Evaluación de la estabilidad, sistema de propulsión

Evaluación de la estabilidad, sistema de propulsión y sistema de gobierno del
ARC Manacacías para optimizar su desempeño operacional en el Río Meta
Javier Serrano Tamayo, Ingeniero Naval Mecánico,
Estudiante Maestría en Ingeniería Mecánica, Universidad de los Andes
Teléfono: (57) (1) 2742410. Cel: 313-8926043
[email protected]
RESUMEN
Este documento sintetiza el estudio de la estabilidad e integración del casco con el sistema de
propulsión del ARC Manacacías, con el fin optimizar la eficiencia de su planta propulsora y
su maniobrabilidad en su área de operaciones. Su importancia radica en que este buque era un
remolcador de río convertido en patrullera fluvial liviana para el transporte de tropa, al igual
que otros buques de su mismo tipo, que están siendo utilizados para el control del orden
público, pero por falta de metodología en la conversión, su desempeño actual no es óptimo.
El trabajo efectuado se sintetizó en tres puntos: 1. Medición y modelación del buque en 3D y
estimación de pesos mediante el SWBS para determinar la ubicación del CG, con el fin de
evaluar de la estabilidad transversal mediante los criterios de las normas DDS-079 USN y
046CFR170 USCG. 2. Predicción de la resistencia al avance mediante series sistemáticas de
NAVCAD, así como la selección de una hélice óptima comercial y la evaluación en términos
de consumo de combustible y autonomía de operación. 3. Estudio del aparato de gobierno
actual y diseño de uno óptimo conforme la nueva misión, así como recomendaciones sobre su
ubicación y su forma constructiva, en el estado del arte, para mejorar la maniobrabilidad.
Los resultados fueron un buque estable que requiere una hélice óptima para aumentar la
velocidad, eliminar la cavitación y aumentar la autonomía, así como el diseño de un nuevo
timón, mejor ubicado y de perfil óptimo para mejorar notoriamente la maniobrabilidad.
Palabras clave: afinamiento, estimación de pesos, condiciones de carga, criterios de
estabilidad, efecto squat, eficiencia de la hélice, selección de timón, timón Schilling.
Introducción
En Colombia, la política de consolidación de la seguridad democrática exige a la Armada
Nacional ejercer soberanía y control en los ríos navegables, así como mantener las unidades a
flote en su máximo rendimiento. Dentro de los medios disponibles, se cuenta con unos
remolcadores de río, construidos en 1986 por el entonces Servicio Naviero (SENAR), usados
para el transporte de carga hasta finales de los noventa, cuando fueron varados y se cambiaron
los motores DD471L por DD671L, se acondicionaron alojamientos para transporte de tropa
utilizando una especie de blindaje pesado de triple lámina con arena en el medio y se les
construyeron unos tanques para suministro de gasolina a los botes de combate. Pero el alcance
de las reparaciones fue limitado y no consideró que el cambio de misión requería una
concepción del buque para evaluarlo en su totalidad.
La adición de pesos altos hizo prever variaciones importantes en el desplazamiento y posición
vertical del CG, por lo cual fue necesario estudiar las condiciones de carga y evaluar su
estabilidad transversal. Los motores propulsores, concebidos para desarrollar una potencia de
180 BHP @ 1800 RPM, no superaban las
1500 RPM, lo cual indicaba que están
sobrecargados o que las hélices no estaban
apropiadamente
proyectadas,
esto
era
palpable por una cavitación que se está
presentando.
En
cuanto
al
sistema
de
gobierno la capacidad de maniobra se estaba
viendo afectada por un diámetro táctico que
se deseaba reducir.
Fig. 1. Imagen ARC Manacacías.
El propósito entonces fue evaluar la estabilidad, recomendar una hélice óptima comercial y
proponer un aparato de gobierno que mejorara notoriamente la maniobrabilidad, con el fin de
solucionar un problema de mal desempeño de un buque en el río debido a una adaptación
parcial de un remolcador como buque de transporte de personal. Este modelo de estudio se
propuso ser replicado en otros buques del mismo tipo que presentan problemas similares.
Modelación del buque en 3D
Para la medición del casco, se elaboró una tabla de offsets, referenciados a un punto de origen
en la intersección de la proa con la línea de crujía a la altura de la línea base. El buque tiene
un puntal de 1.2 m en la sección paralela, una elevación pronunciada en proa y leve en popa.
Punto de
referencia
Figura 2. Punto de referencia (0,0,0)
Tabla 1. Formato tabla de offsets (estación 7)
Una vez finalizadas las mediciones en campo y recolectada la información disponible se
elaboró una primera tabla de offsets para tener el primer registro de las líneas de forma. La
información necesariamente debía ser complementada y verificada con los planos disponibles.
La primera visualización mostró resultados satisfactorios en los semitúneles, popa y sección
paralela, pero en la proa fueron menos favorables, lo cual condujo al fairing o afinamiento,
cuyo fin es evitar discontinuidades que resultan en concentradores de esfuerzos, resistencia al
avance y falta de estética. Su importancia radica en que la forma afinada pasa al programa de
planos de corte y optimizar las láminas de acero reviste un costo importante. Para esto se usó el
software Rhinoceros, con el cual se logró una forma hidrodinámica del casco.
Figura 3. Puntos de control (fairing).
Figura 4. Modelo final 3D ARC Manacacías.
Coeficientes de forma y curvas hidrostáticas
Estas características para evaluar la estabilidad y obtener información necesaria para la
estimación de potencia. De acuerdo con lo obtenido, el ARC Manacacías es un buque de
formas llenas, puesto de manifiesto en sus coeficientes principales:
CB =
C
∇
4.976 m2
126.2 m3
= B = 0.8168 (3)
= 0.9765 (2) , CP =
= 0.8 (1) , CM =
L ⋅ AM CM
31.15 m ⋅ 7.28 m ⋅ 0.7 m
7.28 m ⋅ 0.7 m
Una vez obtenidos los coeficientes de forma se calcularon las curvas hidrostáticas, las cuales
indicaron una estabilidad inicial positiva del buque, pese a su adición de pesos. El rango de
calados se hizo desde el peso en rosca hasta la plena carga, incluso algo de sobrecarga, dado
que ha sido sometido a ella. Los cálculos
fueron hechos con ayuda del software GHS.
Para obtener los valores de las curvas, hubo
que editar todos los tanques del buque en el
modelo, para lo cual el software permitió
hacer la programación, obteniendo el modelo
del buque con los tanques incluidos.
Figura 5. Modelo incluyendo los tanques.
Una vez modelado el buque con los tanques, se elaboró el programa correspondiente en GHS,
con el fin de obtener las curvas hidrostáticas y las de coeficientes de forma.
Figura 6. Curvas de Forma
Figura 7. Curvas hidrostáticas
Estimación de pesos y condiciones de carga
Para estudiar las condiciones carga fue
Método estudiado
Resultado
necesario conocer el peso de la Unidad,
Método de Benford
Desplazamiento pequeño
partiendo de sus componentes, así como
Método de Danckwardt
Relación L/D pequeña
su momento flector de los componentes
Método de Lamb
Eslora muy pequeña
con respecto a un punto de referencia.
Método de Mandel
Valor ilógico
Antes de ello se estudiaron algunos
Método de Gilfillan
Sólo para graneleros
métodos por características principales
Método de Murray
Valor ilógico
para calcular el peso de la estructura pero
Método de Osorio
Podría servir de referencia
sin obtener resultados satisfactorios.
Método de J.L. García
El valor es muy bajo
Tabla 2. Estimación por características principales1
En consideración que ningún método satisfizo con
Grupo
precisión el peso del buque, éste se calculó en función
100
Estructura del casco
de sus componentes. El procedimiento para estimar el
200
Planta propulsora
300
Planta eléctrica
400
Comunicación y sist. de control
500
Servicios auxiliares
600
Equipo y habilitación
en el cual se considera el buque como un conjunto de
700
Armamento
elementos condensados en siete grupos estructurales,
M
Márgenes
tanto de lo correspondiente al peso en rosca como del
F
Cargas (peso muerto)
peso del buque y su centro de gravedad (CG) se llevó
a cabo mediante el uso del SWBS (Ship Work
Breakdown Structure), desarrollado por la US Navy,
peso muerto para las condiciones de carga.
Concepto
Tabla 3. Grupos estructurales SWBS
Hay tres tipos de peso de acuerdo con el conocimiento que tenemos de ellos. En el primero
conocemos con certeza su peso y CG. En el segundo, su peso y CG probable, donde están la
mayoría de pesos de un buque. El tercero son los márgenes, que son parte de la estimación de
pesos y se espera que refleje el peso del buque a la entrega. La posición del CG del buque se
calculó multiplicando el peso de cada componente por la distancia desde su CG hacia (0,0,0),
hallando momentos flectores en x, y, z, haciendo una sumatoria final y dividiendo entre el
peso total. Su importancia radica en que afecta el asiento, la escora y el KG del buque.
1
Tomado de MIEZOSO Manuel, “Ecuación del desplazamiento, Peso en Rosca y Peso Muerto”, Escuela Técnica Superior de Ingenieros
Navales, Universidad Politécnica de Madrid, 1990.
El capítulo 096 del NSTM (Naval Ships’ Technical Manual) trata sobre pesos y estabilidad, y
define las condiciones de carga para buques. Para el ARC Manacacías se seleccionaron tres:
peso en rosca, mínima condición de operación y plena carga. El peso en rosca agrupa los
elementos desde el grupo 100 al 700, listo el buque para su servicio. Si bien excluye el peso
muerto, hay algunos pesos como lastre fijo (si aplica), y fluidos mínimos en la maquinaria. La
plena carga es el buque completamente cargado, es decir, peso muerto más peso en rosca. La
mínima condición de operación, tiene las
mínimas condiciones de estabilidad para
operación normal. La carga líquida
Tripulación
Igual que plena carga
Munición
1/3 de plena carga
Provisiones y almacenes
1/3 de la plena carga
procura mantener una estabilidad y un
Lubricante
1/3 de la plena carga
asiento satisfactorio; y el peso muerto
Comida y agua potable
2/3 de la plena carga
depende del tipo de buque y su servicio.
Combustible
1/3 de la plena carga
Es una condición crítica de operación,
Carga
1/3 de la plena carga
pues los tanques, pesos bajos, están
Tanques de lastre
Vacíos
desabastecidos y la mayoría de pesos
Pasajeros
Igual que plena carga
altos suelen permanecer constantes.
Tabla 4. Carga variable, mín. condición de operación2
Una vez determinados los pesos, sus
CG y sus momentos flectores con
respecto a los tres ejes, así como las
condiciones de carga, se organizó la
información por distribución de pesos, y
se elaboraron las curvas de cargas, que
permitió analizar pesos puntuales que
afectar estructuralmente al buque.
Figura 8. Curva de cargas, mín. condición de operación
Criterios de estabilidad
La adición de pesos por el “blindaje” de la superestructura sumó 17 T.M., lo que requirió
aplicar criterios de estabilidad como de la DDS-079 de la USN y el 46CFR, p.170 USCG. La
DDS-079 establece un espaciamiento de mamparos transversales y el de colisión de proa. Los
transversales deben estar espaciados al menos 10 pies + 0,03 LBP, y el de colisión de proa
2
NAVAL SEA SYSTEMS COMMAND, Design Data Sheet 079, Stability for surface ships of US Navy, pg II-11.
debe estar a una distancia máxima del 5% de la eslora, desde la perpendicular de proa. El
diseño del buque cumplió satisfactoriamente con estos requisitos iniciales.
Figura 9. Distribución de tanques y espaciamiento entre mamparos
Más adelante se establece que los buques deben soportar ciertas amenazas que afectan la
estabilidad, como: 1. Viento de través más rolido. 2. Levantamiento de cargas en un costado.
3. Fuerza de remolque. 4. Aglomeración de personal a un costado. 5. Giro a alta velocidad. 6.
Hielo en la parte superior. Los numerales 1, 5 y 6 no representan amenaza, considerando las
características del buque y su entorno. Las otras tres sí representan riesgo, por lo cual se midió
la estabilidad, comparando la curva de brazos de adrizamiento con la de amenazas de brazos
de escora, se sumaron los brazos escorantes, obteniendo el brazo más crítico, que al
multiplicarlo por el desplazamiento, permitió obtener los momentos más críticos.
• Levantamiento de cargas pesadas sobre un costado: HA = W × a × cosθ Δ
• Efecto de remolque: HA = 2 × N × (SHP× D) 3 × S × h × cosθ (38× Δ)
2
• Aglomeración de personal en un costado: HA = (W × a / Δ) cos θ
(4)
(5)
(6)
Por su parte, la norma 46CFR requiere una mínima altura metacéntrica, que debe ser igual a:
GM ≥ ( PAH ) /(W tan(T ))
2
(7) . El valor P, aguas protegidas es: P = 0.028 + ( L 1309) (8) . El
3
valor A es el área lateral del buque por encima de la línea de agua. El valor H, altura desde el
centro de A hasta el punto medio de calado. El valor W, desplazamiento para cada condición.
El valor T, menor ángulo entre 14˚ y medio francobordo desde crujía. Se editó el programa y
se obtuvieron resultados satisfactorios de estabilidad del ARC Manacacías, los cuales eran
previsibles, considerando su alta relación B/T = 6.
3
United States Coast Guard. 46CFR. Subdivision & Stability. Part 170. Subpart E – Weather Criteria, pg. 85
Análisis de la viga buque
GHS permite hacer una comparación porcentual del esfuerzo máximo del buque montado
sobre una onda trocoidal con respecto a su resistencia a la tensión, brindando información de
cortantes y momentos flectores de la viga buque. Para ello se calculó el Módulo de Sección,
haciendo sumatoria de elementos
(4) Curva de cortantes, 1 = 0.04 T.M.
estructurales en al menos un 40%
(5) Curva de esfuerzos, 1 = 0.0001 T.M./cm2
(3) Curva de boyancia, 1 = 0.02 T.M./m
de la eslora, obteniendo un valor
de 2062.51 cm2-m, que junto con
(1) Curva de pesos, 1 = 0.1 T.M./m
la amplitud de la ola, módulo de
Young
(2) Pesos puntuales, 1 = 0.2 T.M
y resistencia del acero,
fueron necesarios para el cálculo.
Módulo de Sección obtenido = 2062.51 cm2 - m
La viga buque se sometió a arrufo
y quebranto, obteniendo un 3% de
la resistencia del acero, con lo que
cumplió la norma estructural.
Figura 10. Resistencia longitudinal de la viga buque.
Resistencia al avance y squat
La resistencia al avance puede calcularse corriendo un modelo en un tanque de pruebas, o a
través de series sistemáticas. Por falta de medios apropiados se escogió la segunda opción. El
software NAVCAD tiene unas series de modelos corridos en tanques de prueba certificados.
La serie más apropiada se seleccionó de
Método estudiado
Resultado
acuerdo con los coeficientes de forma,
Fórmula básica
Gama muy amplia
relaciones de forma y número de Froude.
Método Holtrop
Bajo BWL/T (2.1-4.0)
Se estudiaron series para cascos de
Método Oortmerssen
Bajo BWL/T (1.9-3.4)
desplazamiento como el del Manacacías.
Método U. Dinamarca
Bajo LWL/BWL(5-8), 4.4
Una vez determinado el Método de U.S.
Método USNA YP series
Coinciden características
Naval Academy series se completó la
Series 60
Pantoque redondo
Series U. Brit. Columbia
Formas muy desiguales
Series Nordstrom y YP 81
Astilla muerta alta
Series 64, SSPA, y Dutch
Embarcaciones planeo
información necesaria en tres ventanas:
medio ambiente, casco y apéndices. Los
datos se tomaron para plena carga, en la
cual la resistencia al avance es mayor.
Tabla 6. Análisis de series sistemáticas
En ríos de aguas bajas, como el Meta, el mayor efecto en la resistencia al avance es un
hundimiento espontáneo llamado squat, dado por una variación del flujo de agua alrededor
del casco, pues ésta pasa a mayor velocidad
Curva de Resistencia al Avance
que en aguas abiertas, reduce la presión y
24000
hunde la proa o popa (squat), según el caso,
21000
16.2
15.84
incrementando el asiento y la resistencia al
avance . Una vez introducidos los datos del
buque y estudiados los criterios aplicables,
se obtuvo la curva de resistencia al avance.
El buque respondió a velocidades bajas sin
18000
Resistencia al Avance (Newtons)
4
15.48
15.12
14.76
14.4
15000
12000
12.6
9000
10.8
6000
mayor oposición, pero a partir de los 13
3000
kph, el incremento de la pendiente requiere
0
7.2
3.6
0
0
de un sistema de propulsión óptimo que
aproveche la configuración existente.
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Velocidad (kilómetros por hora)
Figura 11. Curva de Resistencia al Avance
Como la profundidad de Río Meta varía durante el año, sólo ocho meses navegable5; requiere
considerar la mínima profundidad como un factor importante en la resistencia al avance y
determinante para la navegación segura, es decir en la zona subcrítica, evitando el efecto
squat. Así, un buque lento será diseñado para la
región subcrítica y uno rápido para la
supercrítica 6 . Para observar cómo afecta el
cambio de la profundidad en aguas bajas, se
graficó la variación del squat a medida que
aumenta la velocidad del Manacacías a
distintas profundidades. La curva de 1 m de
profundidad presenta las tres regiones, y en la
zona crítica un pico de 0.32 m que sumado al
calado a plena carga, 0.87 m, hace que el buque
toque fondo, imposibilitando su navegación.
Figura 12. Regiones de diseño
4
LEWIS Edward, “Principles of Naval Architecture”, The Society of Naval Architects and Marine Engineers, 2nd Revision, Vol. II, Ch. V,
Section 5, Pg. 42, 1988.
5
http://www.mintransporte.gov.co/Ministerio/Programas/integración/ proyectos.htm
6
HOFMAN Milan y KOZARSKI Vladan. SHALLOW WATER RESISTANCE CHARTS FOR PRELIMINARY VESSEL DESIGN.
International Shipbuilding Progress. Volume 47, Number 449. Pg. 63. 2000.
0.8
0.8
PREDICCIÓN MANACACÍAS-1m.nc4
PREDICCIÓN MA NA CACÍAS-1.5m.nc4
PREDICCIÓN MANACACÍAS-3m.nc4
0.7
PREDICCIÓN MA NA CACÍAS-2.0m.nc4
0.7
PREDICCIÓN MANACACÍAS-6m.nc4
PREDICCIÓN MA NA CACÍAS-2.5m.nc4
PREDICCIÓN MA NA CACÍAS-3m.nc4
0.6
0.6
0.5
0.5
Squat m
Squat m
PREDICCIÓN MANACACÍAS-9m.nc4
0.4
0.3
0.4
23 cm de diferencia de squat
entre 2.5 m y 3 m de
profundidad del río.
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
0
0
2
4
región
subcrítica
6
8
Vel kts
región
crítica
10
12
14
región
supercrítica
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Vel kts
Figura 13. Curva squat vs. velocidad a
distintas profundidades
Figura 14. Primera iteración entre 1.5 – 3 m
Determinación de la hélice óptima
Un requerimiento inicial fue lograr mayor velocidad, por lo cual habría podido pensarse en un
motor de mayor tamaño o un engranaje reductor de mejor relación; sin embargo, los costos
asociados descartaron la idea y se trabajó con referencia a lo existente para determinar una
hélice óptima. Los datos del sistema de propulsión son: 02 propulsores DD671L a 180 BHP
@ 1800 rpm; 02 reductores Twin Disc DD-5091V 2.45:1; 02 hélices de paso fijo de tres
aspas, Serie B, diámetro 36”, paso 32”.
Con la curva de desempeño del motor
DD671L disponible en NAVCAD, se
integró la curva de desempeño del motor
con
la
de
resistencia
al
avance,
comparando las RPM de la maquinaria
con la potencia entregada en el eje y la
velocidad actual de la Unidad. La curva
mostró un motor trabajando por debajo de
las RPM nominales, lo que promueve el
carbonamiento
de
las
cámaras
de
combustión y el deterioro prematuro. Por
lo tanto, para optimizar el sistema de
Figura 16. Comparación hélice actual y
hélice óptima en función de la relación P/D
propulsión, se modificaron los parámetros de la hélice, disminuyendo el valor de la relación
paso diámetro (P/D), llegando a las 1800 RPM. Por otra parte, se midió la relación de área
expandida, se introdujeron los parámetros y se obtuvo el resultado de desempeño de la hélice
actual frente a la modificada, logrando una mayor eficiencia. Entre los parámetros se usó el
criterio de cavitación de Keller, obteniendo un 11.2%, superior al 5% máximo aceptable.
Finalmente se normalizó la hélice a una comercial.
Una vez seleccionada la hélice óptima se comparó la mejora en velocidad, consumo de
combustible y autonomía del buque con respecto al montaje actual, obteniendo 1.5 kph de
aumento de máxima velocidad, una reducción del consumo de combustible de medio galón
por hora y un aumento final de la autonomía de tres días de navegación constante.
Optimización del aparato de gobierno
Se estudió el aparato de gobierno de acuerdo con su geometría, con el fin de diseñar un timón
óptimo, mejor ubicado, que no requiriera el cálculo de la eslora de bongos a empujar, dada su
misión de patrullera de apoyo fluvial. Para diseñar un nuevo timón hay que tener en cuenta
cuatro restricciones: 1. Máxima altura posible (span), desde la línea base hasta la mínima
profundidad por debajo de la línea de agua. 2. Mantener un rumbo recto para minimizar la
pérdida de velocidad y rendimiento de la planta propulsora. 3. El sistema general debe ser el
mínimo necesario para cumplir con los estándares, pero manejando un presupuesto justo. 4.
Efectos indeseables del timón, como la vibración, debe ser reducida al mínimo tolerable.
Desde la hidrodinámica hay seis consideraciones. 1. Tipo de timón. El timón completamente
abatible es más económico, así mismo tiene menor vibración y costo de mantenimiento. La
idea es que el timón produzca una fuerza de viraje importante, para ello está la relación de
balance, relación de área del timón delante de la caña sobre el área total, dada en función del
C B = 0.81, para plena carga, para este buque debería oscilar entre 0.265 a 0.2707, pero es
0.1175, lo que indica una deficiente maniobrabilidad por un valor muy bajo para la fuerza de
viraje. 2. Ubicación. Debe evitarse combinaciones de dos timones y una hélice o viceversa8,
más bien colocar el timón detrás de la hélice en su sentido de flujo, lo que coadyuva a su
7
LEWIS Edward, “Principles of Naval Architecture”, The Society of Naval Architects and Marine Engineers, 2nd Revision, Vol. III, Ch. IX,
Section 17, Pg. 365, 1988.
8
Ibid.
empuje. A baja velocidad, o con máquinas paradas, la corriente de la hélice incrementa la
efectividad del timón en gran escala. Así mismo el timón debe estar permanentemente por
debajo de la línea de agua para protegerlo de la aireación, que puede degradarlo por efecto de
las olas. 3. Área. Dado que el buque no sufrirá por vientos ni olas, puede usar el área
disponible de la forma del casco; para lo cual se seleccionó el criterio aplicado por Det
Norske Veritas:
AR =
2
T × LBP ⎡
⎛ B ⎞ ⎤
⎟ ⎥
⎢1 + 25⎜
100 ⎣⎢
⎝ LBP ⎠ ⎦⎥
(9), donde
AR = Área del timón, T = Calado, LBP = eslora entre perpendiculares y B = Manga. Según
la fórmula el requerimiento de área de timón fue de 0.6179 m2. El área total calculada para el
Manacacías fue de 1.89 m2 por lo que debería excelente maniobrabilidad, pero no es así
debido a varios factores: primero, la deficiente relación de balance para una fuerza de viraje
importante. Segundo, la interferencia entre los timones disminuye la efectividad. Tercero, los
timones no están obteniendo el grueso de la energía rotacional del flujo. Cuarto, la distancia
entre la caña del timón y el núcleo de la hélice es de 1.5 veces el diámetro de ésta. 4. Altura.
Está dada por la forma de la popa y el calado. Debe ser lo máxima posible para obtener mayor
eficiencia y es más importante que la longitud para la efectividad del timón, pero su base debe
tener cierta tolerancia por encima de la quilla. 5. Forma de la sección. Es preferible secciones
hidrodinámicas gruesas con centro de presión constante, que son mejores estructuralmente y
con menor arrastre. 6. Ritmo de oscilación. Para buques de formas llenas es más relevante un
área grande que un incremento del período de giro para mejorar su maniobra.
Entre todas estas consideraciones, la principal es la máxima altura posible, la cual incide
directamente en el máximo empuje. Para hallar esta altura se siguió un proceso iterativo,
obteniendo un timón con suficiente área y buena relación de balance y de aspecto.
5.0
2.0
Coeficiente de empuje
1.4
1.33
1.0
25
30
0.80
0.67
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
5
10
15
20
35
40
45
50
Ángulo de timón, grados
Figura 17. Efecto de la relación de aspecto
en el coeficiente de empuje
Figura 18. Proyección transversal del timón más
óptimo en tamaño, girado 35˚ hacia una banda
Normalizando al perfil NACA de ancho superior equivale a la Serie NACA 0015 con relación
longitud – espesor de 6.7, presentando el valor más alto de coeficiente de empuje.
El timón Schilling
Es una propuesta que mejora de forma importante la maniobrabilidad de un buque en aguas
restringidas, como el ARC Manacacías. Supera la limitación de la separación del fluido en
torno a los 35°, sin disminuir la presión normal, pudiendo utilizarse hasta los 70° a cada
banda en maniobras de puerto, sin que se separe el fluido, lo cual significa el doble del ángulo
máximo de que se dispone en los timones convencionales. Con este timón también se
pretende aprovechar de modo más efectivo la corriente generada por la hélice; su sección
transversal adopta forma de pez; y tiene unas planchas horizontales rectangulares en la parte
superior e inferior solidarias al timón. Su construcción es de una sola pieza, no siendo
necesario, en consecuencia, ningún trabajo de mantenimiento especial.
Figura 28. Comparación del coeficiente de
empuje para distintos timones de dimensiones
Figura 29. Vista lateral de un timón
Schilling MonoVec con su forma de pez
Fuente: http://japanham.co.jp/www/en/service/pdf/schilling.pdf
Las características más importantes de estos timones son las siguientes:
•
Mejora significativamente el control del buque a bajas velocidades en aguas restringidas.
•
El coeficiente de empuje es aprox. 1.3 veces mayor que el de un timón convencional.
•
Desarrolla un 30 – 40% más de fuerza de empuje que un timón convencional, obteniendo
la máxima fuerza entre 40 y 45˚, aunque a baja velocidad puede llegar a los 70˚.
•
El coeficiente de empuje también es alto cuando está dando marcha atrás.
•
Tiene una gran estabilidad de rumbo, lo que incide en ahorro de combustible.
En virtud de lo anterior sería interesante la sustitución
de un timón convencional por la de uno tipo Schilling
en
el
ARC
Manacacías,
lo
cual
mejoraría
notoriamente la maniobrabilidad de esta Unidad.
Cabe anotar que este timón ya fue construido e
instalado a bordo del ARC Sejerí, presentando una
mejora notable en estabilidad y gobernabilidad, así
mismo, el diámetro táctico se logró disminuir de
cuatro a dos esloras.
Figura 31. Timón Schilling del ARC Sejerí
Conclusiones
El ARC Manacacías conserva una buena estabilidad inicial, pese a las dieciocho toneladas
adicionadas como consecuencia del blindaje de la superestructura, puesto de manifiesto en la
evaluación del buque, lo que era previsible, considerando su alta relación manga puntal (6).
Los motores propulsores están operando por debajo de sus revoluciones nominales, lo que
causa carbonamiento de los pistones, pérdida de velocidad y mayor costo de mantenimiento.
Los timones son poco eficientes debido a su baja relación de aspecto (0.43), baja relación de
balance (0.12) y amplia distancia hasta la hélice (1.5 veces el diámetro de la hélice), lo que
llevó a dimensionar unos más eficientes y mejor ubicados que optimicen la maniobrabilidad.
La hélice actual es aceptable, sin embargo una optimizada reducirá la cavitación, evitando la
erosión de las aspas, pérdida de empuje y vibraciones en el casco, así mismo mejorará la
eficiencia, reduciendo el consumo de combustible y ampliando la autonomía.
Referencias
[1] American Bureau of Shipping. “Steel Vessels for Service on Rivers Waterways”. 2003.
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