera experimental.


La experimentación con modelos a escala tuvo sus comienzos en España en el siglo XVIII con los trabajos de Jorge Juan, en Cádiz y Aranjuez. Estos trabajos se publicaron en 1771 bajo el nombre de “Examen Marítimo”, siendo considerado el primer libro sobre Construcción Naval. La experimentación con modelos, empezó a tomar un carácter sistemático a partir de los ensayos de Willian Froude, el cual enunció las leyes de semejanza mecánica, que aún hoy en día constituyen la base de los ensayos en canales de experiencias.


1.3 PROPULSORES Todo cuerpo al moverse en el agua experimenta en sí mismo una fuerza contraria al movimiento llamada resistencia al avance. En el caso de un buque, elemento diseñado para moverse entre dos fluidos, aire y agua, es preciso un mecanismo que sea capaz de ejercer una fuerza opuesta a la resistencia al avance, con objeto de poner y mantener al buque en movimiento. A esta fuerza propulsora se la denomina empuje. El estudio hidrodinámico de los dispositivos capaces de producir este empuje, da origen a una parte de la Teoría del Buque llamada Propulsión. Y a dichos dispositivos es a los que llamamos Propulsores.



• Los propulsores más antiguos ideados para buques, son el remo y la vela. • Más tarde aparecieron los propulsores mecánicos, el primero, una

rudimentaria propulsión a chorro (sobre el año 1661) que consistía en una bomba accionada por hombres que expulsaba el agua por la popa.

• La llegada de la máquina de vapor dio lugar a la aparición de varios mecanismos propulsores, que ejercían su acción impulsora mediante un mecanismo rotativo proveniente del sistema biela-manivela.

• Durante mucho tiempo los buques usaron como propulsores paletas adosadas a las bandas o a su popa, su rendimiento era elevado, pero su baja velocidad y maquinaria pesada hicieron que se llegara al abandono tras medio siglo de uso.



El primer buque con propulsor de helicoide fue construido por Yosip Resselen 1827.

En las primeras décadas del siglo XIX, fue surgiendo con distintas apariencias. El primer uso práctico de la hélice puede reconocerse a Ericsson y Petit Smith en U.S.A. e Inglaterra respectivamente y su aspecto en nada recuerda a las hélices actuales, pues ésta serán como un tornillo de Arquímedes, sin fin. Desde entonces y tras una evolución, el propulsor de hélice ha sido universalmente aceptado.



Las ventajas de la hélice radican en que: • No se ve afectada por el calado del buque,

siempre que su diámetro sea elegido adecuadamente,

• Está protegida por la popa frente a posibles daños provenientes de la mar o de colisiones con muelles, barcos, etc.,

• No incrementa la manga y puede ser movida a intervalos de velocidades muy amplios, con un buen grado de rendimiento.


El principal problema existente está en el proyecto, donde un mal diseño nos lleva a la absorción de elevada potencia con el riesgo de cavitación y subsiguientes vibraciones, erosiones, etc.


Para algunas aplicaciones, se ha encontrado que existe una cierta ventaja en hacer funcionar la hélice dentro de una tobera para dar un empuje adicional, sin un gasto extra de energía, y siempre que se cumplan determinadas condiciones como gran calado, elevada velocidad, gran empuje; como por ejemplo, remolcadores, pesqueros, arrastreros, en general, aquellos buques que necesitan elevados empujes a bajas velocidades de avance.


Actualmente está muy generalizado el uso de hélices con palas reversibles (Kamewa), que tienen la ventaja de que el buque pueda variar su velocidad sin cambiar el sentido de giro de las máquinas.


1.4 Planta de energía

La máquina alternativa de vapor fue la pionera en la propulsión mecánica.

Sus ventajas eran el alto grado de control a cualquier carga, facilidad de inversión de giro y bajas revoluciones por minuto, que eran perfectamente compatibles con aquellas a las cuales la hélice presenta elevados rendimientos.

Sin embargo, sus inconvenientes eran su gran peso y empacho (volumen), la limitación de potencia por cilindro y sobre todo su alto consumo específico de combustible.



La Turbina de vapor fue utilizada por primera vez en 1894 por Parsons en su buque "Turbinia", un torpedero americano que fue famoso por su elevada velocidad.

La turbina presenta como principal ventaja que otorga un movimiento de rotación directo (sin necesidad de conversión del movimiento alternativo a través de un sistema biela-manivela), que alcanza altos valores de potencia; y su consumo, se puede considerar razonable, frente a las máquinas de vapor alternativa.

Pero presenta algunos inconvenientes: no es reversible y su velocidad de rotación ideales muy elevada (de 10.000 rpm a 20.000 rpm).


Estos inconvenientes hacen precisa la incorporación de otra turbina de sentido contraria llamada turbina de ciar y la incorporación de un reductor de engranajes para bajar la velocidad de giro hasta la velocidad ideal de la hélice, con la consiguiente pérdida de energía por rozamiento entre los dientes de la reductora.


El motor de combustión interna con un ciclo termodinámico Diesel, actualmente es sin duda la planta de energía más usada en la propulsión del buque.

• Es reversible, ocupa poco espacio, puede ser construido desde muy bajas a muy altas potencias y sobre todo tiene un consumo específico más bajo que el de las turbinas de vapor.

• Con respecto a la velocidad de rotación, existen motores que son lentos (de bajas revoluciones 60 o 70 rpm), los cuales se acoplan directamente a la hélice, otros hay que reducir su velocidad (3.000 rpm. –9.000 rpm) por reductoras.

• Su principal desventaja es su menor fiabilidad frente a la turbina.



Finalmente como máquina de propulsión tenemos las turbinas de gas, pueden dar altas potencias ocupando muy poco espacio, pues no necesitan calderas y tienen un peso muy reducido. Sus desventajas están en su alto coste inicial, la necesidad de reductores, debido a su alto régimen de vueltas y sobre todo su alto consumo, es por esta razón por lo que de momento su uso principalmente se halla en buques de guerra.



1.5 SISTEMAS DE PROPULSIÓN



RESUMEN

• La propulsión del buque es uno de los elementos más importantes a tener en cuenta a la hora de diseñar un buque en función de su operación y el servicio que va a realizar.

• Los sistemas propulsores han sido los encargados de conseguir el movimiento de los buques a partir del empuje generado.


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