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).

Llama la atención lo sobredimensionado que está, 2,77 litros de cilindrada para solo 16 Hp, que viene a dar una potencia específica de solo 5,77 Hp/litro, también la densidad de potencia o relación Hp/Kg debe arrojar cifras muy bajas. Necesita de un enorme y pesado volante de inercia para funcionar por ser un dos cilindros que gira muy despacio, como ventaja este volante de gran masa le proporciona de gran regularidad de marcha con ese sonido rítmico y acompasado que es característico de este tipo de motores. 

En resumidas cuentas, se trata de tecnología obsoleta, pero no por ello inútil o ineficaz, puede ser todo lo contrario dependiendo de la aplicación que se requiera de ese producto. Veamos; su baja velocidad de giro le proporciona un bajo desgaste de sus órganos móviles, los pistones alcanzan un máximo de velocidad media de solo 4,8 m/s,  el motor puede ir directamente acoplado al árbol de la hélice sin reductoras que ocupan espacio, pesan y absorben potencia. La presión media efectiva es 5,75 bar, lo cual es un valor muy bajo,  y es un indicador de bajas presiones y temperaturas dentro de la cámara de combustión, que en consecuencia provoca que los desgastes y fatigas de los materiales sean muy inferiores a los existentes en un motor con especificaciones modernas. Esto por otra parte también posibilita que se puedan emplear elementos de inferiores especificaciones y calidad (por ejemplo en los pistones, equipos de inyección, camisas, etc), lo cual permite bajar el precio del producto. 

Es importante comprender que la sencillez era sumamente importante en su época de fabricación, que era la posguerra del Franquismo, y estos motores eran muy fáciles de entender y de reparar, hacer la regulación de  taqués de válvulas, regular inyectores, cambiar pistones, cambiar válvulas, etc, era mucho más sencillo que en motores actuales. Los motores estaban pensados para que se desmontaran con un juego de llaves fijas de 10 a 20, uno de llaves de tubo de 10 a 22, uno de llaves de estrella de 24 a 27, un destornillador y un alicate. Esto era tremendamente importante en aquella época y daba una gran confianza a los mecánicos que iban abordo.

 Con la puesta en marcha de precalentamiento con mecha se prescindía de la necesidad de una instalación eléctrica para el motor (el arranque solía ser neumatico), además las bujías de precalentamiento se acaban fundiendo, pero una mecha es algo que no falla nunca, sobre todo en aquella época en la que prácticamente todos los marinos fumaban.

Pero no fue el Motor Ayón de Noya el único representante de motores marinos Gallegos, sino que había muchos más como los Martínez de Foz, Rey Barral de A Coruña, O Forte también de Noia, HMR y AEW de Ribeira, Lores de O Grove, Pazó de Pontevedra, y Bastos, Perka y GAV de Vigo. También existen referencias de motores fabricados por Rafael Bello en A Coruña y Eliseo Martínez en Vigo. Los cuales fueron fabricados a lo largo del periodo comprendido desde la década de los cuarenta hasta los setenta.

Desafortunadamente, a pesar de ser fabricantes relativamente recientes, van pasando al olvido, y la documentación existente es muy escasa. Es importante mencionar la obra “Carpintería de Ribera en Galicia (1940-2000)” del Dr. Ingeniero naval José Mª de Juan García-Aguado, que con sus investigaciones ha contribuido a rescatar estos fabricantes del olvido.

En el pueblo de Ribeira hay un pequeño museo de motores Marinos, donde se puede contemplar el motor Ayón y otros como el Pazó, Lores y HMR. Para más información en el foro de Bosende

Video de un  Motor Ayon 24 CV de 1971, en funcionamiento.

 El motor diesel marino “Ayón” fue creado por D. José Rodríguez Fernández, que era de profesión mecánico y tornero. Esto demuestra que para crear algo, más que grandes conocimientos científicos lo más importante es tener voluntad y las ideas claras. En el libro publicado por su hijo, José Rodríguez Insua, nos cuenta la trayectoria de su padre y como fundó la marca de motores diesel Ayon;

José Rodríguez Fernández nació en 1914, inició el aprendizaje de mecánico en 1928 con catorce años, posteriormente progresó a oficial de mecánica y tornero hasta el año 1937, cuando en plena Guerra Civil Española fue movilizado y destinado a Zaragoza, donde trabajó como tornero en un taller mecánico hasta que terminó la guerra. A partir de esta fecha estuvo al cargo de una empresa de transportes con gasógeno. En el año 1945 se establece como industrial mecánico en un taller de reparaciones generales; y es en el año 1952 cuando le surge la idea de fabricar un motor Diesel marino. Hacia 1958 José Rodríguez construyó unas instalaciones en las que enfocó la fabricación en serie, diversificando potencias y asignándoles la marca  Ayón que significa Noya leído al revés, progresa la empresa llegando a tener una plantilla de 60 trabajadores en los momentos de mayor ritmo de fabricación, y que aún se mantenían en 38 poco antes del cierre, en 1984.

En total se fabricaron unos 2.000 motores, aunque en las placas figuraron numeraciones superiores. Además de los motores también se fabricaron las líneas de ejes, embrague, bocina y hélice.

WILLIAM FROUDE

 El ingeniero naval inglés William Froude nació en Dartington (Devon, Inglaterra), el 28 de noviembre de 1810. Murió en Simonstown (Sudáfrica) el 4 de mayo de 1879.

William Froude fue un inventor, matemático, Ingeniero Hidráulico y arquitecto naval, famoso por inventar  entre otras cosas un tipo de prensa hidráulica e investigar con gran acierto temas relacionados con la navegación, siendo el primero en establecer leyes fiables respecto a la resistencia que el agua ejerce al avance de los navíos, y a calcular su estabilidad.

En la mecánica de fluidos un parámetro adimensional lleva su nombre: el número de Froude. El cual  relaciona el efecto de las fuerzas de inercia y la fuerzas de gravedad que actúan sobre un fluido.

• Comenzó a trabajar como topógrafo para los ferrocarriles del sureste de Inglaterra. EN 1837 fue encargado de la construcción de un tramo del ferrocarril de Bristol a Exeter; allí desarrolló un método empírico para el trazado de curvas de transición. Estas curvas permiten un aumento gradual de la curvatura de los raíles desde un tramo recto a otro circular, de manera que la variación de la fuerza centrífuga que sufren los pasajeros es también gradual.

• En 1858 inventó un freno hidrodinámico industrial que lleva su nombre. Más tarde desvió su interés hacia el estudio de la estabilidad de los barcos. Fue el primero que formuló leyes fiables para calcular la resistencia que el agua ofrece al movimiento de los navíos y para predecir su estabilidad.

• Su principal aportación a la ingeniería naval fue el número de Froude, que relaciona las fuerzas de inercia y de gravedad que actúan sobre un fluido. Al ser un número sin dimensiones, permite realizar experimentos con modelos a escala en canales de ensayos hidrodinámicos y extender los resultados a barcos de tamaño real. El número de Froude se sigue utilizando actualmente en el diseño de canales, embalses, puertos y navíos, así como en meteorología.

• En 1868 escribió una memoria titulada Experiments upon the resistance of ships la cual fue aprobada por el Almirantazgo británico, el cual destinó 2000 libras esterlinas para la construcción de un canal en Torquay, al SW de Inglaterra. El canal tenía 85 m de longitud, 10,97 m de ancho y 2,74 m de profundidad, y tenía un carro de madera movido por un cabo y una maquinilla de vapor, y provisto de un dinamómetro, remolcaba los modelos a velocidades ente 30 y 305 m/min.  De acuerdo con Froude, el principio fundamental del método experimental se basa en que la resistencia al remolque de un objeto (carena) depende de dos causas: 1) la resistencia de fricción debida a su superficie y que viene condicionada por la viscosidad; 2) la resistencia residual que depende de la forma y está condicionada por la gravedad.  Una vez construido el canal de Torquay en 1872, Froude realizó ensayos con tablas planas, de poco grosor (4,76 x 482,6 mm), y distintas longitudes (entre 0,61 y 15,24 m) y diferentes acabados (diferentes rugosidades), luego aplico los resultados obtenidos a la carena para calcular su resistencia de fricción.  Por esta aproximación fue criticado su método, ya que no se tendrían iguales resultados para un objeto tridimensional que para un plano. 

En 1874 publicó los resultados obtenidos con los ensayos hechos con las tablas, donde dedujo la fórmula para calcular la resistencia de fricción:

R=f.S.Vⁿ

Donde:

S:  Superficie mojada.
n:  Número inferior a 2, siempre y cuando a rugosidad de la superficie no sea excesiva.
f:  Igualdad de superficie, que depende de la longitud de la superficie y disminuye cuando esta aumenta.

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FUENTES: Imperial War Museum, William Froude, El Neutrino

La conversión consistió en sustituir uno de los cuatro diesel-generadores por una planta de turbina de gas con una potencia de 1.200 bhp.

  

La primera turbina de gas-alternador fue proyectada y construida en Inglaterra, trabajos realizados por British Thomson-Houston, donde las pruebas de factoría empezaron en 1950 y la instalación en el Auris fue llevada a cabo en 1951.

 

El diseño de la turbina de gas fue influenciado por el espacio disponible en el buque, lo cual dictaron la necesidad de una disposición de elementos en vertical.

El aire fresco entraba por unos conductos especiales y era comprimido en el compresor axial, posteriormente pasaba a un intercambiador de calor que aprovechaba la temperatura de los gases de la combustión para calentar el aire fresco. Las dos cámaras de combustión estaban posicionadas de forma muy ingeniosa dentro de los propios conductos de exhaustación para elevar al máximo la temperatura en las cámaras de combustión.

 

Los gases calientes producto de la combustión de fuel oil en las dos cámaras de combustión eran llevadas primero a la turbina HP y después pasaban a la turbina LP que estaba acoplada al alternador. Los gases escape pasaban al intercambiador de calor a contraflujo que calentaba el aire de admisión, y posteriormente los gases quemados salían a la atmósfera.

 

La primera turbina de gas entró en servicio en 1951 y fue probada durante cinco años de operación, con pocos fallos. Se probó el consumo de fuel oil pesado (HFO) pero después del primer viaje se encontraron indicios e corrosión en los álabes de la turbina HP, por lo cual se pasó a consumir Diesel Oil marino (MDO). Los test acumularon 20.510 horas de operación en cinco años, de las cuales 6.649 horas fueron usando HFO. Sorprendentemente, los motores Sulzer sufrieron de menos fiabilidad que la turbina de gas en ese intervalo de tiempo.

 

La segunda turbina de gas ensayada en el Auris fue en realidad la primera que fue utilizada para ir acoplada a la línea de ejes de propulsión de un buque. En efecto, esta unidad fue realizada con una disposición direct-drive con engranajes y acoplamientos hidráulicos, acoplando la turbina de gas en sustitución del motor eléctrico para accionar la línea de ejes del propulsor del buque.

 

La nueva instalación de turbina de gas quedó lista en julio de 1958, desarrollando una potencia de 5.550 shp, bastante superior a los 3.850 shp que proporcionaba la antigua instalación diesel-eléctrica. Por ello fue necesario sustituir el antiguo propulsor por otro de diámetro similar pero con más pitch y área desarrollada que el anterior, aumentando la velocidad del buque de 12,9 knots a 13,5 knots.

 Fuentes: wikipedia, Science Museum (London), www.photoship.co.uk,www.merseamuseum.org.uk

 

Sulzer Brothers fue un fabricante activo en los sectores de diseño de motores de dos y cuatro tiempos, la relación de la firma Sulzer con Diesel data del año 1879 en el que Rudolf Diesel, como joven ingeniero, siguió sus estudios trabajando como aprendiz sin paga en el taller Hermanos Sulzer en Winterthur, Suiza.

El primer motor Diesel construido por Sulzer fue puesto en marcha en junio de 1898 después de que la compañía Hermanos Sulzer firmara un acuerdo con Rudolf Diesel para la fabricación de motores con la nueva tecnología.

La fabricación de motores Diesel se inició en 1903 en Winterthur, fueron motores verticales de cuatro tiempos con inyección de combustible con aire.

En 1905 la compañía construyó el primer motor diesel de dos tiempos marino directamente acoplado y reversible, cinco años más tarde introdujo un motor de dos tiempos sin válvulas con pistones refrigerados.

En 1910 se instalaron en el buque italiano “Romaña” dos motores Sulzer de 4 cilindros, sin válvulas, que desarrollaban 280 kW a 250 Rev./min cada uno.

En 1912 se construyeron los motores de dos tiempos sin válvulas y con cruceta para el buque oceánico alemán “Monte Penedo”, llevaba dos motores Sulzer 4S47 de 625 Kw a 160 rev./min cada uno.

La evolución siguió rápidamente y en la década de 1920 Sulzer se convirtió en una marca famosa en todo el mundo por la fabricación de motores diesel para barcos, para centrales eléctricas y ferrocarriles.

 

La inyección de combustible sin aire fue introducida a partir de 1932 y rápidamente se convirtió en norma para todos los tipos de motores diesel lentos, en gran medida debido a la mejora del rendimiento y reducción de las necesidades de mantenimiento.

 

El siguiente paso fue el desarrollo de la turbo alimentación, la cual permitía mejorar la potencia específica de los motores, requiriéndose, para un mismo nivel de potencia, un motor más pequeño, con menos peso y menos necesidades de espacio. El primer motor diesel lento de dos tiempos turboalimentado fue el Sulzer 6TAD48, que estuvo operativo en 1946.

 

A partir de 1956 los diseños de motores Sulzer lentos de cruceta, fueron de dos tiempos, simple acción, turboalimentados, sin válvulas y con barrido por lazo. Eran los tipos de las series RD, RND, RNDM, RLA y RLB.

Motor lento de cruceta Sulzer de la serie RD, se observa el tren alternativo de considerable altura, sin embargo estos motores tenían una carrera mucho más corta que los actuales de la serie RTA que son considerablemente más altos.

Los RD son motores lentos, de dos tiempos, diesel, de cruceta, con sobrealimentación con turbocompresor y enfriador de aire de barrido. Lo más característico es su sistema de barrido en lazo con lumbreras de admisión y escape, y la presencia de válvulas rotativas en los escapes, sistema que servía para optimizar el ciclo de funcionamiento desfasando el escape con respecto a la admisión, pero que debido a las altas temperaturas de los gases de escape, provocaba que estas válvulas rotativas, que giraban con un decalaje determinado para cada cilindro, se deterioraran provocando averías y gastos de mantenimiento.

Sulzer de la serie RD, corte esquematico trasversal, se observa donde van los distribuidores rotativos en los conductos de escape, origen de muchos problemas de mantenimiento.

Distribuidores rotativos de motor Sulzer serie RD, cada uno llevaba su decalaje para cada cilindro, su movimiento estaba sincronizado con el giro del cigueñal que los arrastraba, a pesar de su robusta construcción, el estar expuesto a gases de escape muy calientes los acababa deteriorando.

Por ello en la siguiente evolución, las series RND, RNDM, RLA y RLB, se abandonó este sistema en favor del famoso sistema Sulzer con paquetes de barrido (múltiples válvulas de láminas que abrían en el sentido de la corriente de aire), lo cual permitía obtener del desfase admisión-escape actuando sobre la admisión en vez del escape.

Paquetes de valvulas de láminas Sulzer, sistema mucho mas fiable, por estar expuestas al aire de admisión, impiden el retroceso de gases calientes por los conductos de aire de barrido, perimitiendo el paso de gases solo en una dirección, en sentido de los cilindros. Este sistema fue incorporado en las series siguiente RND, RLA, etc.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A finales de 1983 se rompe con la tradición de motores sin válvulas con la introducción de la serie RTA, con barrido uniflujo con válvulas en culata y turbocompresor a presión constante. Eran motores con carreras muy largas y diámetros de cilindro de 380 a 840 mm, aumentando a 960 mm a partir de 1994.

 

 En 1981 se ensayaron sistemas electrónicos para la inyección de combustible, los ensayos se iniciaron en un motor de investigación. Esto llevó en 1998 a la realización de un primer motor lento controlado electrónicamente para ensayos, demostrando las ventajas del control electrónico sin las limitaciones impuestas por la actuación mecánica de las bombas de inyección de combustible y de la bomba de actuación de la válvula de gases de escape.

En 1988 Sulzer empezó la fabricación de la serie de motores RTA-C con la introducción del modelo RTA84C como un motor diseñado para la próxima generación de grandes y rápidos portacontenedores. Este motor ofrecía una mayor potencia que el modelo anterior, el modelo RTA84 que a su vez ya había demostrado ser muy popular para la propulsión de grandes portacontenedores. El motor RTA84C, a su vez, fue aceptado por el mercado y se convirtió, durante algunos años, en el motor líder del mercado para la aplicación en grandes portacontenedores.

En marzo de 1990, el nombre de la compañía se cambió a Sulzer Diesel Ltd. En noviembre de 1990, la empresa pasó a denominarse New Sulzer Diesel Ltd (NSD) cuando fue vendido por Sulzer a grupos de construcción naval alemanes e italianos, con el Sulzer manteniendo una participación minoritaria. En abril de 1997, New Sulzer Diesel Ltd (NSD) fue totalmente asumida por Metra Corporation, que se fusionó con Wärtsilä Diesel para crear Wärtsilä NSD Corporation, que más tarde se convirtió en Wärtsilä Corporation New Sulzer Diesel Ltd, la cual pasó a denominarse Wärtsilä NSD Switzerland Ltd. La empresa suiza pasó a denominarse Wärtsilä Ltd Suiza en el año 2000.

En el año 2001 entro en servicio a bordo de un Bulk-Carrier el primer motor Sulzer controlado electrónicamente, tipo RT-flex58T-B, con inyección de combustible common rail.

Sulzer RT-Flex engine.Foto: Wartsilla.

En el año 2002, en el transcurso de los estudios iniciales para la realización de un nuevo motor, Wärtsilä y Mitsubishi Heavy Industries Ltd, Japón alcanzaron un acuerdo de cooperación para realizar conjuntamente el diseño de un motor con cigüeñal convencional, que para Wärtsilä fue el Sulzer RTA50. En base a este diseño Wärtsilä decidió también desarrollar un motor Sulzer RT-flex50 con sistemas common rail controlando electrónicamente la inyección de combustible y el control de las válvulas.

Sulzer RT-Flex, animación.

También se han tenido en cuenta los desafíos regulatorios, tales como los controles de las emisiones de gases nocivos y los niveles de ruido. Los motores de baja velocidad cumplen sin dificultad las actuales normas de emisión de NOx de la OMI pero los controles más estrictos requieren el tratamiento de los gases de exhaustación utilizando una reducción catalítica selectiva (SCR).

Los avances alcanzados últimamente en desarrollo de software para ordenador ha facilitado el diseño, desarrollo y prueba de las nuevas mejoras introducidas en los motores, pero éstos también se aprovechan del la utilización de hardware a escala total para evaluar las innovaciones introducidas  en los componentes y sistemas de los nuevos motores.

Sulzer mantiene la producción de motores diesel lentos con cigüeñal convencional de la serie RTA, además de los motores con control electrónico de la serie RT-flex introducidos en el mercado en el año 2001.

Actualmente Wärtsilä y Mitsubishi Heavy Industries Ltd (MHI) forman una alianza estratégica con el fin de ampliar su expansión en el mercado de los motores lentos.

En las imágenes siguientes pueden contemplarse algunos ejemplos de buques que iban propulsados por motores lentos Sulzer con barrido en lazo;