Cap 6. Formas y Resistencia. Parte 3(1)

FORMAS Y RESISTENCIA
(Parte 3)
P. Sosa. © 03-2007
Es posible también generar formas, a la conveniencia del proyectista, con cualquier programa
informático de dibujo, uniendo puntos con líneas curvas: Microstation, Foran, Autocad, etc. incluso con
la aplicación gráfica del MS Excel, pero probablemente necesiten un alisamiento posterior.
Estas son unas definiciones, puramente geométricas de las formas, sin poder saber la trascendencia
que tienen en la resistencia residual, en la turbulencia o en la posición de la línea de transición del
régimen laminar-turbulento. La resistencia por fricción es función directa de la superficie mojada y del
nº de Reynolds del buque completo, luego es un resultado que se puede determinar con facilidad. No
obstante, existen unas relaciones aproximadas entre el factor Lpr/D, coeficiente prismático de la proa,
la longitud cilíndrica central y la resistencia residual al avance.
El cálculo de la capa limite, la zona de transición,
etc. exigen un esfuerzo importante de cálculo,
mediante programas CFD (Computational Fluid
Dynamics) que son solo aproximados o a través
de una importante serie de pruebas de canal, lo
cual puede ser un procedimiento excesivamente
lento y oneroso. Para abreviar este proceso,
quizá lo mas indicado sea analizar las bases de
datos y las formas de submarinos ya construidos
que se tengan mano, que tengan unas buenas
prestaciones y deducir de ellos cuales serían las
características aproximadas de las formas del
nuevo submarino que se pretende construir,
aunque un error de este tipo podría conducir a
tener que rediseñar y reconstruir toda la proa.
En construcciones reales se ha llegado a construir proas casi semiesféricas (Lpp/D=0,5, Cp=0,666),
aunque las mas corrientes son de Lpr/D entre 1,3 y 1,6 y Cp(proa) entre 0,75 y 0,80, o sea, formas
bastante cortas con relación a las formas albacore nominales.
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En las Figuras que siguen se puede observar la proa de un submarino de la Clase Västergötland, muy
corta y gruesa, (es casi una semiesfera), de un submarino de la Clase HDW 212 (AIP) bastante
gruesa, a comparar con la del submarino de la Clase Seawolf, que es mucho menos gruesa y otra de
la Clase los Angeles, (SSN), mucho mas puntiaguda, similar a la del USS Barbel, señal de que su
velocidad debe ser alta o los criterios de formas han tenido un peso especifico mayor en la definición
de la proa. No obstante, la proa de Clase Virginia que es posterior a la Clase Los Angeles presenta de
nuevo formas mas gruesas al estilo del Seawolf, lo cual indica que los criterios de formas (versus
sonar) se han vuelto a modificar.
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USS Columbus (de la Clase Virginia) efectuando una salida de emergencia.
Se puede apreciar el perfil de la proa.
Submarino USS Texas de la Clase Virginia (SSN)
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Proa de un submarino de la Clase Ohio (SSBN), prácticamente una copia de la del Seawolf.
En los submarinos grandes es donde se pueden aplicar con mayor libertad las prescripciones que se
aplican a unas buenas formas ya que no hay tantos impedimentos de espacio. Si embargo la longitud
de e la parte cilíndrica central debe ser grande debida a los misiles.
6.4.- Formas de Popa
Las formas de la popa están dictadas fundamentalmente por la necesidad de que el flujo de agua que
llega a los timones y a la hélice sea el adecuado, radialmente uniforme y sin que haya desprendimiento
de la capa limite, a fin de obtener un buen coeficiente quasi-propulsivo. No obstante, las popas que son
buenas para una prueba de remolque no tienen por qué serlo al 100% para una prueba de
autopropulsión y viceversa. En autopropulsión, las interacciones entre la hélice y el casco hacen que la
capa límite se acelere y reduzca su espesor, por lo que hay menos probabilidades de desprendimiento,
la estela se mejora, en general. Por eso, el ángulo límite de apertura del cono de popa, el mas próximo
a la hélice, en autopropulsión pueden ser admitido un poco mayor que en la prueba de remolque.
Existen compromisos importantes en la longitud de la forma de popa y en su coeficiente prismático.
Desde el punto de vista hidrodinámico conviene que la popa sea bastante alargada, con un ángulo de
cono reducido ya que así no hay problemas con la entrada de agua en la hélice. Al mismo tiempo si el
diámetro medio del cono de cola es pequeño se pueden alojar mejor los timones sin que sobresalgan
demasiado por los costados o del perfil transversal del buque. El timón de dirección superior (en el
caso de una configuración +) no impone demasiadas condiciones ya que puede sobresalir por encima
del casco (aunque en navegación en superficie pierda parte de su efectividad) pero no ocurre lo mismo
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con el de dirección inferior que, si no se quiere que sobresalga por debajo de la línea de quilla del
submarino, tiene que ser de muy poca envergadura. No obstante, si la longitud de la forma de la popa
es muy grande, por ser muy alargada, puede ocurrir que la línea de ejes, la longitud del tramo que sale
por el extremo de popa del casco resistente mas la del el tramo interior, sin soportar, sea
excesivamente grande y pueda entrar en vibración lateral (wirling) a unas ciertas revoluciones del eje.
También interesan popas cortas por el hecho de que estas deben alojar los mecanismos de los
timones, que suelen ser voluminosos, con brazos de accionamiento que van a parar la interior del
casco y que no interesa que sean demasiado largos. Todo esto hay que compatibilizarlo con la
necesidad de tener un determinado volumen de lastres (en los submarinos monocasco) y un espacio
para otros equipos (botellas de aire comprimido, etc.).
En la zona de popa, la capa limite llega muy ancha, con riesgo de que pueda haber separaciones o
desprendimientos dando lugar a cavitación, por lo cual, hay que evitar formas de popa excesivamente
cortas y cerradas. La definición de la longitud del cuerpo de popa efectivo puede ser confusa, ya que si
desde las secciones centrales del submarino el casco viene reduciendo su diámetro, aunque sea muy
poco, la forma teórica debe abracar también estas secciones, obteniéndose formas curvas muy largas
pero que pueden cerrar súbitamente al llegar al extremo de popa del casco resistente, con lo cual se
habrá adelantado poco.
La definición matemática de las formas de la generatriz de popa es mas sencilla que la de proa, ya que
se recurre a curvas paraboloides, con su eje en sentido vertical y con origen en el extremo de popa del
la parte cilíndrica del casco, si la lleva. En este punto se sitúa el vértice de estas parábolas que, por
consiguiente tiene una tangente horizontal, como continuidad del cilindro que forma el cuerpo central
del submarino, en el caso más simple.
Y = (D/2) * (1- (X / Lpp)n)
Siendo X e Y la abscisa (medida a partir del cuerpo cilíndrico) y el radio local.
Los valores de n que más interesan, o los más comunes, son los comprendidos entre 2 y 2,5, que se
corresponden con unos coeficientes prismáticos de valor 0,53 y 0,6. Pasar de un coeficiente prismático
de 0,65, es decir popas muy recortadas o gruesas, puede suponer una ruptura de la capa límite, lo cual
no interesa en absoluto, así que hay que limitarse a valores inferiores a 0,65 y L pp/D > 2,6 Hay que
tener en cuenta que nos estamos refiriendo a la forma base, de revolución. Puesto que la
superestructura puede extenderse muy hacia popa, si esta tiene una gran altura sobre el casco y no
está lo suficientemente bien suavizada, puede ser también un obstáculo para que la entrada de aguas
a la hélice sea la correcta, ya que tiene el efecto de aumentar el coeficiente prismático de la popa.
Un método alterativo al anterior estaría basado en el siguiente algoritmo:
Y = A • X + B • X2
Para poder trazar las formas de popa hay que tener en cuenta que generalmente el diámetro del casco
viene disminuyendo desde las secciones centrales del submarino, o sea que la longitud de la popa
provista con curvatura (aunque sea pequeña) puede ser muy extensa. En los de doble casco la
curvatura es continua, pero es forzada a no disminuir demasiado en diámetro en las zonas centropopa, para poder disponer de un mayor volumen, por lo que es difícil ajustarla a una sola función
matemática de este tipo. En los tipos monocasco las secciones del casco resistente pueden ir
formando troncos de cono conforme se acercan a las zonas de popa. En resumen, para este último
caso, la tangente de la forma de popa, en la línea de contacto con el casco resistente ya no es
horizontal, sino que debe ser la misma que la del tronco de cono sobre la que se conecta, o bien
considerar toda la popa, incluyendo el casco resistente como una sola curva continua, con una
quebrada inscrita.
En el extremo de popa, en las cercanías de hélice, se puede continuar con curvas parabólicas muy
suaves o bien con conos puros, de un ángulo de apertura determinado por el proyectista (x/2 =
semiángulo del cono = 14 a 17 grados), en vista de las probabilidades de desprendimiento y
cavitación.
Hay proyectistas que prefieren tener un cono puro, en las proximidades de la hélice, a partir de los
timones hacia popa, ya que son formas de una mayor sencillez constructiva y con una menor
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propensión al desprendimiento de la capa límite, (la curvatura de la generatriz es cero), aunque si se
quiere que tengan el mismo volumen interior tienen que ser un poco mas largas que las parabólicas del
mismo Cpris.
Las formas teóricas de la popa acaban en un punto situado sobre el eje de revolución del submarino, a
popa de la hélice normalmente, por lo que hay que efectuar un truncamiento en el borde de proa de la
hélice (o el extremo del casco en contacto con esta), ya que el núcleo de la hélice no suele continuar
con las formas dadas al casco, aunque sería lo mas deseable. Por consiguiente la longitud teórica de
la forma de popa no se corresponde (es mayor) que la forma física o constructiva de la misma.
En algunos submarinos monocasco, con el fin de que las formas vayan lentamente reduciéndose de
diámetro hacia popa, el casco resistente se construye con una parte cilíndrica central seguida por una
serie de troncos de cono de pequeña apertura, con su generatriz formando una quebrada. Con ello se
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consigue que la superestructura de popa que cierra el extremo del casco, es decir el cono de popa,
pueda ser mas corta sin perder esbeltez. Los troncos de cono deben ir disminuyendo su diámetro de
bocas de una forma racional. Para trazar la curva que deben mantener los puntos de contacto de
dichos troncos de cono o vértices de la quebrada hay que considerarlos como formando parte de una
curva generatriz que desde la parte totalmente cilíndrica, haciendo tangencia horizontal con esta, hasta
el extremo de popa y la hélice. La parte de popa de esta curva estará destinada a formar la estructura
no resistente, de doble curvatura, y la parte de proa los tramos de los conos del casco resistente de
diámetro decreciente y de simple curvatura.
Es evidente que del casco van a sobresalir unas aristas, que apenas se apreciarán, y que
corresponden a las juntas entre conos, que no deberían ser muy pronunciadas. El diferencial de ángulo
entre conos no debe ser superior a 1 o 2 grados (semiapertura). En general, la longitud que se le suele
dar a esta serie de conos, hasta llegar hasta el casquete de cierre por popa del casco resistente es del
orden de 2 a 3 veces el diámetro del casco. La asignación de la eslora de cada uno de estos troncos
de cono es un asunto delicado pues hay que compaginar la posición de las juntas entre conos con la
posición de las cuadernas, ya que no interesa que la junta soldada entre dos conos (o entre el cono de
proa y la parte cilíndrica del casco) caiga en el centro de las claras. Lo ideal sería poner una cuaderna
justo en la junta, que sujetase las bocas de cada uno de los conos que convergen en ella, pero esto
exige tener una soldadura sobre otra soldadura y esto es inadmisible desde el punto de vista técnico.
Tampoco unas cuadernas en cada boca sería una solución ya que se estorbarían la una a otra, no
habría acceso para la soldadura de la zona interna, etc.
En algunos casos, con el fin de poder situar el MEP la chumacera y la línea de ejes a una menor altura
sobre la línea de base y así poder favorecer un poco la estabilidad, las secciones de la forma de popa
se han ido desplazando hacia abajo a partir de la zona cilíndrica, ya fuera del casco resistente, hasta
llegar a la hélice, con un descenso que puede ser de 0,3 a 0,5 m (en D = 6 m). El eje de la hélice
penetra el casco resistente por debajo de su centro geométrico. Los valores de los radios de las
secciones transversales de la forma, obtenidos por cualquier algoritmo, siguen siendo válidos, pero el
centro de las secciones transversales, se va desviando hacia abajo conforme las secciones se van
acercando al extremo de la hélice. Este proceder puede tener el inconveniente de que si bien la
entrada de agua a la hélice se favorece por la parte inferior, se vuelve más difícil por la parte alta que,
además, puede estar adicionalmente perturbada por una superestructura muy alta o muy mal
terminada, poco afinada.
En cualquier caso, los timones pueden modificar sustancialmente las características hidrodinámicas de
la estela del agua que llega a la hélice, ya alterada por la existencia de la superestructura y por vela,
que van dejando atrás una serie de vórtices.
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6.5.- Formas de la Superestructura
La superestructura pasarela o cubierta de navegación es un elemento impuesto por la necesidad de
alojar muchos elementos en su interior y de hacer factible la circulación del personal para las labores
de amarre, tránsito hacia las escotillas de acceso, etc. Esta estructura necesita ser, en general,
relativamente alta, de 0,7 a 1,5 metros. Su altura está dictada por la altura del mayor aparato o equipo
que deba contener, por lo cual hay que hacer un recuento de todo lo que debe incluirse dentro,
verificar las dimensiones y estimar cual sería la altura mas aconsejable, considerando que hay una
parte de la altura que se pierde debido a las propias cuadernas de esta estructura. El valor de 0,7
metros, sobre el canto alto del casco se considera el límite inferior.
En los submarinos monocasco se solía construir en forma de cajón sobre la parte superior del casco
resistente. Su diseño se realizaba con la idea que ocupase el mínimo indispensable, en manga. En los
de doble casco al estar integrada con los tanques laterales, sobresale poco, aparentemente, del casco
ligero presentando una continuidad en el conjunto de las formas, en general.
En los submarinos de casco simple, la integración con las formas del buque base es mas difícil,
siendo, cuando son en forma de cajón, fuente de una resistencia adicional al avance, no solo por la
superficie mojada adicional que produce, respecto al casco base desnudo, sino por la fuerte alteración
de las formas que ello representa. Además, cuando tiene cantos vivos, poco redondeados, es origen
de fuertes turbulencias. En la actualidad, estando los proyectistas mas sensibilizados con la velocidad
y el ruido generado, se intenta que la superestructura se acople perfectamente al casco y para ello
tiene que disponer de unas zonas de acuerdo muy amplias, abrazándolo, lo que supone tener que
construir una superestructuras con mucha superficie (y por tanto mas pesada que una superestructura
sencilla) y mas difícil de construir. No obstante el incremento de superficie mojada que supone instalar
estas superestructuras envolventes, respecto a las de cajón, es insignificante o incluso inferior. Con
superestructuras bien integradas, la superficie total del casco apenas se incrementa, ya que la parte
que recubre hay que descontarla de la superficie mojada del casco desnudo, y se también se reduce
sensiblemente la componente de presión o residual, por ser las formas más finas.
Todo ello con el fin de aumentar las cualidades hidrodinámicas, evolutivas y de silencio del submarino.
La anchura de la parte pisable de la superestructura es aproximadamente igual a ¼ del diámetro del
casco, lo suficiente para que los tripulantes operadores puedan pasar a realizar maniobras en cubierta,
si no hay condicionamientos de anchura en el volumen que encierra.
Normalmente, los elementos que exigen unas medidas mínimas de la superestructura son las válvulas
y tubos del snorkel de escape, las bases del sonar PRS (passive ranging sonar), la necesidad de
carenar las escotillas de salvamento y las de acceso, los elementos de amarre, que deben estar
situados suficientemente separados, y la maquinilla del sonar remolcado. Esta última suele disponer de
un carretel de estiba de su línea de sensores, de gran tamaño y en posición muy apopada, lo que
obliga a ensanchar mucho la superestructura, perdiendo sus formas ideales.
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Popa de submarino mostrando el tubo de salida del sonar remolcado
En la Figura siguiente se presenta la popa del submarino japonés Yuushio, en la que se puede
apreciar como la superestructura está bastante bien integrada en el casco principal, aunque este
submarino es de doble casco y esta integración es mas sencilla. No obstante unas rendijas existentes
entre la línea de contacto del casco principal y la superestructura, que sirven para el desagüe de la
vela son excesivamente gruesas.
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En esta Figura se pueden observar como son las secciones típicas de una superestructura. En
caso del Submarino nuclear estratégico (SNLE) francés Le Téméraire.
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este