Consideraciones sobre la propulsion con turbinas (waterjets).

Por Guillermo Gefaell, Ingeniero Naval.
Mayo 2007.

La propulsión a base de turbinas de agua.

Una embarcación con propulsión por turbina, o ‘waterjet’, avanza gracias a expeler hacia atrás un chorro (jet) de agua que sale por el extremo trasero de la turbina. Esta turbina absorbe el agua por una toma situada en el fondo de la embarcación, la acelera por medio de un impulsor, corrige la rotación del flujo por medio de un ‘estator’ y expulsa el agua por una tobera que reduce la sección de salida del chorro, acelerando aún más el agua por efecto Venturi. Según la tercera Ley de Newton, que indica que “Por cada acción hay una reacción igual y opuesta”, la embarcación se mueve hacia adelante, con una velocidad tal que hace que se iguale su cantidad de movimiento (masa por velocidad) con la cantidad de movimiento del chorro menos el efecto de la resistencia al avance.

El gobierno se consigue gracias a que la tobera es orientable, dirigiendo el chorro de salida hacia una banda o la otra, cambiando así la dirección del empuje y haciendo que la embarcación gire. Para ir en reversa se dispone un teja tras la tobera, que bajándola invierte la dirección del flujo de salida, dirigiéndolo hacia delante.

La propulsión por turbinas fue originalmente concebida por el italiano Secondo Campini en 1931, pero el que patentó y desarrolló la idea de forma comercial fue el neozelandés William Hamilton, a partir de 1954, cuya marca comercial es todavía hoy en día una referencia en el mercado mundial.

Los ‘Jetboats’, o barcos a chorro de agua, son altamente maniobrables, y en muchos modelos de turbinas se puede, yendo avante toda, invertir la dirección del flujo de agua, parando el barco en una distancia no superior a su eslora.

No hay límite al tamaño de las embarcaciones que pueden propulsarse por medio de turbinas, aunque en grandes potencias la propulsión convencional por medio de hélices es más económica, en general, que la de propulsión por turbinas. Por tanto los mayores barcos que montan turbinas son prácticamente siempre militares. La fragatas sudafricanas de la clase Valour (de aproximadamente 120 m de eslora), son los barcos mayores construidos hasta la fecha con este sistema de propulsión.

El uso más común de los sistemas de propulsión por turbina se da hoy en día en pequeñas y medianas embarcaciones de planeo, para las que su rango de velocidad óptimo se sitúe entre los 20 y los 40 nudos. Las turbinas tienen algo menos de eficiencia propulsiva que las hélices que se hayan optimizado para una velocidad determinada, pero, sin embargo, esta desventaja puede verse contrarrestada por la ausencia de los apéndices que una instalación de hélice requiere, tales como ejes, soportes, timones, etc. Por ello, la eficiencia global de una instalación a turbina puede llegar a ser incluso mayor que las de hélice, a velocidades superiores a los 20-25 nudos. A velocidades inferiores la resistencia de los apéndices tiene menos importancia relativa y los propulsores de hélice generalmente son más eficientes.

Ventajas específicas de la propulsión por turbinas

SEGURIDAD
Los esquiadores acuáticos, bañistas, buzos profesionales y aficionados, se ven libres de la amenaza que supone una hélice convencional. El riesgo de que el propulsor se dañe por colisión con objetos flotantes se minimiza y no hay una hélice expuesta que pueda coger cabos o líneas que se enrollen a ella. Las embarcaciones propulsadas por turbinas simplemente pasan sobre los cabos y líneas de pesca de artes caladas en la mar. Tiene acceso a aguas más someras, lo que es particularmente importante en zonas mareales, y se disminuye drásticamente el daño potencial al propulsor por varadas accidentales.

MENIOBRABILIDAD
Los barcos con propulsión por turbinas tienen una excelente maniobrabilidad, incluso a velocidad reducida debido al empuje vectorial del chorro de agua, que además se sitúa bien atrás del espejo de popa de la embarcación. El control avante-atrás se puede ajustar de forma muy precisa, variando de forma continua, incluso en condiciones severas de mar y viento.

ECONOMÍA
Las turbinas son ‘amables’ con los motores y las transmisiones. Una turbina bien adaptada a un motor y un casco permite que el motor opere a potencias de crucero óptimas, mejorando así el consumo de combustible y la vida del motor. En condiciones donde sean necesarias muchas maniobras de avante-para-atrás, el motor se fija a sus revoluciones óptimas y se actúa solamente sobre el deflector de salida, permitiendo una respuesta inmediata y perfectamente controlada. El mantenimiento básico consiste en comprobar el nivel de aceite de los cojinetes y comprobar el estado de los ánodos de sacrificio. Si se requiere dar mantenimiento, muchas de las piezas externas se pueden sustituir por el usuario en el agua, sin varar la embarcación, si fuese necesario. Si se opera en aguas relativamente limpias, se pueden esperar muchos años de servicio del impulsor. Todo esto conlleva unos bajos costos de mantenimiento y operación.

CONFORT
Comparadas con los sistemas a base de hélices convencionales, las turbinas reducen de una forma importante el ruido a bordo y las vibraciones. Las turbinas giran a velocidades más altas que las hélices y los impulsores están encapsulados en el conducto de la turbina, lo que reduce notablemente las vibraciones. Ya que el empuje se desarrolla dentro de la propia turbina y se transmite directamente al casco, los motores pueden fijarse siempre sobre apoyos flexibles, lo que disminuye aún más las vibraciones y el sonido.

MEDIO AMBIENTE
Los barcos con propulsión por turbinas tienen una ‘firma sonora’ menor que los que montan hélices. Esto es importante en aplicaciones militares, pero también es muy deseable en entornos donde la vida marina y otras consideraciones medioambientales deban ser cuidados. Y además de ser menos peligrosos para las personas, lo son también para los animales marinos, muy especialmente para los mamíferos, que a veces resultan seriamente dañados por las hélices.

OTRAS APLICACIONES
Las turbinas pueden ser también ideales para labores de remolque o de rescate, porque el máximo empuje está siempre disponible, incluso a las velocidades más bajas. Las embarcaciones con turbinas pueden acercarse más a otras embarcaciones varadas y como se dijo antes, las maniobras pueden realizarse con más seguridad y eficacia.

Las turbinas no deben, sin embargo, considerarse la panacea para todos los tipos de aplicaciones. Hay usos en que las hélices convencionales o especiales son más adecuadas. Hay que elegir con buen criterio cuál es el sistema de propulsión mejor en cada caso.

El comportamiento de las turbinas frente a las hélices convencionales

Los fabricantes de turbinas marinas seleccionan los impulsores para optimizar la potencia nominal y las revoluciones (rpm) que publican los fabricantes de motores en sus especificaciones técnicas y folletos. Para conseguir esto, se suele optimizar el conjunto motor-impulsor para aproximadamente una variación del 1% de las revoluciones del motor a plena potencia. El óptimo suele estar un 0,5% abajo de las revoluciones máximas.

Una turbina marina es básicamente una bomba de agua adecuada al par y la potencia del motor. La curva de absorción de potencia de un impulsor es muy predecible y sigue una regla cúbica en función de las rpm, que es independiente de la velocidad del barco.

El paso de las palas de un impulsor solamente tiene relación con la potencia del motor y tiene poca, si es que tiene alguna, relación con la velocidad del barco. Las prestaciones de los cascos de planeo depende predominantemente de la relación potencia/desplazamiento. La forma del casco, la eslora en flotación, la manga y la posición longitudinal del centro de gravedad de la embarcación también tienen influencia en la velocidad.

Una turbina marina nunca hace que las revoluciones del motor disminuyan por debajo de aquellas para las que han sido fijadas las características del impulsor. Condiciones que pueden ocurrir durante el servicio de la embarcación y que afectan a las revoluciones del motor, pero que no incrementarán la carga sobre él, son:

¿Qué pasa, por el contrario, cuando se usan hélices normales? Pues que como están diseñadas para una cierta velocidad específica, las condiciones adversas hacen variar las revoluciones del motor y lo sobrecargan.

El paso de una hélice se selecciona primariamente en función de la velocidad a alcanzar. Cuanto más rápido debe ir el barco, más paso deberá tener la hélice. Para embarcaciones de planeo este paso se selecciona para alcanzar la velocidad óptima a las revoluciones correspondientes a plena potencia del motor, más unas 50-100 rpm adicionales, o a veces más, a fin de prevenir la disminución de revoluciones que se producen por diversas causas.
Veamos unos ejemplos:

El impulsor de una turbina nunca causará una disminución de las revoluciones del motor por condiciones adversas de la mar y/o condiciones de carga de la embarcación.

Los diferentes tipos de casco y la propulsión por turbinas.

Cascos monohédricos
Los cascos monohédricos típicos (‘monohedron hulls’ en inglés), presentan el codillo paralelo a la línea de quilla (o al alefriz, si hubiese quillote), mas o menos a partir de la mitad de la embarcación hacia popa, creando así un ángulo de astilla muerta (o “V”) constante en esta zona del casco. Para uso con turbinas, el rango más eficiente del ángulo de astilla muerta en esta zona se sitúa entre los 8 y los 25 grados, siendo el más recomendable entre 12 y 18 grados. Sin embargo hay algunas aplicaciones en las que pueden ser usados ángulos menores de 8º.

Debido a que la resistencia al avance del casco aumenta con el ángulo de astilla muerta (cuyos valores más altos mejoran, en compensación, el comportamiento en olas), resulta que para igual potencia y sistema de propulsión instalados, los cascos más planos son más capaces de alcanzar mayores velocidades en aguas calmas que los de V profunda, pero resultan sin embargo poco confortables en cuanto hay algo de mar. Es aconsejable utilizar cascos monohédricos con ángulos de astilla muerta pequeños o moderados, si se quieren alcanzar velocidades superiores a 30 nudos.

La posición longitudinal del centro de gravedad es importante para alcanzar un trimado de planeo óptimo y una mayor eficiencia del casco. Superficies horizontales en la zona del codillo, así como la instalación de ‘junquillos’ de fondo, contribuyen también de forma significativa a aumentar la sustentación y reducir la resistencia.

Cascos de astilla variable
Los cascos de ángulo de astilla muerta decreciente, o astilla variable (‘warped hulls’ en inglés), presentan una línea de codillo que va disminuyendo su altura con respecto a la línea de quilla desde proa hasta popa de la embarcación. O sea, vistas de costado, ambas líneas tienden a converger verticalmente hacia la popa. Para usarlos con propulsión por turbina, estos cascos ofrecen mejores cualidades marineras y mayor capacidad de carga que los cascos monohédricos, presentando una curva de resistencia más uniforme (con ‘jorobas’ más suaves), por lo que planean mejor a potencias menores. Este tipo de formas se recomiendan para velocidades de crucero entre los 20 y los 30 nudos, o bien cuando se pretenda un casco ‘todo terreno’ capaz de dar buenos comportamientos en todo tipo de mares.

Los cascos de astilla variable tienden a producir un trimado más horizontal en marcha, especialmente cuando la velocidad de la embarcación aumenta. Este ángulo de trimado más plano incrementa la superficie mojada del casco, incrementando así la resistencia y limitando la velocidad, por lo que este tipo de cascos son poco adecuados para altas velocidades. La posición del centro de gravedad es aquí también importante, ya que debe ser situado de tal forma que evite que la roda se hunda en la superficie del mar y cause una pérdida de control direccional que puede resultar peligrosa. La posición del centro de gravedad se suele especificar como un porcentaje de la eslora en flotación, medido desde la mitad de la flotación, para la flotación en reposo (negativo hacia popa y positivo hacia proa), o bien desde el espejo de popa.

También en este caso las superficies de codillo y los junquillos de fondo tienen su importancia para producir sustentación y reducir la resistencia.

Cascos de semi-desplazamiento
Las turbinas se pueden utilizar también en cascos de semi-desplazamiento o incluso de desplazamiento, cuando sus beneficios (bajo calado, ausencia de hélice expuesta que se dañe, excelente maniobrabilidad a baja velocidad, baja firma acústica y vibraciones, seguridad para las personas o los mamíferos marinos, bajo mantenimiento, simplicidad y alta durabilidad) son importantes o esenciales en la operación de la embarcación.

Los cascos de semi-desplazamiento, también llamados de semi-planeo, son muy comunes en las embarcaciones de trabajo. Típicamente tienen un largo quillote total o parcial y unas secciones en V profunda a proa, que se prolongan bastante hacia atrás, casi hasta la cuaderna maestra, así como una relativa pequeña astilla muerta a popa. También suelen presentar mangas anchas en la zona de popa, para proporcionar una gran superficie de trabajo en cubierta. Podría pensarse que este tipo de cascos no son los más adecuados para su uso con turbinas, pero sin embargo puede llegar a conseguirse una configuración adecuada al pequeño calado a popa y a la disposición general de la embarcación. Las embarcaciones con este tipo de cascos suelen tener velocidades de crucero entre los 15 y los 25 nudos.

Cascos de desplazamiento
Los cascos de desplazamiento son adecuados para llevar grandes cargas, y se desplazan por el agua a velocidades no superiores a lo que se suele conocer como ‘velocidad de casco’, que viene a ser del orden del 80% de la eslora de flotación medida en metros, con el resultado expresado en nudos. Las turbinas diseñadas para embarcaciones de planeo no son generalmente la mejor solución para las embarcaciones de desplazamiento, para las que se requiere turbinas de gran diámetro del impulsor que muevan importantes volúmenes de agua, es decir que proporcionen gran empuje más que alta velocidad. Las embarcaciones de desplazamiento que requieran el uso de turbinas deberían usar turbinas especialmente diseñadas para ello, tipo ‘tractor’, pero éstas son bastante más caras que las turbinas diseñadas para la velocidad.

Los multi-cascos
Las embarcaciones multi-casco a motor usualmente son del tipo catamarán o trimarán, aunque para grandes buques se está pensando incluso en pentamaranes. La instalación de un motor y una turbina en cada casco de un catamarán es una disposición muy habitual, mientras que en los trimaranes la propulsión se instala solo en el casco central. Este tipo de cascos tienden a tener una gran relación eslora manga y requieren de una predicción de potencia-velocidad diferente de la de los monocascos. En general este tipo de embarcaciones se utiliza para embarcaciones veloces, dada su relativamente baja capacidad de carga frente a las embarcaciones de desplazamiento. El uso de formas similares a las de los monocascos monohédricos y a los de astilla variable, con secciones simétricas y ángulos de astilla muerta de 10 a 18 grados, es lo más indicado para su uso con turbinas.

Cascos especiales
En los cascos que utilizan el aire como colchón, o para disminuir la fricción (caso de los cascos con saltillos, por ejemplo), puede fácilmente producirse aireación en las turbinas, lo que lleva a una disminución de empuje y una aceleración del motor, de forma similar a lo que se produce en un coche cuando embrague patina. Esto limita la utilización de la potencia disponible y se obtendrá un pobre resultado, además de que se produce un mayor deterioro del motor.

Preparación/diseño del casco para la instalación de una turbina.

Cuando se está diseñando o preparando un casco existente para la instalación de una turbina, deben tenerse en cuenta los siguientes puntos:

Consideraciones sobre el trimado de la embarcación.