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INTRODUCCIÓN A LAS PLANTAS

DE PROPULSIÓN NAVAL

C. de F. Carlos BARRIONUEVO Ojeda

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

6 ÍNDICE

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

8 ÍNDICE

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 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.

12 INTRODUCCIÓN A LAS PLANTAS DE PROPULSIÓN NAVAL

• 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”.

14 INTRODUCCIÓN A LAS PLANTAS DE PROPULSIÓN NAVAL

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.

INTRODUCCIÓN A LAS PLANTAS DE PROPULSIÓN NAVAL 17

Buques de Superficie con Plantas Combinadas

Plantas de Propulsión Naval

18 INTRODUCCIÓN A LAS PLANTAS DE PROPULSIÓN NAVAL

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