I N T R O D U C C I Ó N
La historia de la navegación se remonta unos 10.000 años. A medida que el ser humano fue evolucionando, su necesidad de aprovechar nuevos recursos fue en aumento. Por este motivo la tecnología fue progresando y el hombre construyó elementos para flotar en el agua; probablemente usó troncos de árboles u otros materiales abundantes en su entorno que tenían flotabilidad. Para impulsarse y no quedar a la deriva, echó mano del remo hasta que descubrió que la fuerza eólica podía impulsarlo con menor esfuerzo y mayor efectividad; luego, descubrió la manera de llevar la embarcación hacia donde quería e inventó el timón. A través del tiempo el hombre fue introduciendo mejoras en sus naves, dándoles cada vez mayor impulso y dominio, hasta llegar a las modernas naves que surcan hoy en día los océanos del mundo.
En el siglo XIX la construcción naval comenzó a utilizar el hierro para el casco y el vapor para la propulsión, lo que constituyó una revolución en el ámbito marítimo.
El “Clermont”, una pequeña nave de madera construida en los Estados Unidos por Robert Fulton, fue el primer barco propulsado por ruedas movidas mediante maquinaria a vapor. Prestó servicios efectivos a la navegación, remontando el río Hudson en 1807. Desde esa fecha los buques a vapor se multiplicaron. Como apoyo, a las naves se les colocaron mástiles y velas además de ruedas en sus costados para darles mayor velocidad en sus travesías oceánicas.
En la década de 1860 los buques a vapor comenzaron a desaparecer y la vela quedó limitada al uso deportivo y de recreo ya que la maquinaria de propulsión se había perfeccionado suficientemente con la aparición de los motores de combustión interna en el siglo XX y a finales de ese mismo siglo la propulsión nuclear.
Entonces podemos estar de acuerdo en que hoy día los buques son diferentes a los del siglo XVIII por las siguientes razones:
- Por el tipo de Material usado para construirlo
- Por su tamaño
- Por su complejidad
- Por su tecnología
El Sistema de Propulsión:
es el conjunto de Elementos que permiten que el Buque se desplace de un punto a otro.
Elementos:
- Motor
- Transmisión
- Ejes
- Hélices
¿QUE ES LA TRANSMISIÓN?
El primer paso en la comprensión de la transmisión marina es darse cuenta de que a pesar de la nomenclatura idéntica, no tiene prácticamente nada que ver con la transmisión de un coche.
Al penetrar y girar la hélice, el agua es empujada hacia atrás, pues no es un sólido rígido, actuando una ley de la física, conocido como el principio de acción-reacción. Puesto que el agua es el Medio de trabajo para que se produzca un empuje, tiene que haber una masa de agua desplazándose hacia atrás.
Podemos entenderlo como: tanta agua empujemos hacia atrás, tanto barco es empujado hacia adelante. Si por ejemplo, la hélice empuja100 kilos (masa) de agua a 30 nudos, y si nuestro barco pesara solo 100 kilos, este se movería a también 30 nudos (descontando las pérdidas de potencia y rozamientos). Pero si nuestro barco pesase 200 kilos, entonces se movería a la mitad de velocidad, 15 nudos. Se conserva la cantidad de movimiento (masa de agua x velocidad de agua = masa de barco x velocidad de barco).
La transmisión marina de la embarcación dispone de varias funciones. Una de ellas se encarga de acoplar y desacoplar el motor de la hélice. Otra es la de proporcionar una rotación inversa de modo que el barco realice un movimiento avante o hacia detrás. Estas dos funciones se llevan a cabo por una serie de embragues internos, que dependiendo de la posición del cambio involucran a los distintos conjuntos de engranajes de diferente modo.
Cuando la demanda de potencia está en posición "para" no hay compromiso entre los conjuntos de engranajes, por el contrario cuando está en cualquiera de las otras dos posiciones, avante o atrás, existirá compromiso entre uno u otro de los conjuntos de engranajes dependiendo de la posición. Hay que tener en cuenta que, estrictamente hablando, no existe tal cosa como el avance y retroceso, sino que hablamos decambio de sentido de giro de la hélice (sentido horario o antihorario). En algunas instalaciones de contra-rotación de las hélices en realidad se logra simplemente cambiando la relación de modo que el conjunto de engranajes contrario se activa cuando se mueve la palanca de control.
La otra función de la transmisión marina sirve para ajustar la relación entre las rpm del motor y las rpm de la hélice. Un diésel típico gira en torno a 2.000 rpm a velocidad de crucero. Una hélice girando a esta velocidad sería altamente ineficiente. El trabajo de los engranajes dentro de la transmisión es crucial para reducir la velocidad de la rotación de la hélice aproximadamente a la mitad de la del motor (dependiendo de la relación de reducción de la transmisión), por lo que este siempre se refiere como la relación de reducción.
La transmisión marina realiza otra función vital. Es el lugar más conveniente para incorporar un dispositivo auxiliar, como una bomba hidráulica. La mayoría de las transmisiones marinas tienen un punto de toma de fuerza, que si no se utiliza, generalmente está cubierta por una placa.
Los engranajes
Los engranajes son elementos que permiten transmitir rotaciones entre ejes con una relación de velocidades angulares constante. Aunque este mismo objetivo se puede lograr también mediante correas, cadenas, ruedas de fricción o mecanismos de barras articulada, los engranajes son quizá los elementos más versátiles y los que presentan menores limitaciones. Por ejemplo, las cadenas y correas son alternativas silenciosas y de bajo coste, pero tienden a ocupar un volumen superior y su capacidad de transmisión de potencia es limitada. Los engranajes, en cambio, son compactos, sencillos de fabricar, pueden transmitir grandes potencias y están normalizados, razones por las que su presencia es ubicua en todo tipo de máquinas, en forma de reductores, multiplicadores, cajas de cambios, diferenciales, etc…
Los engranajes se clasifican en tres grupos, atendiendo a la disposición de sus ejes:
Ejes paralelos - engranajes cilíndricos
- Dientes rectos: pueden ser exteriores (figura 1) o interiores.
Figura 1-Transmisión con engranajes de dientes rectos
- Piñón-cremallera (figura 2).
Figura 2-Transmisión piñón-cremallera
- Dientes helicoidales (figura 5)
Figura 5- Transmisión con dientes helicoidales
Herringbone (figura 6).
Figura 6- Transmisión con engranajes tipo Herringbone
Ejes que se cortan - engranajes cónicos
- Dientes rectos (figura 4).
Figura 4-Transmisión con engranajes cónicos de dientes rectos
- Dientes espirales (figura 3).
Figura3-Transmisión con engranajes cónicos de dientes espirales
Ejes que se cruzan
- Hipoides (figura 7).
Figura 7-Transmisión con engranajes Hipoides
- Sinfín-corona (figura 8).
Figura 8-Transmisión sinfín-corona
- Helicoidales de ejes cruzados (figura 9).
Figura 9-Transmisión de engranajes helicoidales para ejes cruzados
TIPOS DE TRANSMISIONES
En motores interiores
Se entiende como motor interior aquel que está instalado en el interior de la embarcación, de manera fija, y cuya transmisión también se encuentra alojada en el interior de la misma.
Línea de Eje
Las embarcaciones que suelen estar equipadas con este tipo de transmisión son muy diversas. Desde embarcaciones de madera convencionales utilizadas por los pescadores durante décadas, hasta las más modernas embarcaciones para la práctica de deportes náuticos como el wake o el esquí, pasando por los lujosos yates y grandes buques mercantes.
Como se puede deducir de lo anterior, estamos ante el tipo de transmisión más frecuente y que abarca una más amplia gama de posibles embarcaciones en las que ser instalada, precisamente por esto existen múltiples variantes dependiendo de la embarcación en la que la encontremos. Estas diferencias surgen principalmente entre la hélice y el acoplamiento que une la inversora al eje, pero en este caso lo que nos interesa es esto último.
Disposición típica de una línea de eje con cojinete de empuje incorporada en la caja inversora
CAJA INVERSORA
Existen dos tipos de inversoras. Hidráulicas y mecánicas (Figura 12). A continuación se explica detalladamente el funcionamiento de estas últimas accionadas mecánicamente.
Figura 12- Caja inversora
La inversora (Figura 12). además de ocuparse de invertir las marchas cambiando el sentido de giro del eje de la hélice (el motor siempre gira en el mismo sentido) sirve como reductora, ajustando la relación entre las rpm del motor y las rpm de la hélice.
Caja inversora simple, sin reducción.
El engranaje de propulsión hacia delante está impulsado directamente por el engranaje de impulsión hacia delante, de modo que su rotación es opuesta a la del motor. El engranaje de propulsión hacia atrás está impulsado por un engranaje intermedio, de modo que su rotación se produce en la misma dirección del motor. Puesto que los dos engranajes de propulsión tienen más dientes que sus contrapiezas, las revoluciones del motor disminuyen y el efecto del par aumenta tanto en marcha avante como en la marcha atrás. Según el modelo la relación de reducción será diferente.
La dirección de la rotación está determinada por el cono impulsor (embrague), que se desliza hacia atrás y hacia delante entre los engranajes del eje acanalado. Cuando la palanca de cambio de engranajes empuja el cono impulsor hacia la cara cónica interior del engranaje de propulsión hacia delante, el cono se acopla al mecanismo y el eje, que mediante el acoplamiento se une al eje de la hélice, gira en dirección hacia delante, mientras que el engranaje de la marcha atrás gira suelto. Cuando la palanca de cambios empuja el cono impulsor contra la cara del engranaje de propulsión de la marcha atrás el eje está acoplado al engranaje de propulsión de la marcha atrás y el eje gira en dirección hacia atrás. Cuando el engranaje de cambios está en punto muerto, el cono impulsor no se acopla a ningún engranaje y el eje gira suelto.
Además de la inversora, en las líneas de ejes destacan otros elementos esenciales para el correcto funcionamiento del sistema.
Figura 15.
La parte del eje que atraviesa el casco por la bocina precisa ser refrigerada y para esto existen sistemas de refrigeración por agua como el de la imagen (Figura 15. punto 3), con un tubo exterior de pared gruesa, y en su interior el eje que en este caso es lubricado por el agua que penetra por el casquillo y además por el agua suministrada a través del cojinete (Figura 15. punto 2), ya que si no fuese de este modo con la embarcación avante la línea se vaciaría y el eje en su interior se sobrecalentaría.
Una de las partes más importantes para el rendimiento de una embarcación es la hélice (Figura 15. punto 4). Es importante tener en cuenta su balance, la hélice debe estar equilibrada. Sus dimensiones, ya que para obtener un rendimiento óptimo y evitar vibraciones, es necesario que el paso de cada pala sea idéntico, como asimismo la distancia entre pala y pala y elegir la superficie de la pala y modelo de la hélice en función del tipo de barco. Además el material debe ser fuerte y elástico.
COJINETE DE EMPUJE
El fin último del motor es generar fuerza para que el barco se mueva. Y esta fuerza se crea en las palas de la hélice debido al movimiento y reacción de la masa de agua trasladada.
La hélice es por tanto el primer elemento que “empuja” el barco hacia delante y como está firmemente unida al eje de transmisión, la fuerza de empuje que puede llegar a ser de muchas toneladas en los grandes barcos, es transmitida al eje que gira.
El eje de transmisión además de hacer girar la hélice es por tanto el que “empuja” el barco hacia delante. Y esa fuerza de empuje tiene que ser “descargada” al barco en algún elemento mecánico pues en caso contrario el eje acabaría destrozando la inversora o el motor de tanto hacer presión y fuerza.
Es el cojinete de empuje el que transmite el “empuje” de la hélice al barco. Para ello existen diferentes modelos en el mercado, algunos de los cuales además permiten acoplar el eje con el motor y absorber pequeños desalineamientos entre el eje del motor y el eje de la hélice. existen distintos tipos de cojienetes de empuje, algunos de ellos estudiados en MTD UNIDAD 9 Cojinetes y lubricación hidrodinámica.
Todo cojinete de empuje de rodamientos estará formado por un conjunto de rodillos y no bolas, para que la fuerza sea transmitida desde el eje de giro a la parte exterior del cojinete que a su vez está fijo a través de una bancada al casco del barco.
HÉLICES
Las hélices convierten la energía de rotación generada por el motor en el empuje necesario para el desplazamiento de un barco. Descontando el diseño de esta, cuanto más grande sea, más eficientemente trabajará. El problema radica en conseguir un equilibrio entre este tamaño y la capacidad del motor para hacerla rotar a su régimen de trabajo idóneo.
Al hablar de hélices, muchas veces la gente sugiere el símil de un tornillo enroscándose en el agua. A cada vuelta avanzaría tanto como lo permita el paso de la hélice (igual que lo hace un tornillo en la madera) suponiendo que el agua fuera un medio sólido. La eficiencia naturalmente no es del 100% puesto que el agua es un liquido. Aunque existen muchos tipos de hélices los 2 más importantes son los que tienen entre 2 y 4 palas y son principalmente utilizados por motores intraborda con ejes. Las utilizadas por los motores fueraborda suelen llevar un número de palas que entre 3 y 6.
Su tamaño: Queda definido por dos datos; El diámetro total de la hélice y el paso de sus palas, es decir lo inclinado que están y por tanto la capacidad de impulsar agua. Estos dos datos son los más importantes para diferenciar una hélice de otra.
Generalmente un diámetro pequeño se corresponde con un motor de pequeña potencia, o con un barco diseñado para desplazarse a mucha velocidad.
El paso de la hélice se corresponde con el avance teórico que genera la hélice al girar esta una vuelta. Puesto que el agua es un medio no sólido y por tanto se producen rozamientos y deslizamientos, el avance real será siempre a regímenes de funcionamiento óptimos, algo inferior al teórico.
Materiales – Pueden ser de muchos tipos, entre ellos de aluminio, acero inoxidable, bronce, o materiales compuestos. Las hélices en ‘composites’ trabajan bien y no son muy caras. Las de aluminio son las más utilizadas debido a la gran cantidad de medidas con que pueden ser fabricadas y las diversas condiciones y revoluciones con que pueden ser utilizadas. Las de bronce y acero inox son las que ofrecen las mejores prestaciones y duración frente al paso del tiempo, y son muy adecuadas para barcos que se desplacen a mucha velocidad.
Una hélice perfecta debería pesar lo mínimo, ser lo más rígida posible, no verse alterada por el entorno marino y poderse reparar con facilidad. Por todo ello un material muy indicado si no fuera por su elevado precio y dificultad para trabajarlo y repararlo sería el Titanio que es totalmente inmune a la oxidación, liviano y muy tenaz.
Número de palas
En cualquier hélice es importante tener suficiente superficie de palas, capaz de distribuir la potencia del motor entre las distintas palas y por tanto tener una superficie suficiente para desplazar todo el volumen de agua que la potencia del motor permita.Palas demasiado pequeñas causan ‘cargas’ muy altas, lo que significa que la hélice no es capaz de absorber toda la potencia transferida por el motor. El resultado es lo que conocemos como cavitación, vibraciones y en algunos casos extremos ‘picaduras’ en las palas.
¿Qué es la cavitación?*
Como acabamos de desvelar, se produce cuando por culpa de girar muy rápido, o por exceso de velocidad del barco, la presión de la cara anterior de la hélice (la que está más a proa) decae a valores muy pequeños. En estas condiciones, en la zona con depresión se forman burbujas de vapor por culpa del vacío que se ha creado. Cuando las burbujas de vapor que se han creado (por ejemplo en un milisegundo o de forma casi instantánea) salen de esta zona de la hélice y vuelven a una zona con presión normal, se colapsan y se condensan otra vez en líquido. Durante el proceso de condensación este colapso es muy violento produciendo vibraciones ruidos y pérdidas de prestaciones. La cavitación puede estropear fácilmente una hélice, mellando sus bordes de ataque, doblando las palas o picando su superficie.
¿Entonces si aumentamos la superficie de la pala, podemos disminuir el diámetro de la hélice? Sí, pero hasta cierto punto ya que disminuirá la eficiencia cuando nos desplacemos a altas velocidades. Una hélice de 3 palas es una buena solución de compromiso que consigue baja carga de palas y un área capaz de absorber la potencia del motor. Para un mismo diámetro y paso, al cambiar de una hélice de 3 a otra de 4 palas, normalmente no es necesario efectuar grandes correcciones en el paso o diámetro de la nueva. Por ello casi siempre podremos pasar de una de 3 palas a otra de 4 palas sin observar modificaciones en el comportamiento de la embarcación.
Las hélices de gran diámetro, las de alta velocidad, o las de palas plegables (pico de pato) y paso variable requieren estudios especiales que deben ser afrontados por un experto.
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*La cavitación o aspiraciones en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando se crean cavidades de vapor dentro del agua o cualquier otro fluido en estado líquido en el que actúan fuerzas que responden a diferencias de presión, como puede suceder cuando el fluido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las cavidades formadas viajan a zonas de mayor presión e implosionan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose») produciendo una estela de gas de gran energía.
La implosión causa ondas de presión que viajan en el líquido a velocidades próximas a las del sonido, es decir independientemente del fluido y de la velocidad de éste. Estas pueden disiparse en la corriente del líquido o pueden chocar con una superficie sólida. Si la zona donde chocan las ondas de presión es la misma donde se originan, el material tiende a debilitarse estructuralmente y se inicia una erosión que, además de dañar la superficie, provoca que ésta se convierta en una zona de mayor pérdida de presión y por ende de mayor foco de formación de burbujas de vapor. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared sólida cuando implosionan, las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor, dan lugar a presiones localizadas muy altas, ocasionando picaduras. El fenómeno generalmente va acompañado de golpes, ruido y vibraciones.
Se puede presentar también cavitación en otros procesos como, por ejemplo, en hélices de barcos y aviones, bombas y tejidos vascularizados de algunas plantas.
Se suele llamar corrosión por cavitación al fenómeno por el que la cavitación arranca la capa de óxido (resultado de la pasivación) que cubre el metal y lo protege, de tal forma que entre esta zona (ánodo) y la que permanece pasivada (cubierta por óxido) se forma un par galvánico en el que el ánodo (el que se corroe) es la zona que ha perdido su capa de óxido y cátodo la que la mantiene.
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El contenido de esta entrada ha sido seleccionado con el fin de introducir al lector en el "universo" de la propulsión marina.
Los puntos escenciales tocados aquí, lo han sido en forma general , sólo para comprender globalmente el problema de la transmisión de la potencia de las máquinas al casco del buque.
Con posterioridad, volveremos sobre estos temas y profundizaremos en lo que nos compete a nosotros como operadores/mantenedores de plantas propulsoras en nuestra Armada.
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FUENTES:
M.J.D.
http://www.fondear.org/infonautic/Equipo_y_Usos/Equipamiento/Helices/Helices_marinas.htm
http://www.fondear.org/infonautic/Barco/Motores_Helices/Inversora/Reductora_Motor.asp
ING. JUAN JOSE GUERRA "SISTEMA DE PROPULSIÓN DE LOS BUQUES"
http://www.fao.org/docrep/009/x0487s/X0487S05.htm
www.wikipedia.org
