Principios de Propulsión Naval y Ensayos Hidrodinámicos

Ensayos en Túneles de Cavitación

En los túneles de cavitación se realizan diversas pruebas para estudiar el comportamiento de las hélices en condiciones controladas. Los ensayos principales son:

• Visualización: Se ilumina la hélice con una lámpara estroboscópica sincronizada con las revoluciones del motor. Esto crea un efecto de "congelación" del movimiento que permite observar con detalle cualquier punto de la hélice y el fenómeno de la cavitación en su superficie.
• Propulsor aislado: Se replican los ensayos de propulsor en aguas abiertas, pero en las condiciones del túnel. Se iguala el número de cavitación (σ) del modelo al que tendría el buque real para poder observar cómo la cavitación afecta al rendimiento, provocando una disminución en los valores de los coeficientes de empuje (K_T) y de par (K_Q).
• Incepción de cavitación: Para este ensayo, se mantiene fijo el coeficiente de avance (J) y se disminuye progresivamente la presión en el túnel, variando así el número de cavitación (σ). El objetivo es determinar el valor exacto de σ en el que aparecen las primeras burbujas de cavitación. Este proceso se repite para diferentes valores de J, permitiendo trazar las curvas de incepción de cavitación, que delimitan las zonas de trabajo seguras para la hélice.

Hélice de Paso Variable vs. Hélice Convencional

La elección entre una hélice de paso variable (CPP) y una de paso fijo o convencional (FPP) depende de las necesidades operativas del buque.

Hélice de Paso Variable (CPP)

• Ventajas: Su principal ventaja es la excelente maniobrabilidad. Permiten variar el paso de las palas, lo que posibilita cambiar el sentido del empuje (de avante a atrás) de forma rápida, en tan solo 15 a 40 segundos, sin necesidad de invertir el giro del motor. Esto es ideal para buques que requieren muchas maniobras, como remolcadores o ferries.
• Inconvenientes: Su mecanismo es más complejo y costoso. Generalmente, presentan una eficiencia hidrodinámica ligeramente inferior a una hélice de paso fijo bien diseñada para un punto de operación concreto. Esto se traduce en un mayor consumo de combustible, haciéndolas menos adecuadas para largos viajes a velocidad de crucero constante.

Hélice Convencional o de Paso Fijo (FPP)

• Ventajas: Son más sencillas, robustas y eficientes desde el punto de vista hidrodinámico cuando operan en su punto de diseño. Para optimizar su rendimiento, se diseñan con un número específico de palas (normalmente 3, 4 o 5) y una geometría adaptada a la velocidad de crucero del buque.
• Desventajas: Ofrecen poca flexibilidad. Si el conjunto motor-hélice no está bien adaptado, es decir, si el punto de diseño de la hélice no coincide con el punto de operación óptimo del motor, el consumo de combustible puede ser muy ineficiente. Además, para cambiar el sentido de la marcha es necesario detener e invertir el giro del motor principal, un proceso mucho más lento.

Extrapolación de Resultados de Modelos a Escala

No es posible extrapolar directamente los resultados obtenidos para un modelo a escala en un tanque de pruebas a un buque real. Esto se debe a los denominados efectos de escala, que provocan diferencias en el comportamiento de ciertas variables (especialmente la resistencia por fricción) entre el modelo y el buque a tamaño completo.

Para poder realizar una extrapolación correcta, es imprescindible tener en cuenta lo siguiente:

• Semejanza geométrica: El modelo debe ser una réplica exacta a escala del buque real.
• Leyes de semejanza: Se deben aplicar leyes de comparación, como la Ley de Semejanza de Froude, que asegura que la relación entre las fuerzas de inercia y las de gravedad es la misma en el modelo y en el buque real. Esto permite escalar correctamente la resistencia por formación de olas. La resistencia por fricción se calcula de forma separada mediante formulaciones empíricas y se suma posteriormente.

Aplicando estos principios, se pueden obtener resultados muy aproximados y fiables sobre el comportamiento del buque real.

Fuerzas que Actúan sobre un Buque

Las principales fuerzas que actúan sobre un buque, tanto parado como en movimiento, se pueden agrupar en verticales y horizontales.

(Nota: A continuación se describen las fuerzas para la elaboración de un diagrama de cuerpo libre).

Fuerzas Verticales (Equilibrio de flotación)

• Peso (W): Es la fuerza de la gravedad que actúa sobre la masa total del buque, incluyendo su estructura, maquinaria, carga, combustible, etc. Actúa verticalmente hacia abajo a través del centro de gravedad (G) del buque.
• Empuje (B): Es la fuerza de flotación que ejerce el agua sobre la parte sumergida del casco (obra viva). Según el Principio de Arquímedes, su magnitud es igual al peso del volumen de agua desalojado. Actúa verticalmente hacia arriba a través del centro de carena (B).

En un buque que se encuentra parado y adrizado en aguas tranquilas, el peso y el empuje son iguales en magnitud y de sentido contrario, manteniéndolo a flote.

Fuerzas Horizontales (Equilibrio de propulsión)

• Propulsión o Empuje de la Hélice (T): Es la fuerza generada por el sistema propulsor (generalmente la hélice) que impulsa al buque hacia adelante.
• Resistencia al Avance (R): Es la fuerza total que se opone al movimiento del buque a través del agua y el aire. Se compone de múltiples factores, como la resistencia por fricción del agua con el casco, la resistencia por formación de olas y la resistencia aerodinámica del viento sobre la superestructura (obra muerta).

Cuando un buque navega a velocidad constante en línea recta, la fuerza de propulsión es igual en magnitud y de sentido contrario a la resistencia total al avance.