CLASE 02 - DIMENSIONAMIENTO Y FORMA DEL BUQUE

10/09/2019
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
PROYECTOS NAVALES II
DIMENSIONAMIENTO Y FORMA DEL BUQUE
DSc. Juan José Uchuya López
Tópicos Abordados
1. DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE
2. FORMA DEL BUQUE
3. PREDICCIÓN DE LAPOTENCIA
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1. DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE
Se debe lograr satisfacer tanto las especificaciones del dueño del buque como
las regulaciones nacionales e internacionales.
Las dimensiones principales de un buque se obtienen a partir de estimaciones
obtenidas de una base de datos de buques con características similares, a partir
de un buque base o mediante un análisis de las dimensiones de los espacios que
compondrán un buque de un tipo determinado.
Por lo tanto, para definir las dimensiones principales de un buque, se realiza a
través de los siguientes métodos:
Método Directo
Método del Buque Base
Método de Regresiones con Base de Datos
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1. DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE
MÉTODO DIRECTO
Mediante este método se calcularán las dimensiones principales directamente
usando un análisis de los requerimientos actuales del buque.
Así se obtendrán:
♦ Loa (Eslora Total)
♦ B (Manga)
♦ D (Puntal)
MÉTODO DEL BUQUE BASE
Esté método consiste en elegir un buque con características de navegación
similares y luego extrapolar los datos mediante unas correlaciones que resulten
en las dimensiones principales del buque.
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1. DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE
MÉTODO DE REGRESIONES CON BASE DE DATOS
Este método usa buques similares, del mismo tipo de material de construcción y
sistema de propulsión para obtener datos más fiables, luego mediante regresiones
obtendremos una tercera alternativa.
La variable principal que será utilizada como referencia será el desplazamiento
según la especificación del proyecto.
En las regresiones el coeficiente de correlación ( ) deberá ser elevado (mayor a
0.80 a excepción del calado y las regresiones T/D y Loa/B, ambas con respecto al
desplazamiento) para que se obtenga una buena estimación.
Las regresiones a elaborarse serán las siguientes:
Loa/Δ
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B/Δ
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T/Δ
D/Δ
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1. DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE
Con los métodos anteriores: directo, buque base y mediante regresiones; se
consigue generar las dimensiones principales de un buque.
Esto se logra con el análisis de las relaciones adimensionales L/B, B/D, T/D,
L/D y L/T con el objetivo de elegir las que permitan un mejor desempeño de
las funciones del buque.
A este buque se llamará:
“BUQUE BASE”
Finalmente, se debe optimizar las dimensiones principales del Buque Base,
por lo tanto, se procederá a considerar el uso de una CIFRA DE MÉRITO.
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1. DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE
CRITERIOS DE MÉRITO
Existen diferentes tipos de criterios de mérito, a continuación se listan los más
usados:
1. Coste de construcción mínimo
2. Inversión Total mínima
3. Coste del ciclo de vida mínimo
4. Flete requerido mínimo
5. Tasa de recuperación del capital propio máxima.
6. Tasa de rentabilidad interna máxima.
El primer criterio de mérito, Coste de Construcción Mínimo, es un criterio
básico generalmente usado por los astilleros y trata de obtener el mínimo valor
de oferta del buque y a efectos del buque este será considerado como Cifra de
Mérito.
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1. DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE
CRITERIOS DE MÉRITO
Coste de Construcción Mínimo
El coste de construcción mínimo viene dado por la siguiente expresión:
=
+
+
+
Donde:
:
.
:
.
!:
':
"# $ %
(
#
& .
.
Para más detalle revisar el libro “El Proyecto Básico del Buque Mercante” del autor
Ricardo Alvariño Castro, páginas 141 – 143.
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1. DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE
El Ingeniero Naval debe familiarizarse con el significado de las relaciones
entre las dimensiones principales.
Relación Eslora – Manga (L/B)
Esta relación es Directamente Proporcional a la Resistencia al Avance y la
Potencia Propulsora. Al estar relacionada L/B con la resistencia al avance,
también se puede considerar que esta relacionada con el número de Froude
(Fn).
Para determinar un L/B adecuado se debe tener en consideración el Fn del
líquido donde se va a navegar, ya que para un Fn alto será necesario un valor
alto de L/B y para un Fn bajo se buscaran relajaciones moderadamente bajas.
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1. DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE
TIPOS
Fn
L/B
Buques grandes y lentos
< 0.15
5–6
Buques medios y lentos
0.18 < Fn < 0.22
5.5 – 6.5
Buques medios y rápidos
0.22 < Fn < 0.27
6 -7
> 0.3
>7
Buques pequeños y rápidos (No pesqueros)
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1. DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE
Relación Manga - Puntal (B/D)
Esta relación está vinculado a la Estabilidad, por tanto cuando sea una
condición de diseño la elección de esta relación para el cálculo estadístico
permitirá controlar los valores necesarios, y en caso sea necesario establecer
limitaciones.
El B/D puede aumentarse o reducirse en función de la configuración de las
dimensiones y de los pesos, pero se puede tomar como referencia los siguientes
valores:
B/D
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TIPOS
1.5
Pocos estables
1.8
Buena Estabilidad
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1. DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE
Relación Manga- Calado (B/T)
La relación B/T tiene influencia en la Estabilidad Inicial y en la Resistencia
al Avance. El aumento de B/T mejora, en general, la estabilidad de forma y de
la resistencia al avance.
De modo orientativo de puede dar los sientes valores:
BUQUES
B/T
Petroleros, Bulkcarries y Carga General
2.3 – 2.8
Portacontenedores
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3–4
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1. DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE
Relación Calado - Puntal (T/D)
La relación entre el calado y el puntal está vinculado al Francobordo del
buque, y por lo tanto, es una medida de las imposiciones del convenio sobre
líneas de agua. Un aumento del calado obliga a un incremento también del
puntal para mantener el francobordo exigido.
Relación Eslora - Puntal (L/D)
La relación entre la eslora y el puntal tiene influencia en la Resistencia
Longitudinal del buque, y la sociedad clasificadora establece un valor límite
de alrededor de 15 o 16.
Relación Eslora - Calado (L/T)
Una relación L/T elevada reduce las posibilidades de que el buque sufra
pantocazos de la carena.
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2. FORMA DEL BUQUE
Introducción:
El proyecto de las FORMA de la carena de un buque es un PROCESO COMPLEJO,
en el que intervienen distintos aspectos de la Ingeniería Naval, principalmente
resistencia y propulsión, estabilidad, trimado, maniobrabilidad, comportamiento del
buque en aguas agitadas, capacidad de los espacios de carga y su estiba más adecuada,
etc. Es decir, que una gran parte de la arquitectura naval está presente de forma activa
durante el proceso de definición de las FORMAS DEL BUQUE.
En este apartado se exponen:
1. Fórmulas y gráficos para la selección de los coeficientes de formas de la carena.
2. Directrices para la selección de los parámetros principales de las formas.
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2. FORMA DEL BUQUE
1. Fórmulas y Gráficos para la Selección de los Coeficientes
de Formas de la Carena
Estimación del Coeficiente de Bloque
)
El coeficiente de bloque representa la relación entre el volumen de carena del buque y el
paralelepípedo que lo circunscribe de dimensiones Eslora, Manga y Puntal.
Esto se representa en la siguiente fórmula:
)
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*+,-./0/ 1/ ,
2/0
2 ,/,/4í4/1+
= *+,-./0 1/, 3
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*
= 6.).7
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2. FORMA DEL BUQUE
1. Fórmulas y Gráficos para la Selección de los Coeficientes
de Formas de la Carena
Fórmula de Alexander
Fórmula de Scheneekluth
) = 8 − :. ;<*/(?. @A<633)C/@
El valor de K puede deducirse del siguiente gráfico.
:. CD 633⁄) + @:
:. @? 633⁄) + @:
<
)=
<
@H
EF@/?
@H
EF
Estas dos fórmulas son válidas entre los límites de 0.48 < CB < 0.85 y FN
entre 0.14 y 0.32
)=
Fórmula de Katsoulis
) = :. A@CI<J<633:.D@<)K:.?:I@<7:.CI@C <*K:.HC?;
f es un factor de corrección por tipo de buque. (Ver siguiente cuadro).
Fórmula de Kerlen
) = C. CIL − @. :@H<EF
Para Buques llenos de CB > 0.78.
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2. FORMA DEL BUQUE
Coeficiente K de Alexander
Ro Ro, Frigoríficos
0.97
Cargueros, Petroleros de crudo
0.99
Portacontenedores
1.00
Graneleros
1.03
Gaseros
1.04
Petroleros de Productos
1.05
Quimiqueros
1.06
Ferries
1.09
Factor de corrección de la
Fórmula de Katsoulis
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2. FORMA DEL BUQUE
Estimación del Coeficiente Sección Media
Este coeficiente se ve muy relacionado con la resistencia al avance, asociándolo a las
curva de área del buque, la correcta selección del coeficiente de sección media, obliga a
la embarcación a tener menos resistencia al avance, y mejorar el rendimiento propulsivo
de la misma. (Alvariño, Azpíroz, & Meizoso, 1997)
=
Fórmula de Kerlen
Fórmula de HSVA
Fórmula de M. Meizoso
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Á2/ 1/ N/OOPó0
/NR2
Á2/ 1/, 2/ORá0T-,+
=
U.
). 7
= C. ::H − :. ::;H<( ))K?.;H
=
C
C + (C − ))?.;
Para Ro – Ro y Portacontenedores.
= C − :. :H@<EF:.IL@
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2. FORMA DEL BUQUE
Estimación Coeficiente del Plano de Agua
V3
Este coeficiente se define como la razón entre el área del plano de agua (WXY ) al área
del rectángulo circunscrito a un calado determinado.
V3
=
Á2/ 1/ 3, 0+ 1/ UTÁ2/ 1/, 2/ORá0T-,+
Secciones normales:
V3 =
Fórmula de Schneekluth
C+
V3 =
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UV3
6. )
C + @< )
?
Secciones en V:
Remolcadores
=
@< )
?
V3 = :. D;< ) + :. ;H
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2. FORMA DEL BUQUE
Estimación Coeficiente Prismático
3
El coeficiente prismático, a veces llamado coeficiente prismático longitudinal, se define
como la razón entre el volumen desplazado y un prisma que es igual a la longitud de la
embarcación por la sección media de la embarcación que está sumergida a un calado
determinado.
Z
3
=
6. U.
3
=
)
Sin embargo, en algunos tipos de buques se elige CP como parámetro fundamental para
calcular la resistencia a la marcha, en lugar de CB, especialmente en buques rápidos.
En buques portacontenedores y Ro-Ro se tiende a aumentar CP, disminuyendo CM,
para conseguir un mayor cuerpo cilíndrico que favorece la estiba de las cargas
unitizadas.
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2. FORMA DEL BUQUE
Estimación Posición Longitudinal del Centro de Carena [)
La posición longitudinal del centro de carena \] debe determinarse en base a
consideraciones Hidrodinámicas y de Trimados del buque en las distintas condiciones
de carga. Teóricamente existe un valor óptimo de \] para el afinamiento y velocidad de
cada buque, que se debería tratar de adoptar, intentando que la posición longitudinal del
centro de gravedad del buque coincida con este \] .
A continuación se indica una fórmula por L. Troost sobre la posición adecuada del \]
para que la resistencia al avance sea mínima.
[) = CI. ;< 3 − C@. ;
En esta fórmula \] es la abscisa del centro de carena en porcentaje de la eslora entre
perpendiculares, respecto a la sección media, con valores positivos a proa de la misma.
En la siguiente gráfica se indican unos valores adecuados del \] de varios tipos de
buque, en función de su CB (ó CP).
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2. FORMA DEL BUQUE
Abscisa del Centro de Carena, [) , según Van Lammeren y SNAME.
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2. FORMA DEL BUQUE
Estimación Longitudinal del Cuerpo Cilíndrico
La longitud del cuerpo cilíndrico o paralelo, LP, depende del llenado de las formas, y
tiene interés en relación con los costes de fabricación del casco, que son menores cuanto
mayor sea este cuerpo, y en relación con la estiba de las cargas unitizadas.
63 = −H;A + C. H:I< ) − LCD< )@ <(% 1/ 633)
En la siguiente tabla se dan valores recomendados de la longitud adecuada del cuerpo
cilíndrico, en base a consideraciones hidrodinámicas, que se resumen a continuación.
CB
44
0.76
34.5
0.73
29.5
0.70
19
0.67
8.5
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LP (% de LPP)
0.81
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2. FORMA DEL BUQUE
2. Directrices para la selección de los parámetros principales
de las formas.
Buques de Alto
)
Características normales:
CB mayor de 0.75
Cuerpo cilíndrico largo
Número de Froude menor de 0.2
CM próximo a 1
Propulsor moderadamente cargado
Aspectos hidrodinámicos:
La resistencia por formación de olas depende del cuerpo de entrada y de su transición
hacia el cuerpo cilíndrico.
El cuerpo cilíndrico y el cuerpo de la salida no influyen en la resistencia por formación de
olas si L/B es mayor de 5.
Los factores propulsivos dependen básicamente de la forma del cuerpo de salida.
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2. FORMA DEL BUQUE
El factor de forma (1 + k) es bastante mayor de 1 y sensible a pequeñas modificaciones
del cuerpo de salida.
Un aumento del 10% en la relación L/B produce una disminución de la potencia
propulsora del 1.5% al 2.5% a una velocidad de 15 a 17 nudos.
Un aumento del 10% em la relación B/T produce un aumento de la potencia propulsora
del 0.8%, a todas las velocidades normales.
Cuerpo de proa:
Es importante suavizar el hombro de proa de la curva de áreas de cuadernas.
El bulbo de proa es efectivo para reducir la resistencia por olas, y su tamaño óptimo
aumenta con el CB del cuerpo de proa.
La curva de áreas de cuadernas debe ser recta o ligeramente convexa.
Las cuadernas deben ser en forma de U con costados verticales en su parte alta, con una
transición hacia formas en V en su parte baja.
Cuerpo de popa:
La curva de áreas de cuadernas debe ser recta o ligeramente convexa.
Las formas con cuadernas en forma de U requieren menor potencia propulsora que las que
tiene cuaderna en V.
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2. FORMA DEL BUQUE
Buques de Bajo
)
Características normales:
Se incluyen en este apartado los portacontendores, frigoríficos, Ro-Ro, cargueros rápidos.
Buques de un hélice, con CB entre 0.55 y 0.70
Número de Froude entre 0.20 y 0.35
Potencia propulsora relativamente elevada, lo que puede dar origen a problemas de
vibraciones y ruidos.
Aspectos hidrodinámicos:
La disminución de la potencia propulsora con un aumento de la relación L/B es muy alta
cuando esta varía entre 4 y 6, pero estas relaciones no son usuales. Para valores normales
entre 6 y 8, la disminución de potencia oscila entre un 7% a 23 nudos por cada 10% de
aumento de L/B, y nada a 19 nudos.
El aumento de potencia propulsora al aumentar la relación B/T es el mismo a cualquier
velocidad, y asciende a un 2% por cada 10% de aumento de B/T.
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2. FORMA DEL BUQUE
Cuerpo de proa:
El bulbo de proa es beneficioso a menos que haya una gran variación en el calado a proa
en las distintas situaciones de carga.
Las secciones transversales deben ser en V y deben cortar a la flotación de proyecto casi
verticalmente.
La flotación de proyecto debe ser aproximadamente de trazado recto.
La curva de áreas de cuadernas debe tener el hombro lo más suavizado posible. Para
valores del CB entre 0.55 y 0.6 su forma ha de ser en S para un FN hasta 0.24 y rectilínea
para FN mayor.
Cuerpo popa:
Se debe prestar atención a la distribución de la estela en la zona de la hélice para evitar
excesivas vibraciones inducidas por ésta.
Se deben disponer adecuados huelgos entre hélices y codaste, al menos según las
recomendaciones de las Sociedad de Clasificación.
La curva de áreas de cuadernas debe ser en S para valores del CB mayores de 0.55 y
rectilínea para valores menores.
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3. PREDICCIÓN DE LA POTENCIA
Introducción:
Para evaluar la POTENCIA PROPULSORA de un buque en la fase del proyecto inicial,
en que no se conocen muchas características del mismo, y en cálculos de optimización
de las características principales. Se consideran dos clases de métodos:
1. Fórmulas sencillas para estimar la Potencia Propulsora.
2. Método de J. HOLTROP y G.G.J. MENNEN.
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3. PREDICCIÓN DE LA POTENCIA
1.Fórmulas sencillas para estimar la Potencia Propulsora
3) = :. :CCD<*? <V3 :.;;
Donde:
V: Velocidad en nudos, en condiciones medias de servicio.
PB: Potencia desarrollada por el motor propulsor en HP.
Fórmula de J. Mau
3) =
Fórmula de D.G.M Watson
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:. AAL<∆@/? D: − 633⁄HC + D:: ` − C
@
− C@ )
C; − C. AC<F< 633
Donde:
k: Constante de la fórmula de Alexander.
a = b − 0.5'/ 3.28hijj
V: Velocidad en nudos, en condiciones de pruebas a plena carga.
PB: Potencia desarrollada por el motor propulsor directamente acoplado,
en HP.
N: RPM del motor propulsor.
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3. PREDICCIÓN DE LA POTENCIA
2. Método de J. HOLTROP y G.G.J. MENNEN
Se resumen a continuación las formulaciones incluidas en el método publicado por sus
autores, desarrollado a partir de un análisis estadísticos de resultados de ensayos con
modelos en MARIN (Wageningen), y de resultados de pruebas de mar de buques
construidos.
Se presenta un resumen de este método, derivado de las publicaciones originales. Este
método proporciona valores de la resistencia de remolque y de los factores propulsivos,
que combinados con un procedimiento para calcular el rendimiento del propulsor en
aguas libres, permite determinar el rendimiento propulsivo y la potencia propulsora de
una amplia gama de tipos de buques, a diversos calados.
La exactitud que se obtiene en el 95% de los casos es satisfactoria en la fase del
proyecto preliminar si el rango de las variables está dentro de los límites siguientes:
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3. PREDICCIÓN DE LA POTENCIA
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3. PREDICCIÓN DE LA POTENCIA
RESISTENCIA AL AVANCE:
La resistencia total al avance RT, se subdivide en loa siguientes componentes:
RT = RV + RAP + RW + RB + RTR + RA
Donde:
RV: Resistencia Viscosa.
RAP: Resistencia de lo Apéndices.
RW: Resistencia por formación de olas.
RB: Resistencia debida al bulbo cerca de la flotación.
RTR: Resistencia debida a la inmersión del espacio.
RA: Resistencia por correlación modelo – buque, que tiene en cuenta la rugosidad
del casco y la resistencia del aire.
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GRACIAS
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