RESISTENCIA Y PROPULSIN 1

Carrera : Ingeniera Naval - UACH - 2015

Prof. Ing.: N. A. Prez M. - (M.Sc. Ing. Ocenica)

Sobre el Desarrollo de la Propulsin Naval

Aunque no hay restos o indicios cientficos sobre la manera mas primitiva en que el hombre se moviliz

en el agua, los investigadores coinciden en que probablemente la embarcacin mas primitiva que el

hombre haya usado habr sido un tronco y que montado sobre ese tronco la primera propulsin habr

sido la de sus propias manos actuando como remos; De lo que si existen evidencias y pruebas cientficas

es que sociedades primitivas se trasladaban en el agua con troncos preparados para ello (ahuecados) y

balsas conformadas por dos o mas troncos unidos.

Respecto de la propulsin para esas embarcaciones , una de las formas mas primitiva que se registra

cientficamente es el uso de prtigas para empujarse en aguas bajas o poco profundas, la cual era una vara larga que se apoyada en el fondo y le permita empujarse, (sistema que an se usa en algunas

regiones). Y el siguiente avance , parece ser ya el remo.

Con el transcurso de la historia humana se ha notado que cada gran civilizacin o pueblo antiguo

desarrollo sus propias naves y formas de propulsin. Un escueto resumen sobre ellas se da a

continuacin, como cultura tcnica en Ing. Naval.

Naves egipcias

Los barcos egipcios ms antiguos que los investigadores han encontrado usaban propulsin mediante

varios remos, como mnimo 20 remos.

Ya en el 3000 a.C., los barcos que ilustran las pinturas egipcias ms antiguas los muestran tambin

equipados con un mstil del cual colgaban velas. En los modelos posteriores se utilizaban mstiles

sencillos y las velas se izaban mediante rodillos situados en lo alto del mstil.

Naves fenicias

Los constructores navales ms capacitados de los tiempos antiguos fueron los Fenicios, (2000 a.C.

aprox.), La construccin ms significativa de los fenicios fue un buque de manga ancha que utilizaba

velas en vez de remos y proporcionaba un espacio para el cargamento mucho mayor que las galeras

estrechas.

Los constructores de barcos fenicios son elogiados asimismo por haber desarrollado las denominadas

galeras birremas y trirremas (2 y 3 corridas de remeros), naves mas bien de guerra.

Galeras Fenicias

Naves griegas

Los antiguos Griegos tambin desarrollaron naves tipo galeras. Las galeras griegas estaban tambin

equipadas con uno o dos mstiles para navegar a vela. Las velas no se usaban cuando la galera entraba

en combate. La tripulacin de un buque de guerra griego se compona de unos 220 hombres

aproximadamente, la mayora de los cuales se ocupaba de los remos.

Galera Griega

Naves romanas

Los romanos desarrollaron muchas clases diferentes de barcos de guerra durante su largo periodo de

dominacin en el Mediterrneo, sobre todo galeras de guerra. Pero para el comercio, los romanos

construyeron otro tipo de barcos, bastante grandes para su poca, de hasta 53 m de eslora y 14 m de

manga. Estos grandes barcos de carga usaban velas como propulsin. Se aparejaban con velas cuadras

en dos o tres palos (mstiles) y podan tener una gavia sobre la vela mayor.

Vela cuadra : Vela con forma rectangular o trapezoidal

Vela Gavia: vela cuadra de menor tamao que va sobre la cuadra :

En cuanto a naves de guerra los romanos desarrollaron el dromn, una galera rpida con una o dos

corridas de remos y que se utilizaba en el siglo V d.C.

Dromn Romano

Buques nrdicos

Entre los pueblos vikingos y daneses en Escandinavia se usaba una nave denominada drakkar cuya

propulsin era mediante remos y velas.

Drakkar Vikingo

El junco chino

Los chinos desarrollaron el junco, embarcacin que todava se utiliza en los pueblos del Sureste asitico.

La propulsin era mediante velas confeccionadas con estrechas bandas horizontales de estera,

aseguradas cada una a su propia lnea o escota de tal modo que cada vela poda extenderse o plegarse

con rapidez.

Junco Chino (o actualmente llamado Sampan)

Embarcaciones posteriores

Los buques comerciales en la Europa medieval eran en general diseos del tipo galeras romanas, pero

utilizaban remos mucho ms largos. Con frecuencia estos remos medan hasta 15 m y eran accionados

por 7 remeros cada uno. Para conseguir mayor aprovechamiento de los remos largos, las chumaceras de

los remos se montaban fuera del casco, similarmente a los botes o yolas de regatas actuales.

El buque de guerra tpico de la edad media fue la galera, las cuales tenan esloras de 30 a 60 m y, por lo

general, se impulsaban mediante 20 remos a cada costado, y velas aparejadas en dos o tres mstiles.

Hasta el final de la edad media no haba una distincin clara entre buques comerciales y de guerra y se

propulsaban principalmente con vela y parcialmente con remos. Los buques destinados a la guerra

usaban durante los combates preferentemente remos.

La Propulsin a Vela

A finales de la edad media, el uso parcial de remos para propulsin ya dio paso a la utilizacin

exclusiva de velas . La propulsin a vela tomo auge en los aos 1400 despus de cristo (D.C.) poca

en la que los pases Europeos iniciaron las conquistas. Ms tarde se desarrollaron en las naciones

mediterrneas varias clases de buques de vela, entre ellos el galen , el cual sustituy definitivamente a

las galeras a finales del siglo XVII.

Galen

En los comienzos del siglo XV, diversas naciones empezaron a desarrollar tipos diferentes de

embarcaciones para la guerra y el comercio. Un barco mercante tpico de la edad media fue la

Carraca, de tres mstiles, dos velas bajas cuadras en los palos trinquete y mayor , mas una vela latina

en el palo mesana.

Replicas de una Carraca

(a izquierda, replica de la Nao Victoria , Carraca usada por H. de Magallanes )

Primeros tipos europeos

Las naciones europeas desarrollaron muchos tipos de buques de vela.

La Carabela: tpica de Portugal y Espaa, que se aparejaba con tres o cuatro mstiles de los que slo

el trinquete llevaba una vela cuadra, los otros palos portaban velas latinas.

Carabelas de Coln

La nave de guerra europea caracterstica durante los siglos XVI y XVII fue la que se dio en llamar

buque mayor, que contaba con cuatro o cinco palos y gran cantidad de velas en diferentes disposiciones.

Otros buques de guerra mas pequeos en los siglos XVIII y XIX eran los bergantines, bergantines-

goleta, goletas, cteres y lugres los cuales tambin usaban velas como propulsin.

Veleros americanos

En America, durante los 3 siglos posteriores a los viajes de Coln , los barcos mantuvieron similar

diseo y propulsin a vela , su diseo era similar a las carabelas pero aumentaron de tamao.

A mitad del siglo XIX se introdujo el diseo de los veleros tipo clper, que supuso un considerable

avance en velocidad, pero fue ya cerca del final de la era de los buques propulsados a vela.

Clippers

La propulsin con vela en la actualidad

Actualmente la propulsin a vela se usa prcticamente solo en embarcaciones menores deportivas y

buques de instruccin de algunas armadas. Y en zonas del ocano indico se suele an usar como nave

comercial.

La fuerza de empuje de las velas se genera mediante la presin del viento.

Las velas se disean para adoptar una cierta comba cuando es expuesta al viento y es la razn principal

del porqu los veleros pueden navegar incluso con viento en contra.

Al tener un diseo con comba la vela en el flujo de aire adopta una forma similar a la de un perfil

aerodinmico, y por ello genera alta presin en una cara y , baja presin en la cara opuesta igual que

un perfil aerodinmico. Esta presin actuando sobre el rea de las velas (o, superficie vlica) genera

una fuerza resultante que tiene una componente en la direccin de avance, como se explica a

continuacin.

NOTA: Ud debe estudiar en forma autnoma el archivo Sobre propulsin a vela.doc, que

encontrar en la plataforma SIVEDUC.

EJERCICIO: Investigue y prepare un informe visual sobre nomenclatura y nombres de velas y

aparejos actuales , en embarcaciones a vela.

Propulsin con Mquinas de Vapor

La primera ocasin en que se utiliz el vapor para propulsar un barco fue registrada en 1786; en ese

ao, el inventor estadounidense John Fitch bot un pequeo barco propulsado por un mecanismo

accionado por vapor en el ro Delaware (USA) pero no tuvo mucho xito y pas inadvertido. Un

segundo barco de vapor se construy dos aos despus , en 1788, el cual fue bastante mas exitoso y

notorio y dio pie para que este sistema fuera de inters para la navegacin comercial con vapor.

El inventor estadounidense Robert Fulton construy el primer buque comercial a vapor, propulsado por

ruedas de paletas laterales en 1807, (el buque Clairmont).

El sistema accionaba una llamada Maquina a Vapor , la cual aprovechaba la presin del vapor de

agua para accionar uno o mas mbolos , los cuales permitan obtener movimiento de rotacin de cierta

potencia.

Navo Clairmont (rueda de paletas laterales)

Rueda de Paletas en popa

Las ruedas de paleta fueron posteriormente reemplazadas por las hlices. Entre los primeros intentos de

aplicacin de la propulsin por hlice, se cuenta la construccin en 1804, por el inventor John Stevens,

de un barco de vapor con dos hlices. Aunque obtuvo xito en varias pruebas, Stevens se desalent

debido a dificultades en la construccin de la mquina, y no prosigui sus ensayos.

Fulton First (primer buque de guerra con propulsin a vapor , 1809)

En 1836, el sueco John Ericsson y el britnico Francis Smith introdujeron, cada uno de ellos por

caminos independientes, la hlice, que fue sometida a prueba en una serie de barcos, entre los que

destac el navo britnico Great Britain, terminado en 1844. El buque tena 98,2 m de eslora y una

capacidad de carga de casi 3.550 t.

Innovaciones posteriores incluyeron la incorporacin de dos hlices, y ms tarde, de hasta tres y cuatro

hlices para minimizar el peligro que poda provocar alguna falla.

En 1890 se realizaron los primeros ensayos para sustituir las mquinas a vapor por turbinas de vapor.

La desventaja de la turbina era que constitua un mecanismo de alta velocidad de rotacin, pero esto se

resolvi introduciendo un engranaje que reduca las revoluciones de la turbina, lo que permita que la

turbina moviera la hlice a las revoluciones apropiadas, Esto constituyo la entrada del uso de los

actuales reductores marinos.

Las instalaciones con turbinas de vapor no son muy comunes en la sala de mquinas de los buques

modernos y tampoco usan vapor en su propulsin, excepto algunos buques cruceros y otros buques de

guerra que usan sistemas turbo-elctricos que consiste en una turbina de vapor que acciona un

generador elctrico el cual a su vez opera un motor elctrico que hace girar a la hlice. El

accionamiento turbo-elctrico es muy flexible en su operacin, y elimina muchas de las dificultades

mecnicas que acompaan el giro de las hlices mediante largos y pesados ejes de cola y por ello se

est constituyendo en el sistema mas moderno de propulsin , el POD.

Al final de la dcada de 1950 se desarrollaron sistemas de propulsin con plantas de energa nuclear

que proporcionaban vapor para propulsar tanto buques de guerra como mercantes. Sin embargo, los

costos continan siendo ms altos que los de los sistemas convencionales.

Buques con propulsin a motor

El desarrollo del motor de combustin interna se produce a finales del siglo XIX.

El motor de combustin interna se desarrolla como una evolucin de la mquina de vapor. En este

motor el trabajo se obtiene por la combustin de una mezcla de aire y combustible, a diferencia de la

mquina de vapor que aprovecha la presin del vapor de agua, el cual se genera con una combustin

externa a la mquina.

El primer intento de motor de combustin interna lo hizo el francs Etienne Lenoir en 1863. Esta

primera idea de motor fue mejorada notablemente por el alemn Nikolaus Otto que, en 1876, invento el

primer motor que funcionaba con el ciclo de cuatro tiempos. En su honor este motor de explosin se

denomina de ciclo Otto.

En particular el motor Diesel , es un caso particular de motor de combustin interna, se denomina as en

honor a su inventor Rudolf Diesel , ingeniero Alemn. Este tipo de motores es el que se usa hasta hoy

en da para la propulsin de buques.

Los primeros buques con propulsin con motor se denominaron motonaves, trmino genrico que an

suele usarse para referirse a los buques propulsados con motores diesel. La propulsin con motor

diesel constituye en la actualidad del orden de 75% de la flota mundial.

Naves especiales ( de efecto-superficie, mixtos y de hidroala)

En aos mas recientes se ha desarrollado un elevado nmero de nuevos diseos y sistemas de

propulsin como resultado de una constante investigacin para conseguir un transporte ms eficiente ,

es decir : mas velocidad y menos potencia y por ende menos consumo de combustible.

Los buques convencionales se denominan buques de desplazamiento, porque todo su peso al flotar y

navegar es soportado por el empuje hidrosttico; Por el contrario , las embarcaciones de muy alta

velocidad pueden conseguir soportar su peso por dos vas, por un lado una parte del peso es soportada

por el empuje hidrosttico y por otro lado parcialmente por la presin dinmica del agua sobre el fondo

de la carena, fuerza llamada sustentacin dinmica; Esta fuerza eleva parcial o totalmente la

embarcacin en el agua, lo cual se denomina Planeo . Si un barco se eleva fuera del agua, su

resistencia al avance disminuye notoriamente por lo que mediante planeo se pueden alcanzar grandes

velocidades con una potencia relativamente baja.

EL fenmeno del planeo y la sustentacin dinmica es muy frecuentemente aprovechado en ingeniera

naval en embarcaciones menores , (lanchas de alta velocidad , multicascos , hydrofoils, overcrafts,

etc)

Estas aplicaciones se usan con frecuencia en pequeos barcos de pasajeros y otros ms pequeos que

navegan mas bien en ros, canales, bahas o aguas protegidas.

En embarcaciones hydrofoils (hidroalas) se han alcanzado velocidades de ms de 100 nudos (185 km/h).

La Propulsin Naval Actual

La principal mquina de propulsin usada actualmente por los buques de todo tipo y tamao es el Motor Diesel, tanto de 2 como de 4 tiempos. Estos usan como combustible petrleo, el cual dependiendo del tipo y tamao del motor puede ser de mayor o menor refinacin, por lo cual existen diversos tipos de

petrleo combustible para motores de buques.

Actualmente , de la produccin total de petrleo en el mundo , los motores de buques gastan

aproximadamente el 5 % .

El costo por consumo de combustible es uno de los mas importantes costos en la operacin comercial de

un buque, pero por otro lado es el sistema de transporte de cargas mas eficiente, por ejemplo: si se tiene en consideracin un buque porta containers, de unos 260 mts de eslora, el cual usa un motor de 80

mil o de 100 mil HP de potencia para desarrollar unos 25 o 27 nudos de velocidad, nos dara que ese

buque tiene una potencia que equivale a la potencia de ms de 150 motores de camin, y obviamente un

buque de ese tamao puede transportar muchsima mas carga que 150 camiones.

El combustible que gasta diariamente un buque en navegacin depende fundamentalmente de la potencia

de sus motores a bordo, pero debemos recordar que cuando decimos motores no nos referimos exclusivamente al motor propulsor, ya que , debemos tener en cuenta que en la sala de mquinas tambin

se instalan las llamadas Maquinas Auxiliares que no son otra cosa que los generadores elctricos , (2 o mas) y que son accionados por motores disel de menor potencia, sin embargo, el motor propulsor es el

de mayor potencia y el mas grande dentro de la sala de mquinas , razn por la cual se denomina

justamente Motor Principal (en ingls Main Engine). La potencia propulsiva que necesita un buque en particular depende bsicamente de la resistencia total al

avance que tenga; A su vez la resistencia total al avance depende fuertemente de las formas del casco y

de la velocidad mxima a la que requiere navegar.

Por eso es que la resistencia al avance de las embarcaciones , en general suele ser una curva similar a una

parbola cuadrtica aproximadamente:

Rt Cte V2

Y la potencia propulsiva de cualquier embarcacin es una curva que en funcin de la velocidad tiene una

tendencia de parbola cuasi-cubica.

Pot Cte V3

Por otra parte , de fsica sabemos que la potencia de cualquier motor (de combustin, o elctrico, o

incluso turbinas) tienen su potencia definida como:

P = Q En que es la velocidad angular con que gira en rad/seg y Q es el torque que debe vencer en Nt m , (y ese torque depender de qu cosa tenga que hacer girar ese motor, es lo que se denomina la carga). Se puede reemplazar = 2 n , por tanto , con Q en Nm la potencia es:

P = 2 n Q = Watts

P = 2 n Q/ 0.746 = Hp

Consumo de Combustible de Motores Marinos

El consumo de combustible de un motor marino depende bsicamente de la potencia a la que opere, y se

determina mediante su coeficiente de consumo especfico . Cada marca y cada tipo de motor tiene un gasto, o consumo especfico diferente, el cual debe verse en su

catlogo.

Coeficiente de Consumo Especfico de Combustible

Este coeficiente ha sido definido para evaluar el consumo de los motores. Se denomina Coeficiente de Consumo Especfico , o simplemente Consumo Especfico , (lo abreviamos Ce en castellano , o en ingls SFC specific fuel comsumption) y es un parmetro muy importante en motores marinos;

Este valor indica la cantidad de gramos de combustible que el motor gasta por cada hp (o KW) , durante

una hora de operacin a esa potencia. El combustible se mide en gramos peso y no en volumen (como

litros) , esto es debido a que en los buques el combustible se inyecta a temperaturas mas elevadas y su

volumen cambia.

La definicin del coeficiente de consumo especfico est dado entonces en grs por cada Hp de potencia y por cada hora de funcionamiento a esa potencia, es decir:

SFC = Ce = grs /hp hr

SFC = Ce = grs/KW hr

Curvas Caractersticas del Motor

El consumo especfico de los motores viene dado en las llamadas: Curvas Caractersticas del Motor que se entregan por los fabricantes de cada motor en el catlogo del motor. En la fig de abajo puede

verse un ejemplo , en que se nota adems que el SFC en el motor no es constante si no que vara con las

revoluciones del motor .

El SFC (o Ce) tambin vara obviamente de un motor a otro , vara segn sea su marca, su modelo , su

diseo, su potencia y principalmente la velocidad de operacin , denominndose la velocidad a las revoluciones a las que opera. Por ello es frecuente que los motores marinos se clasifiquen como: de baja

velocidad , de media velocidad y de alta velocidad.

Motores de baja velocidad: como regla general los motores de muy altas potencias giran a bajas rpm

(motores de baja velocidad , o , Low speed engine), se caracterizan porque tienen consumos especficos

Ce notoriamente mas bajos (o sea son bastante mas econmicos). Cuando nos referimos a este tipo de

motores estamos hablando de potencias muy altas , desde unos 30 mil hp aprox. hasta unos 90 mil o 100

mil hp , que operan con velocidades de entre 60 y 140 rpm aprox.

Estos grandes motores marinos (Low Speed Engine) , tienen consumos especficos que oscilan alrededor

de 110 y 140 (grs/hp hr) , por tanto , por ejemplo , un motor de 50 mil Hp (que corresponde a un

buque de L 180 a 220 mts aprox. ), consumira aprox. unas 6 a 7 toneladas de combustible por cada hora de funcionamiento a max. potencia, (o sea , a max. rpm).

Por supuesto que si navega a menores rpm que las mximas, su consumo especfico Ce se comienza a

modificar levemente sin ser muy notorio; Pero , los valores de consumo especfico suelen aumentar muy

notoriamente cuando las rpm son menores a 40 o 50 % de las mximas.

Motores de media velocidad , (mdium speed Engine = rpm medias), estos suelen ir desde potencias

del orden de 8 mil a unos 30 mil hp aprox. y operan a velocidades de entre 300 y 800 rpm

dependiendo de su potencia , modelo , etc. y en general stos son un poco mas gastadores, tienen Ce del

orden de 140 a 170 ( grs/hp hr ) aprox.

Motores de alta velocidad: Son normalmente los que usan las naves menores (con L entre 40 y 80 mts

aprox.), o sea motores del orden de 1500 a 5 mil hp aprox., que operan normalmente por sobre las 1000

rpm , y son bastante mas gastadores de combustible y tienen Consumo Especfico Ce de casi el doble que el de un motor Low Speed, es decir tienen SFC = Ce 210 a 230 (grs/ hp hr ).

Motores veloces: Son motores de embarcaciones pequeas, con potencias menores a unos 800 hp

aprox.

Son de altas rpm, operan a mas de 2000 rpm , suelen tener consumo especfico bastante alto , en el rango de 230 a 300 grs/hp hr , en que justamente mientras mas rpm mayor su Ce.

El ingeniero naval deber disear soluciones que requieran potencia de propulsin lo menor posible en

cada buque, ya que como hemos dicho , el costo por combustible normalmente es el principal costo

operacional de un buque comercial o de una embarcacin comercial menor, cualquiera sea su tamao . Y

ya hemos dicho que la potencia de propulsin que se necesita a bordo depender directamente de las

caractersticas de diseo del casco de la nave , (la obra viva) y de la velocidad que se desee.

Por esta razn es que siempre se deber hacer un estudio bastante cuidadoso de las formas de la carena,

(incluidas pruebas y simulaciones con modelos a escala en tanque de pruebas), ya que as se puede

obtener una reduccin de la resistencia al avance y con ello una reduccin de la potencia propulsiva

requerida y por ende una reduccin del consumo de combustible, haciendo que la operacin de esa nave

sea mas rentable.

Mas adelante se comprender que, si por ejemplo uno consigue disminuir un X % la resistencia al

avance , la potencia y el consumo de combustible tambin disminuyen en un porcentaje similar.

Si uno considera que los buques mercantes tienen rutas en que los motores deben permanecer

funcionando varios das seguidos a potencias muy cercanas a la mxima, se comprende la importancia de

disminuir los costos del consumo de combustible en su operacin.

Por otra parte , en la actualidad tambin existe gran preocupacin medioambiental por causa de las

emisiones de gases invernadero que los motores de buques lanzan a la atmosfera (miles de buques

operando en el mundo cada da) , los armadores han sido presionados a preocuparse tambin de este

aspecto medioambiental.

Note que un camin corriente de carretera tiene un motor con potencia del orden de 500 hp aprox. y que

un mercante puede tener un motor de 10.000 hp, o 50.000 hp , y hasta mas de 100.000 hp.

As que desde el punto de vista de las emisiones de gases , el motor de buque mercante equivale a muchos

camiones por lo que los buques mercantes son considerados grandes contaminadores de CO2.

Algunas definiciones sobre la Potencia del Motor Marino

Cuando se habla de la potencia mxima de un motor marino se debe tener cuidado ya que, la

denominacin de mxima se refiere normalmente a la mxima potencia que el motor dio en los

laboratorios del fabricante, o sea en condiciones ideales y atmosfera controlada, por lo que es difcil que

en operacin llegue a dar esa potencia, y por ello solo se suele usar como informacin o referencia.

La potencia que el ingeniero naval usa como la mxima es la que se denomina Potencia Mxima Contnua; La denominacin de continua es para distinguirla justamente de la mxima. Para identificar claramente esta potencia se suele usar la sigla MCR cuando se indica la potencia , (sta sigla es del ingls: Maximun Continuous Rate). Esta es la potencia mxima que el motor puede generar en operacin real, en forma continua, sin parar.

Tambin en los motores marinos se suele indicar una potencia mxima denominada Potencia Mxima Intermitente , esta potencia suele ser alrededor de un 10 o 15 % mayor a la MCR y la expresin intermitente significa que esta potencia se puede usar solo durante un lapso de tiempo (por ejemplo 10 a 20 minutos) y luego el motor debe dejarse descansar otro lapso de tiempo , (por ejemplo 1 hora al menos). Esto es as porque el motor puede trabajar sobrecargado de rpm durante un lapso de tiempo sin

romperse , pero no puede excederse su uso as por lapsos largos de tiempo.

Por ejemplo: un motor puede tener potencia mxima de 5.200 hp , y tener 5100 de potencia max.

intermitente pero su Potencia Mxima Continua (MCR) puede ser de solo 5.000 hp , lo que significa

que la mxima potencia que en fabrica dio el motor fue de 5200 hp , pero que la mxima a que puede

operar en la realidad en forma continua ( MCR) es de solo 5.000 hp y que , si fuera necesario podra

sobrecargarse de revoluciones obteniendo hasta 5.100 hp pero solo en forma intermitente , o sea, operar

solo por algunos minutos, (10 o 15 minutos por ejemplo, pero a continuacin deber bajar su potencia a la

MCR o menos por alrededor de 1 hora de descanso, antes de sobrecargarlo de nuevo, eso depender de la

marca y modelo)

Como hemos dicho, el consumo de combustible en una embarcacin tiene relacin directa con la

potencia de propulsin que usa.

Debemos tener siempre en consideracin este concepto de la potencia que usa , ya que , el hecho de que el motor sea de una cierta potencia MCR o , en su placa diga que es de cierta potencia , no significa

que siempre que est funcionando estar ya dando esa potencia.

Por tanto , un motor tiene una capacidad mxima de potencia , pero , la potencia que realmente genera

en cada momento depende de la velocidad con que debe hacer girar la carga y de cuanto torque se

requiere para hacer girar esa carga.

Una comprensin clara de esto se puede tener si considera Ud. el siguiente ejemplo: En el eje de un

buque mercante de unos 150 mts de eslora , la hlice que el motor debe hacer girar es muy grande (5 mts.

o mas de dimetro y un cierto paso), hacerla girar a ciertas rpm requiere que el motor use un torque alto.

Si por el contrario, en ese mismo eje pusiramos una hlice de menor dimetro (3 mts por ej.) y menor

paso, el motor necesitara un torque mas bajo para hacerla girar a las mismas rpm. Por tanto en el

primer caso la hlice exige al motor a entregar una potencia mayor que en el segundo caso.

As entonces , cuando un motor est funcionando en ralent , es decir cuando est funcionando pero sin mover nada , la potencia que l est produciendo es mnima , es solo la necesaria para vencer el torque

por roce de sus propios mecanismos internos, (descansos , bielas , pistones , etc.).

Por ello , el motor propulsor puede operar a 80% de su MCR , o a 50% de su potencia MCR, regulando

a voluntad las rpm e inyeccin de combustible. La potencia que genera se regula mediante la cantidad

de combustible que se inyecta , (acelerador-rpm).

Si el motor necesita una cierta cantidad de potencia para hacer girar una carga , o hlice a ciertas rpm (en nuestro caso la hlice) y el combustible que se inyecta no es suficiente, el motor no ser capaz de hacer girar la carga (la hlice) a esas rpm y bajar sus rpm en forma automtica

buscando su equilibrio entre potencia que es capaz de dar en esas rpm y la potencia que requiere la carga

(hlice) para girar.

Es evidente entonces que , si el motor es acelerado al mximo de sus rpm (inyeccin max. de

combustible) y no llega a las rpm que indica su catlogo significa que el torque que necesita para hacer

girar la hlice a esas rpm es mayor que lo que el es capaz de dar a sus rpm mximas. Es decir , la hlice

requiere potencia mayor , en la practica , si ocurriera eso , significara que el ingeniero naval se equivoc al calcular la potencia propulsiva del motor (falta potencia) o que la hlice est mal calculada

(requiere que se le entregue mayor potencia) , y en cualquiera de los dos casos eso sera un error muy grande.

CURVA DE ABSORCIN DE POTENCIA DE LA HLICE:

La hlice absorbe la potencia del motor de acuerdo a una curva de necesidad que ella tiene a diferentes.

La curva de absorcin de potencia de la hlice muestra de qu manera la hlice va necesitando potencia

y torque a medida que aumentan las RPM de su rotacin.

Recuerde que ya hemos dicho que , debido a sus formas , la hlice al girar debe vencer un cierto torque

que le impone el agua, as que a diferentes revoluciones la hlice necesita disponer de un torque distinto.

En todos los motores ser la hlice la que ir absorbiendo potencia del motor de acuerdo a la curva de

propulsin.

La curva de absorcin de la hlice se suele poner en la grfica de curvas del motor , a fin de tener juntas

la informacin de cmo es que el motor va disponiendo de mayor potencia a medida que aumentan las

rpm junto a la curva que indica los valores de potencia que va necesitando la hlice a medida que

aumentan las rpm. En la Fig. siguiente se observa estas curvas en f(rpm).

En la fig. anterior podemos notar por ejemplo que, a 3200 rpm, la hlice necesitara una potencia de 20

KW aprox. y el motor no tendra problemas, ya que a 3200 rpm l es capaz de generar hasta unos 26

KW aprox. Y se ve que, a 3600 rpm coincide la potencia que puede entregar el motor con la potencia

que necesita la hlice, pero , esto no es coincidencia , es el ingeniero naval quien decide en qu punto o en qu RPM del motor la hlice absorber el 100% de la potencia del motor, (en la figura el ingeniero

naval al parecer , diseo la hlice para absorber el mximo de potencia del motor (unos 27 KW) , al

mximo de rpm del motor , o sea a 3600 rpm aprox.

Pero, el ingeniero naval podra , por ejemplo por razones tcnicas , haber decidido disear la hlice

para que a 3400 rpm del motor ya absorba el total de potencia del motor, o a 3500 , etc.

Los motores marinos solo en contadas ocasiones operan al 100% de su potencia MCR . Normalmente se

calculan para operar entre 85 % a 90 % de la potencia MCR.

* NOTA: Para determinar la curva de absorcin de potencia de una hlice se necesita saber sobre el

funcionamiento de los propulsores y su diseo , por ello el clculo de la curva de absorcin de potencia

se ver posteriormente, en el curso de propulsores.

Cuando el buque ya est en servicio , el porcentaje de potencia de propulsin que se usa lo va decidiendo

la tripulacin , dependiendo de las condiciones de navegacin (influye principalmente el oleaje y viento

existente, as como la condicin de desplazamiento del buque). En condiciones normales de aguas

tranquilas, con Beaufort hasta fuerza 3 aprox. los buques navegan a sus velocidades altas de operacin ;

A partir de Beaufort 4 aprox.

el buque aumenta notoriamente su resistencia al avance a causa de la energa que en sentido contrario le

transfieren las olas , por lo que mantener la velocidad requiere usar mas potencia que en aguas tranquilas.

No obstante, en oleajes arbolados de gran altura normalmente las tripulaciones bajan voluntariamente la

velocidad a valores inferiores a su Velocidad max. de operacin con el fin de resguardar la seguridad del

buque y las cargas , las cuales se ven sometidas a fuerzas adicionales causadas por las aceleraciones de

sus movimientos oscilatorios de Roll , Pitch y Heave, adems de slamming , embarques de agua en

cubierta , etc.

La potencia propulsiva necesaria tiene relacin directa con la resistencia al avance y con la velocidad a la

que se desea que se mueva la nave.

Mientras mayor sea la velocidad, mayor es la resistencia al avance , y mayor es la potencia necesaria

para la propulsin.

Asi que , la resistencia al avance depende de la velocidad , pero tambin depende obviamente del estado

del agua (tranquilas o con oleaje), y de las formas geomtricas del casco; (es evidente que una barcaza

rectangular presenta mayor resistencia a avanzar por el agua que un buque fino e hidrodinmico).

Es decir , por regla general entonces , la Resistencia al avance que presenta la embarcacin es mayor mientras mayor sea la velocidad a que avanza, pero, tambin ser mayor si sus formas son poco

hidrodinmicas.

As es que si un buque tiene formas poco apropiadas, requerir mas potencia para moverse a una cierta

velocidad que otro cuyas formas presentan menor resistencia al avance, (y por tanto tendr tambin

mayor consumo de combustible) .

Y cuando el buque se mueva a mayor velocidad , mayor ser la potencia de motor que necesitar usar ya

que si la Resistencia Total al Avance aumenta , el Empuje que debe aplicar la hlice tambin deber ser

mayor , y para ello el propulsor necesitar usar mayor potencia, lo cual obviamente tambin genera

mayor consumo de combustible.

Por tanto , con la potencia MCR que tenga instalada una nave , tendr tambin una correspondiente

velocidad mxima, (la cual no podr superar por que simplemente no dispone de ms potencia a bordo).

Y por tanto llegar un momento en que el buque usar el mximo de su potencia y se mover a una

velocidad mxima y su consumo ser el mximo.

Como dijimos anteriormente, un motor propulsor (y todo motor) genera la potencia mediante la

velocidad con que es capaz de girar (RPM) y la capacidad de torque que tiene a esas rpm para hacer

girar la hlice (u otra carga conectada a el, como un generador o una bomba , etc). La potencia que se

tiene en el flange de salida del motor se acostumbra a denominar con las siglas BHP (sigla del ingles Brake hp, o potencia en el freno, en alusin al primer instrumento para medir la potencia de maquinas

rotatorias , que se instalaba en esa zona y que se llamaba Freno Prony).

1 (Ntm/seg) = 1 Watt

1 Hp = 0.746 KW (ingles)

1 CV = 0.735 KW (el CV a veces es llamado Hp mtrico)

1 HP = 76.04 kgf m/s

1 CV = 75 kgf m/s

FLANGE

Fly Wheel

(potencia

BHP)

Freno Prony

Para usar mas potencia el motor ste debe ser acelerado a mayores RPM, y en cada RPM tiene una

capacidad de torque Q ; Con esos dos valores se puede determinar la potencia BHP que puede generar

el motor a esas rpm; Acelerar significa que se le inyecta mayor cantidad de combustible, el cual al ser

quemado hace disponible mayor cantidad de energa propulsiva a bordo, o sea , se puede realizar mayor

trabajo mecnico por unidad de tiempo, y trabajo mecnico por unidad de tiempo es la definicin de

potencia.

Potencia = Trabajo mecnico / Tiempo

Todo buque que es entregado en un astillero tiene calculadas las curvas de resistencia al avance y de la

potencia de propulsin que esa embarcacin requiere para diferentes velocidades de avance.

Mientras mayor es la velocidad, mas potencia propulsiva se necesitar por lo que las curvas de potencia

propulsiva en funcin de la velocidad son normalmente curvas tipo parbola.

Estas curvas de potencia propulsiva v/s velocidad se suelen calcular para una o ms condiciones de

carga (por ejemplo para desplazamiento en lastre y para desplazamiento full loaded, etc.), ya que en

diferentes desplazamientos las formas de la carena son diferentes y por tanto las necesidades de potencia

son diferentes en cada caso.

En la figura siguiente se muestra un ejemplo correspondiente a un tramo de la curva de Potencia v/s

Velocidad de un buque porta-contenedores.

Estas curvas de resistencia al avance y los correspondientes valores de potencia necesaria para cada

velocidad son calculadas por el ingeniero naval (en ingles: Naval Architect) .

La determinacin de estas curvas para cualquier tipo de buque es el principal objetivo de ste curso.

Normalmente se exige buena precisin de estas curvas, por lo que en etapa de pre-proyecto , o ante-

proyecto, se pueden usar tcnicas de estimacin terica, pero ya para el proyecto definitivo en la mayora

de los casos se confirman con pruebas y mediciones a escala reducida realizadas con un modelo a escala

del buque en un Tanque de Pruebas.

NOTA 1: La unidad de velocidad que se usa en el mbito martimo naval es el nudo. Un nudo es una

milla nutica por hora.

La milla en el mbito terrestre es una unidad de longitud que viene de la poca del imperio romano, pero

la milla nutica difiere de la milla terrestre. La milla nutica es igualmente muy antigua en la navegacin,

(varios siglos), pero fue adoptada y fijada oficialmente por la ISO solo en 1929 y actualmente es una

unidad admitida por el SI de unidades .

Una milla nutica corresponde a 1852 mts, que es aproximadamente la longitud de un arco de 1' (un

minuto , o sea 1 grado/60) en la circunferencia terrestre, (un minuto, la sesentava parte de un grado).

Las Pruebas de Mar

Prueba de Potencia - Velocidad

Una vez terminada la construccin de una nave y antes de ser recibida por el armador , se realizan las

llamadas Pruebas de Mar , las cuales consisten en mediciones y comprobaciones con el buque operando, de que la nave cumple con las condiciones estipuladas en las especificaciones tcnicas establecidas en el

contrato de proyecto y construccin. En esta etapa que suele durar de 1 a 3 das aprox. se verifican los

detalles electricos , electrnicos, maquinas , equipos e instalaciones a bordo , maniobrabilidad, y , entre

estas se verifica la potencia propulsiva y la velocidad.

La prueba que verifica si el buque alcanza la(s) velocidad(es) con la(s) potencia(s) calculada(s) se

denomina milla medida ya que viene del mtodo tradicional que se ha usado para medir la potencia y la velocidad del buque , en que se usa un recorrido standarizado de 1 milla nautica (1.852 mestros).

La milla medida ha sido una prueba tradicional que consiste bsicamente en realizar un recorrido standarizado como el que se ve en las figuras siguientes. (en algunos casos se suele usar 5 minutos de

recorrido o 1 milla nutica, segn la velocidad de prueba).

Esta prueba de velocidad es un procedimiento que puede ocupar mucho tiempo y tiene diferentes

complicaciones de ejecucin especialmente en el caso de buques de gran tamao (sobre 150 mts de Lpp);

Por ejemplo el buque debe ser cargado hasta los calados que se requieren para las pruebas y en los

calados establecidos en los calculos tericos, (notese la complicacin si estos son los de full loaded o

plena carga).

Por otra parte , el clima tiene que ser razonablemente bueno, o sea mnimo de oleaje y sin viento

(Beaufort max. 2) , y las mediciones deben realizarse en un lugar con aguas profundas y que tenga la

amplitud necesaria que le permita al buque realizar sus evoluciones de pruebas a la velocidad

especificada; Y no solo debe ser una zona amplia si no que a la vez no debe haber trfico de otros

buques en las proximidades ya que el buque realiza evoluciones amplias.

El tiempo de ejecucin de las pruebas es largo, debe tenerse en cuenta por ejemplo que el buque debe

acelerar hasta una velocidad constante y, como las corrientes marinas pueden estar presentes, cada

velocidad de ejecucin tiene que ser hecha al menos dos veces, es decir en direcciones opuestas para

compensar cualquier efecto de corrientes.

En consecuencia, slo un nmero limitado de velocidades de proyecto se ponen a prueba, por lo que la

velocidad alcanzada y por ello suele ser necesario hacer ajustes tericos para tomar en cuenta efectos

notorios del viento y olas durante las pruebas.

Actualmente esta prueba ya est quedando obsoleta y se aplica muy poco. La prueba o medicin de la

velocidad se hace actualmente mediante GPS, y la potencia se mide con torsimetros de diverso tipo

instalados en el eje porta-hlice, o en embarcaciones menores a travs de la medicin del consumo de

combustible en un cierto lapso de tiempo.

Otros efectos en la comprobacin de velocidad y potencia , tales como temperaturas, salinidad del agua,

presiones atmosfricas y diferencias menores con el proyecto, se suelen despreciar y, las pruebas por

tanto se deben entender como una confirmacin emprica y en caso necesario se pueden ajustar las curvas

en el diagrama de potencia proyectado.

En ocasiones , el diagrama de potencia propulsiva puede incluir la curva de la potencia max. continua del

motor ( MCR) como una manera de demostrar que la nave ocupa la mxima potencia continua justamente

en la velocidad mxima convenida. (vea un ejemplo en la fig siguiente)

BUQUE EN SERVICIO

Los armadores saben que los valores de potencia y velocidad mxima de las pruebas de mar en aguas

tranquilas no son los valores que pueden esperarse tambin en las operacin real del buque cuando est

ya en servicio en el mar con olas y vientos.

La mxima velocidad en servicio es menor que la mxima velocidad alcanzada en pruebas porque en la

navegacin real con el buque ya en operacin hay condiciones que en pruebas no estaban y que agregan

ciertos porcentajes de aumento de resistencia a la propulsin , por ejemplo pensando en una navegacin

normal con estado de mar de no mas de Beaufort 3 o 4 se espera al menos del orden de 5% adicional de

resistencia al avance por vientos y olas, y para estados de mar mayores a fuerza 4 de Beaufort suele

elevarse mucho mas. Y finalmente hay que saber que si el estado de mar es mayor a fuerza 7 por

ejemplo (en buques cargueros) , lo mas probable es que se requiera una reduccin voluntaria de la

potencia y de la velocidad del buque para mantener su seguridad operativa.

Por otra parte , despus de varios meses de operacin , el casco se habr ido deteriorando en cuanto a

limpieza de la superficie de la carena y la resistencia al avance ser bastante mayor . Se estima que

aproximadamente un 10% adicional de resistencia al avance suele ser debido a la rugosidad de la

superficie del casco por acumulacin de incrustaciones marinas o fouling, lo mismo ocurre con la

hlice ,y en el casco causa aparecen incrustaciones marinas que deterioran su eficiencia.

La situacin real con respecto al fouling de un buque en particular puede ser peor en % pero es un

fenmeno biolgico y no de clculos fsicos por lo que es de difcil pronostico.

Los recursos principales contra el fouling son los distintos tipos de tratamiento del casco en dique seco,

tales como pinturas especiales y recubrimientos aplicados a la parte sumergida u obra viva del casco a

intervalos regulares (cuando sale a varada en seco).

La hlice por su parte es tambin limpiada de incrustaciones y pulida. En algunos casos la limpieza o

pulido (polish) de la hlice puede incluso hacerse con el buque a flote, usando equipos submarinos

manejados por buzos.

La mayora de los operadores de buques llevan un control del combustible consumido en relacin con la

velocidad de operacin, por ejemplo, suelen medir el consumo de combustible por da , o por

distancia recorrida diaria. De esta manera, se tiene en control los costos de operacin por propulsin en

las condiciones reales de servicio del buque. La potencia usada en servicio y la velocidad media

pueden ser calculadas, y el resultado puede ser trazado en el grafico potencia v/s velocidad para

comparacin con los resultados de pruebas ya que para las mismas velocidades se necesita mas potencia

en servicio que lo que se midi en las pruebas. (vea graf siguiente)

Desafortunadamente, los resultados obtenidos de esta manera por lo general suelen dar valores de curva

de potencia en servicio muy diferentes unos de otros incluso para una misma velocidad ya que depende

de las condiciones climticas de navegacin que existia al momento de las mediciones, por tanto la curva

de potencia de servicio se usa solo como referencia, (note que el concepto potencia en servicio incluso es

difcil de precisar , depende del estado de mar que se considere). Vea en la figura siguiente mediciones

realizadas en un buque porta-containers.

Hay mediciones en que usando 97% de la potencia MCR se alcanzo velocidades del orden de 23.2 nudos,

pero en otra medicin (con otro estado de mar y con otros calados), se alcanz 23 nudos solo con un 75 %

de la potencia MCR.

Dado que no es posible establecer una relacin fija entre la potencia de propulsin y la velocidad que se

alcanzara en condicin de servicio, la simplificacin que se usa es estimar la "resistencia adicional por

condiciones de servicio", como un porcentaje adicional de potencia de motor que engloba todas los

efectos adicionales que aparecen en servicio comparando con las pruebas de mar, (por ejemplo vientos ,

fouling , oleaje del mar , embarque sde agua en cubierta , etc.), y que permite tener un adicional de potencia para compensar la degradacin de las condiciones de navegacin que sufre el buque en servicio.

El deterioro del casco con el tiempo en servicio se restaura cada vez que el buque entra a dique seco , o

carena seca , donde se limpia el casco se pinta y se pule la hlice , (adems de mltiples otras faenas de

mantenimiento).

Por tanto la resistencia a la propulsin tiene fluctuaciones importantes cuando se hace carena en seco,

(dry docking), vea a modo de ejemplo el caso de un buque en la figura siguiente.

Cuando se hace limpieza de la hlice a flote tambin se produce un notorio mejoramiento de la potencia

propulsiva generada por el sistema propulsivo, y mantiene mas estable la potencia propulsiva en el

tiempo aprovechndola mejor, vea por ejemplo la figura siguiente.

Incluso la prctica de limpiar los costados del casco con buzos y maquinas submarinas produce mejoras

en el aprovechamiento de la potencia de propulsin, lo mismo si la limpieza del casco se hace en forma

mas seguida, vea la figura siguiente.

El consumo de combustible del buque es uno de los tems de mayor importancia en sus costos de

operacin.

El aumento de resistencia del casco en servicio se refleja en que el consumo de toneladas de combustible

por hora o diario aumenta notoriamente, vea la fig siguiente.

Potencia de Propulsin en Reversa En reversa, los motores marinos y las turbinas propulsoras no dan la misma potencia que en marcha

avante, siendo las turbinas las que ms ven afectado su funcionamiento en reversa.

En la figura siguiente se ilustra este problema que aunque es para grandes mercantes aclara bien el

rendimiento reversa de la propulsin.