INTRODUCCIÓN Flotas navieras y vías navegables. En la hidrovía Paraná Paraguay P araguay hasta la ciudad de asunción transitan diferentes tipos de embarcaciones, entre ellas están los convoyes de empuje, constituidos por trenes de hasta 30 barcazas, unidades de empuje con dos, tres o cuatro motores, timones de frente y relación potencia-carga del orden de los 0.14 HP. Las mayores unidades de empuje tienen de 35 a 50 m de eslora y potencias de hasta 6000 HP (Estas navegan el Paraná Medio e inferior) En el proyecto deberán tenerse en cuenta diversas variables, para lo cual se analizarán las exigencias del armador, entre las que se destacan la ruta que desea navegar, la cantidad de carga que debe transportar, y algunos requerimientos como la velocidad, la autonomía, la maniobrabilidad, etc.. Para comenzar el diseño de un buque, se analiza la misión que este debe cumplir, para proseguir con los trabajos de recopilación de información, dimensiones principales, cálculos de volúmenes, cálculos de estabilidad etc., para así posteriormente poder entregar un producto eficiente tanto en las operaciones que el buque este destinado a realizar, como en el ahorro económico en su etapa de construcción. El diseño preliminar del remolcador de empuje se realizara en cuatro partes principales bien diferenciadas: 1. Estimación de la resistencia al avance del tren de barcazas 2. Estimación de la potencia y motor del remolcador 3. Selección de la hélice que mejor se adapte a las restricciones impuestas por el calado 4. Una vez obtenida la hélice, se determinaran las dimensiones del remolcador y el túnel de popa Para poder desarrollar las estimaciones anteriores, es necesario considerar los siguientes factores: 1. 2. 3. 4.
Numero de barcazas a remolcar (restricción impuesta por la cátedra) Peso de la barcaza (en la situación de carga requerida) Dimensiones del canal (ancho y profundidad) Velocidad de la corriente
El proyecto consistirá en recabar información de todos estos datos, para poder encontrar el buque que mejor se adapte a los requerimientos del armador.
Definicion del proyecto Tipo de buque: Remolcador de empuje Requerimientos del armador: Autonomía: Barcazas a remolcar: Manga máx. del tren: Eslora máx. del tren: Velocidad de servicio: Ruta:
2400 millas 12 barcazas (disposición 4X3) 50 m. 290 m. 6.6 nudos. Bs. As. – Resistencia
Determinación de las características principales Las proporciones de los remolcadores de empuje varían en función de los siguientes factores:
Profundidad de la ruta a navegar Capacidad de porte total del convoy a empujar Velocidad del transporte
Estos factores determinarán en forma aproximada la potencia a instalar, la que normalmente norm almente y debido al calado restringido deberá fraccionarse en dos o tres hélices. Es sabido que la eficiencia del propulsor aumenta con el diámetro y con el menor régimen de vueltas posible del mismo (debido al calado restringido, el diámetro optimo es un obstáculo difícil de alcanzar). Unas de las soluciones que se aplican para la resolución de este problema, es el uso de la hélice en túnel o semi-tunel con tobera Kort. De esta manera se obtienen o btienen las siguientes ventajas: 1) Se logra un mayor diámetro posible en relación al calado disponible, se llega a relaciones de diámetro/calado de 0.95 a 1. 2) Disminuye la posibilidad de aparición de cavitación. La tobera Kort aumenta sensiblemente el rendimiento propulsivo, propulsivo, para una misma potencia y vuelta del propulsor y presenta un diámetro más reducido, como contrapartida es ineficaz en la protección de la hélice y timones en canales que no posean un fondo limpio. Propiedades del canal de navegación
Para poder comenzar con el dimensionamiento, se tendrá en cuenta la primera restricción en el diseño, que es la impuesta por el calado (debido a la profundidad de la vía navegable). La ruta que une los puertos de Bs. As. y Resistencia, es el rio Paraná, el cual de acuerdo a los estudios realizados por la secretaria de puertos y vías navegables, posee una longitud de aproximadamente 1250 Km. que pueden ser navegables navegables sin problemas durante todo todo el año. Tiene profundidades muy variadas, pero a modo de simplificación simplificación se citaran algunas profundidades mínimas, las cuales marcan la pendiente que adopta el fondo durante esta ruta, presentando un calado mínimo que oscila los 8 m. desde Bs. As. hasta Santa Fe, siguiendo con 6,4 m. hasta Rosario y continuando con una profundidad asegurada de 3.3m. hasta Resistencia con una velocidad media de la corriente corriente de entre 3Km/h y 4Km/h.
Calado de diseño
De acuerdo con los datos concernientes a la ruta de navegación, se adoptara un calado para el remolcador de 2,7 m. de manera que asegure un suficiente despeje del del fondo como medida de seguridad para la navegación. Luego se efectuara una estimación preliminar de la potencia del mismo, para lo cual se deberá determinar el desplazamiento de cada barcaza y luego el del tren. En función del DW de cada barcaza se determinará la potencia efectiva de empuje, la cual tendrá relevancia sobre la dimensión del mismo
Estimación preliminar de la potencia Relevamiento estadístico
Para efectuar la estimación de la potencia, se procederá como primera instancia a realizar un relevamiento de la potencia utilizada por los distintos remolcadores que se trasladan en la hidrovía, con el fin de obtener un parámetro de los valores lógicos necesarios para transportar la cantidad de barcazas impuestas por el proyecto, en la tabla siguiente, podrán observarse distintos valores de potencia para diferentes formaciones de trenes de barcazas del tipo Jumbo de 13 metros de manga por 60 metros de eslora aproximadamente:
a) Santa Fé - Corumbá Formaciones de Barcazas 3x3 3x4 4x4 4x5
Remolc ador Pot en enc ia ia (HP) Es lo lora (m) 2250 30 3000 40 4000 40 5000 50
Tren de Barc az as Manga (m) Es lo lora (m) 36 180 36 240 48 240 48 300
Convoy Manga (m) Es lo lora (m) 36 210 36 280 48 280 48 350
b) Tramo Corumbá - Cáceres Formaciones de Remolcador Barcazas Pot en enc ia ia (HP) Es lo lora (m) 2x1 1000 30 2x1 600 25 1x2 600 25 1x1 200 20
Tren de Barc az as Manga (m) Es lo lora (m) 24 120 24 60 12 120 12 60
Convoy Manga (m) Es lo lora (m) 24 150 24 85 12 145 12 80
Fuente: Estudio de ingeniería y viabilidad técnico-económica del mejoramiento de las condiciones de navegación de la Hidrovía ParaguayParaná. Asociación Asociación Hidroservice - Louis Berger.
La tabla mencionada en la pagina anterior muestra una posible aproximación de la potencia necesaria para remolcar el tren, pero carece de precisión, puesto que la manga de las barcazas no
es la misma que será utilizada para este caso, además de carecer de datos tales como la velocidad promedio de operación del remolque, el calado promedio del sistema y la cantidad de carga a ser transportada. Pero proporciona una buena aproximación para realizar una posterior comparación con los datos obtenidos por los diferentes métodos existentes para poder realizar la elección del propulsor que mejor se adapte.
Estimación de la Potencia por el método de Howe´s Habiendo obtenido una aproximación de los HP necesarios para mover el conjunto, se procederá al cálculo de potencia por el método de Howe´s , en el cual cobra importante relevancia la velocidad a la que se desplazara el convoy, así como el calado del tren y la profundidad del canal sobre el que este navegará. La velocidad mínima, por su parte es una de las restricciones impuestas por prefectura, y tiene como criterio principal, que el conjunto pueda navegar sin problemas corriente en contra. Para realizar esta estimación, se utilizará la relación que define la eficiencia de un sistema de empuje:
Rt = EP Ep es el empuje efectivo del remolcador Rt es la resistencia al avance del conjunto Remolcador-Barcazas
Este equilibrio será considerado para velocidad en aguas tranquilas, la cual será utilizada posteriormente para el cálculo de la hélice. La mayor resistencia al avance se producirá con el convoy a carga máxima, debido a que el desplazamiento, y por ende el calado es mayor, razón por la cual el análisis será realizado solo para esa condición. Teniendo en cuenta todos estos criterios, se procederá a realizar el cálculo del EP, el cual estará basado en función de la siguiente expresión conformada bajo el sistema anglo-americano, desarrollada para remolcadores de empuje que naveguen en aguas restringidas.
1. .+ 5 . 1.1 =0.07289 ℎ− − Donde: Rt=resistencia total del tren, [lb] e: base del log natural = 2.71828 i
Marine Technology, Vol 20, Nro 3, Julio 1983, pag. 209-216
i
h: profundidad del canal = 14 [ft] T: calado uniforme de la barcaza = 2. [ft] V: Velocidad en aguas tranquilas = 6.6[mph], aprox. = 11 Km/h W: Ancho del canal = 300 [ft] B: manga máxima del tren = [ft] L: eslora máxima del tren = [ft] De lo expuesto anteriormente se deduce que: Rt = 267560,172 lbs. por lo tanto el empuje efectivo necesario del remolcador
(según la relación que define la eficiencia de un sistema de empuje citada en la página anterior), arrojara la misma cifra, Ep = 267560,17 lbs. Lo que nos permite obtener una vez obtenido estos datos la potencia necesaria para remolcar el convoy mediante la siguiente fórmula:
[ = . . . . . ]
ii
Donde: Ep: Empuje efectivo, [lbs.] = 267560.17 lbs HP: Potencia del remolcador, [HP] H: Profundidad del canal, [ft] = 9 ft. V: Velocidad del remolcador en aguas tranquilas, [mph] = 6.6 mph
De esta manera obtenemos una potencia necesaria de 8926,37 HP, para empujar el convoy a una velocidad de 11 Km/h, a continuación se detalla la evolución de la potencia, en función de la velocidad, según el método de Howe´s recientemente utilizado.
ii
Marine Technology, Vol 20, Nro 3, Julio 1983, pag. 209-216
RESISTENCIA -POTENCIA 450000 400000 350000 300000 s250000 a r b i 200000 l 150000 100000 50000 0
10000 8000 6000 4000
P H
resistencia
2000 0 1
2
3
4
5
6
7
8
VELOCIDAD mph
Resistencia Barcazas canal 100 ft ancho X 11 ft prof velocidad mph
resistencia
potencia hp
1
6093,30
203,15
2
24373,18
813,02
3
54839,66
1829,46
4
97492,74
3252,48
5
152332,40
5082,07
6
219358,65
7318,24
7
298571,50
9960,99
8
389970,94
13010,32
Si hacemos uso del análisis estadístico, nos damos cuenta de que el cálculo realizado líneas arriba, presenta un resultado por demás conservador y nada eficiente para el proyecto mencionado, esto se debe entre otras cosas, a que el método fue realizado principalmente en forma empírica y para la cuenca del rio Mississippi, donde las dimensiones del rio norteamericano nada se parecen a las de la hidrovía Paraná-Paraguay, principalmente el método deja de funcionar cuando la relación Profundidad/calado adopta valores muy bajos.
Análisis de potencia realizado por asistencia de Software Navcad
Al no obtener el valor deseado por el método de Howe´s, la estimación de potencia se realizara mediante la asistencia del software Navcad, cuyas cifras podrán verse líneas abajo y en la pagina siguiente:
6000
EHP VS VEL (mhp)
5000
4000
3000
EHP
2000
1000
0 0
2
4
6
8
10
En el grafico se puede apreciar la relacion entre la velocidad del convoy y la potencia efectiva necesaria para remolcar todo el conjunto.
Proyecto remolcador de empuje Barge Train/Resistance
4 Abr 2011 11:07 p.m. Project: Remolcador.nc4
Page 1
---------- Analysis parameters -----------------------------------------[X]Barge : Modified Howe method [X]Channel
[X]Tow boat [X]Current
---------- Prediction Results ------------------------------------------Vel mph ----1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 6,66 7,00 8,00 9,00
Rbrgs/w Rbarges Rtowbt Rchan Rcurr Rother Rtotal PEtotal N N N N N N hp ------- ------- ------- ------- ------- ------- ------- ------0,0000 2459 96 7553 57636 0 67745 24 0,0000 9838 390 30213 57636 0 98077 90 0,0001 22135 901 67979 57636 0 148652 238 0,0001 39352 1658 120852 57636 0 219498 509 0,0002 61487 2704 188831 57636 0 310658 943 0,0003 88541 4094 271917 57636 0 422188 1583 0,0004 109092 5230 335029 57636 0 506987 2139 0,0004 120514 5893 370109 57636 0 554152 2471 0,0005 157407 8180 483407 57636 0 706630 3646 0,0007 199218 11046 611813 57636 0 879712 5151
---------- Condition data ----------------------------------------------Water type: Standard Fresh Mass density: 999,01 kg/m3 Kinematic visc: 1,1390e-06 m2/s ---------- Hull data ---------------------------------------------------Towboat: Length on WL: Max beam on WL: Draft at mid WL: Displacement bare:
Tow data: 44,000 10,600 2,700 906,7
m m m t
61,500 16,600 2,700 2500,0 0,400 375,7
m m m t m t
Barge data: Length: Width: Draft full load: Displ full load: Draft light load: Displ light load:
Number long: Number wide: Avg draft: Drag factor: Indiv. barge drafts: 12 barges at 2,700 0 barges at 0,000 0 barges at 0,000 0 barges at 0,000 0 barges at 0,000 0 barges at 0,000
4 3 2,700 m 0,0378
m m m m m m
Parameters: Modified Howe method No. barges 3...27 12 Tow length 106,7...359,7 246,0 Tow width 10,7...41,1 49,8 Limit Avg draft 0,3...2,8 2,7 ---------- Environment data --------------------------------------------Channel width: Channel depth:
100,000 m 3,300 m
Current speed: Direction of tow:
2,3 mph Upstream
Si observamos el resultado arrojado, notamos que para una velocidad de 6.6 mph (11 Km/h), el remolcador necesitara una potencia efectiva 2139 HP, esta potencia deberá ser afectada por el rendimiento propulsivo y por las perdidas en el casco.
Rendimiento propulsivo
El resultado de potencia obtenido debe ser afectado por las pérdidas de rendimiento de distinto origen generadas a lo largo de todo el tren propulsor para poder obtener la potencia necesaria del motor (BHP) Perdidas por rendimiento mecánico
Debidas a la disipación de calor producto de la friccion por contacto entre metales. Se estiman en un 3% de perdidas Por friccion en el eje, y 3% de perdidas en la caja reductora
= ,7 = , = ∗ = .
Rendimiento del Casco.
Es la relación entre la potencia que consume la carena en superar la resistencia al avance (EHP) y la potencia producida por la hélice en la prestación de empuje necesario (THP), también puede calcularse el rendimiento del casco mediante el uso del coeficiente de estela y del coeficiente de deducción del empuje. Para esto es necesario estimar el coeficiente de deducción de empuje t y el factor de estela w
Estimación del factor de deducción de empuje (t):
= . . . . . . . . iii
Donde: Cp = 0.74
= . . = 0.0167 LD = 44 mts Lcb = 100(0,5*LD-fb)*LD Fb = distancia desde la perpendicular de popa del centro de carena V = 3,61 m/s = 13 Km/h D = 2.7 mts (helice)
t = 0.1827009
En la grafica se obrserva que el valor calculado coincide aproximadamente con el de la curva.
Estimación Del Factor De Estela (w):
iii
Arnold´s Method
=... .. .. ./ iv
Donde: Cp = 0.74
= .. = 0.0167 LD = 44 mts Lcb = 100(0,5*LD-fb)*LD Fb = distancia desde la perpendicular de popa del centro de carena V = 3,61 m/s = 13 Km/h D = 2.17 mts (hélice)
w = 0.1896
Habiendo obtenido t y w se procede a calcular el rendimiento del casco anteriormente descripto:
= = Donde: t = 0.1827 w = 0.1896
por lo tanto: nh = 1.01
Rendimiento de la hélice
Se suele determinar en 55 % antes de ser determinado, por lo tanto: iv
Arnold´s Method
= . Habiendo determinado las perdidas de rendimiento en la hélice, el casco y transmisión de potencia, se obtiene el rendimiento propulsivo que esta dado por el producto de todas estas pérdidas:
= ∗ ∗ = . Luego la potencia del motor a ser seleccionado se determinara de la siguiente manera:
= . = Donde: EHP= 2139 HP 1.15 es el factor de seguridad , teniendo en cuenta las la perdidas de eficiencia propias que pueda llegar a tener el remolcador, devenidas por la degradación e incrustaciones y el desgaste del motor por efecto de su utilización. Observando el resultado arrojado, puede verse que para una velocidad de 6.6 mph (11 Km/h), el remolcador necesitara una potencia efectiva de 4712 HP, lo cual denota un valor aceptable comparándolo con los datos estadísticos. Además, teniendo en cuenta que el tipo de barcaza utilizado posee un desplazamiento de 2724 Tn. aproximadamente (para un calado de 2.9 mts), que si lo trasladamos al conjunto formado por las 12 barcazas, este desplaza en su totalidad 32865 Tn. haciendo uso de la relación carga/potencia=0.14 realizamos otra estimación de potencia, lo que arroja un resultado de 4576 HP, valor que se aproxima a los 4712 HP entregado por Navcad, por lo tanto habiendo corroborado de distintas maneras la estimación de potencia, se entiende que el resultado del cálculo de potencia logrado es más que aceptable para el proyecto. Resultando obtenida la potencia de remolque, se procede a establecer las dimensiones principales del remolcador.
Eslora, Manga, Fb y coeficientes
Una vez estimada la potencia se procede a hallar las restantes dimensiones, construyendo curvas de datos de buques semejantes.
L f(BHP) L f(b)
Lamentablemente debido a que el desarrollo económico en la hidrovía no ha demandado la construcción de nuevos remolcadores durante las últimas dos décadas, no fue posible realizar una estadística con remolcadores construidos recientemente, sin embargo se obtuvieron buenas referencias de remolcadores que a pesar de no ser muy modernos, poseen líneas similares a las utilizadas actualmente y se encuentran operando eficientemente. Los datos recabados, se pueden observar en la tabla de la hoja siguiente:
Buque
Eslora
Manga
Calado
Puntal
mts.
mts.
mts.
mts.
TRAFLUEM
32.8
9.15
2.7
ORGULLO TAMENGO
56.39 46.36
13.41 12.19
42.50
SAN NICOLAS
TRIUNFO GUYRATI TOMY H RUBEN H ESPIRITU DE MARIA VES LOSADA H. ENRIQUE H LADY M PENELOPE MARIA AUXILIADORA TAGUATO ESTRELLA DEL LITORAL CAPITAN REY I CAPITAN OTTO CANDIEL Promedios
E/M
M/P
M/C
3.13
3.58
2.92
3.39
2.45 3
3.1 3.29
4.20 3.80
4.33 3.70
12.10
2.35
3.20
3.51
40.17 45.41 39.62 41.30 42.06
13.71 11.58 9.14 10.67 10.67
2.15 2.45 2.5 2.8 2.2
2.43 3.2 2.95 3.38 3.05
43.89
10.67
2.7
43.89 45.11 42.67 42.67
10.67 13.71 12.80 12.80
43.89 42.67 39.55 45.26 43.90
Pot x Eje
Ejes
5.47 4.06
HP 2000 1751 2800
2 3 2
HP 4000 5250 5600
2001 1957 1973
3.78
5.15
2450
2
4900
1996
2.93 3.92 4.33 3.87 3.94
5.64 3.62 3.10 3.16 3.50
6.38 4.73 3.66 3.81 4.85
1650 1400 1700 2150 2000
3 3 2 2 2
4950 4200 3400 4300 4000
1974 1975 1961 1959
Fluviomar SA Fluviomar SA Horamar SA Horamar SA Horamar SA
3.20
4.11
3.33
3.95
2100
2
4200
1977
Horamar SA
2.7 2.5 3.2 3.2
3.35 3.20 3.43 3.43
4.11 3.29 3.33 3.33
3.19 4.28 3.73 3.73
3.95 5.48 4.00 4.00
2100 1600 2100 2100
2 3 2 2
4200 4800 4200 4200
1970 1971 1973 1975
Horamar SA Horamar SA Transabarge SRL
10.66 11.58
2.7 3.2
3.20 3.43
4.12 3.68
3.33 3.38
3.95 3.62
2150 2100
2 2
4300 4200
1970 1968
Urugrain National Shipping
11.28 14.28
2.75 2.2
3.2 3.05
3.51 3.17
3.53 4.68
4.10 6.49
1850 1500
2 3
3900 4500
1967 1996
National Shipping LPG SA
11.73
2.65
3.18
3.71
3.72
4.50
Pot Total
4394
Año de const.
Cant de barcazas
20 24 22
Empresa
Fluviomar SA Fluviomar SA Fluviomar SA ACBL Hidrovía
20 16
Entre los valores obtenidos en la estadística de la tabla de la pagina anterior, se destacan: Promedios Eslora: 43,90 metros. Manga: 11,73 metros. Puntal: 3,18 metros. Calado: 2.65 metros. Potencia: 4394 HP. L/B: 3.71 B/D: 3.72 B/H: 4.5
Cálculo de la eslora:
La eslora del remolcador depende de diversos factores, pero posee una cierta correlación con la potencia instalada. Aplicando este concepto, se estimara la eslora mediante la fórmula siguiente:
=... [ft] Donde: X = (bhp/ejes)/100 Esta fórmula es optima si 300 ≤ (bhp/ejes) ≤ 3240
Cuyo valor obtenido L = 44 mts .
Manga
Así como la eslora, la manga del empujador depende de varios factores, incluyéndose la estabilidad, la distancia entre ejes que es función del número de motores de la propulsión, o inclusive del interés en mantener la manga del empujador en valores próximos a los valores de manga de las barcazas de manera de facilitar la integración del empujador atrás del convoy. En este caso se verifica una tendencia de la manga en función de la eslora del orden de L/B = 4.15, Por lo que para el valor de eslora obtenido anteriormente (L = 44 mts.), se obtiene una manga de 10.6 mts., dimensión que será utilizada para este proyecto a menos que se necesite mayor capacidad de desplazamiento operacional del empujador debido al calado restricto. Calado
El calado del remolcador es una dimensión que afecta directamente al diámetro disponible para las hélices, parámetro que influye en gran medida a la eficiencia propulsiva, disminuir el diámetro trae aparejado una disminución de la eficiencia propulsiva para una determinada potencia, por esta causa, se adoptan distribuciones de dos, tres o más hélices para empujadores que desarrollan potencias elevadas. De acuerdo al relevamiento estadístico mencionado anteriormente, y a la longitudes L y B obtenidas recientemente, se obtienen las dimensiones correspondientes del remolcador, que mejor se adaptan a la condición deseada, de esta manera se recaban los siguientes valores: Eslora: 44 metros. Manga: 10,6 metros. Puntal: 3,35 metros. Calado: 2.7 metros. Potencia: 4551 HP. L/B: 4.15 B/D: 3.16 B/H: 3.92
En esta etapa del análisis y con las medidas obtenidas, se observa que el remolcador cumple con las especificaciones de francobordo mínimo requerido por la Ordenanza Nº 5/03 de la Prefectura Naval Argentina, en la que se establece para cada tipo de embarcación un francobordo mínimo, que en el presente caso seria de 465 mm, teniendo un francobordo obtenido de 650mm.
Las dimensiones obtenidas pueden corroborarse según las graficas siguientes donde se indican distintos valores de eslora y calado en función de la potencia instalada. v
En la grafica puede preverse que para una potencia del orden de 1.000 HP la eslora debe situarse en la faja entre 25 m y 30 m y los mayores empujadores, con potencia del orden de 5.000 HP, la dimensión longitudinal ronda los 45 m. Como puede verse, el grafico obtenido, indica que el valor propuesto para la eslora, se encuentra dentro del promedio del parque de remolcadores que navegan dentro de la hidrovía. vi
v
Y iv Asociación Hidroservice - Louis Berger.
Selección de la planta propulsora
Habiendo obtenido la ptencia necesaria del motor (BHP), y considerando que estará distribuida en tres ejes, la selección del motor se basa en tres unidades propulsoras de la misma potencia y con el mismo régimen de giro, por motivos de existencia en el mercado, existencia de partes de reposición, relación peso/potencia, consumo y servicio post venta, el motor a utilizar será el modelo 3512 B de la marca Caterpillar, el cual posee una potencia de 1575 HP Para un factor de utilización (rating B). Las especificaciones propias del motor, pueden apreciarse en la página siguiente:
Diámetro de la hélice
Estimación de las características de la Hélice.
La siguiente estimación del diámetro se realizara para poder realizar el análisis del túnel de popa. Con la siguiente expresión, se obtiene una buena estimación en pies del diámetro de la hélice:
=...
vii
Donde: X = (bhp/ejes)/100 Esta fórmula es optima si 300 ≤ (bhp/ejes) ≤ 3240
Cuyo valor obtenido D = 1.10 mts.
Este diámetro obtenido es una aproximación que puede ser orientativa, pero en este caso, teniendo en cuenta que la embarcación navegará a una velocidad relativamente baja y como contrapartida necesitara estar provista de un gran empuje, se cree conveniente seleccionar un diámetro mayor para poder lograr un mejor rendimiento, por lo tanto el diámetro adoptado será de 2.17 mts, de esta manera se pretende reducir entre otras cosas el efecto de estela del buque, ya que un diámetro menor tiende a incrementarla. El cálculo de la hélice se realizara teniendo en cuenta el mismo criterio que para el cálculo de la resistencia al avance, (situación mas desfavorable) para la condición de empuje a plena carga a la máxima velocidad del conjunto conformado por las 12 barcazas y el remolcador. Teniendo en cuenta que tanto los motores propulsores como el diámetro de la hélice ya han sido determinados, se procederá a estimar las revoluciones optimas de las mismas, es decir, el numero de vueltas máximo en donde se evite que la hélice Cavite. Estado en donde cobra gran influencia la relación del área desarrollada sobre el área del disco ( Fa/F ), factor que se puede calcular por medio de la formula de Keller, ecuación en la que intervienen diversas variables, tales como el empuje de la hélice T, el coeficiente de deducción de empuje t, el cual tendrá relación directa con la relación Rt = (1-t)*T , además se utilizara el factor de estela W calculado anteriormente. vii
Marine Technology, Vol 20, Nro 3, Julio 1983, pag. 209-216
Haciendo uso de la siguiente relación Rt = (1-t)*T, se podrá estimar el empuje necesario de la hélice T:
sabiendo que: Rt = 506987 N
t = 0,1827009. T = 620318 N
Teniendo en cuenta que el empuje estará repartido en tres hélices, el T necesario de cada una será: T3 = 206772.8 N
Habiendo obtenido T, se procede a estimar el factor (Fa/F), en general, cuando menor sea el coeficiente del área de la pala, mayor será la eficiencia de la hélice, pero un área de pala demasiado pequeño, puede producir problemas de cavitación. Una buena aproximación del factor antes mencionado puede llevarse a cabo utilizando la siguiente formula de Keller´s :
..= ..
viii
Donde: Z (nº de palas) = 4 T de cada hélice = T/3 = 206772.8 N Po (presión atm + hdr) = 105+1000*9.81*1.085 N/m2 Pv = presión de vapor = 1700 N/m2 D = 2.17 mts E.A.R = 0.93
Este será el mínimo E.A.R (blade area ratio) que hará que la hélice cavite, por lo tanto y siguiendo este criterio de diseño la hélice a seleccionarse deberá tener un Fa/F mayor o
viii
Marine Propellers and Propulsión, 2nd Ed. JS Carlton.
igual a 0.93. La determinación de las características y las RPM de las mismas se realizaran por medio de los diagramas de la serie de Wageningen. Se optara por utilizar una hélice sin tobera, debido a que el fondo del rio Paraná no posee un fondo limpio, por lo tanto la tobera proporciona un riesgo extra para que la hélice se trabe, y por lo tanto se deforme. Debido a esto se trabajará con una hélice de la serie B de Wageningen de 4 palas y con un Fa/F = 0.90.
El empuje y el diámetro ya han sido estimados, pero resta conocer el numero optimo de RPM necesario para el buen funcionamiento de la hélice, por lo tanto no pueden calcularse los parámetros Kt y Kq, sin embargo puede obtenerse la relación Kt/J2 , la cual será de gran utilidad.
= Donde:
T = 206772.8 N ρ = 1000 gr/dm3 Va = (1-w)V = 2.93 m/s (con V = 13 Km/h = 3.61 m/s) D = 2,17 mts.
Ahora utilizando las curvas desarrolladas para la serie B de Wageningen, Hélice de cuatro palas P/D = 0.9:
De la ecuación anterior se elabora la siguiente tabla para los distintos P/D, la cual posibilita la selección del factor que otorga el mejor rendimiento. P/D
Kt
Kq
J
n
0.5
0.087619
0.001752
0.31
0.3733
0.6
0.118095
0.002362
0.36
0.445714
0.7
0.153524
0.00307
0.404
0.487619
0.8
0.188952
0.003779
0.447
0.507048
0.9
0.226286
0.004526
0.489
0.513905
1
0.262857
0.005257
0.528
0.514667
1.1
0.30019
0.006004
0.565
0.510095
1.2
0.337905
0.006758
0.6
0.504762
De la tabla se deduce que el mejor rendimiento tiene suceso para una relación paso sobre diámetro P/D = 1, por lo tanto la hélice posee un paso igual a 2.17. Teniendo como eficiencia optima n= 0.51, el valor del parámetro J para ese rendimiento es J=0.528, el cual es útil para obtener el valor óptimo de RPM a la que deberá girar la hélice:
=
Donde: Va = 2.93 m/s J = 0.528 D = 2.17 m.
n = 2.55 RPS = 153 RPM
Selección de la caja reductora Habiendo determinado el motor propulsor, la hélice más adecuada y las RPM de giro optimas del eje propulsor, debe seleccionarse la caja reductora adecuada para conseguir el numero de revoluciones optimo para el propulsor n = 153 RPM calculado anteriormente, siendo el modelo ZF 24320 SG el más adecuado, cuyos datos son representados a continuación.
RATIOS 3.800, 8.000 8.700
MAX. TORQUE Nm ftlb 12555 11359
9260 8378
POWER/RPM kW hp
INPUT POWER CAPACITY kW hp kW hp kW hp 1200 rpm 1600 rpm 1800 rpm 1.3147 1.7630 1578 2116 2103 2821 2366 3173 1.1894 1.5950 1427 1914 1903 2552 2141 2871
MAX. RPM 1800 1800
Sistemas de gobierno El sistema más adoptado es el de timón de marcha adelante situado detrás de cada hélice y dos timones de marcha atrás colocado a proa de los mismos. Tanto los timones de marcha adelante como los de marcha atrás se desempeñan independientemente entre ambos sistemas y comandados desde la timonera con una palanca que indica la posición de cada uno de las palas de los timones. El área de pala de los timones de marcha adelante es de aproximadamente 2% del área del plano de deriva del tren completo y el área de marcha atrás es de 1,7% referido al mismo valor.
Dimensionamiento del Túnel de popa El túnel de popa será diseñado para asegurar un flujo adecuado de agua hacia la hélice, en este caso se realizara el diseño en base al esquema siguiente desarrollado empíricamente por Bogdanov para remolcadores con hélices múltiples. Valores recomendados por B. V. Bogdanov
0.33 ≤ L1/L ≤ 0.45 0.1 ≤ L2/L ≤ 0.2 6 ≤ L1/ht ≤ 7 12º ≤ α ≤ 15
ℎ− ≤ 0.2 ℎ− ≤0.07 0.05 ≤ 0.1 ≤
Estimación de la Potencia de Generación de Energía Eléctrica. La potencia demandada puede aproximarse mediante la siguiente expresión, en donde solo se tienen en cuenta la potencia del motor propulsor y el número de tripulantes.
=..(.)
ix
Donde: Pdemand = Potencia demandada [KW] Pprop = Potencia del motor propulsor [HP] = 4725 HP N (cantidad de tripulantes) = 12
Pdemand = 201.25 Kw
De acuerdo a la ordenanza de prefectura, esta potencia instalada debe estar dividida en por lo menos dos generadores, de manera que con uno solo puedan alimentarse los sistemas de arranque del motor propulsor y un mínimo del instrumental del buque y habitabilidad. Por motivos de practicidad, la selección se basa en dos generadores del mismo tamaño, pues de esta manera se reduce el stock de repuestos y herramientas a bordo. El grupo generador seleccionado es el CATERPILLAR C 4.4 de 107 Kva, cuyas características se detallan líneas abajo, los parámetro tenidos en cuenta al momento de la selección fueron, el consumo de combustible, la existencia en el mercado, el servicio postventa del producto, entre otros.
ix
Apunte catedra “Plantas eléctricas navales"
Estimación del Desplazamiento
El desplazamiento está determinado por la suma del Porte Bruto DWT (carga, pasajeros, equipos, tripulantes, combustibles, lubricantes, agua y víveres) y el peso del buque vacío.
∆ = Teniendo en cuenta lo antes mencionado, se procederá a calcular los respectivos Pcasco y DWT respectivamente.
Estimación del Peso del Casco y Superestructura
El peso del casco y superestructura puede aproximarse mediante la siguiente expresión:
= [] Donde: α = 0,15
L = 44 mts B = 10.6 mts H = 2.7 mts
Pcasco = 188.9 Tn
Estimación del Peso de Habilitabilidad y Equipos.
El peso de habitabilidad y equipamiento considerando protección anticorrosiva, equipo de amarre y fondeo, equipos electrónicos de navegación y gobierno, equipamiento de control de
averías y sin incluir las maquinas principales y auxiliares, puede aproximarse de la siguiente manera:
= [] Donde: β = 0.06
L = 44 mts B = 10.6 mts H = 2.7 mts PHab+Equ = 75.55 Tn
Estimación del Peso del Motor Principal, Auxiliares y Aditamentos.
El peso de los estos elementos se encuentran determinados por los datos del fabricante, los cuales se extraen de las especificaciones técnicas los respectivos datos: MP (Motor Principal) 6,6 Tn x 3 = 19,8 Tn CR (caja reductora) 4.5 Tn x 3 = 13.5 Tn DG (Diesel generador) 1 Tn x 2 = 2 Tn En base a la estadística, se considerara el peso total de la sala de maquinas, como tres veces el peso de la suma de los motores principales. P = 60 Tn
Estimación de pesos de líneas de Eje y Hélices.
Esta estimación se efectúa utilizando el método del Lloyd`s register mediante la siguiente expresión:
= .. Para: Ls (Long. línea de eje desde la caja de reducción) = 12.2 mts. L (eslora total) = 44 mts. S (factor de relación, gráfico 4) = 0,102 PLEH = 12.9 Tn
Teniendo en cuenta que el remolcador posee tres hélices:
3 * PLEH = 3 * 12.9 Tn = 38.7 Tn
peso estructural de cada línea de eje y hélice considerando también tubo de bocina, bujes y demás elementos estructurales.
Habiendo obtenido los datos necesarios, se podrá estimar el peso del buque vacío dado por la siguiente ecuación: PBV = Pcasco y Supest + PHab+Equ + PMaquinaria y adit + PLEH
PBV = 363.15 Tn
Habiendo estimado el peso del casco, resta por obtener el peso del porte bruto para estimar el desplazamiento total.
Estimación del porte bruto (DWT)
El DWT se encuentra determinado por:
peso del agua dulce potable
Peso Combustible Diesel
Peso del Aceite lubricante
peso de agua de lavado
Peso de víveres y pertrechos.
peso de Tripulación y efectos.
Estimación del Peso Combustible Diesel.
El peso del combustible que deberá disponer el remolcador, se halla en función del consumo específico de los motores principales y auxiliares y de la autonomía necesaria. El buque debe poseer una autonomía que le permita navegar 2400 millas (3984 Km) Según la ordenanza de prefectura, el buque debe navegar en la peor condición de aguas arriba como mínimo a 7 Km/h, por lo tanto, necesita de 569 horas para cumplir con las 2400 millas, esto equivale a 23 días de autonomía, teniendo en cuenta que cada motor tiene un consumo de 276 l/h y que cada generador necesita 27.4 l/h para operar, el consumo especifico por hora del conjunto de propulsores y generadores será de 882,8 l/h por lo tanto necesitará una capacidad de 502313 litros de combustible (502.3) m3 para poder cumplir con los 23 días de navegación o 2400 millas. Si se considera que el peso especifico del combustible diesel es de 0.85 Tn/m 3, entonces el peso total del combustible necesario es de 426.9 Tn., a los que se les agregará un 10% en función del peso de los tanques de uso diario exigidos por PNA.
=.. = Estimación del peso del agua dulce potable.
La capacidad de agua dulce puede ser estimada como:
= Con: K (consumo de agua por trip por día) = 150 lts N (cantidad de tripulantes) = 12 d (días de autonomía) = 23
= . = 41.4 Tn Estimación del Peso del Aceite lubricante.
La cantidad de aceite embarcado corresponderá a los 300 lts. de aceite lubricante necesarios para cada motor, mas el equivalente a dos cambios por cada uno, lo que arroja un valor total de 2.9 m3 de aceite destinados al propulsor y 1.45 disponibles para los motores auxiliares, de esta manera el aceite a bordo debe disponer de una capacidad de 4.35 m 3. Por lo tanto, teniendo en cuenta que el peso especifico del aceite es 0.9 Tn/m 3, se estiman:
. = 3.915 Tn = ,
Estimación del peso de agua de lavado.
Es el equivalente a tres cuartos del agua potable, por lo tanto:
= . = 31.05 Tn
Estimación del peso de víveres y pertrechos.
Este ítem puede estimarse mediante la siguiente expresión:
= Para: N (tripulantes) = 12 d (días de autonomía) = 23
= .
Estimación del peso de Tripulación y efectos
El peso de la tripulación y sus efectos pueden estimarse como 140 kg por persona lo que otorga:
= .
Determinación del Porte Bruto.
= DWT = 548.425 Tn
Determinación del desplazamiento
El desplazamiento está dado por la suma de el peso del buque vacío mas el DWT:
PBV = 363.15 Tn DWT = 548.425 Tn
∆ = = , Estimación del Peso de Lastre.
El agua de lastre reemplazará al combustible consumido con el fin de mantener las condiciones de calado optimas para el buen desempeño marinero del remolcador y el funcionamiento optimo de la helice, por lo tanto los tanques de lastre deberán tener una capacidad igual a la de los tanques de combustible distribuidos de manera conveniente para obtener las mejores condiciones de estabilidad, de manera que:
= 469 = 469 3
Plano de líneas
Para la confeccion del plano de líneas no existe una serie sistematica, ni archivos disponibles para poder utilizar como guía el plano de líneas de un buque semejante, razón por la cual el modelo se realizara en base a las líneas definidas en la publicación realizada por Marine Techonlogy donde se determinan algunas líneas de proa y popa en base a coeficientes definidos por la potencia, dimensiones principales, calado, entre otras. Cabe aclarar que las líneas de casco tanto del túnel como las de proa se realizaran en forma facetada teniendo en cuenta la facilitación en la construcción, debido a que la o ptimización de las
líneas generará un notable aumento de los costos y tiempos de fabricación difícilmente amortizables a corto plazo debidos a la mejora en el desempeño logrado. El diseño del túnel de popa se realiza en base a la sig. Figura
Donde se obtienen: L = 44 mts L1 = 20 mts ht = 2.97 mts Θ = 15
º L2 = 4.4 mts hte = 2.7 mts
En la figura de arriba se observan dos tipos de construcción bien diferenciados, el primero donde se encuentra el diseño de líneas finas e hidrodinámicas y el segundo, del tipo facetado en el cual se le brinda prioridad a la facilitación en la construcción. Arreglo general
El arreglo general se encuentra desarrollado en el anexo numero 2 Compartimentación clásica a) Pique de proa b) Tanques de combustible c) Alojamientos para tripulación d) Sala de maquinas e) Espacio para pañol f) Tanques de combustible o agua g) Pique de popa En algunos casos se disponen de tanques de combustible o lastre en forma lateral a lo largo de la eslora.
Puente de navegación
El mejor rendimiento humano en el trabajo se consigue con elementos de comando cuyo ordenamiento y ubicación respondan al subconciente, requiriendo así menores movimientos y menor cansancio
En la navegación de un tren de barcazas, es común que el comando este a cargo de un solo hombre, por lo tanto los equipos de navegación e instrumentos deben estar ubicados en forma tal que abarquen el área de observación del mismo sin esfuerzos y además deben estar lo suficientemente separados como para que dos personas, puedan operarlo separadamente El puente de navegación debe, en lo posible tener ventanas con vidrios polarizados en toda su periferia. La forma básica del pupitre de comando suele ser en forma de “U” o en sentido transversal al
puente.
Bibliografía.
River towboat hull and propulsión. B. Christopoulos and L. Latorre. Marine Technology, Vol 20, Nro 3, Julio 1983, pag. 209-216.
Apuntes de catedra de “Proyecto de buques” Prof. Ricardo Segade UTN FRBA
Design and trial of a new river towboat propeller. B Christopoulos and L. Latorre. Marine Technology, Vol 28, Nro 4, Julio 1991, pag. 236-246
Design of small fishing vessels, Edited by John Fyson
he wageningen Propeller Series. G. Kuiper, Mayo 1992.Dimensionamiento de Remolcadores, Ing. Naval Manuel Arnaldos.
Análisis of hull resistance of pushed barred in shallow water, Polish maritime Research. 1 (51) 2007, vol 14, pag 10-15, DOI 10.2478/v10012-007-0002-4. Tomasz Tabaczek, Jan Kulczyk, Maciej Zawislak, of Wroclaw University of Technology.
Rutas Fluviales, Subsecretaria de Vías navegables de la Dirección Nacional de Vias Navegables de la rep. Argentina.
Ordenanza Nº 2/92, Normas y criterios de estabilidad trasversal para buques. PREFECTURA NAVAL ARGENTINA.
A Tug & Barge System for Sea and River Service. Henk H. Valkhof*, Teun Hoogeveen**, Reint P. Dallinga*, Serge L. Toxopeus* and Timo F. Verwoest* * Maritime Research Institute the Netherlands (MARIN) ** Marine Heavy Lift Partners bv. (MHLP)
Apendice curvas de estabilidad
Linear Values 140.000 g e d 120.000 , s e n n o t 100.000 , 3 ^ s r 80.000 e t e m , 2 60.000 ^ s r e t e 40.000 m , s r e t 20.000 e m
0.000 0.000
LCB VCB LCF Mtrans Mlong
0.500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
Draft
Area Values 700.000
g e d , s e 600.000 n n o t , 3 500.000 ^ s r e t e 400.000 m , 2 ^ s r 300.000 e t e m200.000 , s r e t e m100.000 e r a u q 0.000 S
0.000
WetSurf Area WP
0.500
1.000
1.500 Draft
2.000
2.500
3.000
