aproximación al problema de toma de decisión de las

X CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERIA DE PROYECTOS
VALENCIA, 13-15 Septiembre, 2006
APROXIMACIÓN AL PROBLEMA DE TOMA DE DECISIÓN DE LAS
PLANTAS PROPULSORAS COMBINADAS EN BUQUES MILITARES
M. Socorro García Cascales(p), M. Teresa Lamata Jiménez, Eduardo Ruiz Delgado
Abstract
One of the most important decisions in the design of a vessel and especially in the design of
a military vessel it is the selection of the propulsion plant. The specific characteristics that
define to the military vessel cause that this decision was of a high complexity.
At this moment, the combined propulsion plant is often used in the military vessels; these
systems consist of the use of several machines turning the propellers, simultaneously or
separately, conferring this way the necessary flexibility of operation that these types of
vessels need.
Exist several configurations of combined plants, where are used as principal machines, gas
turbines, steam turbines and engines diesel in different combinations. Likewise there exist
different types of military vessels that have different uses.
It has been studied the propulsion plants used in the different types of military vessels, we
can conclude in this paper that for the same group of main requirements a specific
propulsion plant configuration is not found, vessels with the same characteristics
(displacement, type of vessel, speed,…) define propulsion systems substantially different.
And depending on the ship-owner, the shipbuilder, the shipyard, the country, each military
vessel will use a type of propeller plant or other, and it doesn't seem that the decision in this
sense has a certain pattern a priori.
It is not clearly defined which it is the best propulsion plant for a specific set of vessel
requirements, and the decision will depend on variables not clearly defined, like the
shipyard's experience, shipowner´s preferences, etc. Being therefore a noticeably subjective
decision when it should be a determinist from the technical point of view
For all that we outline that this problem of decision should be approached from a more
scientific point of view trying to identify which is the environment of decision in which the
problem moves as well as the variables that it would be necessary to consider.
Keywords: propulsion plant, military vessel, combined plants
Resumen
Una de las decisiones más importantes en el diseño de un buque, y en especial en el diseño
de un buque militar es la elección de la planta propulsora. Las características específicas
que definen a los buques militares hacen que esta decisión sea de una alta complejidad.
En la actualidad, las planta propulsoras combinadas están siendo muy utilizadas en los
buques militares, estos sistemas consisten en la utilización de varias máquinas para el
accionamiento de los propulsores, bien de manera alternativa o de forma simultánea,
confiriendo de esta manera la flexibilidad necesaria de operación que requieren estos tipos
de buques.
2618
Existen una variedad de plantas combinadas, donde se utilizan como máquinas principales
turbinas de gas, turbinas de vapor y motores diesel en distintas combinaciones. Asimismo
existen distintos tipos de buques militares que tienen diferentes usos.
Estudiadas las plantas propulsoras que utilizan los distintos tipos de buques militares
podemos concluir en este artículo que para un mismo grupo de requisitos principales no se
da una configuración propulsora determinada, es decir buques con las mismas
características de desplazamiento, tipo de uso y velocidades definen sistemas de propulsión
sustancialmente diferentes. Incluso dependiendo de la armada, el constructor, el país, etc.,
cada buque militar va utilizar un tipo de planta propulsora u otra. Por lo tanto, no parece que
la decisión en este sentido sigua un patrón determinado a priori.
No está claramente definido cual es la planta propulsora que va a ser la mejor en función del
tipo de buque, y la decisión va a depender mucho de variables no claramente definidas,
como son la experiencia del constructor, la preferencia del armador, etc.. Siendo por tanto
una decisión marcadamente subjetiva cuando debería ser determinista desde el punto de
vista técnico.
Por todo esto planteamos que este problema de decisión debería abordarse desde un punto
de vista más científico tratando de identificar cuales es el entorno de decisión en el que se
mueve el problema así como las variables que habría que considerar.
Palabras clave: planta propulsora, buques militares, plantas combinadas
1. Introducción
Los sistemas de propulsión en buques militares se diferencian, en mayor o menor medida,
de los utilizados en los buques mercantes con similares demandas de prestaciones
dependiendo principalmente del tipo de misión y escenario operativo del mismo. Los buques
militares tienen asignadas misiones en escenarios de alto riesgo, para los que se
determinan unas necesidades de velocidad elevada, lo que conduce a plantas propulsoras
de gran densidad de potencia. Adicionalmente, se deben tener en cuenta aspectos de vital
importancia, como son la vulnerabilidad/supervivencia y la detectabilidad/discreción, que
condicionan en gran medida el diseño de la planta propulsora, dando lugar a las grandes
diferencias entre las plantas propulsoras comerciales y militares.
2. Buques militares
Un buque militar es una nave específicamente diseñada y destinada a intervenir en
operaciones militares en el mar, generalmente acorazado y artillado. Según el uso que se le
va a dar se caracteriza por llevar menos o más armamento, posible uso de fuerza aérea y de
desembarco.
Existen principalmente estos tipos de buques militares: Portaaviones, Crucero, Destructor,
Fragata, Corbeta, Cazaminas y Patrullero. Además, las armadas utilizan buques de
aprovisionamiento como auxiliares, petroleros y cargueros.
Un portaaviones es un buque militar capaz de transportar y operar aviones.
Un crucero es actualmente el buque de mayor tamaño disponible en las armadas modernas
(exceptuando los portaaviones), con desplazamientos de 10.000 toneladas o más.
Un destructor es un buque militar con un desplazamiento que supera actualmente las 5.000
toneladas y sistemas de combate que le permiten desempeñar todo tipo de misiones de
guerra naval.
2619
La fragata es un buque militar con un desplazamiento (náutica) entre 3.000 y 5.000
toneladas, concebido para actuar en misiones de guerra naval, aunque puede disponer de
sistemas para actuar como buque de apoyo en otras misiones. La frontera entre fragata y
destructor es bastante borrosa y muchas de las naves que en Europa se llaman fragatas
multifunción se podrían llamar sin exageración destructores, dependiendo de la
denominación que decida adoptar el constructor.
Una corbeta es un buque militar de unas de 2000 toneladas de desplazamiento. Las
corbetas actuales están pensadas para tareas de vigilancia y defensa de las aguas
territoriales o para misiones ultramarinas ocasionales y de corta duración y se diferencian
fundamentalmente de un patrullero naval en que disponen de electrónica y medios de
combate cercanos a la fragata, aunque con menor autonomía y abastecimiento ya que no
están capacitados para misiones ultramarinas de larga duración como las fragatas.
Se denomina cazaminas a los barcos que tienen como misión principal la identificación y
destrucción de minas marinas. Actualmente son de fibra no magnética.
Un patrullero es el buque militar de menor tamaño cuya misión principal es el patrullaje, la
vigilancia y las labores de guardacostas, se caracterizan por tener desplazamientos
inferiores a 1500 toneladas.
3. Condicionantes específicos de los buques militares
El buque militar [1] es un buque relativamente pequeño y rápido, lo que implica tener
cámaras de máquinas estrechas y muy ajustadas en eslora con elevadas potencias
instaladas.
Los diferentes condicionantes de navegación de estos buques, sobre todo en tiempos de
paz, que relegan la navegación a alta velocidad a unos periodos de tiempo reducidos, han
hecho evolucionar las plantas propulsoras hacia sistemas combinados que permiten
aprovechar las características de bajo consumo de los motores diesel en regímenes óptimos
para las navegaciones de crucero/patrulla.
La detectabilidad de un buque viene determinada por sus firmas, que, fundamentalmente,
podemos clasificar en firmas submarinas (acústica, eléctrica y electromagnética) y firmas de
superficie (radar e infrarroja).
La capacidad de un buque militar de mantener su operatividad tras un impacto es la
supervivencia. Existen diferentes tipos de amenazas a considerar para dotar a las plantas
propulsoras de la capacidad de supervivencia requerida, que, fundamentalmente, son el
impacto directo (misil, torpedo, etc.) y la explosión submarina sin contacto (mina).
En resumen, la planta propulsora de un buque de combate, en función de los requisitos
aplicables, los cuales dependerán de la misión encomendada al buque, tendrán todas o
algunas de las siguientes características:
•
Alta potencia instalada que permita obtener una velocidad máxima elevada y modo de
propulsión económico para dotar al buque de elevada autonomía de navegación de
crucero.
•
Distribución en dos o más compartimentos estancos distintos y al menos, dos ejes de
propulsión de accionamiento totalmente independiente
•
Resistencia al choque y bajo ruido. Se dotará al buque de medios de enfriamiento de los
gases de escape.
2620
4. Tendencias actuales en la propulsión de buques militares
Para dar respuesta a todos estos requisitos de forma equilibrada y coherente, las marinas
occidentales y los diseñadores de buques han adoptado, principalmente sistemas de
propulsión combinados. Estos sistemas consisten en la utilización de varias máquinas
principales para el accionamiento de los propulsores (generalmente hélices), bien de
manera alternativa o de forma simultánea. A continuación se describen los sistemas
combinados más utilizados actualmente.
4.1 Sistemas combinados
CODOG (Combined Diesel or Gas: Combinado diésel o gas) es un tipo de sistema de
propulsión naval para buques que requieren una velocidad máxima considerablemente
mayor que su velocidad de crucero, particularmente navíos de guerra como las fragatas o
corbetas modernas.
Por cada árbol de hélice hay un motor diésel para velocidad de crucero y una turbina de gas
con transmisión y reducción mecánica para ráfagas de alta velocidad. Ambos propulsores
están conectados al árbol mediante embragues, pero sólo puede utilizarse uno a la vez, a
diferencia de los sistemas CODAG, que pueden usar la potencia combinada de los dos. La
ventaja de los sistemas CODOG es una transmisión más simple, a expensas de requerir
turbinas de gas más potentes (o en mayor cantidad) para erogar la misma potencia, y el
consumo de combustible es mayor comparado con CODAG.
Figura 1. Esquema de un sistema de propulsión
CODOG
Figura 2. Esquema de un sistema de propulsión
CODAG
CODAG (Combined diesel and gas: Combinado diésel y gas) es un tipo de sistema de
propulsión naval para embarcaciones que requieren velocidades máximas
considerablemente superiores a sus velocidades de crucero, particularmente buques
militares como las fragatas y corbetas modernas.
Consiste de motores diésel para operaciones de crucero y turbinas de gas que pueden
activarse para trayectos a alta velocidad. En la mayoría de los casos la diferencia de
potencia entre los motores diésel solos y la combinación de propulsión diésel y turbina es
tan grande, que se requieren hélices de paso variable para limitar la rotación, de modo que
los diésel puedan continuar operando sin cambiar las relaciones de engranajes de sus
transmisiones. Por esta razón se requieren cajas de transmisión multivelocidad. En esto se
distinguen de los sistemas CODOG, que acoplan los diésel a los árboles de las hélices con
transmisiones simples de relaciones fijas, y los desacoplan cuando se activa la turbina.
Este sistema de propulsión ocupa menos espacio que un sistema sólo basado en diésel, con
la misma erogación de potencia máxima, puesto que pueden emplearse motores más
pequeños y la turbina de gas y las transmisiones no necesitan demasiado espacio adicional.
2621
El CODAG conserva la alta eficiencia de uso de combustible de los motores diésel para
navegación de crucero, permitiendo mayor alcance y reduciendo los costos de combustible
respecto del uso de turbinas de gas solamente. Pero, por otro lado, se requiere un sistema
de transmisión más complejo, pesado, y sujeto a desperfectos.
CODAD (COmbined Diesel And Diesel -- Combinado diésel y diésel) es un sistema de
propulsión naval que utiliza dos motores diésel para suministrar potencia a un único árbol de
hélice. El sistema de transmisión y embragues permiten acoplar los motores indistinta o
conjuntamente al árbol.
Figura 3. Esquema de un sistema de propulsión
CODAD
Figura 4. Esquema de un sistema de propulsión
COGOG
COGOG (COmbined Gas Or Gas: combinado gas o gas) es un sistema de propulsión naval
para naves equipadas con turbinas de gas. Emplea una turbina de baja potencia y alta
eficiencia para velocidades de crucero, y una de alta potencia para operaciones que
requieren alta velocidad. Un embrague permite seleccionar cualquiera de las dos turbinas,
pero no hay una caja de transmisión que permita emplear ambas simultáneamente. La
ventaja que presenta esta configuración es la de no requerir el uso de cajas de transmisión
pesadas, caras y sujetas a potenciales fallas.
COGAG (COmbined Gas And Gas:- combinado gas y gas) es un tipo de sistema de
propulsión naval para naves que utilizan dobles turbinas de gas vinculadas a un único árbol
de hélice. Un sistema de transmisión y embragues permite que cualquiera de ellas, o ambas
simultáneamente, impulsen el árbol.
Usar dos turbinas de gas presenta la ventaja de disponer de dos configuraciones de
potencia distintas. La eficiencia de combustible de las turbinas de gas es mejor cerca de su
máximo nivel de potencia, por lo que una turbina pequeña operando a máxima capacidad es
más eficiente que una de doble potencia operando a la mitad de velocidad. Esto permite un
tránsito más económico a velocidades de crucero.
En comparación con los sistemas CODAG (combinado diésel y gas) o CODOG (combinado
diésel o gas), los sistemas COGAG ocupan menos espacio, pero son menos eficientes a
velocidad de crucero, y algo menos eficientes que los CODAG para ráfagas de alta
velocidad.
CODLAG (Combined Diesel-eLectric and Gas: Combinado diesel-eléctrico y gas) El sistema
presenta dificultades asociadas con el coste inicial, el peso y el empacho, por lo que, en la
actualidad todavía resulta poco atractivo, se han utilizado poco hasta la actualidad, si bien
son siempre sistemas candidatos al comienzo de un nuevo programas.
2622
CODLAG es un sistema de propulsión naval, modificación del sistema CODAG.
Un sistema CODLAG emplea motores eléctricos conectados a los árboles de las hélices
(habitualmente dos). Los motores son alimentados por generadores diésel. Para obtener
velocidades mayores, una turbina de gas impulsa los árboles mediante una caja de
transmisión de conexión cruzada; para velocidades de crucero el sistema de transmisión de
la turbina se desconecta mediante embragues.
Esta disposición combina los motores diésel usados para propulsión y para generación de
potencia eléctrica, reduciendo considerablemente los costos de servicio porque disminuye el
número de motores diésel diferentes, y los motores eléctricos requieren mucho menos
mantenimiento. Adicionalmente, los motores eléctricos trabajan eficientemente sobre un
rango mayor de revoluciones, y pueden ser conectados directamente al árbol de la hélice,
de modo que pueden usarse transmisiones más simples para combinar la salida mecánica
de los sistemas de turbina y diésel-eléctricos.
Otra ventaja de la transmisión diesel-eléctrica es que al no ser necesaria una conexión
mecánica los generadores diésel pueden ser desacoplados acústicamente del casco de la
nave, haciéndola menos ruidosa. Este principio ha sido extensamente usado en los
submarinos militares, pero resulta también útil para navíos de superficie, como los
empleados en la guerra antisubmarina. Habitualmente los buques equipados con sistemas
CODLAG cuentan con baterías recargables, como los submarinos diésel-eléctricos, que les
permiten maniobrar en silencio sin necesidad de que funcionen las máquinas pesadas.
Figura 5. Esquema de un sistema de propulsión
COGAG
Figura 6. Esquema de un sistema de propulsión
CODLAG
Figura 7. Esquema de un sistema de propulsión COSAG
2623
COSAG (COmbined Steam And Gas: Combinado vapor y gas) es un sistema de propulsión
naval que emplea una combinación de turbinas de vapor y turbinas de gas para impulsar los
árboles de las hélices. Dispositivos de transmisión y embragues permiten que los motores
impulsen el árbol en forma indistinta o conjunta. El sistema COSAG reúne las ventajas de la
eficiencia a velocidad de crucero y la confiabilidad de los sistemas accionados a vapor con
la rápida aceleración y el breve tiempo de arranque de los sistemas de gas.
5. Estudio de las plantas propulsoras utilizadas en buques militares.
Realizado un estudio sobre una base de datos de buques militares [2] a nivel mundial
podemos ver que el reparto en porcentaje de las plantas propulsoras es el que se puede
observar en la figura 8.
Podemos apreciar que las plantas propulsoras más ampliamente utilizada son los sistemas
de propulsión CODOG con más de un 40% respecto a las plantas propulsoras combinadas
en buques militares en todo el mundo. Mientras que el aporte de las plantas COSAG y
CODLAG es marginal, contribuyendo con poco más del 3% del total, por lo que a priori
podemos considerar el aporte de este tipo de propulsiones al cómputo total como
despreciable. Siendo las plantas propulsoras CODOG, CODAG, COGOG, COGAG y
CODAD las más ampliamente utilizadas en la propulsión de buques militares.
REPARTO DE LA PROPULSION COMBINADA
COGOG
9,40%
COSAG
0,84%
CODAD
9,56%
COGAG
20,81%
Cazaminas
0,17%
CODAG
15,44%
Destructor
16,95%
CODLAG
2,35%
Portaviones
1,01%
Auxiliar
0,34%
Cruceros
0,67%
Patrullero
9,06%
Corbeta
19,13%
Fragata
52,68%
CODOG
41,44%
FRECUENCIA TIPO DE BUQUE CON PROPULSIÓN COMBINADA
Figura 8.Reparto porcentual de la propulsión
Figura 9. Reparto porcentual de los tipos de
combinada en buques militares en todo el mundo buques militares que utilizan propulsión combinada
en todo el mundo
Así mismo podemos hacer un reparto del tipo de buque militar con propulsión combinada a
nivel mundial como se representa en la figura 9. Donde podemos observar que el tipo de
buque militar más utilizado en el mundo con propulsión combinada son las fragatas
correspondiendo estas a más del 50% del total de buques militares mundiales. Los tipos de
buques como portaviones, cazaminas, crucero y auxiliares tienen una contribución al total de
buques militares con propulsión combinada alrededor del 2% del total, considerándose esta
aportación como marginal. Por lo que los tipo de buques militares que principalmente van a
utilizar plantas combinadas son: fragatas, corbetas, destructores y patrulleros
De igual manera podemos hacer un estudio en el que observar la cantidad de plantas
propulsoras de cada sistema de propulsión para cada tipo de buque militar como se puede
ver en la figura 10
De esta manera podemos corroborar que las plantas propulsoras combinadas más
ampliamente utilizadas son los sistemas CODOG, CODAG, CODAD, COGAG y COGOG, no
siendo muy representativo los sistemas COSAG y CODLAG.
De igual modo lo tipos de buques militares que utilizan plantas propulsoras combinadas
fundamentalmente son las fragatas, corbetas, destructores y patrulleros, siendo poco
significativo la utilización de plantas combinadas en portaviones, cruceros, cazaminas y
auxiliares.
2624
También podemos apreciar en la figura 10 que cualquiera de los tipos de buques militares
operan indistintamente con un tipo u otro de planta propulsora combinada, aunque puedan
prevalecer unos frente a otros, con lo que no está claramente definido cual es la planta
propulsora combinada que va a ser mejor en función del tipo de buque.
160
140
Patrullero
Corbeta
120
Destructor
100
Portaviones
Cazaminas
Fragata
Auxiliar
80
Cruceros
60
40
20
0
CODAD
CODAG
CODLAG
CODOG
COGAG
COGOG
COSAG
Figura 10. Reparto de plantas propulsoras por tipos de buques a nivel mundial
PORCENTAJE EN LAS APLICACIONE S
REALES ACTUALES
52,0%
40,0%
60,0%
42,5%
41,4%
50,0%
33,3%
40,0%
21,9%
30,0%
16,0%
20,0%
0,0%
10,0%
24,1%
13,3%
20,0%
13,7%
CODOG
0,0%
34,5%
13,3%
12,0%
0,0%
15,1%
0,0%
6,8%
CODAG
COGOG
COGAG
Patrullero
0,0%
corbeta
CODAD
fragata
destructor
Figura 11. Frecuencia de los tipos de propulsión combinada más frecuente en los buques militares
con mayor frecuencia de aplicación de estas propulsiones
Concluimos que el estudio de la aproximación a la toma de decisión de las planta
propulsoras combinadas en buques militares se debe centrar en las cinco propulsiones
2625
combinadas principales y en los cuatro tipos de buques más representativos a la hora de
utilizar este tipo de propulsión, como puede apreciarse en la figura 11.
6. Criterios a tener en cuenta al decidir la planta propulsora
Del estudio realizado a más de 500 buques militares en todo el mundo podemos observar
que no existe un patrón determinado a la hora de elegir el tipo propulsión combinada que es
la más adecuada a cada tipo de buque, constatando que buques de características similares
tienen propulsiones combinadas diferentes. Algunas de los patrones de decisión que se han
podido observar:
•
Países que tienen preferencia por tu tipo de propulsión frente a otro, como es el caso de
Francia que tiene una marcada preferencia por la propulsión CODOG.
•
Preferencia por un tipo de propulsión combinada u otro en función del año de
fabricación. Hay años donde predomina un tipo de propulsión frente a otros.
•
Tipos de buques que se decantan por un tipo de propulsión pero donde no es
descartable la utilización de otro tipo de propulsión, como es el caso de las fragatas
donde mayoritariamente se utiliza la propulsión CODOG pero que igualmente se podrían
utilizar otro tipo de propulsiones.
Este tipo de patrones nos hacen pensar, que no se está abordando desde un punto de vista
rigurosamente científico la decisión de cual es la mejor planta propulsora combinada para un
buque militar
Por las características apuntadas de los buques militares, consideramos que los criterios de
decisión [2,3] que se deberían considerar a la hora de abordar este problema de decisión
serían entre otros:
•
Coste de ciclo de vida, incluiremos aquí el coste de adquisición, coste de operación y el
coste de mantenimiento
•
Autonomía
•
Empacho
•
Velocidad
•
Firma infrarroja y acústica
•
Perfil operativo
•
Resistencia al choque
•
Etc…
Conclusiones
Estudiado el problema de la toma de decisión de las plantas propulsoras combinadas en
buques militares pensamos que éste debería abordarse de una manera más científica; de
forma que una vez tengamos identificados los criterios de decisión tendremos también que
tener en cuenta la dificultad añadida de conocer con exactitud todas las variables que
intervienen al elegir el sistema de propulsión.
Así, a la hora de utilizar distintas metodologías de ayuda a la toma de decisión hay que tener
en cuenta el tipo de información de que se dispone; datos exactos, datos aproximados,
información obtenida de expertos mediante variables cuantitativas ó bien variables de tipo
lingüístico, etc. todo esto condicionará la utilización de un tipo de metodología u otra.
2626
Referencias
[1] Álvarez Blanco, Agustín; García San Gabino, Carlos. “Propulsiones navales modernas”
Tecnología Militar. TECMIL nº1/2003
[2] Comodore Stephen Saunders RN “Jane’s Figthig Ship 2005-2006” ISBN: 0 7106 2692 A
[3] Casanova Rivas Enrique “Máquinas para la propulsión de buques” Universidad de la
Coruña 2001 ISBN 84-95322-96-X2001, pp.283-290.
[4] Chan F.T.S, Chan M.H, Tang N.K.H. Evaluation methodologies for technology selection.
Journal of Materials Processing Technology 2000a; 107: 330–337.
[5] Luce R.D, Raiffa H. Games and Decisions: Introduction and Critical Survey. New York:
John Wiley and Sons; 1967
[6] Triantaphyllou E . Multi-Criteria decision making methods: A comparative study. The
Netherlands: Kluwer Academic; 2000
Agradecimientos
Este artículo se ha elaborado bajo los proyectos TIC2002-03411, TIN2005-02418 y
TIN2005-24790-E financiados por la DGICYT.
Correspondencia
Mª del Socorro García Cascales
Dpto Electrónica Tecnología de Computadoras y Proyectos
Univesidad Politécnica de Cartagena
C/ Dr Fleming s/n 30201 Cartagena Murcia
Telfno: 968 32 65 74 Fax: 968 32 64 00
Correo electrónico: socorro.garcí[email protected]
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