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Plantas propulsoras para buques |
GENERALIDADES RELATIVAS A LA DISPOSICIÓN DE LAS MÁQUINAS 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. (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). 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). |
Publicado el 2013-12-31 11:21:19 por Carlos Rodriguez | Abrir |
Motor Diesel Ayon | ||||||||||||||||||||||||
Es increíble como el paso del tiempo se lo traga todo, marcas de motores
diesel nacionales, en su momento muy populares en embarcaciones
pequeñas y medianas generalmente de madera, fueron progresivamente
desapareciendo y muchas veces es en algún museo cuando descubrimos su
existencia.
En esta ocasión el tema gira en torno a un motor diesel fabricado en Galicia, concretamente en Noya (en gallego y oficialmente Noia); el Motor diesel marino “Ayón”. Motor Ayón de 16 Hp. En la actualidad puede ser admirado en el Museo Naval de Ferrol Se
trata de un motor Diesel de cuatro tiempos de aspiración natural, de dos
cilindros, con una cilindrada total de 2.770 cm³ y que desarrolla una
potencia máxima de 16 Hp a 900 rpm. Cuenta con bomba de inyección de
combustible Bosh (independiente por cada cilindro), cámara de combustión
con antecámara, taques y válvulas exteriores, refrigeración forzada por
bomba de agua, encendido con precalentamiento de mecha, es decir para
facilitar el arranque, se introducía una mecha prendida que al contacto
con la inyección de combustible iniciaba la ignición. En la tabla
siguiente se recogen las características principales:
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. CURSOS DE FORMACIÓN RELACIONADOS:
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Publicado el 2019-05-16 19:13:50 por Carlos Rodriguez | Abrir | ||||||||||||||||||||||||
Máquina de hacer modelos de cascos de buques (W. Froude 1872) |
Este
modelo representa la máquina inventada por William Froude en 1872 para moldear,
a partir de un plano de formas, los modelos de casco en cera de parafina que
eran usados en sus experimentos pioneros en canal de experiencias. El modelo de
casco era modelado de forma adecuada por medio de un par de cortadores
rotativos simétricos, uno a cada lado, ajustando al valor correcto las líneas
de agua del casco en niveles sucesivos, para dar lugar al modelo de casco con
dimensiones precisas y ajustados a los valores del plano de formas. El acabado
final del modelo era realizado con rascadores de mano.
Máquina de hacer modelos de cascos de William Froude, fotografía realizada en Science Museum, Londres, 2012
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.
![]() Diversas fotos de W. Froude en el primer tanque de pruebas del Admirantazgo en Torquay Devon 1872. Imperial War Museum. London
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. |
Publicado el 2014-03-30 20:31:43 por Carlos Rodriguez | Abrir |
Primer buque propulsado por Turbinas de Gas, el Petrolero Auris |
La turbina de gas como máquina
propulsora principal fue experimentada por primera vez en el petrolero Auris de
12.250 dtw. Este buque había sido construido en 1948 con una planta de
propulsión diesel-eléctrica basada en cuatro diesel generadores Sulzer de media
velocidad y 1.100 bhp cada uno. La corriente eléctrica era suministrada a un
único motor eléctrico síncrono de 3.750 bhp acoplado a la línea de ejes de la
hélice.
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.
![]() Petrolero Auris, sala control máquinas (www.photoship.co.uk)
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 |
Publicado el 2013-12-31 11:30:17 por Carlos Rodriguez | Abrir |
Motores Marinos Sulzer, evolución e historia | |||||||||||||||||||
El fabricante Sulzer Brothers, de Suiza, fue una firma
especializada en motores marinos lentos de dos tiempos, tradicionalmente de
simple acción, turboalimentados y con barrido de lazo-transversal.
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.
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.
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.
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.
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. 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;
Fuentes: - Sulzer Technical Review 4/1974 - WOODYARD (Pounder's Marine Diesel Engines And Gas Turbines, 9Th Edition). - Scavenging of two-stroke cycle Diesel engines - Paul H. SCHWEITZER (1949). - WARTSILLA (http://www.wartsila.com/en/marine-solutions/overview). - El Portico de Astano - Fene.com CURSOS DE FORMACIÓN RELACIONADOS:
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Publicado el 2019-06-12 10:32:37 por C.G Rodriguez Vidal | Abrir | |||||||||||||||||||
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