Busquemos las características de un barco con casco de desplazamiento, capaz de navegar a 50 nudos en travesías intercontinentales sin restricciones operacionales.

(Este post es una traducción parcial y resumida de una conferencia realizada en la Sección Griega de la Society of Naval Architects and Marine Engineers (SNAME) por Daniel Savitsky (sí, ese Savitsky) en octubre de 2003. El texto completo original puede encontrarse aquí.)

Normalmente se acepta que las altas velocidades en cascos de semi-desplazamiento o de desplazamiento son velocidades bajas para cascos de planeo. Pero esta afirmación no es absoluta y nos lleva a la pregunta: ¿qué se entiende por alta velocidad?

En general cuanto más alta sea la velocidad mayores serán los costes de adquisición y mantenimiento, y menor la capacidad de carga. Pero demostraremos que se pueden conseguir altas velocidades con cualquier tipo de casco (en monocascos) sin comprometer la eficiencia hidrodinámica, siempre que las medidas sean elegidas de manera apropiada.

(La discusión queda restringida a monocascos por su ubicuidad, por la vasta experiencia existente en su construcción, por su menor coste de construcción, por su aceptable potencial de crecimiento, y por el excelente registro de fiabilidad de servicio.)

Resistencia al avance

Se define el valor SLR (speed/length ratio, o relación velocidad/eslora) como:

SLR=\frac{V_k}{\sqrt{Lwl}}

Vk= Velocidad del barco

Lwl= Eslora de flotación

Además tendremos en cuenta los dos efectos hidrodinámicos principales que provoca sobre el casco el aumento de la velocidad:

  1. Se crean presiones negativas a lo largo de las superficies convexas del casco (tanto las longitudinales, esto es, que el casco sea longitudinalmente convexo en lugar de plano; como las transversales, particularmente los pantoques), es decir que el casco en esas zonas tiende a hundirse
  2. Se crea un tren de olas transversal al movimiento (aparte de los conocidos trenes de olas divergentes desde la proa), con una longitud de onda Lw (en pies); este tren de olas cumple la siguiente relación:

005-formula2Tabulando esta expresión:

005-f1_TablaSLREs decir: cuando SLR=1,34 la longitud de onda del tren de olas creado es igual a Lwl. En la siguiente figura se puede ver la relación entre la ola creada y SLR:

005-f2_WavePatternSLR

A velocidades mayores (SLR>1,34) la longitud de onda del tren de olas creado es mayor que Lwl, y suceden varias cosas:

  • El barco intenta subirse a la ola que él mismo ha creado
  • Las presiones negativas inducidas por las formas convexas de popa empiezan a hacerse aparentes, y el barco trima de manera importante (la popa “se clava” en el agua)
  • La resistencia al avance aumenta mucho

Todo ello hace que, en la práctica, sea imposible rebasar esa barrera, esa velocidad que hace SLR=1,3 (para un barco de desplazamiento; para aumentar la velocidad tendríamos que cambiar el casco por uno de semi-desplazamiento). La típica curva Resistencia/SLR muestra este escalón infranqueable en SLR=1,3:

005-f3_CurvaResistenciaSLRLos cascos de desplazamiento tienen secciones longitudinales (buttocks) convexas, sobre todo en la zona de popa, y también es convexa la zona del pantoque. A las velocidades a las que se mueven, las presiones negativas inducidas por estas formas son pequeñas, pero a velocidades bastante mayores que la de diseño estas presiones negativas se harán importantes. La mayoría de los barcos de desplazamiento trabajan en el rango de SLR≥1.

Barcos a 50 nudos

A primera vista la combinación “casco de desplazamiento” y “50 nudos” puede parecer una contradicción. Pero eso es porque solemos asociar barco de desplazamiento con velocidades bajas, y a su vez los 50 nudos con embarcaciones de planeo.

¿Se podría construir un barco con las siguientes características?:

  • Velocidad máxima= 50 nudos
  • Peso muerto= 12.000 toneladas
  • Autonomía= 9.000 millas
  • Una relación potencia/desplazamiento que sea la mitad de la habitual para un barco de 50 nudos

La última condición es porque un barco a 50 nudos requiere mucha potencia por cada tonelada desplazada.

Para hacerse una idea del tipo de barco de que estamos hablando: un peso muerto de 12.000 t corresponde aproximadamente a un petrolero o granelero de 130 m de eslora, o un Ro-Ro o car-carrier de 170 m, o un portacontenedores de 140 m.

Se trata de encontrar un barco cuya capacidad de carga sea el doble que la que correspondería al barco existente que vaya a 50 nudos y cuya capacidad de carga sea máxima. Como medida de la capacidad de carga se usa un Factor de Transporte (FT) que depende del desplazamiento, la velocidad y la potencia instalada:

TF=\frac{Desplazamiento*Velocidad}{k*Potencia}

(k es una constante que depende de las unidades utilizadas; k=550 si usamos libras, pies/seg y CV. Y es que los americanos no son muy amigos del Sistema Internacional de Unidades…)

Para conseguir este barco se podrían utilizar cascos de la Serie 64, ensayados en canal a altas velocidades (SLR entre 1,0 y 5,0) en los años 60. Tienen las siguientes características:

  • Son cascos de desplazamiento
  • Relación L/B elevada
  • Formas afinadas y estrechas
  • Bajos coeficientes de bloque
  • Relación desplazamiento/eslora baja
  • Ángulos de entrada de las líneas de agua muy finos

Medidas del barco

Hemos visto que SLR=1,3 es el valor que nos da la velocidad máxima admisible para un barco de desplazamiento.

SLR=\frac{V_k}{\sqrt{Lwl}}

De ahí es fácil deducir que si:

Vk= 50 nudos

SLR= 1,3

Entonces Lwl= 1.480 pies = 451 m

Esa debería ser la eslora de flotación del barco.

Se usa el modelo nº 4804 de la Serie 64, cuyas formas son las siguientes:

005-f4_LinesPlanVemos que el casco tiene:

  • Codaste ancho y plano por debajo de la flotación
  • Longitudinales rectos en la zona de popa
  • Espejo sumergido, con arista en el extremo inferior
  • La zona de popa debería tener un codillo, que evite el desarrollo de presiones negativas en la zona del pantoque

Sus características adimensionales serán:

005-f5_CaracteristicasAdimensionalesCon:

Cb= Coeficiente de bloque a plena carga

LWL= Eslora de flotación a plena carga

B= Manga de flotación a plena carga

H= Calado a plena carga

Δ= Desplazamiento a plena carga

S= Área mojada del casco a plena carga

ε= Ángulo de entrada de la línea de agua

Y las características finales:

005-f6_MainPrincipals1

Estimación de potencia

Se estiman las siguientes resistencias al avance:

Rr= 957.000 lb = 430 t (resistencia residual)

Rf= 1.353.00 lb = 609 t (resistencia friccional)

Rt= Rr + Rf = 2.310.000 lb = 1.039 t (resistencia total)

Usamos la fórmula:

SHP=\frac{R_t*V_k*1.69}{OPC*550}

Con:

SHP= Potencia al eje (CV)

OPC= Rendimiento propulsivo total (incluye todas las pérdidas en la propulsión: rendimiento de la chumacera, creación de estela, rendimiento de la hélice, rendimiento rotativo-relativo); se estima en un 60%

SHP= 591.000 CV

Dejando un margen del 10% para salvar eventualidades, necesitamos una potencia al eje de 650.000 CV (aproximadamente 478 MW).

Discusión del sistema de propulsión

Se cree que el mejor sistema de propulsión para este barco serían las turbinas de gas, por ser:

  • Más ligeras que los motores de combustión
  • Compactas
  • Consumo más eficiente
  • Mayor potencial de desarrollo en el futuro para mayores potencias

La turbina de gas LM6000 de General Electric genera 40 MW; la MT30 de Rolls-Royce, también. General Electric está desarrollando una LM9000, que daría 125 MW con un consumo casi un 15% menor que la LM6000. Así, con 4 turbinas LM9000 se podría llegar a la potencia necesaria para mover el barco propuesto a 50 nudos.

Para dar el empuje necesario hay que considerar tanto las hélices como los waterjets.

Waterjets

Los waterjets parecen ser el tipo de propulsor preferido para barcos de alta velocidad. Por desgracia un barco de desplazamiento a 50 nudos oceánico necesita una enorme cantidad de potencia transmitida a los waterjets. Para la serie SL de KaMeWa se han estudiado potencias de hasta 50 MW. Se necesitarían 9 de ellas, combinadas cada una con turbinas Rolls-Royce 325, para lograr el empuje requerido. Instalar 9 waterjets sería difícil, pero no imposible.

En un futuro se espera que se desarrollen waterjets de hasta 100 MW, lo cual facilitaría el diseño de este barco.

Algunas desventajas de usar waterjets son:

  • Tener que cortar muchos grandes agujeros en el espejo para alojar las toberas de salida
  • Pérdida de desplazamiento en la zona de popa, debido a la gran cantidad de agua en los conductos de admisión de los waterjets
  • La entrada de aire en la admisión de los waterjets provoca reducciones repentinas en el par del eje, lo que podría dañar la maquinaria propulsora

Sin embargo, el uso de waterjets debería igualmente considerarse como opción para este diseño.

Hélices

La primera reacción común al considerar las hélices para barcos a 50 nudos es que la cavitación sería un problema; la resistencia añadida de los ejes de cola y sus arbotantes puede ser significativa; y el calado efectivo debido a la hélice se incrementará. En consecuencia, y al minimizarse con los waterjets estos efectos, estos han sido ampliamente aceptados para velocidades de 50 nudos y superiores.

Para este barco de desplazamiento a 50 nudos, sus dimensiones y su geometría pueden superar sin problemas estos supuestos problemas en la instalación de hélices. Es más, existe una serie sistemática de hélices bien documentada que se podría usar inmediatamente para diseñar una hélice transcavitante que produciría un empuje mucho mayor que el mayor de los waterjets considerados anteriormente. De hecho 4 de estas hélices darían el empuje necesario para llevar a nuestro barco hasta los 50 nudos.

El calado en popa del barco es de unos 3 m, y en la cuaderna maestra de unos 18 m. Usando una hélice de diámetro 6,1 m, esta no sobrepasaría por debajo de la línea base.

Las hélices de la serie sistemática Newton-Rader (N/R) desarrollan cavitación en más del 85% de la superficie de la pala, y esta finaliza en el borde de salida. Ensayos a escala real con estas hélices en planeadoras han demostrado un buen rendimiento y una mínima erosión de la pala a velocidades de hasta 55 nudos. Usando esta serie N/R se podría usar una hélice con las siguientes características:

  • Número de palas= 3
  • Diámetro= 6,1 m
  • Relación Paso/Diámetro= 1,05
  • Relación de área de la pala= 1,15
  • RPM= 275

4 de estas hélices darían 1.160 t de empuje, suficiente para mover el barco a 50 nudos (habíamos visto que la resistencia total era de 1.039 t).

Comportamiento en la mar

La eslora del barco, además de una baja resistencia por tonelada de desplazamiento, da unas excelentes características de comportamiento en la mar. Esta conclusión se deduce del hecho de que, para longitudes de onda menores de 0,75*Lwl, a cualquier velocidad hay muy poco movimiento del barco: las fuerzas y momentos excitatrices son demasiado pequeños para causar movimientos apreciables, por lo que la probabilidad de salpicaduras en cubierta, de aceleraciones elevadas o de pantocazos es pequeña.

Con mar de proa y altura significativa de olas de 9 m (unas condiciones severas), y usando los espectros de Pierson-Moskowitz, se demuestra que a 50 nudos no se deben esperar más que pequeños movimientos inducidos en el barco. Estas conclusiones se demostraron en 1961 en ensayos de canal de un modelo con proporciones similares a nuestro barco, con alturas significativas de 10,8 m y velocidades de 50 nudos.

La altura metacéntrica del barco se estima en GM=4,3 m, bastante mayor que para la mayoría de mercantes. Esto implica una gran estabilidad frente a balances: considerando un viento de costado de 80 nudos, y un área lateral proyectada razonable, la escora se estima que sería de 2º; con mar de través con altura significativa de 9 m, el ángulo de balance se estima en 23º, que puede considerarse aceptable.

Números finales

Recordemos que queríamos tener un barco con 12.000 t de peso muerto y 9.000 millas de autonomía.

Las siguientes tablas muestran los desgloses de pesos estimados, y demuestran la viabilidad de los requerimientos iniciales:

005-f7_PesoEnRosca(Usando la Serie 64, habíamos obtenido anteriormente el desplazamiento a plena carga: 63.800 t).

005-f8_PesoMuerto

(El peso del combustible se obtiene con el dato del consumo proyectado para la turbina LM9000: 0,30 libras por caballo y por hora, para 9.000 millas.)

Conclusión

Tenemos un barco de desplazamiento a 50 nudos, con las siguientes características:

  • Eslora= 451,4 m
  • Velocidad máxima= 50 nudos
  • Potencia instalada= 680.000 CV (500 MW)
  • Desplazamiento= 63.800 t
  • Peso muerto= 13.000 t
  • Autonomía= 9.000 millas
  • Propulsión: 4 hélices movidas por turbinas de gas

Además se ha demostrado que tiene unas excelentes características de comportamiento en la mar navegando en cualquier océano.


Información adicional:

  • Un análisis completo del barco se realizó en este artículo: Savitsky, Daniel; Bagnell, Daniel; Basu, Roger: “Viability of Large High-Speed Displacement Hulls” March, 2000. Presentado en el “23rd Meeting of the U.S.-Japan Marine Facilities Panel of U.S. Japan Cooperative Program in Natural Resources”. Tokyo, Japón, 17 y 18 de mayo de 2000

Imágenes extraídas del artículo original.

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