Timón

Tema 2. Timones.
2.1
Timón. Elementos del timón.
El timón es una pieza clave y tradicional en el gobierno de un buque es una pala de
madera o metálica, instalada en la parte exterior del codaste, que gira alrededor de un eje
vertical. Rotando dicha pala con respecto al eje longitudinal del barco se consiguen esfuerzos
transversales que alteran el rumbo del mismo.
La primera referencia histórica que se tiene de un sistema de gobierno data del año
1600 AC (dibujo de un barco egipcio de la expedición al Punt) que era gobernado por medio de
dos palas, una a proa y otra a popa, que penetraban en el agua con una inclinación de 45º.
Al construirse buques mayores y con palas más pesadas éstas quedaron fijas en uno de
los extremos de los grandes barcos que pasó a ser la popa, que tendería a ser más alta porque
proporcionaba un mayor alcance visual al timonel.
En el Timón distinguimos en ellas la pala o azafrán, superficie plana sumergida en el
agua, redondeada por la parte posterior y que en la superior termina en un eje o mecha que se
introduce al interior del buque por una abertura existente en la bovedilla denominada limera.
El conjunto mecha-limera lleva su correspondiente prensa-estopa que impide que
entre agua, al mismo tiempo que permite al timón girar libremente.
2.2
Clase de Timones.
Fig. 2.1 .- Elementos de un timón.
Timón ordinario o de codaste cerrado.
Es aquel que está formado por una pala o azafrán unida a un fuerte eje vertical llamado
“madre del timón”, a la cual le sirve el codaste de apoyo y giro; mediante la pieza llamada
“mecha” que se une a la parte superior de la ”madre” y entra a través de la limera en el interior
del barco, se mueve la pala del timón, con el piñón de ataque, movido por el eje de salida del
“servomotor”.
Timón compensado.
Es aquel que tiene el eje de giro a popa del canto anterior de la pala.
Fig. 2.2 .- (a) y (b); son compensado y semi-compensado y (c); de codaste cerrado, llamado así porque el codaste
coincide con el eje de giro.
La mayoría de los timones modernos tienen un cierto grado de compensación, pero
dado que el momento de evolución de un timón compensado es algo inferior a uno sin
compensar, todavía se sigue utilizando este tipo cuando se posee un órgano de gobierno
poderoso y se necesita que la embarcación evolucione muy rápidamente.
Las formas, dependen para que tipo de embarcación sea usado y responden al diseño
experimental. En los buques fluviales de poco calado compensan su menor altura con mayor
longitud. La experiencia ha demostrado que la instalación clásica del timón en la parte exterior
del codaste, es la más efectiva pese a la pobre acción que ejerce en marcha atrás. Para lograr
un mejor gobierno en la marcha atrás ciertos buques que necesitan gran maniobrabilidad
tienen un timón retráctil instalado a proa debajo del plano del casco.
Los buques de dos hélices pueden tener una sola pala instalada en la línea de crujía,
dos palas una a popa de cada hélice y aun tres palas, una central y dos a popa de cada hélice.
En la (Fig. 2.3) podemos ver la instalación moderna de un buque con dos hélices y dos
timones: estos son de codaste abierto.
En este caso el timón aparece como colgado de la bovedilla.
Fig. 2.3 .- Timón de codaste abierto.
En algunos timones los perfiles son distintos de una sección a otra para enderezar la
corriente de expulsión del propulsor. A este timón se le llama currentiforme o asimétrico.
Fig. 2.4 .- Timón asimétrico.
Una instalación que se extiende en buques de gran maniobrabilidad es la que muestra la
(Fig. 2.5) y que mejora la maniobrabilidad en marcha atrás al tener palas situadas a proa de la
hélice.
Fig. 2.5 .- Timones a proa y popa del impulsor.
2.3
Servomotores.
Estos órganos de gobierno suelen ser mecánicos, hidráulicos o eléctricos. El mecánico,
usado en buques antiguos, consiste en una larga transmisión que desde el puente acciona la
válvula diferencial del servomotor. Está constituida por delgados tubos de acero y ruedas y
piñones dentados.
El hidráulico, llamado también telemotor, al girar la rueda de cabillas transmite su
movimiento a un piñón solidario de su eje que mueve a dos cremalleras verticales de sentido
contrario engarzadas a cada lado del piñón y que independiente cada uno mueven un émbolo
lleno de líquido oleoso. En un cilindro disminuye la presión en tanto que en el otro aumenta.
De cada cilindro sale una tubería cargada con el mismo líquido que termina en dos
cilindros correspondientes al telemotor de popa. Los vástagos de los pistones de este último
actúan sobre el dispositivo que pone en marcha el servomotor en un sentido o en el otro. El
relleno de la tubería y cilindros se obtiene de un pequeño tanque compensador. Antes de cada
zarpada se debe verificar el nivel de líquido en las tuberías.
Sistema eléctrico.
a) Un transmisor eléctrico que desde el puente envía sus impulsos de acuerdo con el
giro del timón.
b) Un receptor instalado a popa que recibe dichos impulsos y actúa sobre un mecanismo
del servomotor.
c) Cables eléctricos de transmisión.
Fig. 2.6 .- Servomotor y sistema hidráulico para accionar la pala del timón.
El sistema de gobierno consta además de elementos complementarios que facilitan y
mejoran el gobierno, ellos son: el axiómetro y el auto-timonel.
El axiómetro es un indicador que muestra en todo momento la banda a que está metida
la pala y el ángulo que forma con el plano de crujía.
El auto-timonel (timón automático) es un dispositivo que se conecta con el sistema de
gobierno para mantener un determinado rumbo del girocompás. Cuando la proa se desvía del
rumbo establecido se cierra un circuito que pone en marcha un motor eléctrico que hace meter
el timón a la banda contraria hasta que alcanzado el rumbo deseado vuelve a llevar el timón a
la vía.
Con este implemento se gobierna con mucha precisión pues reduce las guiñadas con el
consiguiente ahorro de tiempo y combustible. Además deja libre al timonel.
Dada la importancia que tiene el sistema de gobierno para la seguridad del buque y
previendo fallas en el mismo, el sistema de comando a distancia del servomotor siempre está
duplicado de manera que si falla uno se pone en servicio el otro. Suele instalarse una rueda de
gobierno encima o próxima al servomotor que constituye una estación de gobierno secundaria.
Todos los oficiales deben estar perfectamente informados de los órganos de gobierno de
su buque y de la manera como se pasa de un Sistema a otro, o de una estación de gobierno a
otra.
De la misma forma deben conocer cómo se conecta o desconecta el auto-timonel y el
axiómetro.
2.4
Presión sobre la pala. Momento de adrizamiento.
Presión sobre la pala. En marcha avante.
En un buque que navega siguiendo una trayectoria rectilínea las direcciones de los
filetes líquidos que bordean ambos lados son simétricas a banda y banda del timón. Si en estas
condiciones se mete caña los filetes de ésta se desvían bruscamente ejerciendo una serie de
presiones sobre la pala cuya resultante representamos por el vector F aplicado en las
proximidades del centro geométrico y en dirección a popa.
La fuerza F se descompone en dos: Una, la D en el plano de la pala que solo produce
rozamiento y no se tendrá en cuenta. La otra P denominada presión normal o resistencia del
timón es la que origina la energía para el gobierno del buque. Esta fuerza P normal a la pala
es ejercida en el centro de presión C cuya posición varía con el ángulo formado entre el timón y
la crujía.
El valor de la presión se determina con la fórmula de Joessel, ingeniero francés que hizo una
serie de experiencias con timones en el río Loira. Los resultados de dichas experiencias dieron
como resultado que:
41,35 • A • V 2 • senα
Pn =
0,195 + 0,305 • senα
Siendo:
Pn = Presión normal a la pala en kilos.
A = Área de la pala en m2.
V = Velocidad del buque en m./segundo.
α = ángulo de la pala con el plano diametral.
Fig. 2.7 .- Demostración de la presión normal a la pala.
Momento de adrizamiento.
El producto P x OC se denomina momento de adrizamiento por ser el que lleva la pala a
crujía, es decir, como el producto entre la presión de la pala y la distancia del centro de empuje
y el eje de giro del timón. Para conseguir que el timón adquiera un determinado ángulo es
preciso vencer una resistencia y generar por lo tanto un par contrario al de cada timón. Este par
recibe el nombre de par de adrizamiento y tiene por valor P x d (Fig. 2.8). En la marcha atrás el
timón tiende a adquirir por si solo el máximo ángulo posible y el par de adrizamiento debe
evitarlo manteniendo el timón en el ángulo indicado. Si el par de adrizamiento no fuese el
indicado el timón puede llegar a sus topes y averiarse.
Fig. 2.8 .- Momento de adrizamiento timón ordinario.
Timón compensado.
Si el eje de giro se hace coincidir con el centro de empuje el esfuerzo necesario para
mover el timón será mínimo. Esto es lo que se hace en un timón compensado y tiene por objeto
manejar el timón con el mínimo de energía posible (Fig. 2.9).
En realidad es imposible hacer coincidir ambos puntos porque el eje de presión varía
con el ángulo de timón. Por lo tanto se compensa para un determinado ángulo con lo que en
las demás posiciones se necesita un pequeño par de adrizamiento.
Si el centro de presión quedara a proa del eje de giro el timón seria inestable y tendería
a atravesarse con peligro de rotura. El que muestra la figura es el más común. Como el eje de
giro esta ligeramente a proa del centro de presión el momento de adrizamiento P x d’ es
pequeño y si el timón se abandona a si mismo en marcha avante tiende a recuperar por si solo
la posición a la vía.
Fig. 2.9 .- Momento de adrizamiento. Timón compensado.
La relación de compensación y el grado de compensación entre un timón ordinario y de
un timón compensado viene dado por sus momentos de adrizamiento. En donde,
Rc =
d
P×d
=
P × d' d'
Grado de Compensación.
Es la relación entre las dos superficies en que se divide la pala, a proa y a popa del eje
de giro. Su valor oscila entre un 10 y un 25%.
2.5
Efectos producidos al meter la caña.
Como dijimos con anterioridad la instalación del timón se hace por la cara de popa de
codaste, y en los buques monohélices, apopa de ésta, para aprovechar los efectos evolutivos
de la hélice sobre la pala del timón.
La superficie de la pala en general oscila entre 1/60 y 1/50 para los buques mercantes
comunes; 1/50 y 1/40 para buques de guerra y de 1/40 y 1/30 para remolcadores y buques
fluviales que requieren gran maniobrabilidad.
La función del timón es mantener el rumbo que lleva el buque o variarlo a voluntad del
piloto.
Si la pala del timón está en prolongación con el plano de la línea de crujía, decimos que
está a la vía y, en este caso, su efecto es nulo y rectilíneo el movimiento del buque haciendo
abstracción de influencias externas – corrientes, olas, viento, etc.…- con efecto tan sólo de
aumentar las resistencias a la marcha por el rozamiento de su superficie sobre el agua; si
colocamos la pala formando un determinado ángulo con el diametral decimos que el timón está
a la banda – babor o estribor – y, el buque, como más adelante veremos, caerá a la banda de
metida del timón en la marcha avante y a la contraria en la marcha atrás.
2.6
Efectos evolutivos en la marcha avante.
La acción de los filetes líquidos actúan sobre la pala según el vector «P», (Fig. 2.10), lo
descomponemos en un vector normal aprovechable por completo para el momento evolutivo,
«P„» y un vector «P1» en el sentido del plano de la pala, que lo único que hace es aumentar la
resistencia por fricción de la parte sumergida del buque.
Fig. 2.10 .- Fuerzas que intervienen en los efectos evolutivos
Por el punto «G», centro de gravedad del buque, trazamos dos fuerzas iguales y
contrarias a P„; por una parte tendremos el buque sometido a un par de fuerza (Pn ; - Pn), que
lo hace girar en un plano horizontal alrededor de un eje vertical que pasa por «G». La otra
fuerza «Pn», se descompone en otras dos, una sobre el plano diametral, «Pd», que disminuye
la velocidad del buque y otra sobre el plano transversal «Pt», que produce abatimiento; ya
veremos más adelante que además produce escora por estar «Pt» en distinto plano vertical
que el centro de resistencia lateral, «RL».
Pt = Pn cos α
Pd = Pn sen α
Por tanto:
La componente transversal T.
Es una fuerza que desplaza al buque hacia la banda opuesta a aquella en que se metió
la pala o sea que lo hace abatir.
La fuerza longitudinal R.
De sentido opuesto al de marcha disminuye la velocidad del buque (puede llegar a
disminuir un 60% la velocidad). Estos efectos en la evolución, rotatorio, transversal y
retardatriz, se llaman efectos principales.
Efecto de aproamiento.
La pala del timón actúa sumergida y por ello el punto de aplicación de la fuerza P se
encuentra por debajo del centro de gravedad del buque en el cual se aplica en dirección
opuesta al vector velocidad del buque. Esto produce un momento de aproamiento (Fig. 2.11)
que es contrarrestado por el par de adrizamiento longitudinal de la embarcación.
Fig. 2.11 .- Efecto de aproamiento.
Efecto de escora.
En las figuras siguientes vemos cómo al estar el centro de gravedad situado por arriba
del centro de presión de la pala se genera un par de escora. Desde popa se aprecia que el par
PP’ tiene una componente de giro que tiende a escorar el barco a la banda a la que se metió el
timón es decir la banda interior de la evolución. Transcurrido un breve lapso el buque recorre
un arco de manera uniforme y entran en función otras fuerzas, resistencia de la carena, presión
lateral de la hélice, cuya resultante es una fuerza centrípeta que actúa sobre la banda exterior
de la virada y que se aplica en un centro de presión (C.p.) situado debajo del centro de
gravedad.
Fig. 2.12.- Efecto de la escora. Caída con timón a Er., 1º escora a Er., luego escora a Br.
Resumiendo podemos decir que los efectos del timón en marcha adelante son:
a) Evolutivos: rabeo de la popa a la banda contraria.
b) Transversal: deriva del casco a la banda opuesta.
c) Retardatriz: disminución de la velocidad.
d) Aproamiento.
e) Escora.
2.7
Efectos evolutivos en la marcha atrás
Cuando el buque se mueve hacia atrás el efecto del timón disminuye
considerablemente. Como vemos en la figura los filetes inciden directamente sobre el plano
inclinado formado por lo que se origina un vacío brusco en la cara opuesta que es rellenado
con agua procedente de la otra parte con formación de remolinos y la consiguiente disminución
del empuje.
Fig. 2.13 .- Efectos evolutivos marcha atrás.
Por otra parte los filetes que inciden en la cara de presión también lo hacen en la
bovedilla con lo que el punto de aplicación de la fuerza P ya no esta en el timón sino mas hacia
proa y mas cerca del centro de gravedad del buque. En consecuencia el par de evolución es
más pequeño.
2.8
Momento Evolutivo.
Fig. 2.14 .- Momento evolutivo.
Podemos observar en la figura que el buque gira alrededor del centro de gravedad G,
debido al par Pn, -Pn como vimos en el primer punto de este tema la presión normal de la pala
viene dado por la formula:
41,35 A ⋅ V 2 ⋅ senα
en kilogramos
0,2 + 3senα
El momento evolutivo viene dado por:
Mtoe = Pn ⋅ GD = Pn ⋅ (GC + CD ) = Pn ⋅ GC
despreciamos CD por pequeño y tenemos:
Pn =
Mtoe = Pn ⋅ GC = Pn ⋅ GA ⋅ cosα = Pn ⋅ 1 E ⋅ cosα
2
2
41,35 ⋅ A ⋅ V ⋅ senα
Pn =
0,2 + 0,3 ⋅ senα
Mtoe =
41,35 ⋅ A ⋅ V 2 ⋅ E ⋅ senα ⋅ cos α
0,4 + 0,6 ⋅ senα
Mtoe = Momento evolutivo en Kg.
A = Área de la pala en m2.
E = Eslora en metros.
α = Ángulo de la pala con el diametral o crujía.
V = Velocidad del buque en m/s.
2.9
Angulo de timón para lograr su máximo efecto. Angulo máximo de timón.
Hemos visto cómo el momento evolutivo es igual
Mtoe =
41,35 ⋅ A ⋅ V 2 ⋅ E ⋅ senα ⋅ cos α
0,4 + 0,6 ⋅ senα
o lo que es lo mismo
⎡ senα ⋅ cos α ⎤
Mtoe = 41,35 ⋅ A ⋅ V 2 ⋅ E ⋅ ⎢
⎥
⎣ 0,4 + 0,6 senα ⎦
En esta expresión tenemos una cantidad común a todos los momentos evolutivos, que
es la encerrada entre corchetes.
senα ⋅ cos α
, y en unos ejes coordenados, en el de las abscisas
0,4 + 0,6 ⋅ senα
damos valores a α , y en las ordenadas los correspondientes de «y»; se observará que el
máximo valor de «y» es cuando a tiene un valor aproximado de 36º.
Si llamamos, y =
Como el momento evolutivo es producto de una cantidad constante por «y», cuando
ésta tenga un valor máximo, también lo tendrá para un barco dado el momento evolutivo, por
tanto este momento será máximo para un ángulo α = 36º , en general para todos los buques.