Propulsión Naval
Propulsión de barcos
La función
primaria de cualquier motor marino o motor de planta es convertir la energía
química de un combustible en trabajo útil y usar ese trabajo en la propulsión
del barco. Una unidad de propulsión consta de la maquinaria, equipo, y
mandos que pueden ser mecánicos, eléctricos, o hidráulicos conectados a un
eje de propulsión. Después de leer este capítulo, tendrá una comprensión
básica de cómo la unidad de propulsión de un barco trabaja. Aprenderá sobre
los tres tipos principales de unidades de propulsión usadas en la marina.
Aprenderá también cómo se transmite poder de la unidad de propulsión a la
hélice del barco por el uso de engranes, ejes, y embragues
|
|
PRINCIPIOS DE
PROPULSIÓN DE BARCOS
Una embarcación se mueve por el agua propulsada por elementos, tales como
ruedas de paletas o hélices. Estos elementos imparten velocidad y movimiento de
la embarcación a una columna de agua en la dirección opuesta a la dirección en
la que se desea mover la embarcación. Una fuerza, llamada fuerza de reacción
(porque reacciona a la fuerza de la columna de agua) es desarrollada contra el
elemento de velocidad-impartida. Esta fuerza, también llamada empuje, se
transmite al barco y hace que la embarcación se mueva a través del agua.
La hélice marina es el elemento de propulsión usado en
casi todas las embarcaciones navales. El empuje desarrollado en la hélice se
transmite a la estructura del barco por el eje principal por la presión del
empuje desarrollado (ver Fig.). El eje principal se extiende del eje del
engrane de reducción principal a la reducción de la hélice. Se apoya en
alineación por los cojinetes de suspensión, los cojinetes de retención a popa y
los cojinetes de apoyo. El empuje, actuando en el eje de propulsión como un
resultado del efecto del empuje de la hélice, se transmite a la estructura de
la embarcación por el buje de empuje principal. En la mayoría de las
embarcaciones, se localiza al final del eje principal dentro de la caja de
reducción principal. En algunos grande barcos, sin embargo, el buje del eje
principal se localiza más lejos a popa en un espacio de maquinaria o en un
claro del eje.
El engrane de la reducción principal conecta al movedor primario (motor) al
eje. La función del reductor principal es reducir las altas revoluciones del
motor y dejar que la hélice opere a una velocidad más baja. En esta manera
ambos el motor y el eje de la hélice giran a su velocidad más eficiente.
Tetraedro principal :
Tetraedro Nº 1
¿Cómo se mueve un buque?
Todos los grandes buques se impulsan sobre las aguas
gracias al movimiento, en su parte posterior o popa, de las hélices, siendo dos
normalmente las que se utilizan en los barcos de cruceros. Las hélices son como
tornillos de rosca que giran continuamente en el mar, expulsando el agua a través
de sus palas inclinadas. La hélice es pus el elemento propulsor típico de los
buques. Su funcionamiento se basa en el fenómeno físico de la sustentación,
donde el movimiento de una pala de la hélice en un fluido, debido a la acción
del motor, genera un empuje en la pala que puede utilizarse para producir el
movimiento de avance del barco.
En los modernos buques de crucero, las hélices pueden tener un diametro de entre 4 y 6 metros, girando lentamente entre 100 y 150 revoluciones por minuto. Se necesita una potencia de unos 30.000 caballos para mover un gran buque de cruceros, utilizándose motores diesel para generar ese trabajo
¿Qué partes conforman este
sistema?
El sistema de propulsión mecánica formado por
motor-eje-hélice es el más utilizado en los buques de mayor tonelaje. Cuando se
analiza la maniobrabilidad de un buque lo primero a tener en cuenta, junto con
el número y tamaño de las hélices y timones, son la potencia y el tipo de motor
utilizado. A igualdad de factores cuanto mayor sea la potencia de maquinas de
un buque, tanto mas fácil resultar maniobrarlo.
Actualmente
existen diferentes tipos de sistemas de propulsión, así como
aplicaciones. Se han hecho muchas investigaciones para tratar de obtener
el sistema más eficiente y poder bajar los costos de operación (consumo de
combustible) sin sacrificar el desempeño o vida de la
embarcación, intentos de diseños radicales se han hecho sin obtener
resultados, pero algunos otros han tenido éxito y han ido ganando popularidad
conforme el campo marino se da la oportunidad de probar alguno de ellos, de
cualquier manera, algunos de los diseños clásicos también han cambiado y aquí
se mencionan los más comunes:
|
·
Hélices de paso fijo
·
Hélices de paso variables
·
Hélices de paso controlable
·
Sistemas de tobera
·
Azimutales
·
Water jets
Estos son
solo algunos ejemplos de ellos para que el lector conozca las ventajas de
cada equipo.
Todos
ellos tienen aplicaciones en común y estas son algunas de sus
características:
|
Pero una buena capacidad de maniobra de un
buque depende principalmente de la velocidad mínima a la que pueden girar las
hélices tanto en marcha avante como atrás, así como también los tiempos muertos
que puedan existir debidos a la transmisión y ejecución de órdenes impartidas a
las máquinas. En este sentido una orden de cambio de revoluciones de avante a
atrás o viceversa no es inmediato y los modernos sistemas de propulsión
intentan minimizarlos al mínimo. Los motores diesel disponen de la misma
potencia avante que atrás, pudiéndose parar o invertir el sentido de la
propulsión casi inmediatamente (rápida respuesta a las órdenes impartidas) con
revoluciones normales del eje.
En los últimos años se ha ido extendiendo
cada vez más el uso de hélices de paso variable. Es un sistema donde las palas
de las hélices pueden ser orientadas a voluntad. Estas hélices permiten
invertir el empuje que proporcionan al buque sin necesidad de cambiar el
sentido de giro del eje propulsor. Las palas están instaladas de modo tal que
pueden ser rotadas sobre s mismas mediante un mecanismo hidráulico especial,
girando alrededor de un eje que está montado sobre el núcleo de la hélice. Este
tipo de hélice constituye un eficiente medio de propulsión y da mayor facilidad
y rapidez de maniobra al evitar tener que parar los ejes para dar marcha atrás.
¿En donde se encuentra
ubicado?
Estos Sistemas de propulsión deben ubicarse en posiciones que
asegure el rápido y fácil desplazamiento de una embarcación o gabarra de
trabajo desde una posición a la próxima y que den respuestas inmediatas a
situaciones de vientos, oleajes y corrientes. Además deben situar una áreas que
no interfiera con la tubería que se esta tendiendo, esto quiere decir que su
energía no ataque la tubería y pueda causar daños como dobleces a consecuencia
de los túneles de corrientes generados por los propela o thruster.
El sistema no debe interferir con el equipo de tendido y no
reducir el área disponible de cubierta en la embarcación, debe ser retráctil
para operar en bajas profundidades o permitir cambios de propelas o
reparaciones en su parte inferior.
La posición de los mismos debe ser orientada a que no interfiera
en maniobras de atraque en muelles y ocupe grandes áreas estorbando otras
embarcaciones.
El diseño debe estar orientado a la capacidad de no varar la
gabarra por reparaciones como por ejemplo cambios de propelas.
¿Cómo se inicio la
propulsión naval?
Es un misterio cómo y cuándo fue botada la primera embarcación, ni
si lo fue desde la orilla de un río, un lago o una playa marina. Muchos estudiosos
creen que embarcaciones de tipos diferentes aparecieron en todas las partes del
mundo, sin relación entre sí, pero en forma más o menos simultánea. Pudiendo
abarcar, el concepto de simultaneidad,
lapsos de varios siglos. En el Pacífico sur, en las costas de los países
nórdicos, en el Mediterráneo y en las playas africanas; en todos los parajes
donde el hombre ha vivido junto a aguas navegables, ha intentado siempre
construir barcos.
Las cañas y los juncos han sido durante varios milenios los
principales materiales utilizados para construir embarcaciones, desde las
egipcias del Nilo hasta cierto tipo de botes utilizados actualmente en los
mares costeros del Perú y en el lago Titicaca.
Se puede discutir si el primer barco fue una piragua excavada en
un tronco como el de la figura o un bote
constituido por una armazón recubierta de cortezas de árbol o de pieles de
animales. Es posible pensar que ambas formas de embarcaciones se desarrollaron
al mismo tiempo, y que prevaleció una u otra según el material disponible.
Las primeras construcciones flotantes con que los hombres se
lanzaron al mar eran impulsadas y movidas con los sistemas más sencillos: manos
y pies, tablas planas (precursoras de los futuros remos y paletas) e incluso
largas pértigas con las cuales se tomaba impulso apoyándolas sobre el fondo de
las aguas tranquilas. En cuanto a los tipos de embarcaciones de una sola pieza,
en otras partes del mundo se recurrió a construirlas cada vez con mayor calado,
de modo que una parte considerable del buque se hallara bajo el agua, y su
centro de gravedad descendiera hasta el máximo posible. Cuando se comprobó que
la fuerza del viento no sólo no era peligrosa, sino que incluso podía ser
aprovechada, surgieron las primeras velas: probablemente hojas de palmera o
simples esteras. Piragua en la costa occidental de África.
Un antiguo documento de la historia de la navegación muestra el
extraordinario grado de desarrollo alcanzado por la técnica de la construcción
naval en la cuenca del Mediterráneo mil quinientos años antes de nuestra era. A
la vez, da cuenta de un asombroso y dilatado viaje de exploración: se trata de un
relieve en piedra existente en el templo de Karnak, y que se remonta a la reina
egipcia Hatshepsut (1511-1492 a.C.). El viaje, se realizó desde el extremo
norte del mar Rojo hasta la actual Etiopía o, posiblemente más lejos aún, hasta
la Tierra de Punt (la actual Somalia).
La era de los grandes descubrimientos llegó a su fin antes de que
los barcos de vela perdieran su primacía. Pero hacía ya tiempo que se habían
realizado descubrimientos e invenciones en otros campos distintos al de la
geografía, que habían de tener para la navegación mucha mayor trascendencia de
lo que nadie pudo al principio sospechar.
Se descubrieron fenómenos tan importantes como la fuerza expansiva
del vapor y la acción recíproca de la corriente eléctrica y del magnetismo. El
hombre reconoció las posibilidades latentes en estas fuerzas y, con ayuda de su
intelecto, ahora rigurosamente lógico y sistemático, erigió en menos de ciento
cincuenta años un colosal imperio tecnológico.
El origen de la navegación a vapor ha sido objeto de valoraciones
muy dispares que hacen muy confusa y farragosa esta importante parte de la
historia marítima. Blasco de Garay, Denis Papin y Jonathan Hulls, son los tres
personajes para los que se ha reclamado la primacía en la invención.
El primero que aplicó el vapor a la navegación fue el francés
Claude François Jouffroy d’Abans (1751-1832). En 1776 construyó un barco
provisto de una máquina de simple efecto, que accionaba una serie de remos con
aletas móviles que imitaban el movimiento de las palmípedas.
En 1780 sustituyó los remos por ruedas de álabes y utilizó un
barco de mayores dimensiones (46 m. de eslora), construido en Lyon y al que
llamó piróscafo. Con él remontó el curso
del Sena en presencia de los miembros de la academia de Lyon.
Hacia 1770 el ingeniero escocés James Watt había construido la
primera máquina de vapor utilizable. Desde entonces otras mentes ingeniosas,
entre ellas la del estadounidense Robert Foulton, se propusieron aplicar este
mecanismo en los barcos, de manera que el movimiento giratorio, generado de un
modo tan revolucionario, pudiera emplearse como fuerza de propulsión en el
agua. Inmediatamente se cayó en la cuenta de que bastaba con invertir el
principio de las ruedas de paletas existentes en los molinos de agua: un
cigüeñal accionado por vapor haría girar dos ruedas de paletas adosadas a ambos
costados del barco, con lo que éste resultaría poderosamente impulsado hacia
delante.
La máquina de vapor también estuvo llamada a sustituir a la vela
en los buques. Aún así la navegación a vela, dominada por la técnica americana,
experimentó su apogeo a mediados del siglo
XIX. Fue la época de los clippers.
En 1802, Symington probó el primer barco de ruedas, con casco de
madera rentable. Se trató del buque Charlote-Dundas que se probó en el canal
escocés de Forth-Clyde. La máquina iba situada en el centro y accionaba las
ruedas de paletas posicionadas a babor y estribor.
En 1806 Robert Foulton marchó a América y con ayuda de Livingstone
construyó el Clermont, que en 1807
enlazó New York con Albany, navegando por el río Hudson a la
velocidad de 5 millas por hora. Iba dotado de una máquina de vapor de Boulton y
Watt de 20 CV.
En 1817 el Caledonia equipado con dos máquinas de 32 CV,
construidas por Watt, atravesó el mar del Norte y remontó el Rhin.
Las primeras pruebas con barcos de esta clase se realizaron,
naturalmente, en ríos tranquilos. En 1818 se instaló en la fragata
estadounidense Savannah, figura 1.6., de
30 metros de eslora, una máquina auxiliar de vapor de 90 caballos de fuerza que
debía complementar el velamen. Se agregaron cabinas para 32 pasajeros y, tras
largas pruebas, se emprendió la travesía del océano hasta Liverpool .
En
el principio del siglo XX los navíos movidos por ruedas de paletas estaban
completamente desfasados. La hélice sustituyó a la rueda debido a su gran
eficiencia, reducido tamaño, reducida complejidad en el sistema de transmisión
y el hecho de ser menos susceptible a dañarse, especialmente se usaba en barcos
de guerra. Los proyectos iniciales se basaban en el diseño del tornillo común,
de ahí su nombre. Más tarde las hélices consistían en dos palas que de perfil
tenían el tamaño equivalente al de una rotación de un tornillo correspondiente
en diámetro (de ahí la designación de paso de hélice). Este diseño era el más
común, pero los inventores experimentaron diferentes tamaños de perfil y varias
palas. El diseño de la hélice se estabilizó alrededor de 1880.
El desarrollo de la marina mercante, y
junto a ella la de guerra, también ha sido espectacular en el siglo XX. El
casco de acero permitirá hacer barcos cada vez más grandes, y el desarrollo del
motor de combustión y la hélice permite el transporte de grandes cantidades de
producto a largas distancias. La marina mercante se desarrolla enormemente,
hasta los grandes superpetroleros.
Los grandes barcos aparecieron tras la
utilización del motor de combustión Diesel, ya que liberó a los buques de una
parte muy importante de la carga que era ocupada por el carbón. Los barcos de
pasajeros actuales, y los mercantes, son capaces de atravesar el Atlántico en
pocos días. En recorridos cortos se utilizan los hovercrafts, más rápidos pero
de menor autonomía. Pero donde más importancia tiene la marina es en el
transporte de grandes volúmenes y pesos de mercancías.
Actualmente las hélices son movidas
por motores de combustión o turbinas. El acoplamiento de la hélice al motor
puede ser directo o bien mediante mecanismos reductores.
Las hélices se clasifican básicamente
en hélices de paso fijo y hélices de paso variable.
Como su propio nombre indica, una
hélice de paso fijo es aquella cuyo paso es único y no es modificable por
mecanismo alguno.
Este tipo de hélice compensa su falta de
eficacia con una gran sencillez de funcionamiento. Las hélices con paso
variable y reversible son hélices de tornillo en que las aspas se han montado
separadamente en el cubo, cada una sobre un eje, y en las cuales el paso puede
cambiarse y aún invertir, mientras la hélice está girando. El paso se cambia
por medio de un mecanismo interno, que consiste esencialmente en unos
actuadores hidráulicos, situados en el cubo de la hélice y que actúan sobre
unas crucetas. Son mejores para los vehículos que operan en condiciones
variables, como remolcadores, barcos pesqueros, transbordadores, buscaminas y
lanchas de desembarco. El empleo de las hélices de paso variable elimina los
mecanismos de reversa de los motores de movimiento alterno y de las turbinas de
marcha atrás en los vehículos que tienen este sistema de propulsión, y son muy
importantes en las instalaciones de turbinas de gas.
El requisito básico de operación para
los sistemas principales de propulsión, es impulsar el vehículo con la
velocidad constante necesaria, durante y a la distancia que se requiere, y
tener la capacidad de maniobra adecuada. Para ello, se integra el generador de
potencia, el sistema de transmisión, el propulsor y otros sistemas a bordo, con
el casco del barco. La figura 1.8., muestra varias alternativas de sistemas de
propulsión con hélices de paso fijo y de paso variable.
En los barcos modernos sólo los
motores Diesel de baja velocidad y gran diámetro de los pistones se conectan
directamente con la flecha de la hélice. Para convertir las relativamente altas
de un motor económico compacto a las rpm relativamente bajas necesarias en la
hélice para un alto rendimiento de la propulsión, se necesitan sistemas de
transmisión mecánicos, como trenes de engranajes de reducción o eléctricos,
como las transmisiones generador-motor. En los casos de turbinas de vapor,
motores Diesel de media o alta velocidad, y turbinas de gas, se emplean
transmisiones con reducciones de engranajes.
las
palas están interconectadas por engranajes de tal forma, que cada una realiza
media revolución alrededor de su eje por cada revolución del disco. En el
sistema Voith-Schneider, figura 1.9., las palas realizan una revolución
completa alrededor de su propio eje por cada revolución del disco. Para
transmitir la potencia desde la flecha horizontal al disco se emplea un
engranaje cónico. Esto impone limitaciones a la potencia máxima que puede
transmitirse; pero, aunque el propulsor es 30 o 40% menos eficiente que las
hélices de tornillo, tiene ventajas de maniobrabilidad. Los propulsores de este
tipo también se han usado en la proa, para ayudar en las maniobras.
Existen, además, otros sistemas de
empuje entre los que destacan los siguientes: Chorros de agua. Este
método consiste en un impulsor o bomba colocada dentro del casco, que toma agua
del exterior, la acelera y la descarga con alta velocidad por la popa.
Es un mecanismo de reacción semejante
a la hélice; sin embargo, las partes móviles se encuentran dentro del casco, lo
cual es deseable para la operación en aguas de poco calado. El rendimiento
total es menor que con las hélices de un diámetro igual que el del orificio del
chorro, debido principalmente a las pérdidas en los tubos de entrada. Otra
desventaja es la pérdida de volumen en los ductos y el impulsor, y el peligro
de atascamiento con basura en el impulsor. Los chorros de agua se emplean en
general en hidroplanos y vehículos de superficie.
En este sistema el impulsor rotativo
está fuera del casco y tiene guías fijas adelante o atrás, y la unidad completa
se encuentra dentro de un ducto o una cubierta alargada en forma de anillo. El
diámetro del ducto aumenta desde la entrada hasta el impulsor, de tal forma que
la velocidad disminuye y la presión aumenta. Por lo tanto el diámetro del
impulsor es mayor, la carga es menor y el rendimiento es mayor. La incidencia
de cavitación y ruido se retrasa. Sin embargo, las resistencias en el ducto
representan una pérdida.
Toberas Kort. En este sistema la
hélice de tornillo opera dentro de una tobera o anillo unido al fondo del
casco. Las secciones longitudinales tienen forma aerodinámica y la longitud de
la tobera es, en general, la mitad de su diámetro. A diferencia de la cubierta
anular del sistema de bomba y chorro, la entrada de la tobera Kort es mucho
mayor que la sección de la hélice, con lo cual el gasto de agua es mucho mayor
que en hélices abiertas, y se logra mayor empuje. Debido a la aceleración del
agua en el interior la tobera, la presión interna es menor y, por tanto, se presenta
un empuje hacia adelante en la tobera y en el casco. La mayor ventaja se obtiene
con remolcadores que comienzan a moverse desde una posición de reposo. La
velocidad de giro libre es en general, menor con la tobera que sin ella. En
algunos remolcadores y barcos de río, la tobera completa se encuentra pivoteada
y se emplea con un mecanismo de dirección muy eficiente.
Pueden montarse dos o más hélices en
una misma flecha, con lo cual se divide el factor de carga aumentada cuando el
diámetro de una hélice está restringido. Las hélices que giran en la misma
dirección se llaman hélices de tándem, y las que giran en direcciones opuestas,
contrarrotativas. La energía de rotación de las hélices en tándem aumenta de
una hélice a la siguiente. Las hélices contrarrotativas, están montadas en
flechas coaxiales, que giran en sentidos contrarios, de tal forma que la hélice
posterior recupera la energía de rotación de la que está adelante.
La hélice posterior es de diámetro
menor para ajustarse a las líneas de corriente y tiene un paso adecuado para
lograr la absorción de potencia. Estas hélices se han utilizado durante años en
torpedos, para evitar la rotación del cuerpo de los mismos. Hidrodinámicamente,
las ventajas de las hélices contrarrotativas son un rendimiento propulsivo
mayor, mejores características de vibración y una frecuencia mayor de las
aspas. Las desventajas, son, principalmente, el sistema complicado de
engranajes, las flechas coaxiales y los problemas de sellado.
Cuando la parte posterior de una hélice
presenta cavitación en toda su área, al aumentar las rpm no se reduce la
presión en la parte posterior, pero la de la cara continúa aumentando y hace
que el empuje total crezca con una relación menor que antes que empezara la
cavitación. La ventaja de las hélices con cavitación total es la ausencia de
erosión en la parte posterior y una vibración menor.
Aunque las características de tales
hélices se han determinado por medio de pruebas y tanteos, se han utilizado
bastante en lanchas motoras de carreras. El diseño de la sección de la pala
debe asegurar una separación limpia del flujo en los bordes de entrada y
salida, y proporcionar relaciones de empuje-resistencia de alta eficiencia.
Introduciendo aire en la parte posterior de las aspas, hélices ventiladas,
se logra la cavitación completa con velocidades menores.
Hélices parcialmente
sumergidas.
La resistencia presentada por las hélices de vehículos de alta velocida, como
lanchas planeadoras, hidroplanos y naves de efecto superficie, condujo al
desarrollo de las hélices parcialmente sumergidas. Aunque todavía faltan por resolver
muchos problemas de vibración y resistencia, debido a las cargas cíclicas sobre
las aspas al entrar y salir del agua, se ha demostrado que los rendimientos,
cuando la hélice está parcialmente sumergida, son semejantes a los de la
operación con la hélice totalmente sumergida y sin cavitación. Los rendimientos
de estas hélices pueden considerarse dentro de un amplio rango de
posibilidades.
Motores de gasolina
fuera de borda.
Los motores fuera de borda de a combinan la dirección y la propulsión y son muy
populares por su uso en lanchas pequeñas de recreo. Las unidades de alta
potencia llegan a para motores Diesel de uso comercial.
La turbina de vapor
Cabe preguntarse por las causas que
contribuyeron a que la máquina de vapor de cilindro triunfase en principio
sobre la turbina, a pesar de ser ésta históricamente anterior. La explicación
se encuentra en las condiciones técnicas de construcción. Una turbina de vapor
exige ajustar sus diversos órganos a la décima del milímetro mientras que Watt estimaba
que podría considerarse satisfecho si el ajuste entre el cilindro y el émbolo,
de su máquina de vapor, llegaba a tener un juego no superior a un milímetro.
El ingeniero sueco Gustaf de Laval
(1845-1913) creó como subproducto de su desnatador centrífugo, por la necesidad
de encontrar un accionamiento de gran velocidad para el mismo, la turbina de
vapor de acción, de un solo escalonamiento, llamada turbina de Laval. Esta
turbina estuvo constituida por un disco único, cuyo diámetro fue de y que
giraba a la fantástica velocidad de . El vapor proyectado sobre sus álabes por
una serie de toberas fijas, alrededor de la rueda, llegaba completamente
expansionado. Dada la velocidad de la turbina, su eje vibraba y fue preciso
construirlo flexible, para permitir que llegase sin rotura a su velocidad
crítica.
En
1884, el ingeniero inglés Charles Parsons (1854-1931) quien buscaba un motor
marino apropiado, desarrolló una turbina de vapor de reacción de varios
escalonamientos. La primera turbina de reacción que giraba a razón de y
desarrollaba una potencia superior a , dividía la expansión del vapor en varias
fases, obteniendo mayor eficacia que la máquina de vapor. En lo esencial la
turbina constaba de un rotor, compuesto de una serie de discos sobre un eje
común, los cuales disponían de paletas que alternaban en toda su superficie. A
través de éstas escapaba el vapor a la vez que movía el disco. El vapor
empujaba el disco siguiente, como resultado de su impacto sobre las paletas de
un anillo que se ajustaba al disco. De esta forma los rotores se movían
alternativamente por acción y reacción. El éxito de la combinación de los dos
principios se evidenció en 1891, cuando Parsons construyó una turbina de
accionamiento de un generador eléctrico.
Con ocasión de la
revista naval británica realizada en Spithead en 1897, un barco de 30m de
eslora cruzó entre los buques de guerra y sus asombradas tripulaciones,
levantando tanta espuma y a una velocidad tan increíble (35 nudos ) que los
entendidos comprendieron inmediatamente la trascendencia del acontecimiento.
Era el Turbinia de la figura 1.10., barco experimental impulsado,
con su nombre revela, por una turbina de vapor.
El ingeniero de minas francés Râteau
(1863-1930), centró sus estudios en los fluidos, considerando a estos como
fuerzas motrices, y sobre las máquinas en las que actúan, a las que denominó
turbomáquinas.
En la exposición universal de 1900 en
París, presentó una turbina de vapor de varias etapas, permitiendo, de esta
manera, una disminución de la velocidad de la turbina sin pérdida de potencia.
También por entonces el estadounidense
Curtis, que en 1895 obtuvo una patente de una turbina que combinaba ruedas de
álabes fijos y móviles, proyectó construir una turbina de 5000w. En la turbina
de Curtis, el vapor, una vez accionados los álabes móviles, fluía sobre unas
paletas fijas llamadas directrices en las que modificaba su dirección antes de
incidir sobre la siguiente corona de álabes móviles.
Entre
1903 y 1905 el transbordador Queen y los buques Victorian, Virginian
y Cameria, fueron equipados con turbinas de vapor de 7.500, 12.000 y
21.000 C.V que abrieron la generación de los buques impulsados por turbinas.
El motor alternativo
de combustión interna
En los motores de pistón de vacío la
carrera motriz del émbolo se debía a la disminución de la presión de la carga
por debajo de la presión atmosférica como consecuencia de su enfriamiento.
En
1854, los italianos E. Bassanti y C.F. Matteucci, solicitaron patente en
Inglaterra sobre el método de Obtención de potencia motriz mediante
explosión de gases. Se basaron en un pistón de vacío y cremallera que
engranaba en el descenso. El motor estaba compuesto de dos pistones y dos
cilindros en paralelo en tiempos opuestos. Se alimentaba de hidrógeno
produciéndose el encendido por chispa, que daba lugar a la proyección del
pistón hacia arriba. La gravedad y la depresión causada por la expansión
provocaban el descenso del pistón.
La
muerte de Bassanti interrumpió el proyecto de fabricación. Su idea consiguieron
explotarla Nickolaus A. Otto y E. Langen, quienes introdujeron un volante de
inercia, para ejecutar la carrera ascendente e introducir una nueva carga. Este
motor proporcionaba 1/2CV a 80 rpm; se llegaron a fabricar unos 5000 y dominó
el mercado hasta la aparición del motor Otto de cuatro tiempos
El
16 de enero de 1862, Alphonse Beau de Rochas (1815-1893), ingeniero francés,
registró una patente sobre el ciclo que regulaba las condiciones de la
transformación en energía mecánica de la energía térmica, obtenida de la
inflamación de una mezcla aire-gas en cámara cerrada.
En
1876, Nickolaus Otto (1832-1891) construyó el primer motor de gran velocidad de
régimen que funcionó según el ciclo de Rochas. El llamado Silent Otto se
construyó en la Gasmotorenfabrik Deutz AG de Köln, e iba provisto de un
regulador centrífugo para limitar la velocidad máxima y una distribución por
válvulas laterales. Constaba de un solo cilindro montado horizontalmente con un
diámetro de 161mm y una carrera de 300mm La presión al fin de la compresión era
de 2.36atm, la potencia efectiva de 3CV, el régimen de velocidad 185 rpm y
consumía gas (0´95m3N/CV h)
En
la memoria “Teoría y construcción de un motor térmico racional, destinado a
sustituir a la máquina de vapor y a los demás motores conocidos actualmente (1893)”,
Diesel concentró en noventa y seis páginas sus estudios y trabajos. Patentó su
primer motor en 1892, pero cuando trató de echarlo a andar, explotó.
En
1897, fabricó un motor práctico de un cilindro capaz de desarrollar 25 CV . En
este motor, el combustible experimentaba un autoencendido, prescindiendo de
instalación eléctrica y no necesitando carburador.
Era
un motor de cuatro tiempos. En el primer tiempo, de desplazamiento descendente
del émbolo, sólo absorbía aire fresco. En el segundo, ascendente del émbolo,
comprimía dicho aire hasta temperaturas comprendidas entre 700 y 900 ºC . Se
inyectaba entonces el combustible altamente inflamable que se encendía
inmediatamente, empujando el émbolo hacia abajo, en su tercer tiempo, y
realizándose un trabajo motriz. En el cuarto tiempo, el émbolo ascendía
expulsando los gases
El
primer motor comercial Diesel entró en servicio un año después en San Luis
(Missouri). Se trató de un motor de dos cilindros y 60 CV.
La idea de realizar el proceso de Beau
de Rochas en dos tiempos permite aumentar la potencia por cilindrada; en la
consecución de dicho objetivo cabe citar los trabajos de Robson, Clerk, Benz y
Day.
El monje escocés Robert Stirling
(1790-1878), construyó en 1816, un motor de aire caliente con ignición externa,
que funcionó muy bien. Su diseño sirvió a diversos constructores de motores a
partir de 1818 [33].
El
funcionamiento del motor diesel era tan perfecto que, pasados unos cuantos
años, pudo experimentarse también en barcos. En 1910 se instaló en el buque
cisterna Vulkanus, que medía 60m de eslora, un motor diesel con seis
cilindros que desarrollaba 50 hp . Se trataba de la primera prueba de un motor
de este tipo aplicado a la navegación; no obstante cuando el barco fue
desguazado en 1931, después de veinte años de servicio en los trópicos, el
motor estaba indudablemente viejo, pero funcionaba sin dificultad.
La turbina de gas
La turbina de gas con respecto a los
motores de combustión interna ha sido lo que las turbinas de vapor con respecto
a las máquinas alternativas de vapor.
Ya Leonardo da Vinci realizó diseños con este motor para diversas aplicaciones y, en 1791, el inglés John Barber ideó una turbina para ser accionada por los productos de la combustión, que no llegaría a realizar, aunque sí a patentar.
Fue el constructor británico Whitte,
el que en 1928 patenta y en 1937 prueba el primer turborreactor de aviación,
que fue impulsado por reacción. Estaba formado por compresor, cámara de
combustión en la que quemaba keroseno, turbina de accionamiento del compresor y
tobera de salida de los gases.
Una turbina de gas más evolucionada,
desarrollada inicialmente por Rolls Royce para aviones comerciales, fue
adaptada al principio de los años setenta del siglo pasado para la marina de
guerra británica. En ella, el compresor está dividido en dos partes. La de BP,
a la izquierda, con nueve etapas, está movida por la rueda de MP de la turbina.
Y la de AP, de seis etapas, lo está por la rueda de AP de la turbina. La
turbina o rueda de BP, separada de las otras, mueve la hélice .
Una
turbina de General Electric, de 27.200 , fue ensayada a partir de 1967 en uno
de los ejes del transporte estadounidense Adm. Wm W Callaghan, que fue,
probablemente, el primer barco mercante construido para ser propulsado por esta
clase de máquina. Tiene ésta dos ejes, con un compresor de 16 etapas con
paletas fijas orientables y una presión de descarga de 17 bar. Como la
temperatura máxima es de 1.180 ºC, las paletas de la turbina de AP están
refrigeradas. Su consumos es de 175g/CV/ h. Pero lo interesante en el presente
contexto es que, habiendo tenido resultados muy satisfactorios, fue escogida,
ya en 1977, por la marina norteamericana para más de 150 barcos de guerra.
La
primera turbina de gas fue instalada en un barco que llevaba motores. Era un
barco pequeño. En los grandes, que estaban propulsados por vapor, se añadió a
esa planta la turbina de gas para navegar a mayor velocidad. Para lo que es
particularmente apropiada, por ponerse muy rápidamente en servicio (90 s, desde
la máquina parada y fría hasta estar a plena potencia, en la LM 2500) y ser
fácilmente manejable a distancia.
Una
turbina de vapor, que en un momento dado puede reforzarse con una de gas, es
una instalación COSAG; y si hay un motor Diesel para marcha de crucero, pero
sólo la turbina de gas está funcionando a Toda Fuerza, se trata de una
CODOG.
A
pesar de que en relativamente poco tiempo su consumo específico había
disminuido a poco más de un tercio del que tenían las primeras turbinas,
seguían quemando más combustible que los motores Diesel.
La propulsión
eléctrica
La propulsión eléctrica es un área
emergente a la que concurren diferentes áreas de conocimiento. Las soluciones
más satisfactorias para buques propulsados eléctricamente se hallarán en
escenarios en los que la arquitectura naval, la ingeniería hidrodinámica y de
propulsión y, por último, la ingeniería eléctrica, cooperen bajo
consideraciones constructivas, operacionales y económicas. El diseño y
compromisos optimizados habrán de ser alcanzados con un lenguaje conceptual
común y con un entendimiento mutuo de las distintas materias.
El concepto de propulsión eléctrica no
es nuevo, ya que la idea se originó hace más de 100 años. Sin embargo, con la
posibilidad de controlar los motores eléctricos con velocidad variable dentro
de un amplio rango de potencias, todo ello con compacidad, fiabilidad y costo
competitivo, el uso de la propulsión eléctrica se extendió a nuevas áreas de
aplicación durante los años 80 y 90 del siglo XX.
Actualmente, la propulsión eléctrica
es aplicada, principalmente, en los siguientes tipos de buque: cruceros,
ferrys, cableros, instaladores de tubos submarinos, buques perforadores con DP,
buques de asistencia de instalaciones de producción flotantes amarradas,
petroleros lanzadera, rompehielos, buques de suministro y buques de guerra.
Posteriormente
a las aplicaciones experimentales de la propulsión eléctrica alimentada por
batería a finales del siglo IXX que tuvieron lugar en Rusia y Alemania, la
primera generación de propulsión eléctrica fue puesta en uso en 1920, como
resultado de la competencia existente al objeto de reducir el tiempo requerido
por los buques de pasajeros para cruzar el Atlántico. El S/S Normandie era
uno de los más renombrados. Los turbogeneradores de vapor proporcionaban la
energía eléctrica necesaria para alimentar los motores eléctricos síncronos de
29 MW en cada uno de los cuatro ejes de hélice.
Con la introducción de motores diesel
más eficientes y favorables económicamente a mediados del siglo XX, la
tecnología de las turbinas de vapor y la propulsión eléctrica desaparecieron en
gran medida de los buques de la marina mercante hasta 1980.
El
desarrollo de los variadores eléctricos de velocidad, inicialmente con el
rectificador AC/DC (usando tiristores o Silicon Controlled Rectifier-SCR)
en 1970 y los convertidores AC/AC a inicios de 1980, posibilitó el desarrollo
de la planta eléctrica basada en el sistema de propulsión eléctrica, el cual es
típico para la propulsión eléctrica de segunda generación.
La
propulsión POD fue introducida a principios de los 90 el siglo pasado, cuando
el motor eléctrico es instalado directamente en el eje de una hélice de paso
fijo, en un POD sumergido y con giro azimutal. Mientras que este concepto fue
originalmente desarrollado para realzar el funcionamiento de los rompehielos,
rápidamente se demostró que proporcionaba beneficios en la maniobrabilidad y en
la eficiencia hidrodinámica. Después de la primera aplicación en un buque
crucero, el M/S Elation, las ventajas fueron tan convincentes que la
propulsión POD casi se convirtió en un elemento estándar en los nuevos buques
cruceros.
Los buques atómicos
En
1938 el alemán Otto Hahn logró por vez primera, mediante un bombardeo de
neutrones, escindir el núcleo del átomo de uranio y liberar la energía atómica.
Se abría así una nueva etapa que terminaría revolucionando, por tercera vez (la
turbina vapor y el motor de combustión interna son las otras dos) en menos de
medio siglo, el sistema de propulsión de los barcos. Desde entonces continúa en
aumento el número de reactores en los que se obtiene, para ser utilizada con
fines pacíficos, la misma energía que desarrolla la bomba atómica.
Pero
el futuro continúa siendo una incógnita, especialmente porque la propulsión
atómica sólo es rentable en barcos de grandes dimensiones, que todavía no
necesita la marina mercante. Incluso los mayores superpetroleros hasta ahora
construidos, con más de 500.000ton de capacidad de carga, necesitan menos de
50.000 HP. Precisamente a partir de este límite de eficiencia el reactor
comienza a desarrollar todas sus posibilidades.
Los primeros y más satisfactorios de
los esfuerzos para desarrollar la potencia nuclear en la propulsión de barcos
fueron realizados por la AEC y por la armada de Estados Unidos. La armada de
Estados Unidos botó el USN Nautilus en el año 1954, seguido por alrededor
de otros cien submarinos de operación nuclear y por cuatro barcos de operación
de superficie. También Inglaterra, Rusia y Francia, han puesto en operación
submarinos nucleares.
¿Cómo funciona el Sistema
de propulsión?
Maquina primarias
Toda máquina necesita una energía para su funcionamiento y esta energía se obtiene de los combustibles, combustible que puede ser de origen fósil o nucleares y ha de disponer de un medio de transformar la energía calorífica del combustible en energía mecánica.
Si el combustible es fósil, como ocurre en la inmensa mayoría de las aplicaciones, dicha transformación puede hacerse de una de las formas siguientes:
a) Quemándolo en un recipiente –la caldera- en donde la energía calorífica se transfiere al agua que contiene para generar vapor, el cual, a su vez, actuando sobre la máquina adecuada, una turbina de vapor, produce el trabajo mecánico para accionar el propulsor.
Toda máquina necesita una energía para su funcionamiento y esta energía se obtiene de los combustibles, combustible que puede ser de origen fósil o nucleares y ha de disponer de un medio de transformar la energía calorífica del combustible en energía mecánica.
Si el combustible es fósil, como ocurre en la inmensa mayoría de las aplicaciones, dicha transformación puede hacerse de una de las formas siguientes:
a) Quemándolo en un recipiente –la caldera- en donde la energía calorífica se transfiere al agua que contiene para generar vapor, el cual, a su vez, actuando sobre la máquina adecuada, una turbina de vapor, produce el trabajo mecánico para accionar el propulsor.
b) Quemándolo directamente en el interior de la propia máquina que desarrolla el trabajo mecánico, caso de los motores, y de ahí su nombre de máquinas de combustión interna.
c) Quemándolo directamente en una zona o cuerpo de una máquina y aprovechando el flujo de gases para mover una turbina –que forma parte de la misma máquina- y es la que efectúa el trabajo mecánico. Es el caso de las turbinas de de gas.
Tipos de propulsión
De la combinación de los elementos señalados en el punto anterior podemos ya esquematizar los tipos de instalación más usuales que son:
Propulsión a vapor (combustible fósil)
De la combinación de los elementos señalados en el punto anterior podemos ya esquematizar los tipos de instalación más usuales que son:
Propulsión a vapor (combustible fósil)
- Generación del vapor : Calderas
de tubos de agua, con o sin circulación forzada o con hogar presurizado.
- Máquina propulsora: Turbinas de vapor Propulsión Turbo-eléctrica
Propulsión por máquinas de combustión
- Máquina propulsora: Turbinas de vapor Propulsión Turbo-eléctrica
Propulsión por máquinas de combustión
Interna:
- Motores diésel de dos o cuatro tiempos :
Lentos directamente acoplados
Semirrápidos y rápidos engranados
Disposición diésel eléctrica
Ocasionalmente se utilizan también motores de explosión como por ejemplo en embarcaciones deportivas.
Propulsión por Turbinas de Gas:
- Motores diésel de dos o cuatro tiempos :
Lentos directamente acoplados
Semirrápidos y rápidos engranados
Disposición diésel eléctrica
Ocasionalmente se utilizan también motores de explosión como por ejemplo en embarcaciones deportivas.
Propulsión por Turbinas de Gas:
- Solas con reductor de engranajes
- Disposición turbinas de gas-eléctrica
Propulsión nuclear:
- Disposición turbinas de gas-eléctrica
Propulsión nuclear:
- Generación del vapor:
Reactor atómico PWR
- Máquina propulsora :
Turbinas de vapor de características especiales
Reactor atómico PWR
- Máquina propulsora :
Turbinas de vapor de características especiales
Sistemas básicos utilizado
por maquina primarias:
La utilización de las máquinas primarias en los distintos tipos de instalación que acabamos de describir nos lleva a la necesidad de conocer los sistemas básicos que utilizan combustibles fósiles y son:
Propulsión a vapor
Propulsión por motores
Propulsión por turbinas de gas
La utilización de las máquinas primarias en los distintos tipos de instalación que acabamos de describir nos lleva a la necesidad de conocer los sistemas básicos que utilizan combustibles fósiles y son:
Propulsión a vapor
Propulsión por motores
Propulsión por turbinas de gas
Propulsión a vapor
Si prescindimos de la propulsión a remo y a vela, que fueron indudablemente las primeras formas mediante las cuales se consiguió el desplazamiento de un cuerpo en el agua, la propulsión a vapor fue, cronológicamente, la primera en aparecer y ha sido el sistema por antonomasia durante muchos años y aún perdura para determinadas aplicaciones aunque está siendo ampliamente superada por los motores diésel y las turbinas de gas, especialmente desde que la crisis del petróleo del inicio de los años 70 hizo que el consumo de combustible pasase a ser un elemento capital de los costes de explotación.
La forma más sencilla de ver el sistema es sobre un diagrama de una instalación de vapor, ir mostrando y describiendo someramente cada uno de los elementos que la componen y la relación funcional entre ellos. Tendremos así una visión de conjunto que nos permitirá obtener una idea concreta de cómo funciona y los elementos que se necesitan para ello y que forman lo que se denomina “cadena del vapor”.
La caldera contiene agua que, por medio del calor aportado por la combustión del fuel en los mecheros, se vaporiza, el vapor asciende por los tubos y se recoge en la parte superior o colector de vapor de donde vuelve a entrar en los haces sobrecalentadores para sufrir un aporte de calor a presión constante, aumentando así su entalpía, es decir, su capacidad de producir trabajo.
El vapor sobrecalentado sale a trabajar en las turbinas, primero en la de alta y luego en la de baja donde se expansiona sucesivamente aumentando su volumen y produciendo trabajo que se traduce en el giro del eje propulsor a través del engranaje reductor. El vapor, fuertemente expansionado, se recoge en un recipiente donde reina el vacío, el condensador principal, en el cual en virtud de los condicionantes reinantes y de la refrigeración que sufre por el agua de mar que circula a su través, este vapor se condensa y transforma en agua. En el condensador se hace la adición del agua de alimentación necesaria para reponer las pérdidas que siempre hay en el circuito y el condensado (agua condensada) es recogida por la bomba de condensado y pasa al “tanque desaireador” que, como su nombre indica, tiene por misión librar lo que va a ser agua de alimentación de la caldera del aire (oxígeno) que pueda llevar disuelto y calentarla. El agua de alimentación la recogen las bombas booster y las bombas de alimentación principal, que le dan la presión necesaria para su introducción a la caldera donde entra a una presión ligeramente superior a lo que reina en ella y a una temperatura inferior, pero próxima a la del agua del interior para que el ciclo real se aproxima lo más posible al ciclo teórico. El agua, una vez en la caldera, inicia de nuevo el ciclo ya descrito.
Propulsión por motores
El motor de combustión interna es un elemento tan familiar en nuestra vida de hoy que naturalmente no voy a describir cómo funciona, aunque en el coloquio, si alguien lo desea, podemos tratar ampliamente este tema. Diré solamente que es el sistema de propulsión preponderante en el día de hoy ya que, su extraordinaria economía de funcionamiento, con consumos del orden de los 135 gramos /CV. H., lo convierte en la opción más atractiva
para los buques mercantes.
Incluso en las Marinas de Guerra, donde por el carácter alternativo del motor –y por lo tanto generando más ruido y vibraciones que la propulsión por turbinas de vapor- no era aceptado en ciertos tipos de barcos, como por ejemplo, aquellos dedicados a la lucha antisubmarina, están siendo ya, no sólo considerados sino utilizados, disponiendo montajes antivibratorios y anti-ruidos especiales, tal como puede ser el encapsulado.
En buques mercantes la disposición usual es que el motor vaya directamente acoplado al eje y en casos donde sea aconsejable se pueda instalar uno o varios motores acoplados al eje propulsor mediante el correspondiente engranaje. En buques de guerra no de combate se utiliza ya profusamente el motor diésel y en buques de línea la forma más usual de encontrarlo a bordo es formando parte de las llamadas “Instalaciones Mixtas” a las que dedicaremos un comentario posterior.
El motor de explosión no tiene casi aplicación en propulsión de buques, salvo, naturalmente, en embarcaciones de recreo y deportivas, como antes señalé.
Incluso en las Marinas de Guerra, donde por el carácter alternativo del motor –y por lo tanto generando más ruido y vibraciones que la propulsión por turbinas de vapor- no era aceptado en ciertos tipos de barcos, como por ejemplo, aquellos dedicados a la lucha antisubmarina, están siendo ya, no sólo considerados sino utilizados, disponiendo montajes antivibratorios y anti-ruidos especiales, tal como puede ser el encapsulado.
En buques mercantes la disposición usual es que el motor vaya directamente acoplado al eje y en casos donde sea aconsejable se pueda instalar uno o varios motores acoplados al eje propulsor mediante el correspondiente engranaje. En buques de guerra no de combate se utiliza ya profusamente el motor diésel y en buques de línea la forma más usual de encontrarlo a bordo es formando parte de las llamadas “Instalaciones Mixtas” a las que dedicaremos un comentario posterior.
El motor de explosión no tiene casi aplicación en propulsión de buques, salvo, naturalmente, en embarcaciones de recreo y deportivas, como antes señalé.
PROPULSIÓN POR TURBINAS DE
GAS
Este es el más moderno sistema de propulsión que existe de los que usan combustible fósil cuya ventaja radica en la insuperable relación peso-potencia que desarrollan y puede decirse que son el elemento primordial de propulsión de los buques de combate, habiendo sido adoptado por casi todas las Marinas de Guerra del mundo.
En el campo mercante ha habido también casos donde se instaló después de un auténtico proceso racional de selección, pero la crisis del petróleo de inicios de los 70 frenó su utilización en beneficio del motor diésel, ya que, si bien los consumos de las turbinas de gas modernas son aceptables, del orden de los 180 gramos/CV.h. no pueden competir con los 135 gramos/CV.h. del diésel a la hora de conseguir una explotación rentable, especialmente en momentos de crisis como los actuales, donde hay que arañar costes allí donde se pueda.
Dado que este tipo de máquina es mucho menos conocida, vamos a hacer una descripción de sus principios de funcionamiento para ver a continuación su forma de utilización.
Este es el más moderno sistema de propulsión que existe de los que usan combustible fósil cuya ventaja radica en la insuperable relación peso-potencia que desarrollan y puede decirse que son el elemento primordial de propulsión de los buques de combate, habiendo sido adoptado por casi todas las Marinas de Guerra del mundo.
En el campo mercante ha habido también casos donde se instaló después de un auténtico proceso racional de selección, pero la crisis del petróleo de inicios de los 70 frenó su utilización en beneficio del motor diésel, ya que, si bien los consumos de las turbinas de gas modernas son aceptables, del orden de los 180 gramos/CV.h. no pueden competir con los 135 gramos/CV.h. del diésel a la hora de conseguir una explotación rentable, especialmente en momentos de crisis como los actuales, donde hay que arañar costes allí donde se pueda.
Dado que este tipo de máquina es mucho menos conocida, vamos a hacer una descripción de sus principios de funcionamiento para ver a continuación su forma de utilización.
PROPULSIÓN NUCLEAR
Este tipo de propulsión tan especial y tantas veces atacado,
yo creo que injustamente, pues si bien tiene riesgos inherentes a su
funcionamiento, la verdad es que son bien conocidos y actualmente se toman tal
cantidad de precauciones para evitarlos que la posibilidad de que se produzcan
es realmente remota. Otra cosa es que algún momento algunas naciones
utilizadoras del sistema hubiesen corrido riesgos innecesarios, en orden a
acortar plazos de disponibilidad, tanto en planteamiento como en control de
calidad, construcción, operación, etc. Y que condujeron a desastres en su
aplicación naval, que, insisto, con la tecnología actual y con la metodología
de seguridad existente, la posibilidad de que se produzca un accidente
catastrófico es realmente mínima.
La propulsión nuclear es, básicamente una propulsión a vapor y además a vapor y de no muy elevadas características, ya que, el propio proceso nuclear no permite tener temperaturas muy elevadas del vapor obtenido, como es siempre de desear para aumentar el rendimiento del ciclo.
La diferencia con el sistema de vapor convencional es que en el nuclear la caldera se sustituye por un reactor, en el cual se verifica el proceso de fisión controlada que da lugar a un desprendimiento de calor, que es el que se utiliza para vaporizar el agua. Este vapor es el que, en la forma habitual, desarrolla trabajo en una turbina.
Centrándonos en el reactor nuclear, auténtico corazón del sistema, diremos que el fundamento del mismo es el fenómeno de la fisión nuclear. Existen ciertos elementos químicos pesados cuyos núcleos, al tener una cierta inestabilidad, son susceptibles, mediante el bombardeo de neutrones de baja energía de escindirse en dos núcleos aproximadamente iguales, más ligeros, con producción de nuevos neutrones y un defecto de masa resultante. Este defecto de masa aparece en forma de energía calorífica, en virtud de la conocida Ley de Einstein E= m.c2, en la cual E es la energía, m la masa y c la velocidad de la luz.
La importancia del proceso reside en que, si el número de neutrones que aparece en cada fisión es suficiente, la reacción puede ser automantenida, ya que estos neutrones pueden usarse para mantener indefinidamente el proceso de fisión mientras haya material fisionable.
En determinaciones experimentales se comprobó el promedio de neutrones emitidos por la fisión de determinados materiales radioactivos, obteniendo el siguiente resultado :
Plutonio 239 - 2,91 neutrones/fisión
Uranio 235 - 2,47 neutrones/fisión
Estos neutrones aparecen con energías elevadas del orden de 1 ó 2 Mev. Como ya hemos dicho que sólo son susceptibles de producir fisión los neutrones de baja energía, será necesario “moderar” a los neutrones emitidos de forma que se rebaje su energía hasta niveles lentos o térmicos –con energías alrededor de 0,1 ev-. Esto se consigue mediante choques de los neutrones rápidos con el elemento moderador, que es pieza esencial de un reactor.
Por otra parte el 99% de los neutrones producidos en la fisión se emiten en un muy corto espacio de tiempo, son los llamados neutrones “instantáneos” del orden de 10 elevado a menos 14 segundos, lo cual haría prácticamente imposible el control del reactor, de no darse la circunstancia de que el 0,75% de los restantes se emitan un tiempo considerable después de la fisión. Son los neutrones “retardados” que, al hacer aumentar el llamado “período del reactor” hacen posible el control físico del proceso de fisión y por lo tanto la viabilidad práctica del mismo.
Hemos dicho antes que en cada fisión se desprende una cierta cantidad de energía que, centrándonos en el combustible nuclear habitual, el Uranio 235, es del orden de 200 Mev por fisión. La energía obtenida en el reactor dependerá, por lo tanto, el número de fisiones que se realicen que son a su vez función del número de neutrones susceptibles de producir fisión. La potencia del reactor depende pues de la densidad neutrónica y es ésta la que hay que controlar para obtener los distintos niveles de potencia deseada.
Dado que para que el proceso de fisión se mantenga es necesario que el número de neutrones útiles permanezca estable, es oportuno definir el “factor de multiplicación del reactor” que es la relación del número de neutrones de una generación al existente en la generación inmediatamente anterior.
Si este factor K es igual a 1 la reacción es posible y se mantiene. Si es menor que K, la reacción en cadena se extingue y si es mayor que 1 se mantiene en forma creciente. Si el valor es 1 el reactor es “crítico”; “supercrítico” si es mayor que 1 y “subcrítico” si es inferior a la unidad.
En el caso del Uranio 235, puesto que en cada fisión se producen 2,5 neutrones como promedio, al menos uno de ellos ha de ser capaz de producir nueva fisión si la reacción ha de mantenerse. Es decir, el número de neutrones que se pierde por todos los conceptos : capturados por otros núcleos, escapados del reactor, captura por productos de fisión, etc., debe de permitir que quede disponible un número de neutrones tal que, multiplicados por 2,5 (media por fisión) den lugar al mismo número de neutrones que entraron en juego en la reacción inmediatamente precedente.
El control del proceso se hace por medio de las llamadas “barras de control” material de gran capacidad de absorción de neutrones, con el cual, introduciéndole más o menos en el interior de las barras de combustible nos permite obtener el nivel de potencia deseando haciendo crítico el reactor a ese nivel. Las barras de control van dotadas de un dispositivo que permite su introducción rápida de forma que, en caso de accidente grave (scram) se detenga de inmediato el funcionamiento del reactor.
El agua que refrigera el núcleo del reactor y que es la que se utiliza para retirar el calor producido constituye el circuito primario. Esta agua está contaminada y por lo tanto hace falta disponer un circuito secundario limpio que intercambie calor con el primario y produzca el vapor que va a trabajar en las turbinas. Este intercambio se verifica en una especie de caldera que es en realidad un intercambiador de calor auténtico.
La disposición completa de la instalación, que por lo demás es un sistema de vapor normal, queda perfectamente ilustrada en la figura de la instalación del Savannah que fue la primera experiencia que se hizo.
Cabe decir por último que, aunque hay varios tipos de reactores, el que se utiliza a bordo de los barcos es el de “agua a presión” o PWR (Presurized Water Reactor), en el cual el núcleo se mantiene a presión, para que el agua no hierva en su interior.
En lo que se refiere a la utilización práctica de la propulsión nuclear está circunscrita prácticamente a las Marinas de Guerra de las naciones más avanzadas y sobre todo es la solución ideal para submarinos balísticos a los que permite un tiempo de operación sólo limitado por la resistencia de las dotaciones con capacidad de permanecer sumergido sin limitación alguna. Es por lo tanto el sistema de elección para submarinos y también de grandes ventajas para portaviones.
La propulsión nuclear es, básicamente una propulsión a vapor y además a vapor y de no muy elevadas características, ya que, el propio proceso nuclear no permite tener temperaturas muy elevadas del vapor obtenido, como es siempre de desear para aumentar el rendimiento del ciclo.
La diferencia con el sistema de vapor convencional es que en el nuclear la caldera se sustituye por un reactor, en el cual se verifica el proceso de fisión controlada que da lugar a un desprendimiento de calor, que es el que se utiliza para vaporizar el agua. Este vapor es el que, en la forma habitual, desarrolla trabajo en una turbina.
Centrándonos en el reactor nuclear, auténtico corazón del sistema, diremos que el fundamento del mismo es el fenómeno de la fisión nuclear. Existen ciertos elementos químicos pesados cuyos núcleos, al tener una cierta inestabilidad, son susceptibles, mediante el bombardeo de neutrones de baja energía de escindirse en dos núcleos aproximadamente iguales, más ligeros, con producción de nuevos neutrones y un defecto de masa resultante. Este defecto de masa aparece en forma de energía calorífica, en virtud de la conocida Ley de Einstein E= m.c2, en la cual E es la energía, m la masa y c la velocidad de la luz.
La importancia del proceso reside en que, si el número de neutrones que aparece en cada fisión es suficiente, la reacción puede ser automantenida, ya que estos neutrones pueden usarse para mantener indefinidamente el proceso de fisión mientras haya material fisionable.
En determinaciones experimentales se comprobó el promedio de neutrones emitidos por la fisión de determinados materiales radioactivos, obteniendo el siguiente resultado :
Plutonio 239 - 2,91 neutrones/fisión
Uranio 235 - 2,47 neutrones/fisión
Estos neutrones aparecen con energías elevadas del orden de 1 ó 2 Mev. Como ya hemos dicho que sólo son susceptibles de producir fisión los neutrones de baja energía, será necesario “moderar” a los neutrones emitidos de forma que se rebaje su energía hasta niveles lentos o térmicos –con energías alrededor de 0,1 ev-. Esto se consigue mediante choques de los neutrones rápidos con el elemento moderador, que es pieza esencial de un reactor.
Por otra parte el 99% de los neutrones producidos en la fisión se emiten en un muy corto espacio de tiempo, son los llamados neutrones “instantáneos” del orden de 10 elevado a menos 14 segundos, lo cual haría prácticamente imposible el control del reactor, de no darse la circunstancia de que el 0,75% de los restantes se emitan un tiempo considerable después de la fisión. Son los neutrones “retardados” que, al hacer aumentar el llamado “período del reactor” hacen posible el control físico del proceso de fisión y por lo tanto la viabilidad práctica del mismo.
Hemos dicho antes que en cada fisión se desprende una cierta cantidad de energía que, centrándonos en el combustible nuclear habitual, el Uranio 235, es del orden de 200 Mev por fisión. La energía obtenida en el reactor dependerá, por lo tanto, el número de fisiones que se realicen que son a su vez función del número de neutrones susceptibles de producir fisión. La potencia del reactor depende pues de la densidad neutrónica y es ésta la que hay que controlar para obtener los distintos niveles de potencia deseada.
Dado que para que el proceso de fisión se mantenga es necesario que el número de neutrones útiles permanezca estable, es oportuno definir el “factor de multiplicación del reactor” que es la relación del número de neutrones de una generación al existente en la generación inmediatamente anterior.
Si este factor K es igual a 1 la reacción es posible y se mantiene. Si es menor que K, la reacción en cadena se extingue y si es mayor que 1 se mantiene en forma creciente. Si el valor es 1 el reactor es “crítico”; “supercrítico” si es mayor que 1 y “subcrítico” si es inferior a la unidad.
En el caso del Uranio 235, puesto que en cada fisión se producen 2,5 neutrones como promedio, al menos uno de ellos ha de ser capaz de producir nueva fisión si la reacción ha de mantenerse. Es decir, el número de neutrones que se pierde por todos los conceptos : capturados por otros núcleos, escapados del reactor, captura por productos de fisión, etc., debe de permitir que quede disponible un número de neutrones tal que, multiplicados por 2,5 (media por fisión) den lugar al mismo número de neutrones que entraron en juego en la reacción inmediatamente precedente.
El control del proceso se hace por medio de las llamadas “barras de control” material de gran capacidad de absorción de neutrones, con el cual, introduciéndole más o menos en el interior de las barras de combustible nos permite obtener el nivel de potencia deseando haciendo crítico el reactor a ese nivel. Las barras de control van dotadas de un dispositivo que permite su introducción rápida de forma que, en caso de accidente grave (scram) se detenga de inmediato el funcionamiento del reactor.
El agua que refrigera el núcleo del reactor y que es la que se utiliza para retirar el calor producido constituye el circuito primario. Esta agua está contaminada y por lo tanto hace falta disponer un circuito secundario limpio que intercambie calor con el primario y produzca el vapor que va a trabajar en las turbinas. Este intercambio se verifica en una especie de caldera que es en realidad un intercambiador de calor auténtico.
La disposición completa de la instalación, que por lo demás es un sistema de vapor normal, queda perfectamente ilustrada en la figura de la instalación del Savannah que fue la primera experiencia que se hizo.
Cabe decir por último que, aunque hay varios tipos de reactores, el que se utiliza a bordo de los barcos es el de “agua a presión” o PWR (Presurized Water Reactor), en el cual el núcleo se mantiene a presión, para que el agua no hierva en su interior.
En lo que se refiere a la utilización práctica de la propulsión nuclear está circunscrita prácticamente a las Marinas de Guerra de las naciones más avanzadas y sobre todo es la solución ideal para submarinos balísticos a los que permite un tiempo de operación sólo limitado por la resistencia de las dotaciones con capacidad de permanecer sumergido sin limitación alguna. Es por lo tanto el sistema de elección para submarinos y también de grandes ventajas para portaviones.
INSTALACIONES MIXTAS
Después de haber reseñado y estudiado los sistemas básicos y que en la mayor parte de las aplicaciones se instalan solos, lo que significa que el barco va propulsado por vapor, por motores, por turbinas de gas, o por un sistema nuclear sin más, pero hay ocasiones, especialmente en buques de guerra donde resultan conveniente disponer y operar lo que se denomina una instalación mixta.
Una instalación se considera mixta, en el sentido más amplio de la palabra cuando utiliza varias máquinas sean o no del mismo tipo y sean o no de las mismas características para dar las distintas velocidades.
En esta definición quedan pues incluidas aquellas instalaciones donde por ejemplo se utilizan dos motores engranados ya que puede fraccionarse la potencia entregada al eje de forma que sea la de un motor solo o la de los dos trabajando conjuntamente.
En un sentido más restringido y donde el concepto de instalación mixta tiene auténtico significado es en los buques de guerra. En un buque mercante se opera normalmente durante toda la navegación a velocidad uniforme, que se mantiene hasta rendir viaje. En cambio en los buques de guerra es tal la diferencia de situaciones en que puede encontrarse, que es en ellos donde este tipo de instalaciones tiene aplicación específica y racionaliza la utilización de la maquinaria.
Después de haber reseñado y estudiado los sistemas básicos y que en la mayor parte de las aplicaciones se instalan solos, lo que significa que el barco va propulsado por vapor, por motores, por turbinas de gas, o por un sistema nuclear sin más, pero hay ocasiones, especialmente en buques de guerra donde resultan conveniente disponer y operar lo que se denomina una instalación mixta.
Una instalación se considera mixta, en el sentido más amplio de la palabra cuando utiliza varias máquinas sean o no del mismo tipo y sean o no de las mismas características para dar las distintas velocidades.
En esta definición quedan pues incluidas aquellas instalaciones donde por ejemplo se utilizan dos motores engranados ya que puede fraccionarse la potencia entregada al eje de forma que sea la de un motor solo o la de los dos trabajando conjuntamente.
En un sentido más restringido y donde el concepto de instalación mixta tiene auténtico significado es en los buques de guerra. En un buque mercante se opera normalmente durante toda la navegación a velocidad uniforme, que se mantiene hasta rendir viaje. En cambio en los buques de guerra es tal la diferencia de situaciones en que puede encontrarse, que es en ellos donde este tipo de instalaciones tiene aplicación específica y racionaliza la utilización de la maquinaria.
INSTALACIONES MIXTAS MAS
USUALES
COSAG COMBINACIÓN VAPOR Y TURBINA DE GAS
CODAG COMBINACIÓN DIESEL Y TURBINA DE GAS
CODOG COMBINACIÓN DIESEL O TURBINA DE GAS
COGAG COMBINACIÓN TURBINA DE GAS Y TURBINA DE GAS
COGOG COMBINACIÓN TURBINA DE GAS O TURBINA DE GAS
CODAD COMBINCIÓN DIESEL Y DIESEL
CODLAG COMBINACIÓN DIESEL ELECTRICA Y TURBINA DE GAS
COSAG COMBINACIÓN VAPOR Y TURBINA DE GAS
CODAG COMBINACIÓN DIESEL Y TURBINA DE GAS
CODOG COMBINACIÓN DIESEL O TURBINA DE GAS
COGAG COMBINACIÓN TURBINA DE GAS Y TURBINA DE GAS
COGOG COMBINACIÓN TURBINA DE GAS O TURBINA DE GAS
CODAD COMBINCIÓN DIESEL Y DIESEL
CODLAG COMBINACIÓN DIESEL ELECTRICA Y TURBINA DE GAS
¿Cada cuanto se le da
mantenimiento?
Pero si las prestaciones conseguidas son muy inferiores a las que
en teoría debía conseguir, piense también en sustituirla. Aproveche para elegir
una de acero inox si su bolsillo se lo permite.
Una
hélice bien escogida debe permitir alcanzar el régimen de revoluciones a máximo
de gases (WOP) en la zona de la curva en donde el motor entrega el máximo de
potencia. El paso de una hélice y las revoluciones están inversamente
relacionadas: Al incrementar el paso se reducen las revoluciones que el motor
es capaz de alcanzar. Podemos tomar como referencia que un cambio de un grado
en el paso de las palas modificará unas 200 rpm el régimen del motor. Por tanto
si su motor no es capaz de alcanzar a tope de gases (WOP) las revoluciones a
las que el motor entrega su máxima potencia, piense en reducir el paso de
la hélice en tantos grados como sean necesarios.
Por ejemplo su motor intraborda ofrece el par máximo a 2800 rpm,
pero con la palanca a fondo, el motor solo alcanza las 2200 rpm (suponiendo que
no es un problema de mantenimiento de filtros o mal estado del motor) entonces
deberíamos cambiar la hélice por una de 3 grados menos de paso.
En vez de ajustar el ángulo de palas es posible jugar con el
diámetro de la hélice. Si tenemos que aumentar el ángulo, podríamos aumentar el
diámetro de la hélice dejando el mismo paso, y por el contrario, en vez de
disminuir el ángulo, podríamos bajar el diámetro.
Bibliografia:
