apuntes de pro, Apuntes de Ingeniería Marina. Universidad de Cádiz (UCA)

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Asignatura: Procesos de construccion naval, Profesor: juan juan, Carrera: Arquitectura Naval e Ingeniería Marítima (ANIM), Universidad: UCA
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AGRADECIMIENTO A mis hijos Diego y Almudena fuente de toda inspiración.

INTRODUCCIÓN A LAS PLANTAS DE PROPULSIÓN NAVAL

C. de F. Carlos BARRIONUEVO Ojeda

ESCUELA SUPERIOR DE GUERRA NAVAL

DERECHOS RESERVADOS DE EDICIÓN Marina de Guerra del Perú Escuela Superior de Guerra Naval División de Publicaciones de la Escuela Superior de Guerra Naval Jr. Sáenz Peña 590 La Punta – Callao Teléfono: 2016230 Anexo: 6123

INTRODUCCIÓN A LAS PLANTAS DE PROPULSIÓN NAVAL Autor Capitán de Fragata Carlos Barrionuevo Ojeda

Diseño y Diagramación OM2 GRÁ. William Cuadros Rodríguez David Neyra Romero

Corrección Ylse Mesía Marino

Segunda edición: Octubre 2013

ISBN: 978-612-46560-7-1 Hecho el Depósito Legal en la Biblioteca Nacional del Perú N° 2013-16428

SÓLO PARA USO EXCLUSIVO DE INSTRUCCIÓN EN LA MARINA DE GUERRA DEL PERÚ No está permitida la reproducción total o parcial de esta obra ni su tratamiento o transmisión por cualquier medio sin autorización escrita de la División de Publicaciones de la Escuela Superior de Guerra Naval.

ÍNDICE

AGRADECIMIENTO 1

ÍNDICE 5

CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LAS PLANTAS DE PROPULSIÓN NAVAL 9

1.1 El Problema de la Propulsión Naval 9 1.2 Evolución de las Plantas de Propulsión a lo largo de la Historia 10 1.3 Componentes Principales de una Planta de Propulsión 18 1.4 Clasificación de las Plantas de Propulsión 19 1.5 Consideraciones Operacionales y Técnicas 20 1.6 Motores Térmicos 21

CAPÍTULO 2 RESISTENCIA AL DESPLAZAMIENTO, POTENCIA Y EFICIENCIAS 23 2.1 Resistencia al Desplazamiento: Generalidades 23 2.2 Resistencias al Movimiento del Buque 23

2.2.1 Resistencia del Agua 2.2.2 Resistencia del Aire 2.2.3 Resistencias Accidentales 2.2.4 Resistencia Total

2.3 Potencia de la Planta de Propulsión 27 2.3.1 Canal de Experiencias Hidrodinámicas 2.3.2 Leyes de Semejanza de Froude 2.3.3 Potencia de Propulsión

2.4 Eficiencia de la Planta de Propulsión 31 2.5 Poder Calorífico y Consumo de Combustible 33

CAPÍTULO 3 PLANTAS DE PROPULSIÓN CON TURBINAS A VAPOR 34

3.1 Ciclos Termodinámicos de las Plantas a Vapor 34 3.1.1 Ciclo Termodinámico 3.1.2 Ciclo Rankine o Ciclo de Vapor 3.1.3 Componentes mecánicos de un Ciclo a vapor 3.1.4 Variantes del Ciclo de Vapor Rankine

3.2 Componentes de las Plantas de Propulsión a Vapor 41

ÍNDICE 6

3.2.1 Calderas Navales 3.2.1.1 Procesos Funcionales que ocurren en una Caldera 3.2.1.2 El Vapor 3.2.1.3 Clasificación de las Calderas 3.2.1.4 Tipos de Re-calentadores de Calderas 3.2.1.5 Capacidad de las Calderas 3.2.1.6 Características de Operación de las Calderas Navales 3.2.1.7 Componentes de una Caldera Naval

3.2.2 Turbinas a Vapor 3.2.2.1 Descripción y Principios Básicos de Funcionamiento 3.2.2.2 Etapas de una Turbina a Vapor 3.2.2.3 Escalonamientos de las Turbinas a Vapor 3.2.2.4 Clasificación 3.2.2.5 Componentes Principales 3.2.2.6 Rendimiento o Eficiencia 3.2.2.7 Regulación de Potencia

3.2.3 Sistema de Condensado 3.2.3.1 Funciones 3.2.3.2 Componentes Principales

3.3 Ventajas y Desventajas de las Plantas de Propulsión a Vapor 91

CAPÍTULO 4 PLANTAS DE PROPULSIÓN CON TURBINAS A GAS 92

4.1 Las Turbinas a Gas o Turbinas de Combustión 92 4.2 Ciclo Termodinámico Brayton 93 4.3 Motores a Reacción 97

4.3.1 El Turborreactor 4.3.2 El Turbohélice 4.3.3 El Turboventilador 4.3.4 Diferencias entre las Turbinas a Gas Marinas y los Turborreactores

4.4 Turbina a Gas Marina: LM-2500 100 4.4.1 Generalidades 4.4.2 Componentes Principales

4.4.2.1 El Conjunto: Base/Contenedor 4.4.2.2 La Turbina a Gas 4.4.2.3 El Módulo de Lubricación 4.4.2.4 La Unidad de Comando y Control 4.4.2.5 El Módulo de Lavado

4.4.3 Sistemas Principales 4.4.3.1 El Sistema de Lubricación 4.4.3.2 El Sistema de Combustible 4.4.3.3 El Sistema de Encendido 4.4.3.4 El Sistema de Aire 4.4.3.5 El Sistema de Arranque

INTRODUCCIÓN A LAS PLANTAS DE PROPULSIÓN NAVAL 7

4.5 Ventajas y Desventajas de las Plantas de Propulsión con Turbinas a Gas 130

CAPÍTULO 5 PLANTAS DE PROPULSIÓN CON MOTORES DIÉSEL 132

5.1 Motores Alternativos de Combustión Interna 132 5.1.1 Ciclos Termodinámicos: Otto y Diésel 5.1.2 Características de los Motores Ciclo Otto y Ciclo Diésel 5.1.3 Clasificación de los Motores Alternativos

5.2 Motores Diésel de Propulsión Naval 146 5.2.1 Componentes Principales

5.2.1.1 Componentes Estructurales 5.2.1.2 Componentes Móviles

5.2.2 Sistemas Principales 5.2.2.1 Sistema de Admisión de Aire 5.2.2.2 Sistema de Gases de Escape 5.2.2.3 Sistema de Inyección de Combustible 5.2.2.4 Sistema de Lubricación 5.2.2.5 Sistema de Arranque 5.2.2.6 Sistema de Refrigeración

5.3 Ventajas y Desventajas de las Plantas de Propulsión con Motores Ciclo Diésel 175

CAPÍTULO 6 PLANTAS DE PROPULSIÓN DIÉSEL-ELÉCTRICAS PARA SUBMARINOS 177

6.1 Descripción de la Planta de Propulsión Diésel-Eléctricas 177 6.1.1 Funcionamiento de la Planta 6.1.2 Partes Componentes

6.1.2.1 Motor de Propulsión 6.1.2.2 Control Principal 6.1.2.3 Tablero Principal 6.1.2.4 Grupo Excitatriz 6.1.2.5 Tablero de los Generadores 6.1.2.6 Control de Máquinas Diésel y Generadores Principales 6.1.2.7 Generadores Principales 6.1.2.8 Baterías

6.2 Operación de las Plantas de Propulsión Diésel-Eléctricas 185 6.2.1 Control de la Planta de Propulsión 6.2.2 Condiciones de Propulsión del Submarino

ÍNDICE 8

CAPÍTULO 7 ENERGÍA NUCLEAR 188

7.1 Propulsión Nuclear 188 7.2 La Energía Nuclear 189

7.2.1 Fisión Nuclear 7.2.2 Fusión Nuclear 7.2.3 Reactores Nucleares 7.2.4 Plantas de Propulsión Naval con Combustible Nuclear 7.2.5 Componentes de una Planta de Propulsión Nuclear

CAPÍTULO 8 PLANTAS DE PROPULSIÓN HÍBRIDAS O COMBINADAS 195

8.1 Plantas Combinadas 195 8.1.1 Finalidad de las Plantas Combinadas 8.1.2 Tipos de Plantas de Propulsión Combinadas

8.2 Comparación de las Plantas de Propulsión 204

GLOSARIO 206

BIBLIOGRAFÍA 217

CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN A LAS PLANTAS DE PROPULSIÓN NAVAL

1.1 El Problema de la Propulsión Naval

Propulsar, en el ámbito naval, consiste en trasladar una embarcación de un punto a otro sobre una superficie de agua a pesar de las fuerzas que se opongan a este movimiento, las cuales son, principalmente, el rozamiento del agua sobre el casco sumergido y el rozamiento del aire sobre la superestructura.

Además, este traslado debe tener en cuenta ciertas características de la embarcación, como la velocidad, la maniobrabilidad, la autonomía, el diseño del casco y su propulsor, así como la seguridad en la operación de la Planta de Propulsión, ya que siempre es importante para una embarcación poder navegar con velocidad suficiente, contar con la mayor autonomía, hacerlo con el menor esfuerzo y de la manera más segura y económica posible, facilitando, además, su maniobra en diferentes áreas geográficas y condiciones climatológicas.

Estas consideraciones son muchas veces contrapuestas unas con otras. Si queremos un buque veloz, debemos considerar su desplazamiento y autonomía. Si queremos gran autonomía, debemos considerar el consumo del combustible, capacidad de almacenamiento, los costos de la instalación y operación y, en todos los casos, debemos diseñar sistemas de propulsión que sean seguros, flexibles y fáciles de operar.

El problema del diseño de las Plantas de Propulsión en los buques de guerra consiste, entonces, en buscar un equilibrio entre los aspectos técnicos y las capacidades operacionales requeridas de acuerdo con su misionamiento.

Este principio ha definido desde un inicio la evolución de la propulsión naval a lo largo de la historia, la cual ha ido transformándose y adaptándose en la medida que el desarrollo tecnológico ha permitido mejorar progresivamente sus características y capacidades.

INTRODUCCIÓN A LAS PLANTAS DE PROPULSIÓN NAVAL 10

1.2 Evolución de las Plantas de Propulsión a lo largo de la Historia

La evolución de la propulsión naval se inicia con el sistema a remo; este, en su forma más simple, consistía en un hombre subido a una embarcación remando, con sus manos o empleando como medio a los remos. Posteriormente, se incrementaron y mejoraron estas embarcaciones alineando filas de remos, lo cual aumentó su potencia, velocidad y tamaño. Luego, se adicionaron incipientes aparejos de velas como sistema de propulsión para poder aprovechar la fuerza del viento.

El remo y la vela independientemente o combinados fueron empleados durante toda la época antigua por egipcios, fenicios, romanos y vikingos hasta que el desarrollo tecnológico de los aparejos navales a vela, el uso de nuevos instrumentos de navegación, la necesidad de mayor autonomía de las embarcaciones y cambios sociales terminaron definitivamente con las galeras y la propulsión a remos.

Ambos sistemas de propulsión dependían de las condiciones del mar, del viento y la corriente, factores no controlables por el hombre, lo cual limitaba el empleo de estas naves a ciertas áreas geográficas y a determinadas condiciones climatológicas.

Nave Romana Siglo I Drakkar Vikingo

Durante la edad de los descubrimientos, el desarrollo de la navegación a vela y el conocimiento cabal de la náutica y astronomía le permitieron al hombre circunnavegar el planeta y establecer criterios definidos en la táctica y estrategia naval.

Durante el combate de Trafalgar, el 21 de octubre de 1805, la tecnología de aparejos a vela había llegado a su madurez; las naves enfrentadas eran grandes navíos de línea dotados de complejos aparejos con arboladuras de cuatro palos, que podían llevar

INTRODUCCIÓN A LAS PLANTAS DE PROPULSIÓN NAVAL 11

gran número de cañones y sustentaban el poder de los crecientes imperios coloniales. Aunque para esa época la lustración había producido ya inventores que habían planteado los principios de la máquina a vapor, el desarrollo de la propulsión naval a vela continuó con las fragatas que, en ese tiempo, montaban aparejos redondos, pero añadían también velas triangulares en los palos de mesana y bauprés, que les permitían ceñir el viento en ángulos muy cerrados, lo cual aumentaba significativamente la velocidad y maniobrabilidad de las escuadras.

HMS “Victory” Navío español (Insignia del Almirante “Santísima Trinidad” Nelson en Trafalgar) (1769-1805)

La Máquina de Vapor:

Existen muchas y muy diversas referencias al uso del vapor como fuerza motriz incluso desde la época antigua, aunque las aplicaciones navales fueron más recientes. Sin embargo, estos conceptos y dispositivos mecánicos sirvieron solo como antecedentes hasta que James Watt, alrededor de 1765, los consolidó e hizo de la Máquina de Vapor un invento que podía tener uso práctico, gracias a la incorporación de un condensador externo que permitió cerrar el ciclo abierto del vapor.

A partir de entonces, se suceden diversas tentativas de conseguir aplicaciones prácticas y eficientes de la Máquina de Vapor como fuerza motriz, en especial para la Propulsión Naval.

INTRODUCCIÓN A LAS PLANTAS DE PROPULSIÓN NAVAL 12

- En 1783, el francés Jouffroy es el primero que consigue aplicar la Máquina de Vapor a un buque; así, logró que una nave con un propulsor de ruedas de paletas, el “Pyroscaphe”, navegue por el río Saône.

- En 1804, John Stevens desarrolla una Máquina de Vapor aplicada a una transmisión con hélices; propone precozmente este nuevo tipo de propulsor en lugar de las ruedas de paletas, muy vulnerables en combate y poco eficientes.

- En 1807, Robert Fulton hace navegar su vapor de paletas, El “Clermont”, por el río Hudson entre Nueva York y Albany. De ese modo, se establece el primer servicio regular en buques a vapor.

- En 1819, el buque a vapor con propulsor de ruedas Savannah cruzó el Atlántico, lo cual demostró que este tipo de buques no estaban limitados a ríos o aguas interiores.

- En 1824, Sadi Carnot presenta a la comunidad científica sus trabajos sobre el segundo principio de la termodinámica; así, se consolidó el concepto del ciclo de vapor y facilitó, con esto, el desarrollo de las Plantas de Propulsión a Vapor en los buques, lo cual dio inicio a la era del vapor en la propulsión naval.

Progresivamente, a partir de esa fecha, las principales marinas del mundo fueron introduciendo en sus escuadras algunas naves a vapor con misiones auxiliares.

Buque a vapor con propulsor de ruedas “Savannah”

“Los marinos no veían con buenos ojos aquellas enormes, sucias y ruidosas máquinas que movían unas enormes ruedas de palas adosadas a los costados de las naves; aducían, con razón, que las ruedas eran demasiado vulnerables al fuego enemigo, las máquinas poco fiables y el vapor una herejía que atentaba contra las tradiciones del mar”.

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En Francia, un proyecto para la construcción de un buque de línea con una planta de propulsión a vapor de 1.000 HP propulsado por una hélice, con líneas de carena más finas, para reducir así la resistencia del casco al desplazamiento y lograr mayor velocidad, que contó con el necesario respaldo político, fue acogido por el ingeniero naval Dupuy de Lôme, quien acababa de construir los dos primeros buques franceses con casco de hierro. Este efectuó el diseño del “Napoleón”, un buque de línea de más de 5,000 toneladas de desplazamiento, con una planta de propulsión con motor alternativo de vapor de 900 HP, capaz de alcanzar 11 nudos de velocidad; además, estaba armado de 90 cañones como armamento y fue botado el 15 de mayo de 1850. Como inmediata respuesta, Gran Bretaña proyectó y botó varios buques a vapor de similares características, entre los que destacaría el “Agamenon”. De esta manera, se inició una carrera por consolidar la Planta a Vapor en los buques de guerra entre las potencias navales de la época.

“El NAPOLEÓN” Primer buque a vapor con propulsor a hélice

En 1854, se inició la Guerra de Crimea enfrentando a la coalición formada por Gran Bretaña y Francia contra el Imperio Ruso, en la cual se demostró la enorme superioridad táctica de los navíos de vapor frente a los de vela que dependían todavía de factores climatológicos y dio el empuje final a la propulsión a vapor, frente a las críticas de los estrategas navales más ortodoxos.

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A inicios de 1860, mejoras en las calderas cilíndricas tradicionales permitieron incrementar la presión de trabajo del vapor, ya que el vapor a baja presión empleado hasta entonces proporcionaba un empuje limitado a los pistones de las Máquinas Alternativas.

El vapor a alta presión suministrado por estas calderas permitió incrementar significativamente la potencia desarrollada por dichas máquinas, lo cual operacionalmente se tradujo en un aumento de velocidad. Posteriores mejoras permitieron el desarrollo de máquinas de triple y cuádruple expansión, con lo cual se redujo el consumo de carbón y, de esta manera, se logró una mayor eficiencia. En este espacio de tiempo, el vapor y la vela convivieron en la forma de plantas mixtas, que eran buques con plantas de vapor que todavía tenían aparejos de vela.

Este tipo de Propulsión Naval fue la que emplearon la mayoría de los buques enfrentados durante la Guerra del Pacífico 1879-1884: Calderas a carbón, Motores alternativos de Vapor y una Hélice como propulsor.

El Huáscar en el Callao (1879)

En 1894, Charles Parsons introduce una nueva máquina más eficiente que el motor alternativo, la Turbina a Vapor. Dicho invento es instalado en la nave “Turbinia” con la que se alcanzan 18 nudos de velocidad, la cual es sustituida, poco después, por tres turbinas, de alta, media y baja presión con las que se aprovechaba mucho mejor el vapor en las diferentes condiciones de operación, y le permitieron al buque alcanzar más de 30 nudos. Con esa velocidad, lograda con la revolucionaria turbina, fueron definitivamente derrotados en la carrera tecnológica los buques de propulsión a vela y, paulatinamente, las escuadras fueron pasando al retiro a sus grandes veleros y los sustituyeron por los buques a vapor.

INTRODUCCIÓN A LAS PLANTAS DE PROPULSIÓN NAVAL 15

En 1897, otro inventor, esta vez alemán, Rudolf Diésel, desarrolla el ciclo termodinámico de un motor basado en la combustión al interior de sus cilindros de un combustible líquido derivado del petróleo, lo que da inicio a otro capítulo en el desarrollo de la propulsión naval. Esto supondrá, a la larga, el fin de los buques a vapor tradicionales, del mismo modo que estos supusieron el fin de la propulsión a vela, limitando las Plantas a Vapor a ciertos usos particulares. Para inicios de 1900, los buques de línea incrementaron ostensiblemente el alcance de sus cañones gracias a la gran potencia de sus plantas a vapor que para esa época podía desplazar buques de gran tonelaje a velocidades cercanas a 30 nudos, que les permitía llevar cañones pesados y corazas de protección.

Aplicando las nuevas tecnologías de propulsión disponibles, el almirante británico Sir John Fischer concretó la construcción del “Dreadnoughts”, el cual fue considerado para esa época el más poderoso y rápido acorazado del mundo, armado con 10 cañones de 305 mm.

Acorazado británico de la I Guerra Mundial “Dreadnoughts”

La II Guerra Mundial fue un catalizador para la ciencia y la tecnología. El final de esta trajo como consecuencia la inmediata explotación por las potencias vencedoras de las nuevas tecnologías, El Radar, el Sonar, la fisión y fusión nuclear, los misiles V2, los motores a reacción y los submarinos clase XXI alemanes, entre otros; se iniciaron los distintos desarrollos de cada una de estas tecnologías. La Marina norteamericana fue la primera en incorporar estos nuevos conceptos reconstruyendo entre los años 1957 y 1960 El USS Little Rock para alojar en su popa un lanzador de misiles. Mientras se construían nuevas naves lanzamisiles, los norteamericanos procedieron a reconstruir completamente tres de sus cruceros pesados como buques misileros entre 1959 y 1962.

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Estas naves todavía tenían plantas a vapor para su propulsión, aunque el desarrollo de las Turbinas a Gas y los modernos motores Diésel para propulsión naval se encontraban bastante avanzados.

En 1959, se botó el USS “Longbeach” que fue el primer buque de superficie del mundo dotado de Propulsión Nuclear (Planta de Vapor con un reactor nuclear en vez de calderas convencionales). Esta fue una nave experimental en la que se probaron los más modernos sistemas de propulsión y armamento. Esta nave tenía 14.200 toneladas de desplazamiento y más de 30 nudos de velocidad.

USS “Longbeach”

Primer buque de superficie con “Propulsión Nuclear”

Los costos de instalación y las dificultades tecnológicas asociadas al desarrollo de la propulsión nuclear orientaron los esfuerzos tecnológicos en la búsqueda de la mayor eficacia posible con el menor costo. Esto, sumado a los nuevos conceptos de la Estrategia Naval, al desarrollo de las Turbinas a Gas de aplicación marina y los Motores Diésel, trajo como resultado el diseño de Plantas Combinadas, como la forma más eficiente de propulsar un buque de línea.

Este tipo de propulsión aprovecha las ventajas de las diferentes formas de propulsión, Turbinas a Vapor, Motores Diésel, Turbinas a gas y propulsión Diésel-eléctrica.

La Propulsión Nuclear quedó limitada a buques de gran tamaño: Portaaviones y Submarinos Balísticos, en los cuales la autonomía y el consumo de combustible son características primordiales.

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Buques de Superficie con Plantas Combinadas

Plantas de Propulsión Naval

INTRODUCCIÓN A LAS PLANTAS DE PROPULSIÓN NAVAL 18

1.3 Componentes Principales de una Planta de Propulsión

Todo sistema de propulsión naval está diseñado para transformar alguna forma de energía en trabajo mecánico que pueda ser empleada en la propulsión del buque; por ejemplo, las plantas a vapor convierten la energía química del combustible quemado en las calderas en energía calorífica, que convierte el agua en vapor que es enviado mediante tuberías a las turbinas, en las que es transformado en energía mecánica, que mueve los ejes que transmiten el movimiento a las hélices, las cuales transforman, a su vez, este movimiento en empuje, el que finalmente produce el desplazamiento de la nave.

Para lograr un manejo eficiente de la energía en sus diversas formas y transformarla desde una fuente de almacenamiento (combustible) hasta que produzca el empuje deseado al buque, es necesario un sistema completo, el cual está conformado por diferentes subsistemas componentes, los que llevan a cabo funciones específicas y complementarias.

Este sistema en un buque de guerra es denominado “Planta de Propulsión” y sus principales subsistemas componentes son los siguientes:

a) Máquinas o Motores. Estos llevan a cabo las transformaciones de la energía hasta convertirla en energía mecánica necesaria para la propulsión. Los principales tipos son Turbinas a Gas, Turbinas a Vapor, Motores Diésel, Motores Eléctricos o una Combinación de estos, (Plantas Combinadas).

b) Tren de engranajes, Caja Reductora o Reductora Inversora. Tienen como finalidad reducir las revoluciones producidas por las máquinas o motores, de acuerdo con el régimen de eficiencia del propulsor; adicionalmente, acoplan y desacoplan el motor del eje propulsor e invierten en algunos casos el sentido de giro de éste de acuerdo con la configuración de la Planta de Propulsión.

c) Ejes de Transmisión o Ejes de Propulsión. Transmiten el movimiento desde los motores y reductores hasta el propulsor o hélice a lo largo del buque; son soportados por cojinetes o descansos, los cuales proveen los puntos de apoyo necesarios y absorben las vibraciones y empujes axiales y radiales. Se consideran importantes su longitud, diámetro y tipo de cojinetes utilizados.

d) Propulsores o Hélices. La función principal de un propulsor es transformar la

energía mecánica entregada en forma de torque por los ejes en empuje efectivo. El tipo de propulsor más comúnmente utilizado es la hélice, la cual genera empuje al dar velocidad a una columna de agua, la que es desplazada en dirección opuesta al movimiento del buque. Los dos principales tipos de hélice son las de paso fijo y aquellas en las que se puede controlar el paso mediante algún mecanismo de control.

Adicionalmente, existe toda una diversidad de equipos auxiliares necesarios para hacer que el sistema funcione, desde almacenar combustible en tanques para ser

INTRODUCCIÓN A LAS PLANTAS DE PROPULSIÓN NAVAL 19

utilizado posteriormente en las máquinas principales hasta generar electricidad para el consumo abordo y el control y operación de la Planta de Propulsión.

El propósito de este libro es dar al lector los conceptos básicos de cómo ocurren las transformaciones de la energía en los diferentes tipos de plantas de propulsión empleadas por los buques de nuestra escuadra, ampliando estos conceptos a las unidades submarinas y aeronavales, dando una descripción de sus principales sistemas y componentes.

Diagrama de la Planta de Propulsión de una Fragata clase “Carbajal”

1.4 Clasificación de las Plantas de Propulsión

De acuerdo con la forma como se transforma la energía en las máquinas o motores principales y con las diferentes configuraciones que presenten, las actuales plantas de propulsión en buques de guerra pueden ser clasificadas de la siguiente manera:

a) Plantas de Propulsión a Vapor, (Turbinas a Vapor). Son aquellas que están conformadas por calderas que generan vapor, el cual es transformado en energía mecánica en las turbinas y en empuje efectivo por una hélice; el tipo y número de calderas y turbinas, así como el número de ejes, depende de la configuración de la planta de propulsión y el tipo de buque. Actualmente, el buque en servicio de nuestra escuadra que cuenta con este tipo de planta de propulsión es el Crucero Ligero Misilero “Almirante Grau”.

b) Plantas de Propulsión con Turbinas a Gas. En este tipo de planta de propulsión, todas las transformaciones de la energía ocurren al interior de una turbina a gas (TAG), en la que se quema combustible mezclado con aire generándose un gran volumen de gases de escape que finalmente mueven una “turbina de potencia”, que es la que genera el trabajo mecánico entregado al eje de propulsión. Generalmente, este tipo de Máquinas son empleadas en plantas combinadas.

c) Plantas de Propulsión con Máquinas Diésel. Son las plantas de propulsión en las cuales las transformaciones de la energía se producen al interior de Motores

INTRODUCCIÓN A LAS PLANTAS DE PROPULSIÓN NAVAL 20

Diésel, los cuales pueden ser de diferentes tipos y estar distribuidos en diferentes configuraciones. Los buques que cuentan con este tipo de propulsión en nuestra escuadra son las Corbetas Misileras clase “Velarde” y los buques auxiliares.

d) Plantas de Propulsión Combinadas o Híbridas. Este tipo de plantas de propulsión combinan plantas a vapor, con turbinas a gas o con motores Diésel y últimamente plantas Diésel-eléctricas. La finalidad de estas combinaciones es lograr mayor eficiencia aprovechando las ventajas de cada tipo de Motor o Máquina. Las Fragatas Misileras clase Carvajal cuentan con plantas combinadas CODOG, una planta combinada de máquinas diésel o turbinas a gas. (Esta nomenclatura se explicará en detalle en capítulos posteriores).

e) Plantas de Propulsión no Convencionales. Se denominan así a aquellas plantas de propulsión cuyos principios de funcionamiento o su desarrollo tecnológico no están difundidos a nivel global. Entre estas, se encuentran los Plantas que emplean combustible nuclear, los desarrollos de sistemas independientes de superficie (API) para submarinos convencional.

1.5 Consideraciones Operacionales y Técnicas

Como hemos visto en párrafos anteriores, para el diseño de toda “Planta de Propulsión” de un buque de guerra, deben tenerse en cuenta ciertos requerimientos y especificaciones, de acuerdo con la misión del buque y con la configuración de su “Planta”, las cuales pueden ser de carácter Técnico u Operacional.

Consideraciones Técnicas:

a) Consumo específico de combustible. El consumo específico de combustible es un parámetro que representa la capacidad de una máquina térmica para convertir una cantidad determinada de combustible en trabajo mecánico. Este parámetro está dado en las especificaciones nominales del motor y representa una forma de determinar la eficiencia energética de la planta de propulsión. Esta característica determina de alguna manera la Autonomía del buque.

b) Tipo de combustible requerido. Representa la flexibilidad de una Planta de Propulsión de usar uno o varios tipos de combustible. Esta característica está relacionada con la facilidad de almacenamiento y manipuleo del combustible abordo, así como con la economía de operación.

Así, por ejemplo, una Planta de Propulsión a vapor que opera con combustible residual; si bien es cierto que el costo de operación puede ser más económico, esto debe contrastarse con la dificultad de almacenamiento y manipuleo del combustible residual, ya que este requiere de bombas más potentes y tuberías de mayor diámetro, entre otros aspectos relacionados.

INTRODUCCIÓN A LAS PLANTAS DE PROPULSIÓN NAVAL 21

c) Costo de instalación. Esta característica considera el costo que implica la instalación de una planta de propulsión para poder generar una unidad de potencia, considerando todos los sistemas auxiliares asociados que implica. Este costo se define generalmente en:

Unidades Monetarias ($) / Unidades de Potencia (HP)

d) Limitaciones de potencia para su diseño. Considera los límites máximos de potencia que cada uno de los diferentes tipos de plantas de propulsión puede generar, de acuerdo con sus características técnicas y con el diseño de los Motores o Máquinas, así como con las consideraciones de diseño.

Consideraciones Operacionales:

a) Velocidad. Esta característica está relacionada directamente con la potencia de la Planta de Propulsión, ya que la potencia requerida para desplazar un buque conforme aumenta la velocidad es una función exponencial y debe ser considerada cuidadosamente de acuerdo con la misión desempeñada, ya que incrementa sustancialmente el consumo de combustible y el costo de la planta propulsora.

b) Autonomía. Esta característica operacional representa la capacidad del buque de poder desempeñar misiones prolongadas lejos de bases o buques de aprovisionamiento; en cuanto a lo relacionado al tipo y diseño de la Planta de Propulsión, depende del consumo específico de combustible y a la capacidad de almacenamiento de este.

c) Relación: Peso-Potencia. Representa el peso y el volumen que la instalación propulsora requiere para poder generar una unidad de potencia. Esta característica está condicionada al desplazamiento del buque, y es extremadamente importante en unidades pequeñas y medianas, ya que, cuanto mejor sea la relación peso-potencia de la Planta de Propulsión, su autonomía y capacidad como plataforma para instalar sistemas de armas serán mejores.

1.6 Motores Térmicos

Como hemos explicado anteriormente, toda Planta de Propulsión debe contar con una Máquina o Motor que sea el que proporcione la potencia mecánica necesaria para el funcionamiento del sistema. Estos, en un buque de guerra, pueden ser Motores Eléctricos o Máquinas Térmicas. Una Máquina Térmica es un dispositivo que tiene la capacidad de transformar calor (energía térmica) en trabajo (energía mecánica) de forma continua, para lo cual describe un Ciclo Termodinámico entre dos fuentes a diferente temperatura. De una fuente a temperatura más elevada (T1), absorbe una cantidad de calor (Q1); parte de ese calor es transformado en el interior de la Máquina en trabajo mecánico (W) y el resto (Q2) es entregado a la fuente que se encuentra a menor temperatura (T2).

INTRODUCCIÓN A LAS PLANTAS DE PROPULSIÓN NAVAL 22

Las Máquinas o Motores Térmicos, a su vez, se clasifican dependiendo del lugar donde se produzca la combustión (energía térmica), ya sea al interior o fuera de estas y si el movimiento que generan es alternativo o rotativo. A continuación, se presenta un diagrama de la clasificación de las Máquinas Térmicas, el cual será desarrollado en capítulos posteriores cuando se expliquen los diferentes tipos de plantas de propulsión utilizados en buques de guerra.

Clasificación de las Máquinas Térmicas

CAPÍTULO 2

RESISTENCIA AL DESPLAZAMIENTO, POTENCIA Y EFICIENCIAS

2.1 Resistencia al desplazamiento: Generalidades

Para que un buque se desplace sobre una superficie de agua, es necesario vencer las fuerzas que se opongan a este movimiento. Estas fuerzas están determinadas principalmente por la “resistencia al desplazamiento” o resistencia del buque al movimiento, y son las que ofrecen el agua y el aire, los medios por los que el buque se desplaza.

El valor de la potencia que se deberá aplicar al buque para que adquiera y mantenga una velocidad constante depende de la resistencia que presenten ambos fluidos.

Como sabemos, la resistencia se incrementa con la velocidad, con una función exponencial, lo cual determina un aumento también exponencial de la potencia en relación con la velocidad; se considera en la práctica como velocidad crítica para el incremento de potencia los 26 nudos.

Para el cálculo de la Resistencia Total al desplazamiento de un buque, se considera la siguiente fórmula general:

2.2 Resistencias al Movimiento del Buque

2.2.1 Resistencia del Agua

Está compuesta por los siguientes componentes:

La Resistencia de Fricción R(f): Es el componente en magnitud más importante para el cálculo de la resistencia; se debe al rozamiento del agua sobre el casco del buque y, por lo tanto, depende de la forma de este y del coeficiente de

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