Sistemas de Propulsión y Maniobrabilidad en Buques: Tipos y Características

Sistemas de Propulsión y Maniobrabilidad en Buques

Planta / Equipo de Propulsión

La capacidad de maniobra de un buque viene determinada por el tipo de hélice, las características del timón y del equipo propulsor. La maniobrabilidad de un buque está determinada por:

• Las revoluciones mínimas que una hélice puede llevar, tanto hacia atrás como hacia avante.
• La capacidad de respuesta.
• Capacidad de dar atrás.

Motor Diésel de Transmisión Directa

Es el sistema de propulsión común en los grandes buques.

La hélice es impulsada directamente por el motor y las revoluciones del cigüeñal. Para dar atrás, la hélice y el motor deben ser parados y arrancados con aire comprimido.

Particularidades Maniobrando

• Alta velocidad mínima de rotación de la hélice.
• Restricciones en las órdenes de avante y atrás.
• Velocidad de reacción.
• Prácticamente la misma potencia en la marcha avante que atrás.
• Al dar atrás absorbe bien la energía.

Motor Diésel de Velocidad Media con Reducción (Reductora)

Usado en barcos pequeños y medianos.

El eje de la hélice pasa por una reductora y un embrague. El motor siempre gira en el mismo sentido y su velocidad varía para dar las revoluciones necesarias que la hélice necesita. La marcha atrás se consigue con un sistema de engranaje que invierte el movimiento.

Particularidades Maniobrando

• Mucha más sensible y apropiado para su manejo desde el puente que el motor diésel de transmisión directa.
• No hay restricciones en las órdenes de avante y atrás.
• La hélice es efectiva como freno en la marcha atrás.
• Prácticamente la misma potencia en la marcha avante que atrás.

Sistemas Diésel Eléctricos

Usados en barcos que requieran una capacidad de maniobra precisa.

Los motores diésel activan generadores eléctricos que transmiten las revoluciones a las hélices. Cuando se da atrás, el motor de propulsión (eléctrico) se transforma en un generador enviando la energía eléctrica al motor diésel tratando de acelerar a este. Varios motores diésel proveen de energía a todas las partes del barco, así como a los motores de propulsión eléctrica.

Particularidades Maniobrando

• Las hélices pueden rotar a muy pocas revoluciones tanto avante como atrás.
• Rápida respuesta.
• El giro de la hélice se puede invertir con gran rapidez.

Turbinas de Vapor

Las turbinas de vapor son cada vez menos comunes en los buques mercantes.

Son de circuito cerrado donde la misma agua circula por la caldera y la turbina. En la caldera, el agua absorbe la energía al ser hervida y calentada bajo presión por los quemadores de combustible para pasar después a las turbinas. La energía liberada durante la etapa de expansión pasa a través de las palas de la turbina. Finalmente, el vapor pasa por un condensador antes de ser devuelto a la caldera. El eje de la turbina pasa por un mecanismo de reducción antes de conectarse con el eje de la hélice. Se monta una turbina independiente para dar marcha atrás.

Particularidades Maniobrando

• La marcha atrás tiene un 40% menos de potencia que la marcha avante.
• Efecto de frenado limitado.
• Poca sensibilidad.

Propulsores y Hélices

Fuerzas que actúan en la maniobrabilidad del buque.

Pivot Point (PP)

Más importante que la posición del PP son los efectos que estos valores tienen sobre los mecanismos que hacen virar un buque; la fuerza del timón, el empuje transversal, el empuje por la amura, remolcadores…

Dispositivos Activos

Generan energía.

• Hélice
• Timón activo
• Propulsores laterales
• Propulsores Voith Schneider

Dispositivos Pasivos

Absorben energía.

• Timón
• Aleta

Propulsores y Hélices

La acción de las hélices se basa en el fenómeno físico lift: el movimiento de la hélice en el fluido genera un empuje longitudinal en las palas de la hélice, haciendo que el buque se mueva avante.

Las hélices se caracterizan por:

• El diámetro.
• El paso de la hélice.
• El número de palas.
• El empuje que generan cuando giran a cierta velocidad.

El principal propósito al diseñar una hélice es conseguir el máximo empuje en el eje de la hélice y así conseguir desplazar el barco avante con una velocidad de servicio, aunque en la actualidad esto se consigue con un amplio rango de revoluciones.

El ángulo de ataque de una hélice es conseguido poniendo las palas en un determinado ángulo (“pitch angle”, ángulo de lanzamiento, ángulo de retorno) al ángulo de rotación.

La velocidad de la sección de la pala aumenta a medida que se aleja del centro. El paso de una pala en cualquier punto sería la distancia que avanzaría ese punto en una revolución (giro) completo. El paso normalmente es reducido cerca del centro para reducir la cavitación.

Una hélice genera un flujo de agua que golpea los bordes de las palas en un ángulo de ataque. El ángulo de ataque y, en consecuencia, el empuje se reduce con el aumento de flujo axial si el número de revoluciones se mantiene constante.

En realidad, el barco llegará a la condición de velocidad constante antes de que el ángulo de ataque se reduzca a cero. Este empuje es necesario para conseguir vencer la resistencia producida por el casco a esa velocidad.

El ángulo de ataque necesario para producir el empuje necesario para superar la resistencia que produce el casco a una velocidad constante causa que el barco avance menos a cada revolución en comparación con el paso de la hélice. Esta diferencia en el avance real en comparación con el paso de la hélice se llama "retroceso".

Dependiendo de su movimiento al ir avante o atrás, las hélices se clasifican de la siguiente manera:

• Hélices con el paso hacia la derecha (dextrógira, sentido de las agujas del reloj).
• Hélices con el paso hacia la izquierda (levógira, contrario a las agujas del reloj).

La fuerza resultante de la acción de la hélice se puede descomponer en dos componentes perpendiculares:

• La fuerza que actúa a proa o a popa, en la dirección del eje longitudinal del buque.
• El componente transversal actúa hacia estribor o babor, lo que produce un efecto de torsión.

Por lo tanto, debido a la rotación de la hélice, una fuerza lateral aplicada a la popa del buque tiende a girarlo hacia uno u otro lado. Un piloto tiene que tener en cuenta estas fuerzas, ya que estas pueden determinar el éxito o no de la maniobra.

Empuje Transversal de la Hélice

La diferencia de presión entre la pala superior e inferior crea un componente transversal en función del sentido de giro.

• Propulsor con el giro de la hélice hacia la derecha:
  • Hacia delante: Empuje transversal hacia estribor.
  • Hacia atrás: Empuje transversal hacia babor.

Una fuerza lateral es un gran problema para manejar buques de solo una hélice. Partiendo del reposo no es posible girar en poco espacio, excepto en un solo sentido. Hay un problema de gobierno (manejo) si se quiere ir atrás en línea recta.

Hélices de Paso Fijo

• El empuje es controlado por medio de las revoluciones.
• Para lograr la rotación de empuje hacia atrás tiene que invertir el movimiento de la hélice.
• Reparto en una sola pieza, mediante el uso de moldes de arena (la hélice es un solo bloque).
• Recomendable para motores de una sola hélice y muy potentes (grandes petroleros, graneleros y portacontenedores, ...).

Hélices de Paso Controlable

• El paso y el empuje son controlados por las palas de rotación colocadas a lo largo del eje.
• Permite al motor trabajar en una dirección constante.
• La marcha atrás se obtiene invirtiendo el paso de la hélice.
• Una hélice de paso controlable es muy sensible a pequeños cambios hacia delante o hacia atrás, pero se pueden realizar ajustes a las palas de la hélice para que estos no molesten al motor.
• Se necesita una fuerza considerable para cambiar el sentido de giro de las palas, limitando el tamaño de los propulsores de paso controlable a (<20.000 KW) de potencia.
• La eficiencia de los propulsores se ve reducida, ya que el área de las palas tiende a la cavitación.

Conductos Hélices

• El flujo de las condiciones se hace más consistente adjuntando la hélice en una boquilla.
• La forma venturi, con un área que reduce la sección por delante de la hélice para captar el máximo de flujo de agua y acelerarlo en la hélice.
• Eficiente para buques que requieran mucha potencia en las hélices y que tengan un avance lento (remolcadores, arrastreros, ....).
• El rendimiento de la marcha atrás es reducido.

Azimut Hélices o las Hélices del Timón

• Común en algunos remolcadores y buques que navegan en alta mar, utilizados cada vez más en buques de gran tamaño, así como cruceros de última generación.
• Capaz de dirigir el empuje en cualquier dirección.
• Alta capacidad de maniobra.
• Transmisión de energía puede ser mecánica, la unidad Z y L con motor eléctrico, o bien diésel eléctricos.
• "Azi-pod": el motor eléctrico en el interior del carenado de la hélice.

"Z-Drive"

Esta transmisión de energía se llama "Z-drive" porque el movimiento de rotación tiene que hacer dos ángulos rectos, con lo que parece una "Z".

"L-Drive"

Esta transmisión de potencia se llama "L-drive" porque el movimiento de rotación tiene que hacer una vuelta en ángulo recto, con lo que se asemeja a una "L".

"Azi-pod"

El motor eléctrico se encuentra dentro de la cavidad y está directamente relacionada con el eje del motor. La hélice por lo general se dirige hacia delante y opera con eficiencia en aguas tranquilas.

Hélice de Voith Schneider

Formado por un rotor ubicado en el casco, girando constantemente en torno a un eje vertical. Varias aletas se aseguran en la periferia del disco del rotor. Modificar el tono de las aletas y su excentricidad, las fuerzas de empuje resultantes actúan en la dirección deseada manteniendo el rotor girando en la misma dirección.

• Combina la propulsión y el gobierno en una sola unidad.
• Mismo empuje avante y atrás.
• Capacidad de empuje en 360º, por lo tanto tiene una alta capacidad de maniobra.
• Diésel o unidades de propulsión eléctrica.
• Salida de potencia limitada, pero no tiene tanta potencia como las hélices convencionales.
• Eficacia limitada, ya que cada pala solo produce empuje en dos pequeñas fracciones de su ciclo de rotación (dos picos de empuje).
• Nuevas aplicaciones: estabilidad.