La disposición de la maquinaria debe proporcionar un equilibrio entre las funciones de control de los equipos, de su funcionamiento, del mantenimiento y supervivencia, contenidas todas ellas dentro de una o varias cámaras de máquinas de volumen óptimo.

Se denomina Cámara de Máquinas al volumen del buque que dividido en compartimentos contiene la planta de maquinaria propulsora y la maquinaria auxiliar.

La planta propulsora debe de proporcionar la potencia necesaria para impulsar al buque a la velocidad para la cual fue proyectado ininterrumpidamente, debe de permitir realizar la parada, ciada y debe de satisfacer las necesarias capacidades de maniobra para las que fue diseñado el buque.

Todas estas operaciones deben de ser llevadas a cabo con seguridad, y el mantenimiento y manejo de la planta deben de estar dentro de las aptitudes de los tripulantes.

Otros factores importantes que pueden inclinar la balanza al seleccionar la planta propulsora son: El espacio y disposición, consumo y calidad del combustible, peso total de la planta, coste de la planta, fiabilidad, facilidad de mantenimiento y generación de ruidos y vibraciones.

Aunque estos factores son de importancia secundaria frente a la seguridad de funcionamiento. Algunos de ellos pueden tener mucha importancia para un tipo de buque y en cambio ser de importancia secundaria para otro. Por ejemplo el peso y volumen de la cámara de máquinas en un petrolero es de menor importancia que para un barco de guerra y con el consumo de combustible pasaría lo contrario.

Existe una gran variedad de tipos de plantas propulsoras, algunas son ventajosas en algún apartado pero penalizan en otro, su aplicación depende del tipo de buque en concreto. Entre los sistemas de maquinaria principal más utilizados actualmente son:

1- Planta de vapor, compuestas por calderas convencionales o por generadores de vapor de energía nuclear, turbinas y engranaje reductor.

2- Motores diesel de 2 tiempos lentos, directamente acoplados a la hélice.

3- Motores diesel de 4 tiempos de media y alta velocidad con engranaje reductor.

4- Turbinas de gas con engranaje reductor.

5- Propulsión eléctrica con motores de corriente continua o alterna, alimentados por la energía generada en alternadores movidos por una máquina primaria de vapor o de combustión interna.

6- Plantas combinadas, existen muchas variantes, las más frecuentes son:

- COGAG, combinación de turbina de gas y turbina de gas, en la que ambas pueden participar juntas o separadas en la obtención de la potencia propulsora.

- CODAG, combinación de motor diesel y de turbina de gas, para la obtención de velocidades bajas y económicas funciona solo el motor diesel y la turbina de gas se acopla para alcanzar altas velocidades.

- COGAS, combinación de turbina de gas y turbina de vapor, funcionando de forma conjunta ambas.

- CODOG, combinación de motor diesel o turbina de gas, funcionan de forma independiente (no de forma conjunta sumando las potencias), la turbina de gas solo para altas velocidades y el motor diesel para velocidad económica de crucero.

Excepto para cortos periodos, cuando se acercan o salen de puerto, muchos barcos mercantes funcionan con alto porcentaje de la tasa de potencia, el programa de funcionamiento puede incluir periodos a velocidad reducida, pero raras veces con velocidades por debajo de las correspondientes a media potencia. Consecuentemente, es de primera importancia, para buques mercantes, un funcionamiento económico a la velocidad sostenida cuando realizan la ruta comercial.

La situación con buques de guerra es diferente, aquí la planta debe de ser diseñada para satisfacer la más alta velocidad requerida en el proyecto, aunque la máxima potencia raramente es utilizada. Durante la mayor parte del tiempo funciona a velocidad de crucero, en torno al 60% de la velocidad máxima o 20% de la máxima potencia propulsora. Lógicamente en estos buques prima un funcionamiento económico a la velocidad de crucero.

Hay que tener siempre presente que el diseño de la planta propulsora debe reflejar plenamente el perfil de funcionamiento  del buque. Se tratará de conseguir el funcionamiento más económico para el modo más frecuente de funcionamiento y para este régimen se diseñarán las medidas económicas, como son: recuperación del calor residual, rendimiento óptimo de la hélice, menor consumo específico para la planta, etc.

La planta propulsora debe proporcionar potencia suficiente para alcanzar la velocidad deseada, pero además suele añadirse una potencia adicional en reserva para compensar el deterioro del rendimiento con el tiempo. Factores a tener en cuenta al establecer la reserva de potencia incluyen el ensuciamiento del casco, deterioro de la superficie de las hélices (causadas por cavitación y erosión) y disminuciones en el rendimiento de la máquina motriz. Es también importante que el buque tenga una razonable capacidad para mantener la velocidad con oleaje moderado y bajo condiciones ambientales adversas.

El “factor de servicio” es el porcentaje de la potencia normal, continua, al eje, usada para establecer la velocidad sostenida en el mar. Suele ser un 80% (factor 0,8) para portacontenedores, que suelen hacer cargados varias etapas de un viaje, y en torno a un 90% para petroleros y bulk carriers, ya que estos suelen hacer parte del viaje en lastre.

El tipo de planta propulsora también influye, ya que turbinas de gas y de vapor son generalmente utilizadas para funcionar a niveles de potencia cercanos al máximo, mientras que los motores diesel no se deben utilizar para funcionar a más de un 90% de su potencia nominal. Por este motivo la potencia máxima continua instalada en un buque diesel supera a la de otro buque similar pero con propulsión por turbina. La zona de funcionamiento del motor suele coincidir con la de más bajo consumo específico de combustible, y en suma, la proyección para la vida de servicio de los componentes, recomendaciones para inspecciones, mantenimiento e intervalos de revisión, son normalmente basados en el funcionamiento en esa zona.

El “margen de la máquina” es la diferencia entre la potencia continua en servicio y la potencia máxima nominal.

En cuanto a la selección del tipo de planta propulsora en función de la potencia necesaria, existen muchas posibilidades de combinaciones, ya que por ejemplo un gran buque mercante puede ser propulsado igualmente por un gran motor diesel lento, o por el contrario llevar dos motores de media velocidad de cuatro tiempos que producirían una potencia total equivalente.

Figura 1: Tipos de máquinas en función de la potencia y rendimiento térmico 

(Fuente: www.mandieselturbo.com).

Actualmente en plantas propulsoras para buques mercantes, en general, los motores semirrápidos y de media velocidad se utilizan casi siempre en potencias bajas y medias hasta unos 15.000 hp, y con potencias superiores se suelen utilizar motores lentos de dos tiempos, a menos que exista algún motivo que lo desaconseje como puede ser falta de espacio, peso excesivo, vibraciones u otros motivos.

En buques de guerra ya entra en consideración los aspectos de peso y empacho, perdiendo importancia el factor de la economía de combustible, por lo cual se utilizan otros sistemas que permiten obtener elevadas cifras de potencia con mucho menos empacho y peso, estos sistemas se basan en plantas propulsoras generalmente con motores diesel semirrápidos y turbinas de gas.

El tipo de hélice puede ser de paso controlable o paso fijo. Una hélice de paso controlable tiene las palas dispuestas para que a través de un mecanismo interior al núcleo, manejado a distancia, puedan girar las palas y así adquirir distintos pasos. Cada uno de estos, dará lugar a una curva o ley del propulsor particular, por lo que se pueden obtener una familia de curvas del propulsor para un buque determinado. La hélice de paso controlable tiene la ventaja de aumentar la capacidad de maniobra y flexibilidad, pudiendo pasar de marchar avante a ciar en breves segundos y sin tener que cambiar el sentido de giro del propulsor, permite además que la máquina motriz gire siempre a sus revoluciones óptimas, de mejor rendimiento. Puede adaptar el paso de la hélice a las condiciones de funcionamiento aumentando la eficacia y disminuyendo el consumo. Por ejemplo en un remolcador dando remolque o un petrolero a plena carga se reduciría el paso de la hélice para ganar poder de tracción. Mientras que navegando libre o en lastre se aumentaría el paso para ganar más velocidad. En general una hélice de paso controlable hace un mejor uso de la potencia disponible del motor a través de un mayor margen de condiciones de funcionamiento, comparada con una hélice de palas fijas.

La hélice de paso fijo es más económica, sencilla y fiable, y además puede alcanzar un rendimiento superior, ya que puede disponer de un núcleo más pequeño y las formas de las palas más apropiadas para obtener un mejor rendimiento.

Otro factor a tener en cuenta en la elección del propulsor es que cuanta mayor es la potencia necesaria para mover el buque, mayor deberá de ser la hélice y cuanto mayor sea esta, menores revoluciones deberá tener, ya que las velocidades relativas en sus extremos aumentarían en exceso, reduciendo el rendimiento  y propiciando la cavitación. La relación entre el diámetro de la hélice y sus revoluciones óptimas es un factor importante a la hora de la elección de la planta propulsora.

En general los buques pueden tener; una, dos, tres, o cuatro hélices. Desde el punto de vista de los costes iniciales y de funcionamiento (el rendimiento hidrodinámico es mejor con una hélice) menos propulsores es preferible. La selección de múltiples propulsores puede ser necesaria con potencias elevadas en buques de poco calado y con diámetros de las hélices limitados, lo que provocaría la sobrecarga del propulsor propiciando la cavitación si se empleara una sola hélice. En suma, puede haber otros factores para cada caso específico que aconsejen el empleo de múltiples propulsores, como son reducir la vulnerabilidad o mejorar la maniobrabilidad. Buques de guerra, remolcadores, buques rápidos; ferrys, portacontenedores, transbordadores, embarcaciones deportivas, son buques típicos para incorporar múltiples propulsores. Mientras que buques en los que prima la economía de consumo y construcción, como son los buques mercantes, pesqueros, etc. suelen tener solamente una hélice.

En la evolución de los motores diesel lentos, se hizo un gran esfuerzo en reducir sus revoluciones, que son las de la hélice, con lo cual se mejoró su rendimiento, haciendo necesaria menos potencia para obtener la misma velocidad. Por este motivo, principalmente en motores de mucha potencia, propios de grandes petroleros y bulkcarriers, se propusieron máquinas que pudieran girar a bajas revoluciones.

Desde la perspectiva del ahorro energético los mejores rendimientos se obtienen con hélices de gran diámetro acopladas a motores de bajas revoluciones. Dado el aumento de tamaño y calado de los buques y dadas las mejoras en la fundición y maquinado de hélices, sería posible utilizar hélices mayores y por tanto motores aún más lentos que los actualmente disponibles en el mercado. Hoy día los motores para portacontenedores se han estandarizado en unas 100-104 rpm, pero lo normal sería que en el futuro se empezasen a utilizar motores girando más despacio.

Para unas mismas rpm y un diámetro exterior admisible de la hélice, surge aquí como evidente el interés de las hélices con placas de punta de pala y en particular de las hélices tipo CLT (un desarrollo español) para mejorar el rendimiento energético global. Tras años de dudas y avances a paso lento, las ventajas de rendimiento de estas hélices parecen ya confirmadas fuera de dudas por los proyectos de I+D llevados a cabo en los últimos años.

Otras medidas propuestas para mejorar los rendimientos del propulsor, se basan en colocar a popa de la hélice principal una hélice de tipo pod accionada por un motor eléctrico y girando en el sentido contrario, formado con la hélice principal un conjunto similar a una hélice contrarrotativa, con el que se pueden conseguir mejoras propulsivas del orden del 10 %. Hay ferries en Japón con este dispositivo, y se ha propuesto para buques de otros tipos; petroleros y portacontenedores.

Otro paso adelante sería la adopción de hélices contrarrotativas propiamente dichas. Esto no sería una novedad absoluta, porque a principios de los años 90 se hicieron en Japón experiencias a escala real, instalando hélices contrarrotativas a un VLCC y un carguero de menor tamaño. Los ensayos de canal y experimentos a escala real indican que con este dispositivo se puede obtener una mejora del 17-20 % en el rendimiento propulsivo. Evidentemente se trata de un sistema mecánico muy complejo, con algunos problemas no triviales de fiabilidad y que requiere un mantenimiento específico, por lo que hasta ahora se ha evitado a pesar de sus indudables méritos hidrodinámicos.

En general, el espacio necesario para la planta propulsora es considerado como espacio perdido, ya que no podrá ser utilizado para otros propósitos más productivos, como carga o armamento. Se hace el máximo esfuerzo para reducir las dimensiones de las cámaras de máquinas. Especial importancia se le da a la longitud de la cámara de máquinas en buques de carga, ya que es espacio perdido para carga.

Las plantas más pequeñas son las de turbina de gas con motores eléctricos ya que las turbinas accionan generadores eléctricos y no están directamente unidas a los ejes de cola, posibilitando hacer cámaras de máquinas muy cortas. Idéntica disposición se puede adoptar con propulsión diesel-eléctrica con motores diesel semirrápidos.

Las  cámaras de máquinas más grandes son las de motores diesel lentos, aunque compensan algo su gran tamaño en que van directamente acoplados a las hélices, sin engranajes reductores.

Las cámaras con turbinas de vapor, también son muy voluminosas, sobre todo para pequeñas potencias. Son especialmente interesantes para potencias elevadas, por encima del rango de potencia de los diesel.

Empezando por  el tipo de combustible, hay que decir que el carbón, uranio y gas natural juegan un importante papel en la producción de energía mundial, pero en el sector naval la gran mayoría de los buques funcionan con derivados del petróleo. El combustible más utilizado es el fuel-oil, por razones de precio, cuanto más alta viscosidad tiene, más bajo es su precio, aunque la alta viscosidad va asociada a grandes concentraciones de impurezas y constituyentes perjudiciales. El fuel seleccionado es determinante en el coste, con consideraciones dadas para factores como coste inicial, costes de mantenimiento y manejo, costes de mantenimiento de equipos y complejidad operacional.

Hay que ver qué metales estarán en contacto con el fuel y los productos de combustión, previsiones para calentamiento y tratamiento (neutralización de constituyentes), previsiones para protección de la corrosión y eliminación de escorias y grasas. La utilización de un tipo de fuel de peor calidad puede imponer requisitos adicionales para el diseño de la planta.

El fuel-oil dependiendo de su fuente geográfica puede variar su contenido de residuos y sustancias incombustibles. Ambos, la cantidad y composición química de los residuos y cenizas del fuel pueden tener una gran influencia en la vida de los equipos y su funcionamiento.

Compuestos de sodio y vanadio, los cuales se forman en los productos de combustión, tienden a tener relativamente bajas temperaturas de fusión y pueden propiciar la acumulación de carbónillas y escorias. Por otra parte, el vanadio es altamente corrosivo a temperaturas por encima de su punto de fusión. El sodio y vanadio son compuestos no deseables para el fuel-oil en el rango de las altas temperaturas.

En el rango de las bajas temperaturas el elemento más perjudicial es el azufre. Durante el proceso de combustión este es oxidado y si la temperatura de los productos de combustión baja por debajo de la temperatura de rocío del ácido sulfúrico, los óxidos de azufre pueden ser hidrolizados para formar ácido sulfúrico, que es muy corrosivo.

La baja calidad del fuel puede con el tiempo causar un deterioro de la eficiencia de la planta térmica, la selección del tipo de fuel es un proceso complejo de gran influencia en el éxito del barco y debe de realizarse un análisis de los costes del ciclo de vida además de mantenimientos y complejidades asociadas al tipo de fuel.

En lo referente al consumo de combustible, diferentes tipos de plantas propulsoras, con sus distintas eficiencias térmicas y en consumo específico de combustible, pueden resultar en coincidencia en la eficiencia práctica.

El consumo de aceite lubricante no es de mucha importancia en plantas propulsoras excepto si es de motores diesel. Para estos es de 0.5% a 1% del consumo de fuel-oil, aunque este valor es pequeño, el coste es elevado ya que el precio del aceite lubricante supera en mucho al del fuel-oil.

La gráfica siguiente muestra los consumos específicos necesarios para propulsión, auxiliares y cargas usuales de hotel, no incluyendo servicios  extraordinarios como cargas de hotel en buques de pasajeros o calentamiento y limpieza de tanques en petroleros.

(Fuente: Marine Engineering)

La gráfica sirve solo de orientación para ver las diferencias de consumos en instalaciones prácticas, ya que cada tipo de planta pude mejorar bastante su consumo dependiendo de su complicación y sofisticación.

La planta por turbina de vapor, puede mejorarse su rendimiento adoptando el ciclo con recalentamiento y regenerativo calentando el agua de alimentación con extracciones de vapor. Las plantas de turbina de vapor son generalmente optimizadas para una potencia determinada y, como resultado, las gamas de potencia de las turbinas de vapor suelen ser próximas a sus capacidades de diseño (no existe la práctica a limitar superiormente la máxima potencia de las turbinas de vapor, como ocurre con los motores diesel). El vapor generalmente se obtiene por medio de calderas de mecheros, consumiendo fuel-oil de la peor calidad (también se puede emplear carbón, gas natural, etc.). Con el bajo precio del fuel y menor consumo de aceite de lubricación, durante algún tiempo fue posible  compensar su peor consumo específico frente a otros tipos de plantas propulsoras.

Las turbinas de gas aeroderivadas están en continua evolución, y cada día salen nuevos modelos que mejoran a las actuales, fruto de la investigación en turbinas para aviación. Sin embargo tienen el inconveniente de que los rendimientos del ciclo son bastante bajos (en torno al 25 %). Esto hace que las condiciones de las energías residuales, básicamente los gases de escape de la turbina, tengan un gran contenido energético debido a su alta temperatura de salida (alrededor de 450 o 550º C) y a los grandes caudales que se generan, lo que hace que la recuperación de la energía contenida en estos gases sea muy eficiente. Debido a que el calor residual está concentrado en los gases de escape y es fácilmente recuperable, puede usarse para generar vapor, que movería una turbina de vapor, adoptando entonces el ciclo combinado COGAS (combination gas and steam), que tiene muy buen consumo específico, similar a los motores diesel.

En el caso de las turbinas de gas Heavy Duty derivadas de la industria, la principal mejora está en recuperar el calor de los gases de escape para calentar el aire de admisión (ciclo regenerativo). Además de poder aprovechar el resto de la energía de los gases de escape como se indica en el caso anterior para las turbinas aeroderivadas. Estas turbinas son más robustas, pesadas y fáciles de reparar. Son técnicamente menos avanzadas, emplean un grado de compresión más bajo, con temperaturas de entrada en la turbina también más bajas, por tanto su rendimiento  es menor que las aeroderivadas.

Un inconveniente importante para las turbinas de gas está en su poca tolerancia para quemar fuel-oil, normalmente tendrán que consumir gasoil o gas natural, sobre todo si son turbinas derivadas de la aviación.

Un factor adicional, es la gran sensibilidad de las turbinas de gas a la temperatura ambiente, al aumentar la temperatura ambiente, disminuyen la potencia y en consecuencia aumentan su consumo específico.

(Fuente: www.mandieselturbo.com).

Los motores diesel de media velocidad, siguen el ciclo de cuatro tiempos con sobrealimentación, no son reversibles y debido a su elevada velocidad (400-600 rpm) normalmente precisan de engranajes reductores. Este tipo de motores han evolucionado mucho en los últimos años mejorando sus consumos específicos de combustible y ampliando cada vez más los límites superiores de potencia máxima. La capacidad para consumir fuels pesados también los ha aproximado mucho a los motores lentos. Estas ventajas, además de un peso y empacho sensiblemente menor que los motores de lentos, los convierte en muchas ocasiones en las plantas propulsoras más apropiadas para la propulsión de buques, siempre y cuando la potencia requerida esté dentro de los rangos aplicación de este tipo de motores.

Los motores diesel lentos tienen las más altas eficiencias térmicas, aunque parece que están llegando al límite de evolución y no se esperan grandes mejoras. Los diesel lentos son especialmente diseñados para la propulsión naval y son más tolerantes con la baja calidad del fuel que los diesel de media velocidad (normalmente de 4 tiempos). Sus cualidades de economía son muy competitivas y su simplicidad facilita la automatización. Los costes en mantenimiento son más bajos que en los diesel de media velocidad. El consumo específico de combustible es también mejor en los diesel lentos y el calor residual es más fácilmente aprovechable, aunque el consumo de aceite lubricante suele ser mejor en los diesel de media velocidad y el consumo de combustible se está aproximando bastante en los últimos años.

Las energías residuales que se producen e los motores diesel son de un contenido energético bastante menor que el producido en turbinas de gas de la misma potencia, siendo las fuentes de energía aprovechables principales los gases de escape (con temperaturas de 250-350º C y caudales sustancialmente menores que las TG), y las fuentes de refrigeración del motor (principalmente agua de refrigeración de camisas a 90º C). Por tanto la eficiencia total de la planta puede mejorarse recuperando el calor residual de los gases de escape mediante calderas y el agua caliente de refrigeración que normalmente se utiliza en generadores de agua dulce. Otras posibilidades de mejorar la eficiencia son la utilización de turbinas de gas de exhaustación (TCS) y tomas de potencia para alternadores de cola.

(Fuente: www.mandieselturbo.com).

La Propulsión eléctrica, normalmente accionada con motores diesel de media velocidad, tiene el inconveniente de que se incrementa el consumo específico frente a la utilización de transmisión con engranajes reductores, debido a las pérdidas inherentes a la doble conversión de la energía: mecánica-eléctrica y eléctrica-mecánica. Permite por otra parte mucha más flexibilidad si la potencia punta es proporcionada por múltiples máquinas motrices/generadores, que pueden ser detenidas cuando se trabaja a cargas parciales, esto mejora la economía de combustible y permite que las máquinas motrices que están funcionando trabajen a su velocidad óptima de mejor rendimiento.

El elevado peso de una planta propulsora va generalmente asociado a su volumen, es por tanto deseable que la planta sea lo más ligera posible, sobre todo en buques pequeños, ya que se trata de un tonelaje que no tiene utilidad e impide transportar más carga. También en petroleros, donde la capacidad de carga está limitada por restricciones de calado, el utilizar una planta más ligera permite llevar más carga. Aunque en ocasiones puede ser ventajoso un peso algo elevado para algunos buques de carga, cuando navegan sin carga el peso de la maquinaria propulsora puede ser beneficioso en el aspecto de que su baja posición mejora la estabilidad del buque.

El peso de las plantas diesel y de turbina de vapor son las más pesadas mientras que las más ligeras son turbinas de gas en ciclo abierto, derivadas directamente de la aviación.

En la gráfica se comparan distintos tipos de plantas de combustibles fósiles con la planta nuclear, en esta el peso del combustible no es significativo.

(Fuente: Marine Engineering).

COSTE  DE LA PLANTA

Valoramos aquí la inversión inicial necesaria para adquirir la máquina principal, así como los necesarios equipos auxiliares que debe llevar para su adecuado funcionamiento. Considerando también los costes relativos su instalación, es decir, lo que cuesta tener instalada la planta propulsora en el buque lista para funcionar.

Los precios de las plantas son de mucha importancia y también muy variables, ya que están fuertemente condicionados por factores diversos como: costes de materiales y mano de obra.

Hay que tener presente que a la hora de realizar la selección de la máquina propulsora, tres tipos de costes deben de ser evaluados: costes iniciales (precio de la planta instalada, costes de instalación, etc.), costes variables (combustible, mantenimiento, tripulación, etc.), costes eventuales (derivada de la fiabilidad y disponibilidad esperada).

En general, para los buques mercantes los costes de operación (costes de combustible, personal necesario y mantenimiento requerido) es la consideración fundamental cuando evaluamos los candidatos para seleccionar la planta propulsora, teniendo los costes iniciales una importancia relativa.

Enumeramos a continuación los tipos más habituales de plantas propulsoras utilizadas en buques civiles:

• Los precios de las plantas con diesel lentos, son las que tienen el precio más elevado.

• Las plantas de vapor tienen un coste elevado para potencias bajas, pero son tanto más rentables cuanto mayor es la potencia.

• Las plantas con diesel de media velocidad tienen el precio más bajo en la gama más baja de potencia, pero para grandes potencias son menos favorables.

• Las instalaciones para aprovechamiento de la energía residual de los motores diesel tienden a encarecer el precio de la planta propulsora.

• Las turbinas de gas tienen un precio bastante variable dependiendo de su tipo (aeroderivadas, heavy-duty, con ciclo regenerativo, etc). En caso de emplearse ciclos combinados como COGAS, (combinación de turbina de gas y de vapor) el coste de la complicación técnica para mejorar su rendimiento generalmente también incrementa su precio, siendo éste similar al de los diesel lentos. En este caso serían más rentables cuanto más grandes sean las potencias.

Fuentes: www.mandieselturbo.com, Marine Engineering, Roy L. Harrington, (edic. 1992), Máquinas para la Propulsión de Buques, Enrique Casanova Rivas, (edic. 2001, Pounder’s Marine Diesel Engines and Gas Turbines, Doug Woodyard, (8ª edic. 2004), Evolución de la Propulsión Mecánica, Luis de Mazarredo (edic. 1992).