Sistemas de Propulsión en los Buques. Novedades tecnológicas.

En la actualidad existe un creciente interés sobre innovaciones técnicas en los buques para ahorrar combustible y cumplir con las regulaciones de las emisiones a la atmósfera, de gases contaminantes (objeto del Anexo VI de MARPOL) y de efecto invernadero (principalmente CO2).

Los viajes por mar podrían hacerse con un gasto mucho menor de combustibles fósiles, altamente contaminantes, gracias a nuevos sistemas híbridos de propulsión que comienzan a dar excelentes resultados.

Rolls-Royce desarrolló un novedoso sistema Hélice-Timón para aplicarlo en la propulsión de buques, en principio, aplicable a buques de una sola hélice y con una velocidad máxima de 17 nudos.

El sistema mejora la maniobrabilidad y reduce el consumo entre un 3 y un 6 %.

Como muestra la figura, se trata de una combinación de un capacete de hélice en forma de cono truncado y un bulbo en el timón.

Los responsables del diseño calculan que la inversión se recupera en un periodo de entre 1 y 2 años y tienen intención de ofrecer este servicio a buques que desarrollen 21 nudos.

Cosco, la mayor naviera mercante China, ha encargado a la empresa Australiana Solarsailor la construcción de paneles solares para propulsar, por energía eólica y solar, un Petrolero y un Granelero.
Solarsailor trabaja con tecnología Hybrid Marine Power (HMP) que combina energía eléctrica procedente de todas las fuentes (solar, eólica, red eléctrica…) con la obtenida de combustibles fósiles o alternativos.

Aprovecharán el viento para ahorrar entre un 20 y un 40% del costo de combustible con vientos favorables.

El sol para proporcionar un 5% de las necesidades energéticas de cada buque.

Los paneles de aluminio, tienen 30 mts. de altura y son similares a las alas de un avión Jumbo. Funcionan con un ordenador conectado al sistema de navegación del buque y con sensores que los giran automáticamente para captar el viento desde el mejor ángulo para lograr la máxima eficiencia solar y eólica, y, si todo va según lo previsto, el gasto estará amortizado en 4 años.

Uno de los mayores espectáculos de la bahía de Sydney, Australia es la presencia del Solar Sailor, un ferry de aspecto futurista impulsado por velas solares. Esta nave de diseño único, creada por Robert Dane, utiliza la fuerza del viento y la energía solar para reducir las emisiones de gases de invernadero hasta un 50% con respecto a otros buques de porte similar.

Utiliza un innovador sistema de velas flexibles, con su superficie cubierta por paneles solares. La estructura de acero y plástico de sus velas le permite recurrir a la energía solar o a la fuerza del viento -según el clima lo permita-, para alimentar a sus motores eléctricos que le proporcionan una velocidad de hasta veinte nudos.

Las “alas” se mueven automáticamente, ajustándose a la posición del Sol y del viento para obtener una acumulación óptima de energía. En condiciones de vientos extremos, las velas se pliegan por completo contra la superficie del barco. Si el viento y la luz solar no alcanzan para impulsar eléctricamente al Solar Sailor, se recurre, ocasionalmente, a sus potentes motores, que también pueden funcionar con biodiesel como combustible.

Este mismo principio es aplicado a un buque catamarán que cubre la segunda mayor ruta de ferries del mundo, la que une la ciudad estadounidense de San Francisco con la isla de Alcatraz.

Norberto Sánchez
Técnico Constructor Naval
Jefe de Máquinas

La Hélice del Barco. Progresos Tecnológicos

Desde el 4 de agosto de 1829, cuando la Civettà zarpo para hacer una prueba oficial, hasta hoy, el concepto de la hélice como propulsión de los buques, no tuvo una variación drástica en la geometría de la hélice.

En la Civettà, Josef Ressel, había montado una hélice movida por una máquina de vapor. El barco, llevando 40 personas a bordo, llegó a alcanzar 6 nudos. La prueba no pudo continuar al romperse la máquina de vapor.

A partir de 1875 se empiezan a publicar los primeros fundamentos teóricos de los procedimientos para el proyecto de hélices. Dichos métodos fueron evolucionando progresivamente e incorporando los desarrollos realizados en el campo aeronáutico. En los últimos años se incorporan los ordenadores en las tareas de diseño, lo que permite utilizar modelos matemáticos cada vez más complejos para realizar el diseño de las hélices.

Ya, a mediados del siglo pasado, se realizan amplios trabajos de investigación con la finalidad de poder explicar de forma más precisa los fenómenos de interacción entre la hélice y el flujo que se desarrolla en la popa del buque. Este conocimiento ha permitido conseguir mejoras significativas en el comportamiento de la hélice en cavitación y en consecuencia en la reducción de los niveles de ruidos y vibraciones a bordo.

En los últimos años se han desarrollado diversos dispositivos, así como diseños de hélices no convencionales encaminados a mejorar el rendimiento propulsivo del buque.

En este post quería comentar sobre un tipo especial de hélice denominada CLT (Contracted Loaded Tip), diseñada por la empresa española SISTEMAR que ha demostrado ahorros de consumo de combustible superiores al 10%.

La diferencia de las hélices convencionales con las CLT es que en éstas últimas, en los extremos de las palas se sitúan unas placas de cierre que permiten que exista una diferencia apreciable entre las presiones que ejerce el agua sobre las caras de presión a popa y de succión a proa de la hélice, en las proximidades de los extremos de las palas.

Estas placas de cierre impiden que se generen torbellinos de extremo de pala, lo que supone que las fuerzas fluctuantes de presión son menores en las hélices CLT y en consecuencia también son menores los niveles de ruidos y vibraciones a bordo.

Se demuestra teóricamente que, cuanto mayor es la diferencia de presiones en ambas caras, mayor es el rendimiento de la hélice.

Las numerosas pruebas de mar realizadas con buques que tenían instaladas hélices convencionales y posteriormente hélices CLT, arrojan las siguientes ventajas comparativas de éstas últimas respecto de las primeras:

Tienen un mayor rendimiento propulsivo, lo que permite reducir la potencia propulsora necesaria para alcanzar una determinada velocidad. Esto se traduce en un importante ahorro de combustible, entre un 7 y un 12% menos de consumo a igualdad de velocidad. Alternativamente, a igualdad de potencia propulsora, las hélices CLT permiten aumentar la velocidad del buque entre 0,3 y 0,6 nudos.

Los niveles de vibraciones excitadas sobre el casco por las hélices CLT son considerablemente inferiores a los correspondientes de las hélices convencionales, debido a la menor depresión en la cara pasiva de las palas, con una extensión de cavitación mucho menor y menores fluctuaciones de presión.

A igualdad de potencia propulsora, se obtiene una mejor respuesta del buque a la acción del timón, y por consiguiente, mejores características de maniobrabilidad, con círculos de evolución de menor radio y menor distancia de frenado requerida.

Las hélices o palas CLT se han instalado en buques de todo tipo:

Quimiqueros, Bulkcarriers, Pesqueros de arrastre y de cerco, Ro-Ros, Crucero, Yates, etc. accionadas por máquinas propulsoras que oscilan entre los 36.000 bhp a 90 rpm y los 300 bhp a 2.400 rpm.

Sistemar ha desarrollado una segunda generación que aporta las siguientes mejoras:

Se reduce la depresión en la cara de succión de la hélice, por lo que se minimiza la extensión de cavitación tipo lámina y por tanto los niveles de las fluctuaciones de presión.

Se aumenta la sobrepresión en la cara de presión de la hélice, aumentando de esta forma el rendimiento de propulsor aislado.

Como casi siempre, ante los nuevos avances tecnológicos, nos preguntamos sobre el retorno de la inversión al tomar la decisión de colocarla en una nueva construcción o cambiarla en un buque en servicio.

En el caso de buques de nueva construcción, el mismo se debe únicamente a la diferencia de coste de diseño y fabricación con respecto a la hélice convencional alternativa.
Cuando se trata de buques en servicio, al coste de diseño y fabricación hay que añadir el de desmontaje de la hélice existente y el de transporte e instalación de la nueva.
La reducción de la factura anual de combustible conseguida mediante la hélice CLT se estima en función del tipo de buque (horas de navegación al año, consumo específico de combustible, porcentaje de ahorro estimado) y del precio del combustible.
En función de estos parámetros, se tiene que en el caso de buques de nueva construcción, el retorno de la inversión se produce en aproximadamente 3 a 6 meses, mientras que en el caso de buques en servicio suele oscilar entre 2 y 3 años.

Las últimas noticias nos informan que AP Möller Maersk ha encargado a Sistemar el diseño de una hélice CLT para el petrolero “Roy Maersk” (35.000 tpm), con el objetivo de reducir el consumo de combustible (y, en consecuencia, las emisiones de CO2) y mejorar la maniobrabilidad del buque.

Por su parte, el grupo naviero noruego Wilhelmsen ya ha instalado una hélice CLT en su bulkcarrier “Bernardo Quintana” (76.000 tpm) y ha encargado otras dos para los bulkcarriers “Sklenar” y “W.H. Blount”, que se instalarán en las varadas previstas para este año.

El director general de Wilhelmsen Ship Management, Aditya Saxena, ha afirmado que “para reducir los costes operativos de nuestros buques, hemos estudiado varias formas de reducir el consumo de combustible y hemos llegado a la conclusión de que una hélice CLT es la mejor manera de lograr una reducción significativa y apreciable”.
Las hélices CLT de ambos grupos navieros han sido construidas por Wärtsilä en Drunen (Holanda).

Norberto Sánchez
Técnico Constructor Naval
Jefe de Máquinas

Motores Diesel. Algún tipo de Averías en Pistones IV

Gripado de la cabeza de un Pistón Diesel


La cabeza del pistón está gripada localmente en la pared de fuego. La superficie de las huellas dejadas por el gripado es áspera y está rayada, e incluso se ha desprendido porciones considerables de material.

Debido a problemas en la tobera de inyección, el chorro de carburante no pulverizado ha chocado contra la película de aceite que cubre la pared del cilindro y la ha debilitado al extremo de causar una marcha en seco. El material del pistón agarrotado con firmeza en la pared de fuego por la falta de aceite, ha creado una especie de soldadura en la pared del cilindro que ha hecho desprender porciones más o menos grandes de la cabeza del pistón.

Gripado por falta de lubricación causado por aros que no cierran bien contra la camisa de cilindro

Estos daños ocurren especialmente en la fase de rodaje bajo gran carga cuando los aros aún no han podido obturar por completo a causa de un rodaje deficiente.

Los gases excesivamente calientes que pasan entre los aros del pistón y la pared del cilindro deterioran la película lubricante que protege a ambas piezas.

Pero no solamente este tipo de agarrotamiento se produce en la fase de rodaje del motor, los problemas de combustión, las elevadas temperaturas o un enfriamiento insuficiente de los pistones y de la pared del cilindro también pueden hacer disminuir y hasta destruir la película lubricante.

El pistón, además, al deslizar sobre las partes no lubricadas del cilindro, raya la pared de fuego y deja posteriormente huellas de agarrotamiento en toda la falda del pistón.

En el pistón de la izquierda resaltan los rastros incipientes de la fricción en la parte superior, a la derecha de la pared de fuego.

En la fase avanzada, las rayas se extienden sobre toda la superficie del pistón.

Leer tambien I, II y III:

http://maquinasdebarcos.blogspot.com/2009/03/motores-diesel-algun-tipo-de-averias-en.html

http://maquinasdebarcos.blogspot.com/2009/03/motores-diesel-algun-tipo-de-averias-en_09.html

http://maquinasdebarcos.blogspot.com/2009/03/motores-diesel-algun-tipo-de-averia-en.html

Con este post termino con el tema de averías en pistones.

Siempre que se presenta una falla crítica, debemos hacer cualquier esfuerzo para prevenir que vuelva a suceder. Si no intervenimos para eliminar la causa raíz, la recurrencia de la falla, está prácticamente garantizada.

Deberíamos considerar las investigaciones de falla tan seriamente como lo hacemos con las actividades de reparación necesarias para poner nuevamente el Motor en servicio.

Motores diesel. Algún tipo de Avería en Pistones III

Desgaste por falla de lubricación ocasionada por exceso de carburante.

El carburante no quemado y condensado en la superficie de rodadura del cilindro ha diluido la película de aceite o la ha eliminado. Por eso el conjunto- pistón cilindro- se mueve con mala lubricación. Se producen huellas longitudinales con rayas delgadas, producidas por el rozamiento de ambas piezas, en la zona en donde está normalmente el diagrama del pistón.


En el caso de desgaste por exceso de carburante, el lugar estropeado del pistón está ubicado siempre en los puntos en donde se apoya la falda del pistón en el cilindro.

Una moderada dilución del aceite por combustible podría ser causada por frecuentes arranques de un motor, excesiva marcha en vacío y malas condiciones de arranque en frío.

La dilución severa está asociada con fugas, problemas en el inyector de combustible y combustión ineficiente. La dilución por combustible por inyectores defectuosos causa comúnmente lavado del aceite en la camisa del cilindro, lo que acelera el desgaste de los aros, pistón y cilindro.

También la dilución severa puede reducir la viscosidad de un aceite, esto colapsa el espesor crítico de la película del aceite, dando por resultado el desgaste prematuro de la zona de combustión (pistones, aros y camisas).

Una combustión ineficiente podría también estar causada por problemas en el sistema de aspiración, turbosoplante, filtro de aire obstruido, pos-enfriador tapado, etc.

Leer también Numero I y II:
http://maquinasdebarcos.blogspot.com/2009/03/motores-diesel-algun-tipo-de-averias-en.html

http://maquinasdebarcos.blogspot.com/2009/03/motores-diesel-algun-tipo-de-averias-en_09.html