Diseño y Propulsión de Buques: Principios, Propulsores y Resistencia al Avance

Diseño y Propulsión de Buques

1. Flotabilidad de un Buque

¿Por qué flota un buque? Según el principio de Arquímedes, un objeto sumergido en un líquido experimenta una fuerza de flotación igual al peso del volumen de agua que desplaza. Por lo tanto, mientras más grande sea el buque, mayor fuerza de flotación experimentará.

2. Principio de Funcionamiento del Propulsor Helicidial

Los propulsores helicidales, aunque han evolucionado, se basan en el principio del tornillo de Arquímedes. Al rotar dentro de un fluido, ejercen un empuje que, si es superior a la resistencia, produce un movimiento de avance.

3. Fases del Proyecto de un Buque

Las tres etapas fundamentales del proyecto de un buque son:

• Proyecto conceptual: Estudio de viabilidad
• Proyecto contractual: Soporte técnico al contrato
• Proyecto de construcción: Desarrollo final del proyecto

4. Espiral de Proyecto

La elaboración del proyecto de un buque se desarrolla en espiral, siguiendo una serie de etapas. Se utiliza una aproximación sistemática al diseño integrado, con un enfoque planteado desde el inicio del proyecto que promueve la cooperación, la compartición de tareas y la respuesta a las expectativas del cliente.

5. Definición de Propulsor

Un propulsor es un mecanismo capaz de ejercer una fuerza opuesta a la resistencia al avance, con el objetivo de poner y mantener el buque en movimiento.

6. Principio de Funcionamiento del Propulsor Waterjet

El propulsor Waterjet consiste en absorber una masa de agua por un conducto situado en el fondo del buque, a través de una bomba de aspiración. Esta agua es acelerada en la tobera de expulsión a popa, provocando el empuje necesario para propulsar el buque.

7. Definición de Fluido

Un fluido es toda sustancia que, bajo la acción de una fuerza tangencial arbitrariamente pequeña, experimenta una deformación continua.

8. Propiedades que se Transportan en un Fluido

Las propiedades de un fluido dependen de su naturaleza y características. Estas incluyen:

• Cantidad de movimiento
• Cantidad de energía
• Cantidad de materia

Otras propiedades son:

• Densidad: Relación entre la masa y el volumen.
• Peso específico: Producto de la densidad por la aceleración de la gravedad.
• Viscosidad: Resistencia interna del fluido a que partículas contiguas se muevan a distintas velocidades.

9. Fluidos Homogéneos y Heterogéneos

• Fluido homogéneo: Conserva la misma densidad en todo su volumen.
• Fluido heterogéneo: Su densidad varía con respecto al volumen.

10. Rozamiento en Régimen Laminar y Turbulento

En un régimen turbulento, hay un rozamiento adicional debido a la mezcla de partículas fluidas en dirección normal al movimiento, lo que conlleva una transferencia de momento lineal.

11. Viscosidad y Temperatura

En los fluidos, cuando aumenta la temperatura, disminuye la viscosidad.

12. Perspectiva Euleriana y Lagrangiana en el Estudio de Fluidos

Existen dos maneras de estudiar el movimiento de un fluido:

• Perspectiva Euleriana: Se asignan valores a las propiedades del fluido en cada punto del espacio y en cada instante.
• Perspectiva Lagrangiana: Se sigue a cada partícula fluida en su movimiento, buscando funciones que den su posición y propiedades en cada instante.

13. Definición de Tubo de Corriente

Un tubo de corriente es una porción de fluido cuyas paredes laterales son líneas de corriente.

14. Ecuación de Continuidad y Variación de la Velocidad

En base a la ecuación de continuidad para un tubo de corriente (V1·S1 = V2·S2), la variación de la velocidad es directamente proporcional a la variación de la sección. Si disminuye la sección del tubo, la velocidad aumentará.

15. Ecuación de Continuidad y Variación de la Sección

Una variación de la sección afectará directamente a la velocidad: a mayor sección, menor velocidad; a menor sección, mayor velocidad.

16. Fluido Perfecto

Un fluido perfecto es incompresible y carente de fricción. Cuando se mueve con relación a un cuerpo sólido o impenetrable, no se desprende en ningún punto de la pared sólida.

17. Hipótesis para el Estudio de la Resistencia al Avance

Para estudiar la resistencia al avance, se deben considerar las siguientes hipótesis:

• Fluido perfecto
• Cuerpo moviéndose a velocidad constante
• Cuerpo totalmente sumergido

18. Capa Límite

La capa límite es la zona donde un fluido entra en contacto con un sólido (por ejemplo, el casco de un buque), donde por adherencia y viscosidad es arrastrado. Esto hace que el fluido sufra variaciones en su velocidad.

19. Fuerzas que Actúan sobre un Buque

En reposo: Peso (tiende a hundir el buque) y empuje (fuerza contraria al peso, que proporciona flotabilidad).

En movimiento: Además del peso y el empuje, actúan la resistencia al avance (en agua y aire) y la propulsión (fuerza opuesta a la resistencia, generada por los propulsores).

20. Resistencia al Avance del Buque

• Resistencia de fricción: Se reduce disminuyendo la superficie mojada.
• Resistencia de presión viscosa: La velocidad disminuye mucho menos hacia popa que en proa.
• Resistencia por formación de olas: Aumenta con la velocidad.

21. Parámetros para el Estudio de la Resistencia al Avance

La resistencia al avance se basa en tres hipótesis (fluido perfecto, cuerpo a velocidad constante, cuerpo totalmente sumergido). Para un buque convencional, las hipótesis primera y tercera se pueden descartar. Los parámetros básicos a estudiar son la viscosidad (influye en la fricción) y la formación de olas.

22. Tipos de Potencia

Los tipos de potencia son: potencia al remolque, potencia a la hélice, potencia al freno y potencia indicada.

23. Teoría del Momento en la Acción del Propulsor

La teoría del momento en la acción del propulsor parte del supuesto de que los propulsores proporcionan empuje acelerando el flujo en el que trabajan. Se basa en la ley de Newton (F = m·dv/dt). El impulso proporciona la fuerza durante un tiempo determinado e igual a la variación de la cantidad de movimiento (momento).

24. Prueba de Bollard Pull

La prueba de Bollard Pull mide la fuerza de tracción que un buque puede aplicar en determinadas condiciones. Se suele aplicar en remolcadores y consiste en fijar un cable a una boya en tierra y al buque, midiendo la fuerza de tracción con un dinamómetro.

25. Acción de la Hélice y la Cadena

Acción de la cadena sobre la hélice: Estela (deja una estela debido a la acción de la hélice y la cadena sobre el fluido).

Acción de la hélice sobre la cadena: Succión (aumenta la resistencia al avance de la cadena).

26. Ensayo de Autopropulsión

Se realiza con un modelo de buque a escala (incluida la hélice) para medir y obtener resultados que permitan desarrollar la hélice adecuada para que el buque alcance la velocidad deseada.

27. Fenómeno de Cavitación

La cavitación ocurre cuando la pala de una hélice alcanza una velocidad elevada, dando lugar a bajas presiones que pueden hacer que el agua se vaporice, creando burbujas. La diferencia de presiones crea un vacío que es rellenado por el líquido, haciendo que las burbujas colapsen e implosionen, resultando en vibraciones, ruido y deterioro superficial.

28. Efectos de la Cavitación en la Hélice

La cavitación produce vibraciones, ruidos y deterioro de la pala de la hélice, pudiendo dejarla inutilizada.

29. Influencia del Diseño de la Hélice en la Cavitación

El diseño de la hélice influye directamente en la cavitación. Se puede evitar mediante la distribución uniforme del área del disco de la pala en secciones de mayor cuerda. Los perfiles con distribución de posiciones más uniformes a lo largo de la cuerda cavitarán menos (por ejemplo, los perfiles de dorso en arco de círculo respecto a los de un ala de avión).

30. Tipos de Cavitación

• Cora de presión
• Cavitación torbellino de punta de pala
• Cavitación burbuja
• Cavitación nube
• Cavitación mancha
• Cavitación pluma

31. Ensayos en Túnel de Cavitación

• Visualización: Se ilumina la hélice con una luz estroboscópica para sincronizarla con las revoluciones del motor.
• Propulsor aislado: Se igualan los números de cavitación local del buque y del modelo para observar cómo disminuyen los valores de Kr y KQ al cavitar.
• Incepción de cavitación: Se fija J y se varía D hasta que aparece cavitación, realizando curvas que muestran valores de J para distintos tipos de cavitación.

32. Hélice de Paso Variable

Ventajas: Capacidad de variar el ángulo de ataque de cada pala, permitiendo invertir el movimiento para el frenado o marcha atrás sin cambiar la dirección de rotación.

Inconvenientes: Necesita una fuerza de accionamiento muy elevada y un coste significativamente mayor que una hélice convencional.

33. Extrapolar Resultados de Modelos a Escala

No se pueden extrapolar directamente los resultados obtenidos para un modelo a escala en un tanque de pruebas a un modelo real. Se deben tener en cuenta la ecuación de comparación de Froude y Rayleigh. Para ensayos con modelos semejantes, se usa la ley de Froude.