El Maquinante: PRL UNIDAD 1: PROPULSIÓN

miércoles, 16 de enero de 2019

PRL UNIDAD 1: PROPULSIÓN

👉El Sistema de Propulsión: es el conjunto de Elementos que permiten que el Buque se desplace de un punto a otro, para cumplir con su función de transportar carga, sistemas de armas, tropa y/o pertrechos, etc.

👉Propulsión: es la acción de producir el traslado de un buque o embarcación desde un punto “A” hacia un punto “B” venciendo las resistencias que se oponen a su marcha.
La propulsión puede estar basada en fuerzas internas (Máquinas, Remos) o en fuerzas externas (viento, remolque).

SISTEMAS DE PROPULSIÓN
En los comienzos de la humanidad el hombre utilizaba troncos ahuecados a modo de embarcaciones o cualquier otro tipo de material flotante del entorno, utilizando como medio de impulso sus propios brazos, evolucionando en el tiempo a remos.
Más tarde y tras combinación de distintos troncos o materiales flotantes empezaron a crear balsas y con ellas surgió el timón.

En cuanto a los primeros poblados que consiguieron navegar por alta mar a remo y vela son los fenicios y los egipcios, poblados en los cuales se realizaban grandes estudios de los astros con los cuales se guiaban usándose así lo que muchos en la actualidad la estrella Polar durante la noche y el sol durante el día.

Los trirremes, que son embarcaciones de tres hileras de remos y un velámen mínimo, eran galeras que se hicieron necesarias para los distintos imperios pues se usaban principalmente para acciones bélicas y así de esta manera se logró perfeccionar la navegación a vela, dando un gran salto en este tipo de propulsión, pues llegaron a controlar el viento casi por completo.

Buque "Trirreme"

Todavía en el siglo XVIII los Buques eran construidos de madera, utilizando como medio de propulsión la acción del viento.

Esta navegación prevaleció durante mucho tiempo hasta que el norteamericano John Finch en 1787 creó un barco accionado por vapor, aplicando la fuerza originada por la máquina de vapor al agua mediante una o dos ruedas de paletas.
Hasta 1804 no se modificó la construcción de los barcos de vapor pero este año John Stevens creo unos principios fundamentales para los buques de vapor entre ellos el uso de una hélice en lugar de la ruedas de paletas. Entre 1870 y 1880 se produjeron muchos perfeccionamientos en dichos buques creando de esta manera la llamada época dorada de los vapores.

Algunos de los vapores pioneros en la historia de la navegación son el Clermont que fue la primera nave enteramente con propulsión a vapor, y el Savannah que fue el primer barco a vapor capaz de cruzar el Océano Atlántico.

El "Savannah"

El "Clermont"

El inicio del siglo XX fue un tiempo en el que el hombre sintió la necesidad de mejorar los diseños de los sistemas de propulsión donde se ensayaron y probaron novedosos diseños y medios alternativos de energía, entre los cuales el que más ha prosperado ha sido el motor diesel que en la actualidad es el más usado. No solo se produjeron cambios a nivel de propulsión y generación de energía también en cuanto al diseño y construcción de naves. Durante el siglo XX también se produjo un aumento de eficiencia de la maquinaria con el uso de turbinas a gas, la energía nuclear… dando mayor autonomía, velocidad y maniobrabilidad a los buques actuales.

SISTEMAS DE PROPULSIÓN DE LOS BUQUES Y SU CLASIFICACIÓN

• BUQUES DE VELA/ REMO
• BUQUES DE VAPOR
• BUQUES DE MOTOR
• BUQUES DE PROPULSIÓN ELÉCTRICA

Se podría decir que con los últimos tres ítems del listado anterior, se podría crear un subgrupo llamado de “PROPULSIÓN MECÁNICA”

👉La propulsión mecánica

La propulsión mecánica es la que se utiliza actualmente en la navegación comercial y en nuestra Armada casi con exclusividad. Este Tipo de propulsión está basado en cuatro elementos básicos:

1.Motor
2.Transmisión
3.Ejes
4.Hélices

➤MOTOR TÉRMICO
Un motor térmico es una máquina que convierte la energía térmica de un fluido, obtenida mediante un proceso de combustión o nuclear, en energía mecánica.

➤TRANSMISIÓN
Una transmisión marina tiene varias funciones siendo las principales:

Es el mecanismo que vincula al motor con la línea de eje.
Es la encargada de acoplar y desacoplar el motor con la hélice.
Proporcionar una rotación inversa de modo que el buque pase de marcha adelante a marcha atrás.
Ajustar la relación entre las RPM del motor y las RPM de la hélice.

➤LÍNEA DE EJE Y HÉLICE
El motor es el elemento encargado de generar la energía necesaria para desplazar el buque.
Esta energía es transmitida a través de un eje a una o más hélices, que son las que transforman la energía rotatoria en fuerza de empuje.
El eje se aloja en el compartimiento de máquinas y atraviesa el casco del buque para incorporar en su extremo libre a la hélice.
También en la sala de máquinas se alojan los motores auxiliares como generadores que proveen energía eléctrica al buque, las bombas que proveen energía hidráulica, los compresores etc.

Actualmente las máquinas o motores principales de los buques son del tipo de combustión interna y utilizan combustibles del tipo fuel oil en los buques de gran porte o gasoil en los barcos de menor tamaño.
La máquina principal suministra energía en forma de movimiento giratorio que es transmitido a un eje unido a la misma por un extremo y a una hélice por el otro.

MAQUINAS PRINCIPALES
Para que una máquina sea capaz de realizar su función es necesaria una energía, la energía como ya hemos explicado en el punto anterior en la evolución de los sistemas de propulsión es necesario un combustible que puede ser de origen orgánico fósil o nuclear; o mediante una energía renovable (energía eólica, energía solar…) transformando la energía calorífica en energía mecánica.

En cuanto al combustible fósil que es el más utilizado en la actualidad posee distintas maneras de lograr convertir esas energías caloríficas en energía mecánicas las cuales son:

Motor de combustión interna: funciona quemando combustible directamente en el interior de la máquina produciendo el movimiento de un pistón y de esta manera convirtiendo la energía calorífica en energía mecánica.
Caldera: consiste en quemar el combustible dentro de un recipiente y usando su energía calorífica para generar vapor, y convertir así esta energía calórica en energía mecánica a través de una turbina de vapor. Las turbinas de vapor se utilizan tambien en plantas nucleares ya que se aprovecha el calor de la fusión nuclear para generar vapor.
Turbina de gas: de igual forma que en el motor alternativo, el combustible se quema en su interior aumentando la velocidad del flujo de aire que pasa a través de ella, y se aprovecha este aumento de velocidad en una turbina llamada “Turbina de Poder” para convertir esa energía calórica en energía mecánica.

El trabajo mecánico producido por estas máquinas es lo que provoca la propulsión del barco. En cuanto al rendimiento ha de ser el mayor posible bajo la unión de los distintos sistemas dentro de las seguridades de contaminación y bajo la seguridad de la vida humana, para ello es preciso que los elementos que componen la máquina tenga un óptimo rendimiento conjuntamente y por separado para ello en ocasiones es necesario la utilización de reductores entre los distintos sistemas pues funcionan a distintas revoluciones.

👉Resumiendo los sistemas básicos que utilizan combustibles fósiles son:
•Propulsión a vapor (la propulsión nuclear es muy similar a la propulsión a vapor).
•Propulsión por motores
•Propulsión por turbinas de gas

PROPULSIÓN A VAPOR.

La navegación a vapor hay que considerar como la pionera en la navegación a grandes distancias y de los buques de la actualidad también se puede decir que ha sido el sistema más usado por el hombre en cuanto a barcos de combustión y aún perdura en determinadas aplicaciones. Estos motores buques sufrieron una gran decadencia en las crisis del petróleo cuando se consideró al petróleo un producto a tener en cuenta económicamente.
En cuanto a los elementos que componen la cadena de vapor, la turbina de vapor es una máquina compuesta por un cuerpo giratorio, el rotor, dotado de unos elementos situados en su periferia, los álabes o paletas, sobre los que incide el vapor produciendo su giro. Este cuerpo giratorio se aloja en una envoltura a fija donde van situadas las toberas y coronas de paletas fijas que son necesarias para la expansión y dirección del vapor.

El funcionamiento y la producción de la energía calorífica en estos sistemas se origina introduciendo agua en una caldera y por medio del calor aportado por una combustión, se vaporiza, el vapor asciende por los tubos y se recoge en la parte superior o colector de vapor de donde vuelve a entrar en los haces sobre calentadores para sufrir un aporte de calor a presión constante, aumentando así su entalpía, es decir, su capacidad de producir trabajo, el vapor sobre calentado sale a trabajar en las turbinas, primero en la de alta y luego en la de baja donde se expansiona sucesivamente aumentando su volumen y produciendo trabajo que se traduce en el giro del eje propulsor a través del engranaje reductor.
El vapor, fuertemente expansionado, se recoge en un recipiente donde reina el vacío, el condensador principal, en el cual en virtud de los condicionantes reinantes y de la refrigeración que sufre por el agua de mar que circula a su través, este vapor se condensa y transforma en agua.
El condensado (agua condensada) es recogida por la bomba de condensado y pasa al “tanque desaireador” que, como su nombre indica, tiene por misión librar lo que va a ser agua de alimentación de la caldera del aire (oxígeno) que pueda llevar disuelto y calentarla. El agua de alimentación la recogen las bombas booster y las bombas de alimentación principal, que le dan la presión necesaria para su introducción a la caldera donde entra a una presión ligeramente superior a lo que reina en ella y a una temperatura inferior, pero próxima a la del agua del interior para evitar choques térmicos y pérdidas de energía. El agua, una vez en la caldera, inicia de nuevo el ciclo ya descrito, ciertamente el circuito principal necesita para su funcionamiento de circuitos auxiliares ya que hay que accionar las distintas bombas, lubricar y recoger el vapor que se utilice en diversos usos para aumentar el rendimiento de la instalación.

PROPULSIÓN POR MOTORES.
El motor de combustión y , en particular el de ciclo Diesel es en la actualidad es el más usado en buques por su economía de funcionamiento , durabilidad, ocupa poco espacio en comparación con las plantas de vapor y confiabilidad. En cuanto a los buques la disposición usual es que el motor vaya directamente acoplado al eje y en casos donde sea aconsejable se pueda instalar uno o varios motores acoplados al eje propulsor mediante el correspondiente engranaje.
El motor de explosión del ciclo Otto , no tiene casi aplicación en propulsión de buques, salvo, naturalmente, en embarcaciones de recreo y deportivas.

PROPULSIÓN POR TURBINAS DE GAS.
De los sistemas de propulsión que usan combustibles fósiles es el más moderno este sistema es el elemento de propulsión más usado en los buques de combate por su relación peso-potencia. En cuanto a la marina mercante las distintas crisis petrolíferas han frenado su utilización en beneficio de los motores diésel ya que el consumo medio de un motor diésel es menor que el de una turbina de gas.
En la aplicación naval de la turbina de gas es referida a las turbinas marinas derivadas de las turbinas que propulsan los aviones, ya que en la aviación es necesario propulsores potentes, reducidos y de poco peso y por estas circunstancias es por lo que los buques de guerra se han beneficiado de dicha tecnología también cabe nombrar que son máquinas simples sin grandes complejidades a la hora de operar, reparar o inspeccionar. La turbina de gas funciona con el llamado ciclo de Brayton la cual especifica que un gas perfecto sufre una comprensión a entropía constante en un compresor, y seguida de un calentamiento a temperatura elevada y presión constante en una cámara de combustión de esta manera seguidamente se expande isentrópicamente en una turbina hasta la presión de aspiración inicial del compresor. El resultado del trabajo desarrollado de expansión es mayor que el de absorción en la fase de comprensión.

PROPULSIÓN DIESEL-ELÉCTRICA.
Es aquella en que los motores diésel de propulsión en lugar de ir directamente acoplados al eje o ejes propulsores accionan alternadores que producen la energía eléctrica necesaria para la propulsión y todos los demás servicios del buque.
En concreto la propulsión se efectúa por medio de motores eléctricos situados en la proximidad de la hélice, se evitan los largos ejes de transmisión y se tiene una mayor flexibilidad de diseño.

Las ventajas de una instalación de este tipo son:
•La más significativa es que tanto motores primarios como motores eléctricos de accionamiento pueden estar situados prácticamente en cualquier parte del barco y, por lo tanto, la flexibilidad de instalación y disposición a efectos de daños (importantísima en su aplicación a buques de guerra) está garantizada.
•Los motores de propulsión pueden situarse muy a popa o en los llamados AZIPODS o postes azimutales dando lugar a líneas de ejes muy cortas o inexistentes.
•Se pueden unificar los generadores que suministren las necesidades de potencia requeridas, tanto para la propulsión principal como para los restantes servicios.
•Al ser la transmisión de la energía eléctrica por medio de cables, se pueden llevar prácticamente siempre por el recorrido más conveniente y su protección es mucho más simple que cuando, como ocurre en los sistemas actuales, los ejes propulsores son largos, llegando a veces a un tercio de la eslora o más.
•Por otra parte se prescinde, por su propia esencia, de los engranajes reductores haciendo innecesaria la utilización de hélices de paso variable.

PROPULSIÓN NUCLEAR.
La propulsión nuclear es básicamente propulsión a vapor y además de no muy elevadas características, ya que, el propio proceso nuclear no permite tener vapor a temperaturas muy elevadas, por lo que no es posible aumentar el rendimiento del ciclo.
Una fisión nuclear es la que origina el calor necesario para originar vapor en un Generador de Vapor que alimenta a una turbina de vapor que es la encargada de transformar la energía calórica de la fisión en energía mecánica.Respecto al reactor nuclear diremos que el fundamento del mismo es el fenómeno de la fisión nuclear. Existen ciertos elementos químicos pesados cuyos núcleos, al tener una cierta inestabilidad, son susceptibles, mediante el bombardeo de neutrones de baja energía de dividirse en dos núcleos aproximadamente iguales, más ligeros, con producción de nuevos neutrones y un defecto de masa resultante.
Este defecto de masa aparece en forma de energía calorífica, en virtud de la conocida Ley de Einstein E= m.c2, en la cual E es la energía, m la masa y c la velocidad de la luz.
Existe varios tipos de reactores pero el que se utiliza a bordo de los barcos es el de “agua a presión” o PWR (Presurized Water Reactor), en el cual el núcleo se mantiene a presión, para que el agua no hierva en su interior.
En cuanto a este tipo de propulsión es muy poco usado solo a algunas marinas militares en submarinos y algunos buques ya que no les da limitación a la hora de repostar y pueden permanecer más tiempo sumergidos.

INSTALACIONES MIXTAS.
Existen dos tipos de instalaciones en buques los sistemas básicos y los sistemas mixtos, los sistemas básicos son en mayor medida las aplicaciones que se instalan solos lo que significa que son barcos de turbinas de gas, barcos de vapor, barco de motor o por sistema nuclear, por el contrario los sistemas mixtos son en las que utilizan varias máquinas sean o no del mismo tipo o de las mismas características de esta manera queda descrito que una instalación mixta puede ser de dos máquinas del mismo tipo simplemente para repartir el trabajo u obtener potencia extra en el momento oportuno como puede ser necesario en un buque de guerra ya que en un buque mercante se opera normalmente durante toda la navegación a velocidad uniforme, que se mantiene hasta rendir viaje.
En cambio en los buques de guerra es tal la diferencia de situaciones en que puede encontrarse, que es en ellos donde este tipo de instalaciones tiene aplicación específica y racionaliza la utilización de la maquinaria. Por ello parece lógico, si existe posibilidad, disponer dos tipos de máquinas, una de bajo consumo que proporcione la relativamente pequeña potencia que se necesita para la velocidad de crucero y otra, lo más ligera y compacta posible, para que dé ella sola o ayude a dar la plena potencia, aunque su consumo específico sea mayor, ya que es poco el tiempo relativo que va a actuar.
En cuanto a las combinaciones más usadas las especificaremos a continuación:
La designación de estos sistemas empieza por “CO”, iniciales de la palabra inglesa “COMBINED”, luego seguidamente se coloca la inicial de la máquina utilizada en el sistema mixto para dar velocidad de crucero: S de steam = vapor, D de diesel y G de “gas” = turbina de gas.
Respecto a las combinaciones más utilizadas son las citadas de acuerdo con su aparición en el tiempo. Algunas de esas combinaciones, concretamente la COSAG ya no se utiliza por la complejidad tan tremenda que supone el llevar a bordo simultáneamente vapor y gas. Fue sin embargo la evolución lógica de lo existente y conocido, que era el vapor, hacia una instalación combinada. La Marina Inglesa, que fue la que la utilizó, pasó rápidamente a instalaciones “todo gas”.

Las instalaciones mixtas más usadas y completando el anterior apartado donde nombrábamos los distintos sistemas:
•COSAG COMBINACIÓN VAPOR Y TURBINA DE GAS
•CODAG COMBINACIÓN DIESEL Y TURBINA DE GAS
•CODOG COMBINACIÓN DIESEL O TURBINA DE GAS
•COGAG COMBINACIÓN TURBINA DE GAS Y TURBINA DE GAS
•COGOG COMBINACIÓN TURBINA DE GAS O TURBINA DE GAS
•CODAD COMBINACIÓN DIESEL Y DIESEL
•CODLAG COMBINACIÓN DIESEL ELECTRICA Y TURBINA DE GAS

👉Algunas Definiciones:
•Potencia indicada (IHP = Indicated Horsepower) es la potencia del ciclo térmico del motor
•Potencia al freno (BHP = Brake Horsepower) es la potencia del motor, medida en el acoplamiento del motor al eje (por medio de un freno).
•Potencia en el eje (SHP = Shaft Horsepower) es la potencia transmitida a través del eje (medida con un torsiómetro tan cerca de la hélice como sea posible).
•Potencia entregada a la hélice (PHP = Propeller Horsepower) es la potencia entregada a la hélice (descontando las pérdidas en el eje de la anterior).
•Potencia de empuje (THP = Transformed Horsepower) es la potencia transformada por la hélice (se obtiene descontando su rendimiento de la potencia a la hélice).
•Potencia efectiva o de remolque (EHP = Effective Horsepower) es la potencia que realmente se emplea en mover el barco o la potencia que sería necesario emplear para remolcar el barco a la velocidad de proyecto (puede obtenerse descontando de la anterior las pérdidas debidas a la forma del barco, apéndices, etc.).