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Sistema de propulsión del Juan Carlos I

Hace ya bastantes años, en la revista “US Naval Ins­titute Proceedings” fue publicado un interesante trabajo sobre los buques del futuro, a los que se dotaba de propulsión AES(1) con objeto de disponer no sólo de la fuente de energía para la propulsión, sino también para tener con qué alimentar las nuevas armas HELW.

All Electric Ship

Lo principal, decía, era colocar las fuentes de potencia eléctrica allí donde mejor conviniese, olvidándose de la clásica ubicación, hacia la mitad de la eslora y lo más bajas posibles, de las propulsiones clásicas, es decir, de turbinas de gas, de vapor y motores endotérmicos, ganándose espacio interior al utilizarse motores eléctricos alimentados por turbogeneradores, lo que reducía las longitudes de las líneas de ejes, al tiempo de simplificarlas. Simultáneamente se suprimían los reductores y, en consecuencia, una considerable fuente de ruido.

Foto: Propulsor “Schottel” con tobera “Kort” (colección Camil Busquets/fuente Siemens Schottel).

La filosofía básica del AES es la de obtener la energía eléctrica necesaria a partir de turbogeneradores, por lo general turbinas de gas General Electric (GE) LM2500, si bien no se desprecian los generadores diesel, a pesar que las potencias obtenidas por ese medio son muy inferiores a las primeras. Además, se da también la posibilidad de utilizar turbogeneradores de tipo miniatura, pero de considerable potencia, mediante las llamadas mini o microturbinas de gas, como las utilizadas en aeronáutica y navegación deportiva.

Puesto que, hasta cierto punto, el nuevo sistema de propulsión por pod que utilizaba el LHD Juan Carlos I de la Armada Española, guarda alguna relación con otros ya existentes, nos vamos a permitir un corto viaje a través de un túnel del tiempo exclusivo de las propulsiones navales no convencionales.

Schottel

Durante las décadas de los años veinte y treinta del pasado siglo, en Alemania se inventaron un par de nuevas propulsiones que iban a tener gran influencia posterior, pero, por el momento, limitando su aplicación a cascos de poco porte, las cuales se complementaron más adelante con otras innovaciones. Fueron las Schottel y Voith-Schneider, cuya primera aplicación práctica se remonta a 1922 y 1928 respectivamente.

Foto: Documento original de patente del motor fuera borda de Ole Evinrude (colección Camil Busquets/fuente Evinrude/J. M. Massó).

Básicamente, puede describirse como una hélice giratoria sobre eje vertical, la cual recibe la fuerza de un motor conectado al otro extremo de dicho eje, adoptando una figura de manivela, cuyo brazo superior recibe la fuerza del motor, el inferior es el eje de la hélice y el vertical una transmisión. En los dos ángulos de 90º se hallan sendos grupos transmisores del esfuerzo, los cuales pueden también ser reductores.

Voith-Schneider

También llamado propulsor cicloidal, funciona de modo similar a las palas de un helicóptero y proporciona movimiento hacia cualquier dirección por la simple variación del ángulo de sus palas verticales. Su primera aplicación práctica se produjo en el buque Torqueo(3), en 1927. El primero de guerra serio que lo empleó fue el malhadado portaaviones Graf Zeppelin, en 1937, que utilizó dos propulsores eclipsables, a proa y en tándem, justo en crujía, para ayudar a la maniobra.

Fuera-borda

Invento del noruego Ole Evinrude, como consecuencia de una vivencia algo molesta(4), resulta tan conocido que no creemos preciso insistir sobre él. Sin duda es la propulsión que revolucionó el mundo de las pequeñas lanchas y embarcaciones. La patente se presentó el 16 de septiembre de 1910, concediéndose el 22 de agosto de 1911. A pesar que en origen fuese un motor de uso eminentemente civil, lo cierto es que sus utilizaciones militares han ido cada vez a más.

Cola propulsora

En 1930, la firma de fuerabordas Jonson desarrolló un remedo de cola al que llamó Tilting Stern Drive(5), de la que destacaba su posibilidad de salir indemne de los encontronazos con las piedras en fondos someros. Hasta cierto punto podría considerarse como la primera Z de la historia. 

Foto: Conjunto propulsor cicloidal “Voith-Schneider”. Obsérvese que le falta el motor propulsor (colección Camil Busquets/fuente Voith-Schneider).

No queda demasiado claro si la llamada Z drive tuvo su origen en la cola, como comúnmente es conocida en motonáutica o, al contrario, en alguna de las innovaciones técnicas anteriores. Según suele definirse, podría tratarse perfectamente de un propulsor Schottel. Pero en lo tocante a la motonáutica, donde se considera apareció por primera vez, la cosa parece clara: en tal mundillo se le conoce como cola y apareció hacia 1960 bajo el nombre de Aquamaster, marca registrada de Hollming, en Finlandia, empresa que acabó en la órbita de Rolls Royce después de diversas vicisitudes. La calificación de propulsor azimutal, que también se le ha dado, no nos parece demasiado apropiada, toda vez que el ángulo de maniobra de una cola casi nunca es superior a 100º y azimutal, por regla general y por lo menos en estos casos, suele referirse a la capacidad de realizar giros completos(6).

Más o menos relacionado con el tema, Volvo mezcló la cola articulada –que en motonáutica se conoce asimismo como propulsión intra-fuera borda, por razones que creemos poco menos que obvias– con las dos hélices sobre el mismo eje, a contrarrotación. En motonáutica comenzó a utilizarse también una propulsión en cola articulada, en la que la motorización es interior, con un eje de transmisión articulado –pero directo– y la hélice(7), con un mayor o menor grado de articulación, en un apéndice. Iniciada en las lanchas de competición de la llamada Fórmula 1, ha acabado pasando a lo que cabría denominar náutica antiterrorista, anticontrabandista, policial o similar.

Hidro-jet

Conjunto propulsor formado por un motor conectado directamente a una hélice que gira dentro de una tobera, hasta la que llega el agua a través de un registro inferior, la cual es expulsada con gran fuerza y velocidad por el extremo abierto de la tobera. Existen diversos modelos y patentes, aunque todos ellos provistos de deflectores para desviar el chorro de agua y así proporcionar la adecuada capacidad de maniobra. Hay quien le atribuye un cierto parentesco con el llamado timón Kitchen(8). También conocido como bomba de chorro (pump-jet)(9), el primer modelo se debe al neozelandés Sir William Hamilton, en 1954. A partir de ahí, hay diversos modelos, tipos  y marcas de hidro-jets(10).

Foto: Lancha “Nautiraid” de comandos, con piragua aneja, propulsada por “hidrojet” Hamilton (foto Camil Busquets).

Pod azimutal

En la denominación de este propulsor inciden varios nombres comerciales, protegidos por patentes diversas, por tanto y tal razón, de paternidad más o menos discutible, pues todos intentan arrimar el ascua a su sardina. Vamos a intentar desbrozar un tanto el tema. En la primera mitad de los años cincuenta del pasado siglo, al parecer, Friedrich W. Pleuger y Friedrich F. Busmann presentaron a registro lo que tal vez podría considerarse como primer balbuceo del pod propulsor. Se trató de un apéndice o pod giratorio a cuyo extremo inferior se hallaba un cuerpo hidrodinámico, que contenía un motor eléctrico cuyo inducido era solidario al eje de una hélice, que lo mismo podía ser push que pull(11), puesto que su movimiento era azimutal.

Foto: Documento original de patente del primer sistema de “pod” azimutal, que fue presentado en 1955, obra de Friedrich W. Pleuger y Friedrich F. Busmann (colección Camil Busquets).

Pero la primera aplicación práctica de un pod giratorio provisto de motor se dio con el Azipod CRP(12), con el cual se mejoraba el costo de explotación de algunos mercantes(13), oponiendo a la hélice principal un pod con hélice muy próxima, que a la vez hacía las veces de timón(14). Ambas hélices giraban a manos inversas. La primera aplicación de un pod propulsor propiamente dicho se realizó en 1990 al Seili, un barco faro y tender de boyas finlandés, provisto de hélice de paso controlable y timón, con potencia de 1.600 kW, capaz de navegar en hielos de hasta 45 cm. de espesor. Fue producto de una joint venture o colaboración entre las empresas finlandesas ABB y Kvaerner Masa Yard y se le llamó Cyclopod, porque su energía procedía de un convertidor directo de frecuencia o cicloconvertidor.

Los siguientes pods se montaron en dos petroleros (Product Tanker), los Uikku y Lunni, asimismo finlandeses, con uno de 11,8 MW, que en esta ocasión ya recibieron el nombre de Azipod, siendo éste el registrado por ABB(15), así como Mermaid por Rolls Royce, SSP por Siemens y Dolphin por Lips. Durante estos 19 años han sido multitud los pods propulsores de diversos tipos y potencias instalados en naves de toda clase, especialmente mercantes. Pero desde hace pocos años esta propulsión también ha tomado carta de naturaleza en buques militares, siendo el Juan Carlos I uno de ellos, con lo que va a ser el primero de guerra español que los utilizará, al tiempo de ser también el primer AES.

Llegados a este punto digamos que el AES (buque totalmente eléctrico) va a ser el paso inmediatamente anterior del buque AEPS(16) (provisto de los llamados sistemas de potencia eléctrica avanzados), que llamaba ya a la puerta, y de los cuales los norteamericanos DDG-1000 Zumwalt y los británicos Daring/Tipo 45, con IPS(17), fueron los primeros que entraron en servicio, respectivamente en 2013 y 2009. Por su parte, el novísimo CVN-21 de la US Navy es, asimismo, el primer gran buque de guerra totalmente electrificado, con catapultas y sistemas de recuperación incluidos(18).

Foto: Dos SSP montados en un buque. Se aprecia el tamaño en comparación con la estatura de los tres operarios (colección Camil Busquets/fuente Siemens/Schottel).

Reunir en un mismo buque el concepto AES y la propulsión mediante pod comporta una serie de beneficios de diversa índole. Los principales, son, en cuanto al uso de la propulsión eléctrica, la reducción del consumo de fuel, flexibilidad de disposición a bordo, costes de mantenimiento más bajos, minoración de espacios necesarios y menor emisión de gases; en lo que se refiere a la combinación AES/pod, disminución de la potencia propulsora y de ruidos y vibraciones, maniobrabilidad sin necesidad de hélices transversales de popa, propulsión en un sólo paquete, reducción de tiempos y flexibilidad de formas de casco. Finalmente, en cuanto a lo que comporta el uso de pod, eliminación de reductor, chumacera de empuje, líneas de ejes, bocina y sistemas de cierre hermético, sistema de lubricación para cojinetes y cierre hermético, timón y servo y probable aumento del espacio dedicado a carga.

El “Juan Carlos I”

La planta propulsora del Juan Carlos I la forman los dos pods SSP, todo un conjunto de elementos transformadores y convertidores, y los grupos de generación de energía eléctrica. Se trata de dos Siemens-Schottel con una potencia unitaria de 11 Mw, con velocidad de giro de 176 rpm. Los motores son del tipo PM(20), de imanes permanentes y sin escobillas(21). Cada pod está provisto de dos hélices que giran a la misma mano, al estar acopladas al mismo eje. En el esquema adjunto mostramos una idea aproximada de su interior, que se ha subdividido en cuatro partes para mayor claridad. Las A y B quedan en el interior del casco del buque, las C y D en el exterior. La estrecha franja entre las B y C representa el casco. La flecha roja debajo del dibujo izquierdo indica la dirección de la marcha en avante. Los cables de alimentación/ transmisión de energía eléctrica no se han representado, pero van desde la parte A al propio motor. La figura humana proporciona una idea de las medidas de uno de estos pods.

• Parte A: Contiene un motor hidráulico (izquierda), los elementos que reciben y distribuyen la energía eléctrica (centro) y el conducto del fluido hidráulico (derecha).

• Parte B: Es el soporte principal del conjunto giratorio, provisto de corona de rodamientos y todo él de la robustez pertinente. Contiene algunos servicios auxiliares y una escalera de acceso. Es aproximadamente cilíndrico y en su parte superior se halla una entrada redonda dotada de escalera vertical por la que accede el personal para realizar mantenimiento y reparaciones.

• Parte C: Propiamente se trata de la pieza de unión entre el cuerpo motor y la base B, de formas hidrodinámicas y con un par de bombas de achique para eliminar posibles filtraciones. 

• Parte D: Contiene el motor con el eje solidario a ambas hélices y al rotor. En el exterior del cuerpo fusiforme y centradas en su longitud, provistas de ligera inclinación negativa, se hallan las dos aletas para la optimización del flujo hidrodinámico(22). Cada hélice mide 4,5 m. de diámetro.

La corriente eléctrica que reciben los motores procede de dos grupos de convertidores intermedios de tensión Simovert ML2, que trabajan con un factor de potencia constante a lo largo de todo el rango de variación de velocidad, con lo que prácticamente no generan armónicos en la red eléctrica de a bordo. Además, su tamaño compacto reduce mucho las necesidades de espacio. Cuatro transformadores de propulsión completan el conjunto.

La generación de energía se realiza mediante una turbina de gas LM2500 (19.750 Mw.) a 3.600 rpm. y dos generadores diesel Navantia Man 32/40, de 16 cilindros y 7.680 BKw. cada uno, más un generador de emergencia diesel de 1.200 Kw. Tanto la turbina como los motores están montados rígidamente sobre una bancada soportada elásticamente sobre la estructura del casco, para una máxima reducción del ruido a bordo. En la cámara de máquinas proel se hallan los dos grupos diesel-generadores, y en la de popa el grupo turbo-generador. Ambas cámaras disponen de sendos cuadros principales de control y el buque genera energía eléctrica suficiente para toda su planta motriz y equipo de navegación y combate al completo.

(1) All Electric Ship (buque totalmente eléctrico)

(3) En latín, giro.

(4) Ole Evenrudstuen (1877-1924), según admitió él mismo, hacia 1908 se hallaba con su novia realizando un picnic a la orilla de un río, cuando a ésta se le antojó un helado. La heladería se encontraba río abajo, a cosa de veinte minutos. Pero entre la corriente y el viento en contra el regreso fue bastante penoso, llegando con el helado totalmente desecho. Según decía en sus memorias Ole se juró a sí mismo no tener necesidad de bogar nunca más.

(5) Propulsión popel inclinable.

(6) Azimutal es una de las entradas más extensas y complejas del DRAE.

(7) De tipo supercavitante

(8) Invento del almirante Jack Kitchen, de la Royal Navy, cuya patente es de 1914.

(9) También se usan en algunos modelos de torpedos, por lo que conviene destacar las diferencias entre una y otra.

(10) Castoldi, Hamilton, Kamewa, etc,

(11) Empujar que tirar.

(12) Contra Rotating Propellers.

(13) Grandes portacontenedores, cruceros de pasajeros, petroleros y transportes de gases licuados.

(14) http://www.imionline.no/imidocs/90580P007%20 CRP%20 Azipod.pdf

(15) Asea Brown Boveri, compañía creada en 1988 por fusión de la sueca AB y la suiza BBC. Esta última, en 1984, había pasado por manos yanquis en lo que fue BBC Brown Boveri.

(16) Advanced Electrical Power Systems.

(17) Integrated Power System (Sistema de Potencia Integrada).

(18) http://mae.pennnet.com/display_article/180890/ 32/ARTCL/none/none/1/All-electric-ships/

(19) Gerald R. Ford CVN-78.

(20) Permanent Magnet (imán permamente).

(21) También llamados brushless (sin escobillas)

(22) Es sabido que el chorro de agua a la salida de una hélice es espiral y algo cónico. Dado que la hélice posterior recibiría una corriente de agua en espiral, las aletas actúan como una especie de rompedoras de flujo, con lo que la hélice que empuja recibe aguas más vivas.


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