tesis PORTADA 1 - Tesis Electrónicas UACh

Universidad Austral de Chile
Facultad de Ciencias de la Ingeniería
Escuela de Ingeniería Naval
“ANÁLISIS DE POTENCIA PROPULSIVA DE UNA
LANCHA DE 15 METROS DE ESLORA.”
Tesis para optar al título de:
Ingeniero Naval.
Mención: Arquitectura naval.
Profesor Patrocinante:
Sr. Carlos Sanguinetti Villanueva
Ingeniero Naval
Licenciado en Ingeniería Naval
Mención Construcción Naval
M.Sc. en Ingeniería Oceánica
CARLOS ROBINSON URIBE RUIZ
VALDIVIA – CHILE
2010
Esta Tesis ha sido sometida para su aprobación a la Comisión de Tesis, como
requisito para obtener el grado de Licenciado en Ciencias de la Ingeniería.
La Tesis aprobada, junto con la nota de examen correspondiente, le permite al
alumno obtener el título de Ingeniero Naval, mención Arquitectura Naval.
EXAMEN DE TITULO:
Nota de Presentación (Ponderada) (1)
: ............................
Nota de Examen (Ponderada) (2)
: ............................
Nota Final de Titulación (1 + 2)
: .............................
COMISION EXAMINADORA:
---------------------------------------------
-------------------------------------
Decano
---------------------------------------------
Firma
--------------------------------------
Patrocinante
----------------------------------------------
Firma
--------------------------------------
Informante
-----------------------------------------------
Firma
--------------------------------------
Informante
------------------------------------------------
Firma
---------------------------------------
Secretario Académico
Firma
Valdivia,.......................................................................................................................
Nota de Presentación = NC/NA * 0,6 + Nota de Tesis * 0,2
Nota Final = Nota de Presentación + Nota Examen * 0,2
NC = Sumatoria Notas de Currículo, sin Tesis
NA = Número de asignaturas cursadas y aprobadas, incluida Práctica Profesional.
Dedicada
A mis padres y a mis hermanas Karla y Valesska, por darme apoyo y confianza
durante toda mi educación, por estar siempre preocupados de todo lo que me pasara
y enseñarme valores, gracias a ellos a Dios soy lo que soy hoy en día; A todos ellos
muchas gracias.
Agradecimientos
A los profesores Carlos Sanguinetti y Nelson Pérez, por guiarme y ayudarme en el
desarrollo de esta tesis.
A todas las personas que me brindaron apoyo, paciencia y amistad en la elaboración
de esta tesis, en especial a don Luis Castro por su apoyo, amistad y principalmente
su simpatía en la realización de los ensayos en Tanque de Pruebas; Además por
estar siempre dispuesto a enseñar lo que sabe respecto del área.
A todos los docentes que durante mi educación, me han aportado sus conocimientos,
para hacer de mí una mejor persona y hacer de Chile un país mejor.
A mis compañeros y grupo de trabajo durante mi vida académica; Carlos Parra y
Francisco Ramírez, por formar un buen grupo de trabajo, por la amistad y por el
aporte de conocimiento que cada uno de ellos ha dejado en mi persona.
A mi amigo Ricardo Ríos por su colaboración en esta tesis y en el transcurso de la
carrera.
i
ÍNDICE
RESUMEN
iii
ABSTRACT
iv
NOMENCLATURA
v
INTRODUCCIÓN
vii
CAPÍTULO I: PREPARACIÓN PARA ENSAYO DE POTENCIA PROPULSIVA.
1.1 Generalidades.
1
1.2 Construcción del modelo.
1
1.2.1 Materiales de construcción del modelo empleados.
2
1.2.2 Especificaciones del modelo.
5
1.3 Condición de desplazamiento a estudiar.
5
1.4 Marcas de calado y desplazamiento del modelo.
7
1.5 Colocación de estimuladores de turbulencia.
7
1.6 Ubicación del punto de remolque.
10
1.7 Verificar si existe bloqueo de paredes y del fondo del canal.
11
1.8 Tensión superficial y velocidad de remolque.
14
1.9 Calibración del canal.
14
1.10 Mediciones de la Tº del agua del canal al momento del ensayo.
15
CAPÍTULO II: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE RESISTENCIA AL AVANCE.
2.1 Objetivos.
16
2.2 Generalidades.
16
2.3 Características principales del laboratorio de hidrodinámica naval.
17
2.4 Descripción general de la embarcación.
18
ii
2.5 Descripción general del modelo.
20
2.6 Ensayo de resistencia al avance.
20
2.7 Resultados de las mediciones de los ensayos.
21
CAPÍTULO III: PRONOSTICO MEDIANTE ENSAYOS DE LA POTENCIA DEL
PROTOTIPO EN CONDICIÓN DE PRUEBAS.
3.1 Generalidades.
23
3.2 Consideraciones al momento de determinar la resistencia de casco
desnudo del prototipo mediante ensayos con modelos.
23
3.3 Resistencia del buque en condición de viajes de pruebas, RtVP.
24
3.4 Resumen de los resultados obtenidos de la extrapolación.
25
3.5 Resistencia total del buque en condición de pruebas.
25
3.6 Curva de EHP del buque en condición de pruebas.
27
3.7 Curva de potencia al freno (BHP) del buque en condición de pruebas.
28
CAPÍTULO IV: COMPARACIÓN ENTRE EL PRONÓSTICO MEDIANTE ENSAYOS
Y LAS MEDICIONES DEL VIAJE DE PRUEBAS.
4.1 Objetivos.
31
4.2 Mediciones en el viaje de prueba.
31
4.3 Pronóstico mediante ensayos comparado con mediciones del
viaje de pruebas.
32
4.4 Comparación de la resistencia al avance de la embarcación en
estudio con una base de datos.
34
CONCLUSIONES.
37
BIBLIOGRAFÍA.
38
iii
RESUMEN.
Se realizó un estudio de la potencia propulsiva de una embarcación de
pasajeros, proyectada por una empresa privada, la cual una vez construida no
alcanza la velocidad deseada por el armador. El armador y otras personas de
experiencia opinan que la embarcación con los motores que posee, debería entregar
una velocidad mayor. Para analizar esta controversia técnica se construyó un modelo
a escala, el cual se ensayó en el Canal de Pruebas perteneciente al Instituto de
Ciencias Navales y Marítimas de la Facultad de Ciencias de la Ingeniería de la
Universidad Austral de Chile, Para dicho ensayo se tomaron las consideraciones y
recomendaciones dadas por la ITTC (International Towing Tank Conference), para la
preparación y ensayos de remolque con modelos a escala.
Durante el estudio experimental de resistencia al avance se tomaron
mediciones de velocidades y resistencia del modelo a escala, las que fueron
extrapoladas, para finalmente calcular la potencia propulsiva de la embarcación en
viaje de pruebas; El método de correlación utilizado fue el método de Froude y la
línea de fricción la de la ITTC de 1957.
Finalmente, con los resultados obtenidos a partir de la extrapolación de los
valores que entregó el canal de pruebas y la información que proporcionó el armador
en cuanto a potencia y velocidad que la embarcación entrega en navegación, se
realizaron comparaciones para analizar cuanto se alejan los resultados en
navegación a lo que se pronosticó, para dar certeza que el funcionamiento del
conjunto casco, planta propulsora, propulsor es el adecuado.
Además a modo de complemento, se realizó una comparación con otras
embarcaciones, debido a que se tiene una serie de datos de embarcaciones con
características similares, para un mismo
√
y desplazamiento; la idea de esto es
saber si la embarcación se encuentra ubicada en una zona en la cual podamos
considerar que tiene una resistencia al avance normal, o, si puede deberse más bien
a diferencias de diseño.
iv
ABSTRACT.
A study of the propulsive power of a passengers boat was carried out, which at
present does not present the speed wished by the shipbuilder, being who the
shipbuilder and other people of experience think that the boat with the motors whom it
owns, would have to give a greater speed. For it a model on scale was constructed,
which was tested in the Channel of Tests pertaining to the Institute of Naval sciences
and Marine of the Faculty of Sciences of the Engineering of the Austral University of
Chile, For this test took the considerations and recommendations given by the ITTC,
for the preparation and tests of tow with models on scale.
During the experimental study of drag measurements from speeds and
resistance of the model on scale were taken, those that were extrapolated, so that
finally the propulsive power of the boat in trial run is foretold; The used method of
correlation was the method of Froude and the line of friction the one of the ITTC of
1957.
Finally, with the results obtained from the extrapolation of the values that gave
the channel of tests and the information that the shipbuilder as far as power provided
and speed that the boat gives in navigation, comparisons were realised to analyze
whatever move away the results in navigation to which it was foretold, to give
certainty that the operation of the joint helmet, power plant, propulsive is the suitable
one.
In addition as a complement, a comparison with other boats was realised,
because a series of data of boats with similar characteristics is had, for a same
√
and displacement; the idea of this is to know if our boat is located in a zone in which
we pruned to consider that it has a normal drag.
v
NOMENCLATURA.
Loa:
Eslora total, en metros.
LWL:
Eslora de la línea de agua, en metros.
BWL:
Manga de la línea de agua, en metros.
TPR:
Calado en proa, en metros.
TPP:
Calado en popa, en metros.
TM:
Calado medio, en metros.
∆b:
Desplazamiento de la embarcación, en toneladas métricas.
(SM) b: Superficie mojada del buque, en m2.
(SM) m: Superficie mojada del modelo, en m2.
LCF:
Posición longitudinal del centro de flotación, en metros.
LCB:
Posición longitudinal del centro de empuje, en metros.
λ:
Factor de escala.
Cb:
Coeficiente de block.
CM:
Coeficiente de la sección maestra.
CP:
Coeficiente prismático longitudinal.
∆m:
Desplazamiento del modelo, en kilogramos.
Vb:
Velocidad del buque, en m/s.
Fn:
Número de Froude,
Vm:
Velocidad del modelo, en m/s.
Rtm:
Resistencia total del modelo, en kilogramos.
Rnm:
Número de Reynolds del modelo,
LWLm:
Eslora de la línea de agua del modelo, en metros.
ν:
Viscosidad cinemática, en m2/s.
Cfm:
Coeficiente de fricción del modelo.
vi
Rfm:
Resistencia de fricción del modelo, en kilogramos.
Rrm:
Resistencia residual del modelo, en kilogramos.
Rnb:
Numero de Reynolds del buque,
LWLb:
Eslora de la línea de agua del buque, en metros.
Cfb:
Coeficiente de fricción del buque.
Rfb:
Resistencia de fricción del buque, en kilogramos.
[Rtb]NH: Resistencia de total del buque en casco desnudo, en kilogramos.
Rap:
Resistencia por apéndices, en kilogramos.
Raire:
Resistencia por aire, en kilogramos.
[Rt]VP: Resistencia total del buque en viaje de prueba, en kilogramos.
ηp:
Rendimiento propulsivo.
EHPVP: Potencia efectiva en viaje de prueba, en C.V.
vii
INTRODUCCIÓN.
Entre muchos problemas que deben enfrentarse al momento de diseñar un
barco nuevo, está la necesidad de resolver, entre otros, la forma del casco y el
arreglo de propulsión. Un buen acoplamiento del casco-motor-hélice es fundamental
en una buena solución al problema propulsivo del buque.
La resistencia total al avance tiene directa relación con el problema de
propulsión y por ende, con los costos de operación de la nave, por lo tanto, su
determinación es de suma importancia.
Los ensayos que permiten optimizar hidrodinámicamente los diseños navales
se efectúan comúnmente en canales con modelos a escala, estos ensayos se
enfocan en alcanzar mayores niveles de eficiencia hidrodinámica optimizando la
forma del casco, permitiendo al diseñador obtener mayores velocidades con menores
potencias, lo que reduce el costo del motor requerido y el consumo de combustible.
Históricamente, el primero en hacer investigaciones especializadas fue William
Froude que en 1868 publicó su “Ley de Comparación”, estableciendo que la relación
entre la resistencia residual de buques de dimensiones similares debida a la
formación de olas era igual al cubo de la relación de dimensiones lineales, esto es denominada escala, si sus velocidades estaban relacionadas con la raíz cuadrada de
esta “escala”.
La necesidad de conocer la resistencia friccional o de origen viscoso lo llevó a
realizar investigaciones utilizando placas planas completamente sumergidas,
encontrando una formulación empírica, lo que le permitió desarrollar la metodología
de modelación y extrapolación de resultados al prototipo.
El profundo interés de William Froude se tradujo en la construcción de un
canal de pruebas en un terreno de su propiedad cerca de la localidad de Torquay,
Inglaterra, considerándose éste el primero de su tipo y precursor de las instalaciones
existentes hoy día.
viii
Canal de Pruebas en Torquay
En el presente trabajo se estudia de manera experimental la potencia
propulsiva de una embarcación de pasajeros, la cual en la actualidad no presenta la
velocidad deseada por el armador; este análisis nos permitirá hacer un pronóstico de
la potencia propulsiva de la embarcación en viaje de pruebas y compararlo con las
pruebas de mar.
1
CAPÍTULO I
PREPARACIÓN PARA ENSAYO DE POTENCIA PROPULSIVA.
1.1- Generalidades.
Antes de realizar un estudio de potencia propulsiva de una embarcación, se
debe tener en cuenta que hay una serie de parámetros que muchas veces
despreciamos, pero que es muy importante tenerlos presentes al momento de
realizar un estudio experimental. Algunas consideraciones que debemos tener en
cuenta antes de realizar un ensayo son las siguientes:
•
Construcción del modelo.
•
Condición de desplazamiento a estudiar.
•
Marcas de calado y desplazamiento del modelo.
•
Colocación de estimuladores de turbulencia.
•
Ubicación del punto de remolque.
•
Verificar si existe bloqueo de paredes y del fondo del canal al ensayar.
•
Tensión superficial y velocidad de remolque.
•
Calibración del canal.
•
Medición de la temperatura del agua del canal, al momento del ensayo.
1.2.- Construcción del modelo.
El requisito básico, es que el modelo debe ser geométricamente similar a la
nave, principalmente la parte que está en contacto con el agua. El modelo se
construyó basándose en las recomendaciones dadas por la ITTC, para la
construcción de modelos (documento 7.5-01-01-01), “Model Manufacture”. La
construcción se realizó de forma artesanal, trazando planos paralelos o líneas de
agua (método de las líneas de agua), cuyos planos fueron adheridos con
pegamentos adecuados, luego se continuó con el alisamiento de las formas y
finalmente se obtuvo un mejor acabado aplicando un recubrimiento epóxico en toda
su superficie, para finalmente ser pulidas con lija al agua, controlando las formas por
cuadernas exteriores. El factor de escala del modelo que se utilizó fue λ =13, por un
2
motivo de facilidad de construcción, restricciones por bloqueo con las paredes del
canal, mayor precisión de los resultados y optimización de materiales.
La relación de escala λ =13, es una relación bastante baja por lo tanto, existe
menos margen de error al momento de extrapolar los resultados, sin embargo se
debe tener cuidado al escoger una relación de escala baja, pues nuestro modelo
puede quedar con dimensiones muy grandes e inapropiadas, lo que podría provocar
la presencia de bloqueo por las paredes del canal, es decir, el modelo debe
generalmente ser tan grande como sea posible para que el tamaño del tanque de
remolque con respecto a efectos de pared, a agua baja y a la velocidad máxima de
remolque, no provoquen inconvenientes al realizar el ensayo.
1.2.1.- Materiales de construcción del modelo empleados.
Para la construcción del modelo se emplearon los siguientes materiales los
cuales han sido recomendados por la ITTC:
•
El material utilizado para la construcción del modelo fue, tableros de pino
insigne de 18mm x 1,02 mt. x 2,44 mt, los cuales fueron unidos por un
pegamento adecuado; Una vez que obtuvo la forma, se aplicó una capa de
recubrimiento epóxico para obtener una superficie impermeable y evitar que
agua penetre el casco, aumentando el desplazamiento del modelo y
deformándolo (ver figura 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 y 1.5).
•
Lija para madera y lija al agua. El alisamiento de las superficies se llevó a
cabo con lija de madera y al agua N° 300, por estar
dentro del rango que
recomienda la norma ITTC para construcción de modelos (el número de
granos de la lija debe encontrase entre el rango N° 300 y N° 400).
•
La recomendación de la ITTC utilizada para identificar secciones fue el
sistema de enumeración de secciones desde la popa con sección 0, hasta
proa con la sección 13, todas enumeradas positivamente hacia proa.
•
La ITTC recomienda las siguientes tolerancias para la construcción del
modelo:
a) Manga (Y) ± 1,0 mm
b) Puntal (Z) ± 1,0 mm
c) Eslora (X) ± 1,5 mm.
3
Figura 1.1: Proceso
P
de construcción definido
o mediante líneas de agua.
Figura 1.2: Pegado
egado de los planos y aplicación de formas.
4
Figura 1.3: Aplicación de masilla epóxica.
Figura 1.4: Aplicación de masilla epóxica y alisamiento de formas mediante lija al
agua.
Figura 1.5: Modelo pintado, con las marcas de calado, desplazamiento y secciones
correspondientes.
5
1.2.2.- Especificaciones del modelo.
Las características principales del modelo a escala son las que se presentan a
continuación:
Loa
1,192
m
LWL
1,004
m
BWL
0,354
m
TPR
0,079
m
TPP
0,103
m
TM
0,091
m
∆m
18,176
Kg
(SM)m
0,406
m2
LCF
LCB
λ
- 0,108 (*)
-0,108 (*)
13
m
m
(*) Referido a la sección maestra, el signo menos (-) indica hacia popa.
1.3.- Condición de desplazamiento a estudiar.
Los experimentos fueron realizados para la condición más desfavorable de
carga en la embarcación real, la cual consiste en la condición de zarpe “100%
consumible y 100% pasajeros (35 pasajeros)”; A continuación se presenta en la
figura 1.6 la condición ya mencionada, extraída del informe de estabilidad realizado
en el proyecto de la embarcación. Analizar la condición más desfavorable nos
permitirá que una condición diferente en el desplazamiento (desplazamiento menor)
se obtenga una resistencia total menor y por lo tanto se necesite una menor potencia
para obtener una determinada velocidad, por lo tanto, cualquier condición diferente
de carga generará una cierta ganancia de velocidad.
6
CONDICIÓN - ZARPE - 100 % CONSUMOS - 35 PASAJEROS
Calado Proa
Calado Medio
Calado Popa
LCG
1,027
m
1,181
m
1,335
m
-1,407 (*)
KG
GM
GMcorr
KMT
1,840
1,095
1,095
2,935
m
m
m
m
(*) Referido a la sección maestra, el signo menos (-) indica hacia popa.
Ítem
DESPLAZAMIENTO LIVIANO
PESO MUERTO
DESPLAZAMIENTO TOTAL
Peso (ton)
33,79
7,14
40,93
LCG (m)
-0,990 (*)
-3,378 (*)
-1,407 (*)
KG (m)
1,758
2,227
1,840
Peso (ton)
33,79
2,25
0,38
0,08
0,15
0,15
0,15
0,20
37,14
LCG (m)
-0,990 (*)
-3,250 (*)
3,000 (*)
-5,000 (*)
-3,250 (*)
3,500 (*)
-2,000 (*)
-2,000 (*)
-1,095 (*)
KG (m)
1,758
3,500
1,350
1,350
3,500
3,650
1,350
3,500
1,881
FRESH WATER (SpGr 1,000)
Tank Name
AGUA DULCE ESTRIBOR
AGUA DULCE BABOR
Subtotals:
Load (%)
100%
100%
100%
Peso (ton)
0,55
0,55
1,10
LCG (m) KG (m)
-5,571 (*) 0,792
-5,571 (*) 0,792
-5,571 (*) 0,792
DIESEL OIL (SpGr 0,870)
Tank Name
COMBUSTIBLE
Subtotals:
Load (%)
100%
100%
Peso (ton)
2,69
2,69
LCG (m) KG (m)
-4,000 (*) 1,700
-4,000 (*) 1,700
Load (%)
Peso (ton)
3,79
LCG (m) KG (m)
-4,457 (*) 1,436
Fixed Weight Status
Ítem
DESPLAZAMIENTO LIVIANO
30 PASAJEROS HABITAB. SUPERI.
05 PASAJEROS CAMAROTES
01 TRIP. ACOMODACIONES
02 TRIP. HABITAB. SUPERIOR
02 TRIP. PUENTE GOBIERNO
02 TRIP. SALA MAQUINA
VIVERES
TOTAL PESOS FIJOS
Tank Status
ALL TANKS
Totals:
Figura 1.6: Condición de carga estudiada.
7
1.4.- Marcas de calado y desplazamiento del modelo.
La línea correspondiente al calado y desplazamiento en estudio se encuentra
a 80,8 mm desde la línea base en la sección 12 (proa) y a 102,7 mm en la sección 0
(popa), ver figura 1.7.
Figura 1.7: Línea de desplazamiento a ensayar.
1.5.- Colocación de estimuladores de turbulencia.
Con el fin de estimular el flujo turbulento a lo largo del modelo se colocaron 14
pins, 7 por cada banda del modelo. Estos pins tienen un diámetro 1/8”, los cuales
sobresalen 1/10” desde el casco, con una distancia entre pins de 1” y separados
desde la roda a 2 cm, cuyo valor fue obtenido del gráfico de estimulación de
turbulencia del ship Report N° 10 del NPL (Hughes), en el cual se ingresa con el
valor de la eslora del modelo en metros y con el valor del ½ del ángulo de entrada,
ver figura 1.8, 1.9, 1.10 y 1.11.
Estos estimuladores de turbulencia deben colocarse debido a que nuestro
modelo se podría encontrar en un régimen turbulento y las extrapolaciones podrían
arrojar algún error si no se colocaran; Estos estimuladores pueden ser de pernos,
puntas de clavos, alambres y de tiras de grano de arena, según lo que recomienda
la International Towing Tank Conference. En nuestro caso los estimuladores
utilizados fueron puntas de clavos de alambres.
8
Figura 1.8: Gráfico
Gráf
de estimulación de turbulencia del ship Report N° 10 del NPL
(Hughes).
Figura 1.9:: Aplicación de los estimuladores de turbulencia
turbulencia, vista transversal.
9
Figura 1.10: Aplicación de los estimuladores de turbulencia.
Figura 1.11: Aplicación de los estimuladores de turbulencia, vista de perfil.
10
1.6.- Ubicación del punto de remolque.
Este es un punto muy importante de determinar, ya que una mala
determinación de este podría provocar que el modelo se ensaye de una manera
inapropiada de navegación y esto podría arrojar errores en la determinación de la
resistencia total, debido a que la fuerza de remolque podría generar un momento que
implique algún trimado significativo en el modelo, por lo tanto este punto debe
situarse
lo más cerca posible de la posición vertical del centro de presión
hidrodinámica, en la condición de carga a estudiar. En este caso el punto de
remolque del modelo se ubicó a 13 cm por encima de la línea de flotación; lo que
generó un trimado de 1,26 cm en el modelo, que corresponde a un aumento de un
9,6% del calado en proa y una disminución de 5% en el calado de popa, con
respecto a la fuerza máxima de remolque, por lo tanto se puede despreciar, ya que
esta se comporta como una embarcación de desplazamiento; Ver figura 1.12 y 1.13.
Figura 1.12: Determinación del punto de remolque.
11
Figura 1.13: Línea de remolque.
1.7.- Verificar si existe bloqueo de paredes y del fondo del canal.
Se define como efecto de borde o bloqueo de paredes, al aumento en la
resistencia registrada en los ensayos con modelos en canales de sección
rectangular, respecto a la que se mide en aguas abiertas para la misma velocidad.
Este incremento en la resistencia está asociado con las limitaciones que
impone la geometría del canal: la distancia entre las paredes y el modelo, y la
profundidad del fondo. Estos elementos restringen y modifican las condiciones de
flujo alrededor del modelo y en el régimen de generación de olas, dando lugar a un
fenómeno conocido como efecto de bloqueo.
12
En los ensayos de canales de pruebas, se debe tener cuidado con el bloqueo
de las paredes del mismo sobre el casco del modelo, este fenómeno
puede
aumentar la resistencia total del modelo o disminuir su velocidad, lo que arrojaría
resultados erróneos, por lo tanto las dimensiones del canal deben ser bastante
grandes en relación al modelo, para evitar la obstrucción por las paredes del canal.
Sin embargo existen gráficos que establecen correcciones por pérdidas de velocidad
si fuese necesaria, entregando la pérdida de velocidad en porcentajes.
Para estimar la pérdida de velocidad por efectos de bloqueo del canal se
utilizó “el gráfico de Schlichting para la reducción de velocidad en aguas poco
profundas” del libro PRINCIPLES OF NAVAL ARCHITECTURE, el cual entrega el
porcentaje de pérdida de velocidad, en función de la total, ver figura 1.14.
Figura 1.14: gráfico de pérdida de velocidad de Schlichting.
Donde:
AX = área sección maestra del modelo, m2
RH = radio hidráulico (para canales), RH = A0/Pm, m
V = velocidad del modelo, m/s
g = aceleración de gravedad, m/s2
13
h = profundidad del canal, m
A0 = área transversal del canal (AC) menos la de sección maestra del modelo (AM).
A0 = AC - AM, m2
Pm = perímetro de la sección transversal del canal más el de la maestra
(Sin considerar la línea de superficie de agua), m.
Para el caso en estudio resulta:
AX = 2,225 X 10-2 m2
h = 1,80 m
V = 1,855 m/s
AC = 5,4 m2
A0 = 5,378 m2
Pm = 7,136 m
RH = 0,7536 m
Se debe dar cuenta que la velocidad del modelo que se utiliza es la velocidad
máxima, pues es la condición más desfavorable para que exista bloqueo.
Analizando el bloqueo se tiene que:
0,02225
√
0,7536
√
0,1979
1,855
9,811,8
0,194
Con estos valores se ingresa al gráfico de Schlichting y se puede ver que no
existe bloqueo por las paredes del canal, por lo tanto no será necesaria la corrección
por pérdida de velocidad.
14
1.8.- Tensión superficial y velocidad de remolque.
La tensión superficial es el fenómeno por el cual la superficie de un líquido
tiende a comportarse como si fuera una delgada película elástica. En un canal de
pruebas es necesario romper esta tensión superficial para poder recrear de manera
más próxima el comportamiento del fluido alrededor del prototipo. La recomendación
es ensayar a velocidades sobre 0,5 m/s, ya que a esta velocidad es posible romper la
tensión superficial alrededor del modelo.
La velocidad menor de ensayo en nuestro estudio es de 0,997 m/s, que
corresponde a una velocidad de 7 nudos en el prototipo. Esta velocidad de ensayo es
superior a la mínima recomendada para romper la tensión superficial, por lo tanto,
según esto no deberían surgir valores cuestionables por efecto de este fenómeno
sobre el análisis experimental.
Con respecto a la velocidad máxima de ensayo es de 1,7 m/s, que
corresponde a una velocidad de 12 nudos en el prototipo. Esta velocidad es menor a
la velocidad máxima de remolque del canal de 3,5 m/s. Por lo tanto el rango de
velocidad del ensayo a ejecutar no presenta limitantes.
1.9.- Calibración del canal.
Este es un punto de suma importancia debido a que si el equipo o los equipos
están mal calibrado, arrojará una serie de errores, tanto en la resistencia como la
velocidad, por este motivo es que todos los dispositivos usados para la adquisición
de datos, se deben calibrar regularmente y debe estar de acuerdo con el
procedimiento recomendado por ITTC 7.6-01-01, la cual establece lo siguiente:
•
La calibración del dinamómetro de la resistencia y de los sensores
y la
velocidad con que mueve el cable deben ser calibrados antes de cada prueba.
•
Antes de que la prueba comience, las lecturas cero de todos los instrumentos
se toman.
•
Los ceros se deben comprobar entre cada ensayo para asegurarse que no ha
ocurrido ninguna variación.
15
1.10.- Mediciones de la temperatura del agua del canal al momento del ensayo.
En todos los ensayos es muy importante medir la temperatura del agua,
debido a que de esta dependerá la densidad y viscosidad cinemática del agua y
estas a su vez influirán en la resistencia total del modelo.
La temperatura del agua se debe medir en una profundidad cerca de la mitad
del calado del modelo (según recomienda la ITTC); Si hay una medida no
homogénea en el tanque debe ser registrada, las medidas de la temperatura se
deben registrar al principio y el fin de cada secuencia de prueba.
En nuestro laboratorio utilizamos un termómetro de mercurio, el cual está
calibrado a los estándares del fabricante.
Como se mencionó anteriormente la temperatura influye en la densidad y
viscosidad del agua y estas fueron calculadas de acuerdo a las tablas suministradas
en el procedimiento ITTC “7.5-02-01-03. Density and Viscosity of Water”, cuyos
valores se calcularon con una temperatura de 13 °C al momento de la medición.
16
CAPÍTULO II
ESTUDIO EXPERIMENTAL DE RESISTENCIA AL AVANCE.
2.1- Objetivos.
El objetivo de este trabajo es estudiar la potencia propulsiva de una
embarcación de pasajeros, la cual en la actualidad no presenta la velocidad deseada
por el armador, siendo que el armador y otras personas de experiencia opinan que la
embarcación con los motores que posee, debería entregar una velocidad mayor.
En este trabajo se realizaran mediciones de velocidades y resistencia al
avance del modelo a escala, las cuales serán extrapoladas para lograr finalmente la
potencia efectiva (EHP) de la embarcación en viaje de prueba. Con esta
investigación se logrará proporcionar al armador la información necesaria sobre la
potencia requerida para diversas velocidades y se determinará (en el capítulo
siguiente), si los motores están entregando toda la potencia a las hélices.
2.2- Generalidades.
Como ya se mencionó anteriormente, para la realización del estudio
experimental, se construyó un modelo de madera, de formas geométricas semejante,
principalmente en la parte que está en contacto con el agua, con un factor de escala
λ =13, los ensayos fueron realizados para la condición más desfavorable de carga
en la embarcación real, que consiste en la condición de zarpe “100% consumible y
100% pasajeros (35 pasajeros)”, en la cual la embarcación tiene un ∆= 40,93 ton; por
lo que nuestro modelo tiene un ∆m = 18,176 Kg, esas mediciones fueron tomadas
para un rango de velocidades de 7 Kn a 12 Kn.
El método de correlación utilizado fue el método de Froude y la línea de
fricción de la ITTC de 1957.
El estudio experimental se llevó a cabo en el Canal de Pruebas perteneciente
al Instituto de Ciencias Navales y Marítimas de la Facultad de Ciencias de la
Ingeniería de la Universidad Austral de Chile.
17
2.3- Características principales del laboratorio de hidrodinámica naval.
Este laboratorio fue construido en el año 1972 y hasta la fecha es el único en
Chile. Esta instalación cuenta con un tanque de 45 metros de largo por 3 metros de
ancho y con una profundidad de 2 metros, llegando el nivel de agua hasta la altura
de 1,8 m, ver figura 2.1. Para la recolección de datos se cuenta con un sistema de
registro computarizado lo que permite guardar en formato magnético la información
obtenida durante los ensayos.
El sistema de movimiento de los modelos, consiste en un cable que es movido
en el plano central del canal por una polea ubicada en su cabecera, acoplada a un
dinamómetro y a un tacómetro; Este elemento, a la vez que mueve el cable y el
modelo conectado a este, mide la resistencia mediante un control electrónico de
torque en el propio mecanismo motor, de esta forma este canal puede efectuar
pruebas en un rango de velocidades que van desde 0 m/s hasta 3,5 m/s y con una
precisión de 0,01 m/s. La fuerza de remolque requerida durante el ensayo del modelo
se mide automáticamente, pudiendo variar desde 2 gr hasta 4 kg.
Además de realizar ensayos de remolque (resistencia al avance), este canal
puede realizar ensayos de líneas de corriente; ensayos en olas para los distintos
movimientos del buque, embarque de agua en cubierta, salida del bulbo de proa, etc.
Figura 2.1: Canal de pruebas de la universidad Austral de Chile.
18
2.4- Descripción general de la embarcación.
La embarcación en estudio corresponde a una lancha de pasajeros “DON
LUIS”, cuyo armador es la Sociedad Semar Baker ltda, ver figuras 2.2 y 2.3. La
embarcación tiene casco en V de 17° de astilla muer ta y presta servicio en la zona
del Puerto Aysén. A continuación mostraré en detalle sus características principales:
Características principales de la embarcación en estudio “DON LUIS”
Loa
15,5
m
LWL
13,057
m
BWL
4,6
m
TPR
1,027
m
TPP
1,335
m
TM
1,181
m
∆b
40,93
Ton
BHP
2 X 380
Hp
(SM)b
LCF
LCB
68,6
-1,407 (*)
-1,407 (*)
m2
m
m
Cb
0,563
-
CM
0,692
-
CP
0,814
-
(*) Referido a la sección maestra, el signo menos (-) indica hacia popa.
Figura 2.2: Embarcación en estudio.
19
20
2.5.- Descripción general del modelo.
Las características principales del modelo a escala ya fueron especificadas en
el capitulo anterior, sin embargo las volveremos a retomar en este capítulo a modo
de que el lector de esta tesis tenga continuidad en el texto leído y son las que se
presentan a continuación:
Loa
1,192
m
LWL
1,004
m
BWL
0,354
m
TPR
0,079
m
TPP
0,103
m
TM
0,091
m
∆m
18,176
Kg
(SM)m
0,406
m2
-0,108 (*)
-0,108 (*)
13
m
m
LCF
LCB
λ
(*) Referido a la sección maestra, el signo menos (-) indica hacia popa.
2.6.- Ensayo de resistencia al avance.
El ensayo de resistencia al avance, consiste en la conducción de un modelo a
una velocidad predeterminada, con la finalidad de obtener el valor de la resistencia al
avance de la carena. A estos efectos, la resistencia del modelo así como su
velocidad deben ser medidas en forma simultánea.
Una vez determinada la resistencia total, se debe deducir la componente
denominada resistencia residual, que es la que se mantiene igual en modelo y
prototipo si son respetadas las condiciones de modelación de igualdad de número de
Froude (Rrb= Rrm
X
λ3); Con este valor y la estimación de la componente viscosa se
determina finalmente la resistencia total en el prototipo.
La resistencia al avance es la componente horizontal de la fuerza de oposición
que el fluido ejerce sobre la carena, y es determinada mediante la medición de la
fuerza de tracción. Para medir esta cantidad se utilizan distintos métodos, como por
ejemplo dinamómetros de balance, donde se equilibra la fuerza de arrastre a través
de la adición de pesos en una balanza, o dispositivos electrónicos como celdas de
carga o dinamómetros electrónicos que varían la diferencia de potencial entre sus
polos en función de la fuerza.
21
2.7.- Resultados de las mediciones de los ensayos.
Los valores obtenidos mediante los ensayos en el canal de pruebas de la
Universidad Austral de Chile, arrojó los siguientes resultados de resistencia del
modelo, en relación con sus respectivas velocidades:
Vm
m/s
0,997
1,145
1,274
1,425
1,5
1,55
1,6
1,7
Rtm
Kg
0,403
0,589
0,803
1,172
1,417
1,630
1,845
2,330
Con los resultados anteriormente señalados se trazó la curva de resistencia
total v/s la velocidad del modelo, figura 2.4.
22
Resistencia Total del Modelo
2,5
Características del Modelo
Nombre
Armador
LOA
LWL
BWL
T
∆m
Cb
CM
CP
Resistencia al avance, (Kg)
2,0
: Don Luis
: Soc. Semar Baker LTDA.
: 1,192 m.
: 1,004 m.
: 0,354 m.
: 0,091 m.
: 18,176 Kg.
: 0,563
: 0,692
: 0,814
1,5
1,0
0,5
0,0
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
Vm (m/s)
Rtm
Figura 2.4: Curva de Resistencia total v/s velocidad del modelo.
2,0
23
CAPÍTULO III
PRONOSTICO MEDIANTE ENSAYOS DE LA POTENCIA DEL PROTOTIPO EN
CONDICIÓN DE PRUEBAS.
3.1- Generalidades.
A partir de los ensayos en el canal y considerando las características de los
propulsores y los motores instalados, se determinará la curva de potencia al freno
(BHP) v/s velocidad de la embarcación en la condición de pruebas.
Antes de comenzar con la extrapolación de los resultados del canal de
pruebas se debe tener en cuenta las siguientes consideraciones:
3.2- Consideraciones al momento de determinar la resistencia de casco
desnudo del prototipo mediante ensayos con modelos.
La determinación de la resistencia del barco por medio de ensayos con
modelos se basa en el método de Froude, es decir, sobre la división de la resistencia
total en la resistencia de fricción y la resistencia residual. Este método implica que las
dos componentes de la resistencia total son independientes una de otra y que cada
una está gobernada por leyes diferentes. Según Froude, la resistencia de fricción es
causada por las fuerzas de la viscosidad, y la resistencia residual por las fuerzas
gravitatorias.
El método de Froude, determina la resistencia residual, mientras que la
resistencia de fricción se obtiene de los cálculos matemáticos. Entonces, la
resistencia del barco se determinó de la siguiente manera:
1. El modelo geométricamente semejante, se construyó a la escala λ 2. El modelo fue remolcado con la velocidad Vm √λ
, con esto se determina la
resistencia total del modelo, RTm.
3. La resistencia por fricción del modelo, Rfm, fue calculada, utilizando el
coeficiente de fricción de la ITTC-57; Cfm #,#$%
&'()*+– -
.
4. La resistencia residual del modelo es: Rrm = RTm – Rfm
5. La resistencia residual del barco, se obtiene multiplicando la resistencia
residual del modelo (Rrm), por el cubo de la escala (λ3) y por la corrección
correspondiente a la diferencia de densidades (ρ) entre agua dulce y salada.
Rrb = Rrm x λ3 x
ρ
ρ
.
24
6. La resistencia de fricción del buque, Rfb, se calculó de la misma fórmula que
en el punto 3, pero considerando una corrección en el coeficiente de fricción
del modelo, por efecto de rugosidad y curvatura según la ATTC, de 4 x 10-4.
7. La resistencia total del barco para condición de casco desnudo es:
[Rtb]NH = Rrb + Rfb.
3.3- Resistencia del buque en condición de viajes de pruebas, RtVP
Para determinar la resistencia del buque en condición de viaje de pruebas, se
le debe sumar a la resistencia del buque en casco desnudo, las resistencias de
apéndices del casco y la resistencia por aire.
[Rt]VP = [Rtb]NH + Rap + Ra
Para calcular la resistencia de apéndices, Rap, se estimó un 7% de la
resistencia total del casco desnudo; y para la resistencia por aire se estimó un 3% de
la resistencia total del casco desnudo.
25
3.4- Resumen de los resultados obtenidos de la extrapolación.
Con los datos obtenidos en los ensayos tomados en el canal de pruebas y los
procedimientos anteriormente descritos, para el cálculo de resistencia total y acorde
a la ley de similitud de Froude, se obtuvo el siguiente cuadro resumen de la
extrapolación (figura 3.1):
Vb
Nudos
7,0
8,0
8,9
10,0
10,5
10,9
11,2
11,9
Vb
m/s
3,595
4,128
4,593
5,138
5,408
5,589
5,769
6,129
Fn
-
0,318
0,365
0,406
0,454
0,478
0,494
0,510
0,542
V/√L
Nudos/√pies
1,068
1,226
1,364
1,526
1,606
1,660
1,713
1,821
Vm
m/s
0,997
1,145
1,274
1,425
1,5
1,55
1,6
1,7
Rtm
Kg
0,403
0,589
0,803
1,172
1,417
1,630
1,845
2,330
Rnm
-
8,32E+05 9,55E+05 1,06E+06 1,19E+06 1,25E+06 1,29E+06 1,34E+06 1,42E+06
Cfm
-
4,88E-03
4,73E-03
4,62E-03
4,51E-03
4,47E-03
4,43E-03
4,41E-03
4,35E-03
Rfm
Kg
0,100
0,128
0,155
0,190
0,208
0,220
0,233
0,260
Rrm
Kg
0,303
0,461
0,648
0,982
1,209
1,410
1,612
2,070
Rnb
-
3,95E+07 4,54E+07 5,05E+07 5,65E+07 5,94E+07 6,14E+07 6,34E+07 6,73E+07
Cfb
-
2,39E-03
2,34E-03
2,31E-03
2,27E-03
2,25E-03
2,24E-03
2,23E-03
2,21E-03
Rfb
Kg
129,530
143,292
174,525
214,670
236,030
250,789
265,961
297,539
[Rtb]NH
Kg
795,507
1156,390 1597,154 2372,380 2892,990 3347,971 3807,214 4845,619
EHPNH
C.V.
38,128
63,653
97,820
162,521
208,616
249,473
292,845
396,012
Rap
Kg
55,685
80,947
111,801
166,067
202,509
234,358
266,505
339,193
Raire
Kg
23,865
34,692
47,915
71,171
86,790
100,439
114,216
145,369
[Rt]VP
Kg
875,058
EHPVP
C.V.
41,941
1272,029 1756,869 2609,618 3182,289 3682,769 4187,936 5330,181
70,019
107,602
178,773
229,478
274,420
322,129
435,613
Figura 3.1: Cuadro resumen de extrapolación.
3.5- Resistencia total del buque en condición de pruebas.
Con los datos obtenidos en la extrapolación, cuyos valores se encuentran en
el cuadro resumen antes mencionado, se traza la curva de resistencia total del buque
en condición de pruebas, a modo de interpretar con mejor claridad los resultados, ver
figura 3.2.
26
Resistencia Total del Buque
6000
CaracterÍsticas del buque
Nombre : Don Luis
Armador : Soc. Semar Baker LTDA.
LOA
: 15,5 m.
LWL
: 13,057 m.
BWL
: 4,6
m.
T
: 1,181 m.
∆
: 40,93 ton.
Cb
: 0,563
CM
: 0,692
: 0,814
CP
5000
Resistencia al avance, (Kg)
4000
3000
2000
1000
0
6
7
8
9
10
11
12
13
Vb (Nudos)
Rtvp
Figura 3.2: Curva de Resistencia total del buque real v/s velocidad en viaje de
pruebas.
27
3.6- Curva de EHP del buque en condición de pruebas.
Se trazara la curva de EHP, con los datos obtenidos de la extrapolación, cuyos
valores se derivaron de la información que nos entregó los ensayos en el canal. Esta
curva, será de utilidad para obtener la curva de absorción de potencia que cada
propulsor solicita al motor y el cálculo de los BHP del motor para el rango de
velocidades en estudio, ver figura 3.3.
Curva de EHP del buque
500
Características del buque
Potencia Efectiva (EHP) en viaje de Pruebas, (C.V.)
450
Nombre : Don Luis
Armador : Soc. Semar Baker LTDA.
LOA
: 15,5 m.
LWL
: 13,057 m.
BWL
: 4,6
m.
T
: 1,181 m.
∆
: 40,93 ton.
Cb
: 0,563
CM
: 0,692
CP
: 0,814
400
350
300
250
200
150
100
50
0
6
7
8
9
10
11
12
Vb (Nudos)
EHPvp
Figura 3.3: Curva de EHP del buque v/s velocidad en viaje de pruebas.
13
28
3.7- Curva de potencia al freno (BHP) del buque en condición de pruebas.
Para hacer este pronóstico se necesitó simular el funcionamiento del conjunto
casco, planta propulsora, propulsor, el cual se desarrolló con un programa elaborado
en el curso de propulsión de la nave II; Esto se realizó para calcular el rendimiento
propulsivo, ya que éste rendimiento varía con la velocidad, esto se debe a que el
rendimiento propulsivo depende del rendimiento de la hélice y el rendimiento de la
hélice cambia en función del grado de avance.
Los datos necesarios para ejecutar este programa y los valores considerados
son los siguientes:
•
La curva de EHP v/s Velocidad, obtenida en los ensayos del modelo.
•
Coeficiente de succión (t), cuyo valor considerado fue 0,117.
•
Coeficiente de estela (w), con un valor de 0,115.
•
Rendimiento rotativo relativo (ηrr), considerando el valor de 1.
•
Rendimiento mecánico (ηm), considerando el valor de 0,96.
•
Número de palas de la hélice (Z), la cual tiene 4 palas.
•
Diámetro de la hélice (D), el cual es 32”.
•
Relación paso diámetro (H/D), correspondiente a 0,77
•
Relación de área (DAR), cuyo valor es 0,8
•
Reductor, con reducción de 2.09:1.
•
Los BHP (MCR) del motor, que corresponden a 380 Hp.
•
Las RPM (MCR) del motor, correspondientes a 2150 Hp.
Considerando que la embarcación tiene dos motores y que la potencia de
cada motor es de 380 HP, el programa nos entrega los siguientes resultados para
cada motor:
Veloc.
kn
E.H.P
C.V.
RPM
R.P.M.
B.H.P.
C.V.
7
8
8,9
10
10,5
10,9
11,2
11,9
20,97
35,00
53,80
89,38
114,74
137,21
161,06
217,80
1034,74
1223,23
1408,52
1665,85
1810,86
1923,23
2031,09
2252,01
40,12
68,54
108,03
186,62
246,23
299,93
360,07
504,61
Par Motor
RPM
B.H.P
Par Motor ηhélice
% (MCR) % (MCR) % (MCR)
kg*m
%
27,77
40,13
54,93
80,23
97,38
111,69
126,97
160,48
48,13
56,89
65,51
77,48
84,23
89,45
94,47
104,74
10,56
18,04
28,43
49,11
64,80
78,93
94,76
132,79
21,93
31,70
43,39
63,38
76,93
88,23
100,30
126,78
54,59
53,33
52,01
50,02
48,66
47,77
46,71
45,07
ηp
%
52,27
51,06
49,80
47,90
46,60
45,75
44,73
43,16
29
Con estos valores finalmente graficaremos la curva de BHP de cada motor
con respecto a su velocidad y con respecto a sus RPM.
Curva de BHP v/s Velocidad
600
CaracterÍsticas del buque
Nombre : Don Luis
Armador : Soc. Semar Baker LTDA.
LOA
: 15,5 m.
LWL
: 13,057 m.
BWL
: 4,6
m.
T
: 1,181 m.
∆
: 40,93 ton.
Cb
: 0,563
: 0,692
CM
CP
: 0,814
500
Potencia al freno (BHP), (C.V.)
400
300
200
100
0
6
7
8
9
10
11
12
13
Vb (Nudos)
B.H.P.
Figura 3.4: Curva de Potencia al freno (BHP) v/s velocidad, en condición de pruebas.
30
Curva de BHP v/s RPM del motor
600
CaracterÍsticas del buque
Nombre : Don Luis
Armador : Soc. Semar Baker LTDA.
LOA
: 15,5 m.
LWL
: 13,057 m.
BWL
: 4,6
m.
T
: 1,181 m.
∆
: 40,93 ton.
Cb
: 0,563
: 0,692
CM
CP
: 0,814
500
Potencia al freno (BHP), (C.V.)
400
300
200
100
0
900
1100
1300
1500
1700
1900
2100
2300
RPM motor
B.H.P.
Figura 3.5: Curva de Potencia al freno (BHP) v/s RPM de cada motor.
2500
31
CAPÍTULO IV
COMPARACIÓN ENTRE EL PRONÓSTICO MEDIANTE ENSAYOS Y LAS
MEDICIONES DEL VIAJE DE PRUEBAS.
4.1- Objetivos.
En este capítulo se tiene por objetivo hacer una comparación entre los
resultados obtenidos a partir de la extrapolación de los valores que entregó el canal
de pruebas, con el desempeño que tiene la embarcación, respecto a su velocidad en
navegación, para tener una visión general si las pruebas hechas en el canal,
corresponden a lo obtenido en pruebas con la embarcación en la actualidad, y en
caso contrario analizar cuánto se aleja de sus resultados en navegación; Esto nos
dará certeza de que el funcionamiento del conjunto casco, planta propulsora,
propulsor son los adecuados y que están de acuerdo a la realidad. Además como
complemento, se realizarán comparaciones con otras embarcaciones, debido a que
se tiene una serie de datos de embarcaciones con características similares y para un
mismo
√
y desplazamiento; la idea de esto es saber si nuestra embarcación se
encuentra ubicada en una zona en la cual podamos considerar que tiene una
resistencia al avance normal.
4.2- Mediciones en el viaje de prueba.
Las
mediciones
realizadas
en
la
embarcación
navegando,
fueron
proporcionadas por el armador, el cual entregó los siguientes resultados:
•
Revoluciones de los motores 1800 RPM.
•
La velocidad de la embarcación es de 10,85 nudos aproximadamente, cuando
ambos motores giran a 1800 RPM.
32
4.3- Pronóstico mediante ensayos comparado con mediciones del viaje de
pruebas.
Con la información obtenida en el canal de pruebas (curva EHP v/s Velocidad)
más los datos de la planta propulsora, relación de la caja reductora y características
geométricas de las hélices, se simuló la solicitación de potencia de la hélice a cada
motor, figura 4.1.
Considerando la información entregada por el armador, en la cual indica que
con los motores girando a 1800 RPM, la embarcación alcanzó una velocidad de
10,85 nudos, podemos entrar a la curva BHP v/s RPM (figura 3.5) y con las 1800
RPM obtener que la potencia al freno generada por cada motor es de 242 C.V.
aproximadamente; Entonces se podrá concluir que cuando los motores de la
embarcación giran a 1800 RPM, estos generan una potencia de 242 C.V. y la
velocidad es de 10,85 nudos; Con estas dos últimas variables representaremos el
punto en la figura siguiente.
33
Curva de BHP v/s Velocidad
600
Características del buque
Nombre : Don Luis
Armador : Soc. Semar Baker LTDA.
LOA
: 15,5 m.
LWL
: 13,057 m.
BWL
: 4,6
m.
T
: 1,181 m.
∆
: 40,93 ton.
Cb
: 0,563
CM
: 0,692
CP
: 0,814
500
Potencia al freno (BHP), (C.V.)
400
300
200
100
0
6
7
8
9
10
11
12
Vb (Nudos)
B.H.P.
BHP (navegacion)
Figura 4.1: Curva de solicitación de potencia de la hélice a cada motor y punto
Potencia-Velocidad obtenido en pruebas.
13
34
De la gráfica anterior podemos observar que existe coherencia, entre lo
pronosticado mediante los ensayos y los resultados obtenidos en las pruebas de
mar. Los valores de la potencia y de la velocidad pronosticada mediante ensayos,
están relativamente cerca a lo que entrega actualmente la embarcación, ya que
según la información que ha entregado el armador, la embarcación actualmente está
navegando con una velocidad de 10,85 nudos a 1800 RPM, anteriormente ya se
determinó que cuando los motores giraban a 1800 RPM, la potencia generada es de
242 C.V. aproximadamente, además con esta información se puede concluir los
siguiente:
•
La diferencia de potencia es de un 2 %.
•
La diferencia de velocidad es de un 3 %.
•
La embarcación en estudio para la condición de carga que tiene y con la
potencia instalada en su planta propulsora, no tiene la capacidad para
desarrollar mayor velocidad. Se debe recordar que el deseo del armador era
desarrollar una velocidad de 15 nudos.
4.4- Comparación de la resistencia al avance de la embarcación en estudio con
una base de datos.
Debido a que se tiene una serie de datos de embarcaciones con
características similares y para un mismo
√
comparaciones con estas, para determinar si
y desplazamiento, se realizarán
el buque en estudio presenta
resistencias normales a las de otros buques. Esta base de datos fue suministrada por
el profesor guía de esta tesis, y forma parte de un informe de resistencia al avance
de un laboratorio extranjero por lo tanto se debe guardar la debida reserva.
La siguiente hoja de datos (figura 4.2), nos muestra la información de un
amplio número de embarcaciones, entregando una respuesta valiosa de
*/(/0'
∆
y con
respecto al desplazamiento (∆) de la embarcación; Además ubicaremos a la
embarcación en estudio en esa base de datos, para poder realizar comparaciones
con respecto a otras embarcaciones.
35
Figura 4.2: Ubicación de la embarcación Don Luis en una hoja de datos de
embarcaciones similares para un mismo
2
√3
y desplazamiento.
En la hoja de datos presentada anteriormente (figura 4.2), se puede apreciar
que la embarcación en estudio, tiene similares valores de la relación
*/(/0'
∆
con otras
embarcaciones, por lo tanto, el desempeño de esta embarcación era esperable, sin
embargo, es fácil visualizar que una reducción en el desplazamiento influirá
significativamente en la relación
*/(/0'
∆
, por ejemplo si nuestra embarcación pesara 30
toneladas, la resistencia total podría disminuir notablemente en un 30 %,
considerando los peores cascos presentados en la hoja de datos. Por otra parte si a
ese mismo desplazamiento de 30 toneladas, se considera el casco con mejor
desempeño de la base de datos, la disminución de la resistencia podría llegar a 46%,
lo que podría aumentar la velocidad actual de la embarcación de manera
considerable, esto se habría logrado si la embarcación se hubiese construido con
material más liviano.
Analizando la embarcación desde el punto de vista del coeficiente de fineza
6
7
4^ , podemos ver que en ningún momento esta embarcación perderá resistencia al
avance de manera significativa por tendencia a planear, con esa condición de
desplazamiento (40,93 ton.), debido a que para que esta embarcación planee debe
tener un valor de coeficiente de fineza superior a 5 ó 6 aproximadamente (esto se
obtendría si la embarcación pesara menos de 18 ton), además debe tener potencia
36
para alcanzar o superar valores de
0.75) y superiores.
√
de 2.4 ó 2.5 (números de Froude 0.7 a
37
CONCLUSIONES.
•
Existe una alta concordancia entre el pronóstico de la curva de BHP v/s
velocidad, obtenida de la información de ensayos con modelos y lo obtenido
en la pruebas de mar, con mediciones en la propia embarcación.
•
Al comparar los resultados de la curva de resistencia al avance obtenida en el
ensayo con el modelo, con los resultados presentados en la base de datos
mencionada en esta tesis, es posible concluir que el desempeño del casco se
encuentra dentro de los valores esperados, y que si se sometiera a
modificaciones, con el mismo desplazamiento, los valores no disminuirían en
más de un 20 %, con respecto a los mejores cascos de la base de datos.
•
Comparando los resultados de la curva de resistencia al avance obtenida en el
ensayo con el modelo, con los resultados presentados en la base de datos
mencionada en esta tesis, es posible notar que una reducción de 10 toneladas
en el desplazamiento, disminuiría su resistencia en un 30%, considerando los
peores cascos presentados en la hoja de datos. Por otra parte si a ese mismo
desplazamiento de 30 toneladas, se considera el casco con mejor desempeño
de la base de datos, la disminución de la resistencia podría llegar a 46%, lo
que podría aumentar la velocidad actual de la embarcación de manera
considerable.
•
La velocidad de la embarcación no será mayor que la que está entregando
actualmente con esa condición de desplazamiento (40,93 ton.), porque el
casco tiene una resistencia alta, debido a que el desplazamiento es alto.
•
La embarcación posee un coeficiente prismático muy alto (Cp=0,814), en
comparación con otras embarcaciones de este tipo (poseen coeficientes
prismáticos entre 0,5 y 0,7), esta es una señal clara de que las formas del
modelo no son las más óptimas.
•
El desplazamiento de la embarcación es excesivo (40,93 ton.), comparándola
con lanchas de características similares cuyos desplazamientos bordean las
20 toneladas, debido a esto la embarcación presenta una resistencia al
avance muy alta, por lo que no se obtiene la velocidad deseada.
38
BIBLIOGRAFÍA.
[1]. ITTC – Recommended Procedures and Guidelines/Model Manufacture, Ship
Models, 2002.
[2]. ITTC – Recommended Procedures and Guidelines/Testing and Extrapolation
Methods Resistance, Resistance, Test, 2002.
[3]. “Principles of Naval Architecture”, Volumen II
Lewis, Edward V.,
New Jersey, SNAME, 1988.
[4]. Tesis: “Análisis Teórico y Experimental de la Eficiencia Hidrodinámica de Flaps
de Popa en Embarcaciones Veloces”.
Rosas J., Universidad Austral de Chile, Valdivia 2002.
[5]. Guía del Curso: Resistencia a la Propulsión y Potencia Propulsiva”
Pérez N., Instituto de Ciencias Navales y Marítimas, Universidad Austral de Chile,
Valdivia 2007.
[6]. Tesis: “Análisis Experimental de una Serie de Flaps de Popa en unidad de
Desplazamiento”
Patricio Andrés Jiménez Rodríguez, Universidad Austral de Chile, Valdivia 2009.
[7]. Tesis: “Estimación de Incertidumbres en Canales de Prueba Navales.
Jorge Freiría Pereira, ingeniero naval, ETSIN, año 2009.