Dinámica de vehículos marinos

DINAMICA DE VEHICULOS MARINOS.
HIDROFOILS.
INDICE
1. Introducción.
2. Definiciones.
3. Primeros diseños y evolución histórica.
4. Normativa internacional OMI aplicable a las embarcaciones de sustentación dinámica, y
evolución de la misma.
5. Principio de funcionamiento.
5.1. Sustentación dinámica.
5.2. Resistencia del elemento hidroala con la líneas de flujo.
5.3. Cavitación de la hidroala.
6. Estabilidad en los buques hidroala.
6.1. Hidroalas de aletas que cortan la superficie.
6.1.1. Modalidad de flotación sobre el casca.
6.1.2. Momento escorante provocado por la evolución.
6.1.3. Relación del momento de zozobra y el momento escorante.
6.1.4. Momento escorante provocado por la presión del viento.
6.1.5. Evaluación del momento mínimo de zozobra.
6.2. Estabilidad en las modalidades de transición y soportado por las aletas
sustentadoras.
6.3. Hidroalas de aletas totalmente sumergidas.
6.4. Carga constituida por los pasajeros.
7. Tipos y aplicaciones del hidrofoil.
8. Bibliografía y material de Internet.
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Alejandro Díez Fernández
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HIDROFOILS.
1. INTRODUCCIÓN.
Un barco convencional se mantiene a flote en virtud del principio de Arquímedes, es
decir, el casco se hunde hasta que desplaza un volumen de agua cuyo peso iguala al del buque.
Este principio produce la flotabilidad del casco, pero resulta un inconveniente cuando se trata
de moverlo. Cuando un barco se desplaza debe abrirse camino en el agua apartándola y
sufriendo un rozamiento con la misma. En esta situación existen dos posibilidades: franquear
el montón de agua que hay delante, cosa que en la práctica es imposible, o esperar a que ésta
se disperse en forma de ola. Esta segunda alternativa es la que ocurre normalmente con los
cascos convencionales. El inconveniente de este método consiste en que la ola se aleja hacia
adelante con una velocidad proporcional a la raíz cuadrada de la longitud del casco de la
embarcación. Únicamente cascos muy largos, como los de los grandes barcos, pueden
moverse con la velocidad adecuada. Para superar la velocidad de la ola es necesario consumir
mucha energía y la navegación en estas condiciones ya no es conveniente.
El hidroala resuelve el problema de la resistencia de la ola elevándose por encima del
agua y manteniendo sumergidas unas alas o patines que lo sostienen mientras la velocidad sea
lo bastante alta. Como las olas no golpean el fondo del casco tienen poca influencia sobre la
estabilidad del barco y la navegación. A bajas velocidades funciona como un barco normal
capaz de flotar y moverse lentamente en el agua, lo que es necesario para maniobrar en un
puerto o permanecer fondeado. Cuando el casco se mueve lentamente en el agua, el efecto de
las alas no se percibe, pero cuando los motores impulsan la embarcación con velocidad
suficiente, las alas funcionan como las de un avión y levantan el hidrofoil por encima del agua.
2. DEFINICIONES.
En este apartado vamos a definir el concepto de hidrofoil y una serie de conceptos
necesarios para la comprensión de este estudio.
Un hidroala (hydrofoil en inglés), es un tipo de barco cuyo casco sobresale del agua
cuando la velocidad es lo bastante elevada, gracias a la acción de un plano de sustentación o
ala que funciona según el mismo principio que las alas de un avión. Esta técnica permite a los
barcos aumentar su velocidad disminuyendo la fricción entre el casco y el agua y evitando los
efectos de las olas.
Del Código Internacional de Seguridad para naves de gran velocidad (Código NGV
2000) adoptado el 5 de diciembre de 2000 mediante Resolución MSC.97(73), del que
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HIDROFOILS.
hablaremos en apartados posteriores, podemos extraer las siguientes definiciones
relacionadas con la materia en estudio.
Nave de gran velocidad: Es aquella capaz de desarrollar una velocidad máxima igual o
superior a 3,7·V0,1667 , donde V es el volumen de la flotación de proyecto. A excepción de las
naves cuyo casco está completamente sustentado por encima de la superficie del agua.
Nave hidroala: Buque cuyo casco queda completamente por encima de la superficie
del agua en la modalidad sin desplazamiento, sustentado por las fuerzas hidrodinámicas
generadas por las aletas de soporte.
Modalidad sin desplazamiento: Es el régimen operacional normal de una nave en que
el peso de ésta, queda sustentado en gran medida o de manera predominante por fuerzas no
hidrostáticas.
Modalidad de transición: Régimen del buque entre las modalidades con
desplazamiento y sin desplazamiento.
Aleta sustentadora: Plancha de perfil currentilineo o construcción tridimensional en la
que se produce una sustentación hidrodinámica cuando el buque está en marcha.
Aleta sustentadora totalmente sumergida: Es una aleta sustentadora que no contiene
ningún elemento sustentador que atraviese la superficie del agua en la modalidad de
sustentación sobre aletas.
3. PRIMEROS DISEÑOS Y EVOLUCIÓN HISTÓRICA.
La primera evidencia histórica en la
que
podemos ver en diseño
de
una
embarcación la utilización del efecto hidroala
se puede encontrar en una patente realizada
por el ingeniero parisino, Emmanuel Farcot
Denis, en 1869, que afirmaba que "la
adaptación a los lados y el fondo del buque de
una serie o planos inclinados o cuña formada
piezas, que el buque es impulsado tendrá el
efecto de levantamiento en el agua y reducir
Primer diseño hidroala
el calado”. Puede que este diseño haya sido construido y probado en la realidad, pero no
existe constancia documental de la utilización de este diseño en ningún tipo de buque o
embarcación.
3
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HIDROFOILS.
El concepto de hidrofoil o hidroala, tal y
como lo conocemos en nuestros días nace en
1906, en un artículo publicado en el número de
marzo de la revista Scientific American escrito por
el William E. Meacham, en el que explicaba los
principios físicos
del efecto hidroala y la
estructura y diseño básico que deberían tener
éstas embarcaciones. Como veremos a los largo
del desarrollo de este trabajo el principio físico
aplicado a estas embarcaciones y a la aeronáutico
es el mismo y dado que el primer vuelo de los
hermanos Wright es de 1903 por lo que podemos
Alexander Graham Bell
considerar que la aparición de los hidrofoils y el
desarrollo de la aeronáutica con contemporáneos.
A partir de la publicación de este artículo el ingeniero Alexander Graham Bell se
interesó por la aplicación a que pudieran tener este tipo de embarcaciones por lo que
comenzó a esbozar y desarrollar los conceptos teóricos y tecnológicos de lo que actualmente
se
conoce
como
una
embarcación hidroala.
Junto con el también
ingeniero, y pionero de la
aviación,
Casey
Baldwin,
comenzaron sus ensayos en el
verano
estudió
de
los
1908.
Bladwin
trabajos
del
también inventor e ingeniero
italiano
Enrico
El hidroala de Forlanini navegando en el Lago Maggiore, 1910
Forlanini,
conocido por sus diseños de helicópteros, hidroalas y dirigibles. empezó a probar modelos
basados en sus diseños, lo que le permitió junto a Bell el desarrollar el hidroala.
Durante una gira mundial de Bell entre 1910 y 1911, él y Baldwin se encontraron con
Forlanini en Italia. Navegaron por el Lago Maggiore en el hidroala de Forlanini, describieron
CaseyBaldwin la experiencia como algo tan suave como volar.
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Prototipo HD-4
Prototipo HD-4 en navegación.
De regreso a sus laboratorios y talleres, en Nueva Escocia, se ensayaron varios
prototipos hasta culminar en el llamado HD-4. Usando motores Renault se alcanzó una
velocidad máxima de 87 Km/h, con una rápida aceleración, superando las olas sin dificultad,
lográndose una buena gobernabilidad y estabilidad en la navegación.
A raíz de estos experimentos y prototipos,
Alexander G. Bell envió un informe a la Marina de los
Estados Unidos describiendo los experimentos y las
futuras posibilidades que este tipo de embarcaciones
podrían tener para los intereses la
Marina, le
permitió obtener de esta, dos motores de 350 HP, y
con ellos el 9 de septiembre de 1919 el HD-4
estableció un record mundial de velocidad sobre el
agua
alcanzando
los
114
Km/h,
record
que
permaneció vigente durante diez años.
En
diferentes
otros
lugares
investigaciones
se
hicieron
para
este
también
tipo
de
embarcaciones. Entre 1873 y 1914, el diseñador naval
británico John I Thornycroft trabajó en una serie de
modelos dotados de un casco escalonado y una única
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ala inclinada. En 1909 su compañía construyó un barco de 22 pies de largo, el Miranda III,
propulsado por un motor de 60 CV. El modelo siguen, el Miranda IV llegó a alcanzar los 35
nudos. [1].
En Alemania, el Barón Von Schertel trabajó en el campo de los hidroalas en los años
previos a la Segunda Guerra Mundial, pudiendo considerarse éste como el verdadero pionero
de la aplicación comercial y militar de los hidroalas. Tras la Guerra, el equipo técnico de
Schertel fue capturado por los soviéticos, pero el propio Barón Schertel se trasladó a Suiza,
donde fundó la compañía Supramar AG.
En 1952 Supramar botó el primer
hidroala comercial, el PT10, en el Lago
Maggiore, entre Suiza e Italia. El PT10 era del
tipo
surface-piercing,
siendo
capaz
de
transportar 32 pasajeros a una velocidad de 35
nudos. En 1968, el empresario Hussain Najadi
adquirió los modelos de la compañía Supramar
y expandió su mercado de transporte de
viajeros hasta Japón, Hong Kong, Singapur,
HMCS Bras d´Or
Reino Unido, Noruega y los Estados Unidos.
La compañía estadounidense General Dynamics compró la licencia de Supramar para
la fabricación de hidrofoils y El Pentágono premió su primer proyecto de investigación y
desarrollo en el campo de super cavitación. La Hitachi Shipbuilding de Osaka (Japón), fue otra
que obtuvo la licencia de Supramar, así como muchas navieras y astilleros de países de más
desarrollados.
Entre 1952 y 1971, Supramar
diseñó varios modelos de hidroala:
PT20, PT50, PT75, PT100 y PT150. Salvo
el PT150, todos eran del tipo surfacepiercing. Se construyeron más de 200
unidades de los modelos de Supramar,
la mayoría de ellos por los astilleros
Rodriquez en Italia.
Hidrofoil Ruso Clase Raketa
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HIDROFOILS.
A finales de la década de 1960 la Marina Canadiense construyó y probó un hidroala de
alta velocidad destinado a la lucha antisubmarina, el HMCS Bras d'Or (FHE 400), pero el
proyecto fue abandonado debido a un cambio de prioridades estratégicas de esta Armada. El
Bras d'Or era del tipo surface-piercing y durante las pruebas mostró un buen comportamiento,
alcanzando una velocidad máxima de 63 nudos.
La Unión Soviética experimentó ampliamente con hidroalas, construyendo modelos
para la navegación fluvial y ferrys con diseños estilizados, especialmente durante las décadas
de 1970 y 1980. Ejemplos de estos hidroalas son los barcos de la clase Raketa y la sucesora la
Meteor, de mayor tamaño o el más pequeño de la clase Voskhod, diseñados en la Oficina de
Estudios Especiales (OKB)-Alexeiev, situada en Nizhny Nóvgorod y liderada por el ingeniero
Rotislav Alexeiev, creador del ekranoplano.
Ekranoplano, en navegación. Este aprovecha otro efecto hidrodinámico no estudiado en este trabajo: el efecto suelo.
4. NORMATIVA INTERNACIONAL OMI APLICABLE A LAS EMBARCACIONES
DE SUSTENTACIÓN DINÁMICA, Y EVOLUCIÓN DE LA MISMA.
La primera normativa internacional donde se recogen las características de seguridad u
estabilidad de este tipo de embarcaciones y por ende todas las de sustentación dinámica es la
Resolución A.373 de 14 de noviembre de 1977 por el cual se define el “Código de seguridad
para naves de sustentación dinámica”, creado según la misma OMI proclama para facilitar la
investigación y el desarrollo de este tipo de naves y facilitar la aceptación internacional de la
mismas en materia de seguridad y diseño. En sus 18 capítulos, 3 anexos y dos apéndices,
recoge todos los aspectos de su construcción. Desde el compartimentado, habilitación, y
7
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seguridad contraincendios a su estabilidad, maniobrabilidad y diseño de máquinas y sistemas
auxiliares.
Posteriormente aparece la Resolución A.749 (18) aprobada el 4 de noviembre 1993, el
Código de Estabilidad sin Avería para todos los tipos de buques regidos por los instrumentos
OMI. Este nuevo código recoge la estabilidad de todos los buques incluidos los tratados en
este estudio, por lo tanto los temas relativos a la estabilidad y flotabilidad de los hidrofoil que
el anterior convenio se definía de una forma muy somera en su capítulo 2, se desarrolla en
más profundidad en Capítulo 4.8 dedicado a las naves de sustentación dinámica en sus tres
regímenes de navegación, con flotabilidad, transición y en modo sin desplazamiento.
La normativa OMI mas reciente sobre las naves de sustentación dinámica es el Código
Internacional de seguridad para naves de gran velocidad (Código NGV 2000) de 5 de diciembre
de 2000 en Resolución MSC. 97(73) en vigor en el ordenamiento jurídico español el 1 de Julio
de 2002. Este código se aplica a todas las naves de alta velocidad de transporte de pasajeros
que no se aleje más de ocho horas de un puerto de refugio, por lo tanto no es una normativa
específica para un buque de sustentación dinámica, pero en su Anexo 6 sobre estabilidad de
las naves hidroala desarrolla los criterios de estabilidad que han de cumplir esta
embarcaciones, de un modo muy similar a la Resolución anteriormente vista.
En el apartado quinto de este estudio estudiaremos los criterios de estabilidad
establecidos por la OMI para este tipo de embarcaciones en sus distintos regímenes de
funcionamiento.
5. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.
El funcionamiento del hidroala se basa en
obtener una fuerza que eleve el casco de la nave gracias
a la sustentación generada por medio de un ala
sumergida en el agua.
A baja velocidad, el hidroala se comporta, como
un barco convencional. A medida que la velocidad
aumenta, la presión del agua bajo el ala, bebido a su
forma hidrodinámica, unida a la disminución de la
presión que se forma sobre la misma genera una fuerza
de sustentación opuesta al peso de la nave y una vez alcanzada cierta velocidad es suficiente
para elevar completamente el casco sobre el agua. La única parte del barco que permanece
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sumergida, por supuesto, descontando las alas, son las hélices y el timón de dirección. Con el
casco elevado sobre el agua, la única resistencia al avance es la que ofrecen las alas que lo
mantienen elevado, que es mucho menor a la que ofrecería el casco sumergido navegando a la
misma velocidad.
5.1. SUSTENTACIÓN DINÁMICA.
Como ya hemos vistos anteriormente el hidroala en una embarcación diseñada para
navegar con una resistencia mínima con el agua, gracias a que su obra viva se encuentra fuera
del agua durante el régimen de navegación debido la sustentación que los elementos del
hidroala generan en su movimiento a través del agua. Vemos a continuación el desarrollo de
de las expresiones que matemáticas para el cálculo de la esta fuerza de sustentación sobre el
agua.
La fuerza ascensional puede calcularse utilizando la ecuación:
Donde:
𝑍=
𝜌𝑉 2
𝐶
2
·𝑆
ρ es la densidad del agua.
V es la velocidad.
C
es
el
coeficiente
de
elevación.
S es el área de la superficie de sustentación.
El coeficiente de elevación viene determinado por la expresión:
𝜕𝐶
(𝛼 + 𝛼0 − ∆𝛼0 )
𝜕𝛼
𝐶=
𝜕𝐶 𝑘𝜑
ℎ
(1 + 𝜏)𝜍( )
1+
𝜕𝛼 𝜋𝜆
𝜆
𝐾𝜑
En la realidad, desplazándose en líquidos viscosos, la derivada del coeficiente de
elevación respecto del ángulo de ataque y cero se toma de acuerdo a la expresión:
Donde 𝒇 es el perfil del hidroala.
9
𝜕𝐶𝑧
= 5,5 𝑦 𝛼0 = 1,76𝑓
𝜕𝛼
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Se realiza la reducción de los valores a una hidroala normalizada, estando los ángulos
en radianes. La influencia de la superficie de agua libre se explica por la función:
𝐾𝜑 = 1 − (0,5 + 𝑐)exp [−2(ℎ)0,6 ]
Donde:
c es el mayor espesor de la lámina.
h es la profundidad de la lámina.
Modificando el ángulo cero debido a la proximidad de la superficie libre se calcula
utilizando la ecuación:
∆𝛼0 =
𝐶 1
( − 1)
2 𝐾𝜑
La influencia de la resistencia inducida por la línea de agua se aproxima por la
expresión:
𝜏 = 0,09√𝜆 − 0,04
La relación de aspecto λ corresponde a la duración, dividido por el acorde de bandas
rectangulares. Función ξ es función de la profundidad a la que se encuentra el hidroala. Esta
función puede ser calculada por la ecuación:
0,16
ℎ
𝜍 � � = 0,85 +
𝜆
�ℎ
𝜆
0,02 <
ℎ
< 1,0
𝜆
La segunda expresión de este apartado se puede aplicar para alas en posición plana. En
el caso de las inclinar la hidroala, se aplican una serie de diagramas especiales para el cálculo
de los empujes adicionales. Levantar las láminas de los estabilizadores cruce con la superficie
del agua se calcula mediante la adopción de una proyección horizontal en lugar de la lámina de
superficie, la profundidad y es sustituida por su valor medio.
5.2. RESISTECIA DEL ELEMENTO HIDROALA CON LAS LÍNEAS DE FLUJO (Agua).
La resistencia del elemento sustentador de la embarcación o hidroala con relación al
fluido se define ecuación:
10
𝑋=
𝜌𝑉 2
𝐶 𝑆
2 𝑥
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Donde:
ρ es la densidad de líquidos.
V es la velocidad.
C X es el coeficiente de resistencia.
S es el área de la hidroala.
El coeficiente de resistencia (C x )
es la suma de los coeficiente de perfil
(C pr ),
el
coeficiente
de
Flujo laminar en la superficie de un hidroala.
resistencia
inducida (C in ) y los coeficientes de arrastre de onda (C W ):
𝐶𝑋 = 𝐶𝑝𝑟 + 𝐶𝑖𝑛 + 𝐶𝑊
El coeficiente de perfil (C pr ) aparece debido a la viscosidad de líquido, e incluye dentro
de su expresión la fricción con el fluido y la forma del perfil del hidroala. Para pequeños
ángulos de ataque sobre la superficie, puede ser calculado por la ecuación:
𝐶𝑝𝑟 = 2𝜉𝑝𝑙 {1 + ��𝑚𝑝 + 0,5 �
Donde:
𝜑(ℎ)
− 0,5 � 𝐶𝑧 }
𝑘𝜑
ξ, es el coeficiente de resistencia de una placa equivalente determinada por el diagrama
Prandtl-Shlihting-Nikuradze.
m, depende de C y (varía de 0,4 a 0,7).
ϕ, es la descompresión en la parte superior de una lámina.
k, es tomado de la expresión del párrafo siguiente de la lamina de sustentación.
La salida del flujo del alrededor de una lámina de superficie limitada, en torno a los
extremos de dicha superficie va acompañado de un la formación de vórtices libres. La razón de
la aparición de estos vórtices es la diferencia de presión entre dos partes de superficie. Por ello
las líneas de flujo en la parte superior de la superficie se desplazan hacia la izquierda mientras
que en la parte baja el flujo se desviará hacia la derecha, por este motivo la fuerza
hidrodinámica desvía hacia atrás, y el ángulo de ataque disminuye.
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El coeficiente de resistencia inducida (C in ) puede ser calculada por la ecuación:
𝐶𝑧2
ℎ
(1 + 𝛿) � �
𝜋𝜆
𝜆
𝐶𝑖𝑛 =
Donde
δ, es la corrección de una lámina rectangular, comparándola con una hidroala elíptica:
𝛿=
𝜋(𝜆 − 1) −2
10
3
λ, es la relación de aspecto, y ξ se toma de expresión de la sección Levante.
Cuando una lámina que se está moviendo en las proximidades de una superficie libre,
un sistema de onda aparece abajo. En la práctica el cálculo de coeficiente de resistencia de
onda, se puede utilizar la fórmula más simple, donde el Fr el número de Froude basado en una
hidroala tipo.
𝐶𝑊 =
𝐶𝑧2
2𝜋
2 �1 − 𝐹𝑟 2 �
2𝐹𝑟𝑏
𝑧
La ola de arrastre solo puede ser calculada en regímenes de alta velocidad, de otro
modo la expresión anterior dará a los valores negativos y se debe tener en cuenta que este
método sólo es aplicable para aguas tranquilas.
5.3. CAVITACIÓN DE LA HIDROALA.
La
presión
del
flujo
hidrodinámico se distribuye a lo
largo de la hidroala cuando ésta se
encuentra en movimiento a través
del fluido. En este flujo laminar,
bajo algunas condiciones, puede
ocurrir que la presión del flujo
hidrodinámico del agua sea igual a
Efecto de cavitación en un hidroala.
la presión de vapor saturado del
fluido. En este momento
se
produce la rotura de la continuidad del líquido, apareciendo el fenómeno de cavitación.
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En presencia de cavitación, el empuje hidrodinámico disminuye y puede producirse la
destrucción y erosión de la hidroala. Cuando la superficie cavitante atraviesa el seno del agua,
el aire puede atraer a la parte superior de una lámina y disminuir la sustentación
instantaneamente y no abruptamente. Por eso, la cavitación de bandas cerca de la superficie
libre debe ser evitada en cualquier condición. Según Bernulli ecuación, la presión produce
sobre la hidroala en función de la profundidad del agua viene dada por h:
𝑃 = 𝑃𝑎 + ℎ𝛾 �
𝜌𝑉 2 𝜌𝑉12
−
�
2
2
Similitud condición para flujos de cavitación es la igualdad de la cavitación números (2).
𝑋=
𝑃𝑜 − 𝑃𝑑
𝜌𝑉 2
2
Cada lámina tiene un cierto perfil de la distribución de la presión. La presión local se define por
el coeficiente:
𝑝=
𝑝 − 𝑝𝑜
𝜌𝑉 2
2
Cavitación aparece cuando p = p - d. Coeficiente de presión en la parte superior de un
segmento de perfil puede ser estimado por la fórmula de Lavrentiev, para q=1:
ℎ
𝑝𝑚𝑖𝑛
= 𝑞(4,8𝐶 + 0,4𝐶𝑧 )
Para cerca de las láminas de la superficie del agua, Vaganov del coeficiente:
1
𝑞 = 0,856(ℎ)8 − 0,076
1
ℎ
Para cada perfil, se dibuja un diagrama experimental de generación de cavitación
(relación entre la aparición de cavitación con el ángulo de ataque y el coeficiente de
cavitación). Para calcular la velocidad crítica, cuando ocurre la cavitación, es conveniente
utilizar la ecuación:
𝑃𝑎 · 𝑃𝑑 + 𝛾ℎ𝑏
𝑉𝑐,ℎ = �
0,5 · 𝜌 · 𝜇 · 𝜑 · 6𝑐
en caso de corrección de descompresión ϕ se define por la expresión:
13
𝜑 = 1 − exp [−2(ℎ)0,6 ]
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El espesor máximo del hidroala para regímenes subcavitantes a una determinada
velocidad está determinada por la ecuación:
𝑐=
𝑃𝑎 − 𝑃𝑑 + 𝛾ℎ𝑏
0,5𝜌𝜇𝜑𝑉 2
Para aproximaciones estimadas, utilizamos la fórmula de Kru:
𝑐=
y la fórmula de Valhner:
𝑐=
𝑋 𝐶𝑧
−
2 4
𝐶𝑧
𝜋
𝑋−
4
8
Para aumentar la velocidad del buque sin cavitación apariencia, la aplicación de
barrido y deslizando las láminas se recomienda. Si el perfil normal de un móvil de aluminio es
el mismo que el perfil de la lámina de recta, entonces la velocidad de aparición de la cavitación
puede expresarse a través de la correspondiente velocidad de la recta de aluminio (11),
𝑉𝑐,ℎ,𝑠 =
𝑉𝑐,ℎ
𝑐𝑜𝑠𝜃
Donde θ es el ángulo de ataque de la hidroala. La velocidad crítica con la que comienza
el fenómeno de la cavitación para un ángulo θ de 30-50 grados y cavitación 0.1-0.4 número se
puede expresar por:
1 + 3𝑐𝑠
𝑉𝑐,ℎ,𝑠 = 𝑉𝑐,ℎ �
𝑐𝑜𝑠𝜃 + 3𝑐𝑠
6. ESTABILIDAD EN LOS BUQUES HIDROALA.
La última definición de las características de estabilidad, tanto estática como dinámica
viene definida y regulada por el Código Internacional de Seguridad para naves de gran
velocidad (Código NGV 2000) adoptado el 5 de diciembre de 2000 mediante Resolución
MSC.97 (73), en su Anexo 6 sobre estabilidad de las naves hidroala, en este apartado vamos a
analizar esta normativa y las regulaciones
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Se examinará la estabilidad de estas naves en sus modalidades de flotación sobre el
casco, de transición y de soporte sobre las aletas sustentadoras. Al determinar la estabilidad se
tendrán también en cuenta los efectos de las fuerzas exteriores. Los procedimientos siguientes
se exponen a título de orientación para determinar la estabilidad. El Código NGV analiza la
estabilidad para los dos tipos de naves de sustentación dinámica, las que sus aletas cortan la
superficie y las que tienen éstas totalmente sumergidas.
6.1 HIDROALAS DE ALETAS QUE CORTAN LA SUPERFICIE.
6.1.1. MODALIDAD DE FLOTACIÓN SOBRE EL CASCO.
La estabilidad en aguas tranquilas será la suficiente para satisfacer que no supere 8º a
ninguna banda en cualquier condición de carga y teniendo en cuente el movimiento de los
pasajeros.
6.1.2 MOMENTO ESCORANTE PROVOCADO POR LA EVOLUCIÓN.
El momento escorante que se produce durante la maniobra de la nave en la modalidad
con desplazamiento puede deducirse de la fórmula siguiente:
𝑀𝑅 = 0,196
Donde:
𝑉𝐺2
∆ · 𝐾𝐺 (𝑘𝑁 · 𝑚)
𝐿
M R momento escorante.
V o velocidad de la nave durante la evolución (metros por segundo).
∆ desplazamiento (toneladas).
KG altura del centro de gravedad por encima de la quilla (metros).
L
eslora de la nave medida en la flotación (metros).
Esta fórmula es aplicable cuando la relación entre el radio de la curva de evolución y la
eslora de la nave es de 2 a 4.
6.1.3. RELACIÓN MOMENTO DE ZOZOBRA Y EL MOMENTO ESCORANTE.
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La relación entre el momento de zozobra y el momento escorante para satisfacer el
criterio meteorológico. Se puede verificar la estabilidad del hidroala en la modalidad con
desplazamiento para ver si satisface el criterio meteorológico K mediante la fórmula siguiente:
𝐾=
Donde:
𝑀𝐶
≥1
𝑀𝑉
M c momento mínimo de zozobra, determinado tras haber tomado en
consideración el balance.
M v momento escorante aplicado dinámicamente, provocado por la presión del
viento.
6.1.4. MOMENTO ESCORANTE PROVOCADO POR LA PRESIÓN DEL VIENTO.
El momento escorante M v es el producto de la presión del viento P v por la superficie
expuesta al viento A v y por el brazo de palanca Z de dicha superficie
𝑀𝑉= 0,001 · 𝑃𝑣 · 𝐴𝑣 · 𝑍 (𝑘𝑁 · 𝑚)
El valor del momento escorante se supone constante durante todo el periodo de
escora.
Se supondrá que la superficie expuesta al viento A v incluye las proyecciones de las
superficies laterales del casco, la superestructura y otras estructuras situadas por encima de la
flotación. El brazo Z de la superficie expuesta al viento es la distancia vertical entre el centro de
acción del viento y la flotación; podrá considerarse que dicho centro coincide con el centro de
de la superficie expuesta.
La presión de un viento (en Pa) de fuerza 7 de la escala de Beaufort en función de la
posición del centro de la superficie expuesta al viento figura en la tabla:
VALORES TÍPICOS DE LA PRESIÓN DE UN VIENTO DE FUERZA 7 DE LA ESCALA DE
BEAUFORT A 100 MILLAS MARINAS DE TIERRA
Z por encima de la
flotación (m)
P v (Pa)
16
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
46
46
50
53
56
58
60
62
64
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6.1.5. EVALUACIÓN DEL MOMENTO MÍNIMO DE ZOZOBRA.
El momento mínimo de zozobra se determina partiendo de las curvas de estabilidad
estática y dinámica, teniendo en cuenta el balance.
Cuando se utilice la curva de estabilidad estática, M c se determina igualando las áreas
situadas bajo las curvas de los momentos zozobrante y adrizante (o brazos de palanca),
teniendo en cuenta el balance, según se indica en la figura 4.8.7.1.1.5.1., donde
θ
z
es la
amplitud de balance y MK es una línea trazada paralelamente al eje de abscisas de manera que
las áreas rayadas S 1 y S 2 sean iguales.
Cuando se utilice la curva de estabilidad dinámica, primero hay que determinar un
punto auxiliar A. A este fin se traza hacia la derecha la amplitud de la escora a lo largo del eje
de abscisas, obteniéndose el punto A', ver la figura anterior. Paralelamente al eje de abscisas
se traza la línea AA' igual al doble de la amplitud de la escora (AA' - 2θ Z ), obteniéndose así el
punto auxiliar A. Se traza la línea AC, tangente a la curva de estabilidad dinámica. Desde el
punto A se traza la recta AB paralela al eje de abscisas e igual a un radián (57,3º). Desde el
punto B se traza una perpendicular que corte la tangente en el punto E. La distancia
es
igual al momento de zozobra si se mide a lo largo del eje de ordenadas de la curva de
estabilidad dinámica. Sin embargo, si sobre el eje de ordenadas se trazan los brazos de palanca
de estabilidad dinámica,
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será el brazo de palanca de zozobra y en tal caso el momento de
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zozobra M c se obtendrá multiplicando la ordenada
en metros por el desplazamiento
correspondiente en toneladas.
M c = 9,81 ∆
(kN m)
La amplitud de balance θ Z se determina mediante ensayos con modelos y a escala
natural en olas irregulares, y es la máxima amplitud de balance de 50 oscilaciones de una nave
que se desplace perpendicularmente en la dirección de las olas con un estado de la mar que
corresponda a las condiciones más desfavorables previstas en el proyecto. A falta de tales
datos se supondrá una amplitud igual a 15º.
La eficacia de las curvas de estabilidad debe limitarse al ángulo de inundación.
6.2. ESTABILIDAD EN LAS MODALIDADES DE TRANSICIÓN Y SOPORTE DE LAS ALETAS
SUSTENTADORES.
La estabilidad queda limitada por los 8º grados de escora en cualquier condición
verificando que la estabilidad correspondiente a las modalidades de transición y de soporte
sobre aletas sustentadoras para todas las condiciones de carga, considerando el servicio a que
esté destinada la nave.
La estabilidad en éstas modalidades podrá determinarse por cálculo o basándose en
los datos obtenidos en experimentos realizados con modelos, y se verificará mediante pruebas
a escala natural sometiendo la nave a una seria de momentos escorantes conocidos mediante
pesos de lastre excéntricos, y registrando los ángulos de escora producidos por tales
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HIDROFOILS.
momentos. Estos resultados, cuando se obtengan en las modalidades de flotación sobre el
casco, despegue, soporte continuo sobre aletas sustentadoras y retorno a la flotación sobre el
casco, darán una indicación de los valores de la estabilidad en las diversas situaciones de la
nave durante la fase de transición.
Se establecerá el tiempo que se tarda en pasar de la modalidad de flotación sobre el
casco a la de soporte sobre aletas sustentadoras y viceversa. Este tiempo no deberá exceder
de dos minutos.
En la modalidad de soporte sobre aletas sustentadoras, el ángulo de escora originado
por la concentración de pasajeros en una banda no excederá de 8º. En la modalidad de
transición, el ángulo de escora debido a la concentración de pasajeros en una banda no
excederá de 12º.
En la siguiente figura se muestra uno de los posibles métodos de determinación, en la
fase de proyecto, de la altura metacéntrica (GM) en la modalidad de soporte sobre aletas
sustentadoras para una determinada configuración de aletas.
Donde:
𝐿𝐵
𝐿𝐻
𝐺𝑀 = 𝑛𝐵 �
· 𝑆� + 𝑛𝐻 �
· 𝑆�
2𝑡𝑎𝑛𝑔𝐼𝐵
2𝑡𝑎𝑛𝐼𝐻
n B , porcentaje de la carga del hidroala soportada por la aleta sustentadora anterior
n H , porcentaje de la carga del hidroala soportada por la aleta sustentadora posterior
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HIDROFOILS.
L B ,envergadura de la aleta sustentadora anterior
L H ,envergadura de la aleta sustentadora posterior
a, distancia libre entre la parte inferior de la quilla y el agua
g, altura del centro de gravedad por encima de la parte inferior de la quilla
I g , ángulo de inclinación de la aleta sustentadora anterior con respecto a la horizontal
I H , ángulo de inclinación de la aleta sustentadora posterior con respecto a la horizontal
6.3. HIDROALAS DE ALETAS TOTALMENTE SUMERGIDAS.
Modalidad de flotación sobre el casco
En la modalidad de flotación sobre el casco la estabilidad en la modalidad de flotación
sobre el casco será suficiente para satisfacer lo prescrito en la modalidad anterior para este
tipo de embarcaciones.
Para la modalidad de transición se examinará la estabilidad con ayuda de simulaciones
realizadas con computador y verificadas, a fin de evaluar los movimientos, el comportamiento
y las reacciones de la nave en condiciones operacionales normales y límite y bajo la influencia
de un defecto de funcionamiento cualquiera.
Se deberán examinarán las condiciones de estabilidad resultantes de todo posible fallo
de los sistemas o de los procedimientos operacionales durante la fase de transición que
pudieran resultar peligrosas para la integridad de estanquidad y la estabilidad de la nave.
Para la modalidad de soporte sobre aletas sustentadoras la estabilidad de la nave se
ajustará a lo dispuesto en los apartado anteriores para las otras modalidades, aplicándose
según proceda, a este tipo de nave, y todas las simulaciones realizadas con computador y los
cálculos de proyecto se verificarán mediante pruebas efectuadas a escala natural.
6.4. CARGA CONSTITUIDA POR LOS PASAJEROS.
Para el cálculo de la carga de pasajeros se toma como base una masa de 75 kg por
pasajero, si bien este valor pudiendo reducirse, aunque nunca a menos de 60 kg, cuando esté
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HIDROFOILS.
justificado. Además, la masa y la distribución del equipaje serán las que la Administración
juzgue satisfactorias.
Supondremos que la altura del centro de gravedad, de cada pasajero según la
siguiente media:
1.- 1,0 m por encima del nivel de cubierta para los pasajeros que estén de pie. Si es
necesario, se podrán tener en cuenta la brusca y el arrufo de la cubierta;
2.- 0,30 m por encima de los asientos para los pasajeros sentados.
Suponiendo que los pasajeros y su equipaje ocupan el espacio normalmente destinado
a ellos y considerando que los pasajeros están distribuidos de modo que se produzca la
combinación más desfavorable de momento escorante provocado por los pasajeros y/o altura
metacéntrica inicial que pueda obtenerse en la práctica. A este respecto se señala que no hará
falta un valor que exceda del correspondiente a cuatro personas por metro cuadrado.
7. TIPOS Y APLICACIONES DEL HIDROFOIL.
En este apartado vamos a ver algunos tipo de naves de sustentación dinámica de la
gran variedad de diseños existen, tanto para su uso comercial como, experimental y lúdica.
El primer tipo es el Jet-Foil, un diseño
que estaba en uso en las islas canarias entre
Las Palmas y Santa Cruz de Tenerife operado
por la compañía Transmediterránea. En la
actualidad no se efectúa el servicio entre
estas, con gran queja por parte de sus
usuarios dada la comodidad y efectividad del
servicio.
Partes principales de un Jet-Foil
Esta embarcación es diseñado por la
compañía aeronáutica Boeing una embarcación
cuyo sistema de propulsión es similar a las que
tienen los aviones jets (avión a reacción), posee
unos soportes dirigidos con alas y alerones
controlados automáticamente, en
funcionamiento emergen fuera del agua, puede
alcanzar una velocidad de 43 nudos,
transportando hasta 250 pasajeros.
A continuación podemos ver una serie
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Jet-Foil Princesa Teguise en servicio
en las Islas Canarias.
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de modelos de hidrofoils en los que el elemento de sustentación o hidroala corta la superficie.
La mayoría de ellos son de construcción rusa y operan sobre todo en ríos o canales.
Clase Olympia. 37 nudos y 250 pasajeros.
Clase Poleise. 33 nudos y 55 pasajeros.
Dentro de los diseños militares hay
infinidad de tipos, pero ya que las
embarcaciones militares no son tema de
estudio en nuestra carrera por esto solo
mencionare un tipo con unas peculiares
características.
Diseñado y construido la antigua
Leningrado, el SARANCHA es un hidroala que
posee una aleta de sustentación que atraviesa la superficie del agua y un sistema de avance
totalmente sumergido configuración popa. La parte popa del casco se apoya en dos
estructuras verticales, cada uno de los cuales lleva una hélice en cada extremo de los
arbotantes. Tanto los apéndices que sustentan las hidroalas de proa como los de popa son
retráctiles ganando así en calado cuando ésta navega como un buque convencional.
Clase PT-50. 40 nudos y 110 pasajeros
SARANCHA tiene dos motores de turbina de gas de construcción Soviética que generan
una potencia de 15.000 CV que pueden proporcionar una velocidad máxima de más de 50
nudos.
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Para finalizar veremos una serie de modelos en los que se puede aplicar el efecto del
hidroala, embarcaciones deportivas, de competición, de esquí acuático e incluso para
embarcaciones de navegación a vela.
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HIDROFOILS.
8. BIBLIOGRAFÍA.
- SHIP DYNAMICS FOR MARINERS. I.C. Clark.
- Development of the Tool for Predicting Hydrofoil System Performance and Simulating Motion
of Hydrofoil-Assisted Boats. Dr. Konstantin Matveev and Ralph Duncan.
- "Volador" Un hidrofoil para el récord del mundo de velocidad a vela. Fulgencio García
Fernández.
- Resolución IMO A. 749(18). Código de estabilidad para todos los tipos de buques regidos por
los instrumentos de la OMI.
- Resolución MSC. 97 (73) Código Internacional de Seguridad de Naves de Alta Velocidad.
- http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrofoil
- http://www.infovisual.info/05/061_es.html
- http://www.foils.org/
- http://www.hydrofoil.org/
- http://www.hydrofoils.org
- http://www.fluidlab.naoe.t.u-tokyo.ac.jp/Research/CavPictures/index.html.en
- http://cavity.ce.utexas.edu/kinnas/cavphotos.html
- http://www.hs-ships.ru/e_pages.phtm?f=2&p=1
- http://www.uni-koblenz.de/~yasko/hydrfoil.htm
- http://www.histarmar.com.ar/InfGral/Hidroalasbase.htm
http://www.rzg.mpg.de/~rfs/comas/lectures/SportundPhysik/materialien/OnlineBooks/wings.
avkids.com/Libro/Vehicles/advanced/hovercraft-01.html
- http://es.wikipedia.org/wiki/Enrico_Forlanini
- http://www.volgashipyard.com/index.php?lang=eng&section=products&catid=4&craft_id=24
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