Propulsión a chorro marina "waterjet" (introducción) ~ ATMOSFERIS

Artículo escrito por: Santiago Ferrer Mur

Los sistemas waterjet están altamente impuestos en la propulsión marina, tanto en aplicaciones de recreo como en buques comerciales, ya sean ferries rápidos o buques militares rápidos así como específicos, a saber, anfibios o de desembarco de tropas. Tienen una simplicidad de funcionamiento y concepción que los hace muy aceptados, amén de presentar buen rendimiento en aplicaciones de alta velocidad.

El siguiente artículo pretende ser el primero de una nueva línea de conocimiento sobre la propulsión a chorro y sus características a varios niveles.

Un waterjet, que en español bien podría denominarse reactor marino, funciona mediante un mecanismo muy simple. Un impulsor situado en el interior del casco y cuyo eje es accionado por el motor, succiona agua de la toma situada en el fondo del buque, en lo sucesivo toma de entrada o captación, pasando a través de la rampa de entrada para posteriormente elevar su presión en los álabes e impulsarla a gran velocidad a través de la tobera por la popa del buque. Ello consigue una impulsión a reacción que se basa únicamente en la ley de conservación del momento, y en cuya capacidad no influye, en un primer esbozo teórico, ningún elemento externo al impulsor, a saber, condiciones de navegación, condiciones meteorológicas u otros pormenores hidrodinámicos que si afectan a los sistemas de propulsión clásicos.

Cualquier impulsor a reacción o cohete basa su empuje en la energía cinética de las partículas, lo que se traduce en masa por unidad de tiempo. Ello viene determinado por la masa unitaria de las partículas por la densidad de su flujo por la velocidad a la que son expelidas. Si consideramos un medio no gaseoso, como el agua, cuya densidad puede tomarse como constante, tenemos reducida esta expresión al caudal por la velocidad de impulsión. Esto puede considerarse en tal simplicidad a efecto introductorio.

Es por ello que, por el contrario de lo que se piensa, un waterjet no tiene por qué trabajar sumergido en impulsión, obteniendo incluso mayor rendimiento en superficie, donde la salida no debe vencer el diferencial de presión hidrostática en su punto de calado, en caso de que lo hubiere, dejando dicho margen para impulsión.

La propulsión a chorro marina está reservada a buques que naveguen por debajo de las condiciones de gran planeo, recordemos Fn<4.0 , más en concreto en la barrera para buques de alta velocidad de semiplaneo 0,4<Fn<1.2 (Stavinsky 1992), para de esta forma garantizar el flujo de agua en la entrada de la toma del impulsor (Una exposición más desarrollada sobre estos particulares puede verse en Buques de alta velocidad S. FERRER MUR). Esto es así puesto que, sobrepasado cierto valor de planeo, la emersión causada en el casco por sustentación dinámica podría llegar a dejar expuesta al aire la toma, dejando trabajar en vacío al impulsor. Aunque, posteriormente, podremos observar como estos valores se superan en ciertas ocasiones, llegando hasta el Fn=2.0. Aunque en estas condiciones de navegación se imponen las hélices de alto rendimiento, la aplicación del propulsor a chorro puede venir justificada por diversas causas como las concretadas a continuación.

Simplificando lo anterior, los waterjet se emplean, en condiciones de alto rendimiento, dentro de la barrera comprendida entre los 25-40 kn como dato aproximativo. Amén de ello, en aplicaciones que requieren navegabilidad en calados extremadamente bajos así como en aquellas que requieren una cierta seguridad para las personas, como en motos acuáticas y juegos similares, donde existe un alto índice de hombre al agua y se debe evitar la exposición de elementos agresivos como podría ser una hélice clásica, son deseables sistemas integrados en el casco.

Sin más se pasan a exponer los componentes de un sistema de propulsión a chorro marino.

Captación o toma de entrada: es la zona perforada en el casco directamente en contacto con el medio marino, a través de la cual se filtra el agua de grandes partículas mediante una rejilla, a fin de proteger al impulsor, pasando posteriormente a la rampa de entrada. El punto de filtrado es crítico debido a que de la geometría de la toma y la superficie total de su entramado dependerán gran parte de las pérdidas de carga del conducto, lo cual se traduce directamente en potencia absorbida no efectiva. Dicho punto se puede considerar, a efectos propulsivos, como punto estático, de ahí que los sistemas a reacción no acusen en gran medida las condiciones de navegación del buque.

En azul, captación y rampa de entrada

Rampa de entrada: este conducto siempre tiene un sentido ascendente, por lo que presenta pérdidas de carga ineludibles por el codo generado. De cualquier manera se debe garantizar que tanto su sección, como superficie interna y ángulo progresividad de los codos generen las menores pérdidas de carga posibles. Si consideramos el sistema como una simple bomba, cada metro de columna de agua perdido en la succión será un MCA perdido en impulsión. De otro lado, el flujo en estos sistemas es inevitablemente turbulento.

Impulsor: el impulsor es una turbina hidráulica, principalmente de tipo mixto o axial. En este componente se debe cuidar especialmente la aparición de cavitación, aunque evitarla por completo es en muchas ocasiones imposible, si puede controlarse en mayor medida que en un propulsor clásico. Estos sistemas consiguen así densidades de potencia mayores que los clásicos, lo que se traduce en diámetros menores. El impulsor está generalmente formado por un estator en la toma en forma de difusor desde la rampa de entrada, que redistribuye el flujo para su correcta incidencia en los álabes del rotor, optimizando así las características de la impulsión. Como se ha dicho anteriormente, este elemento es movido directamente por la planta propulsora.

Tobera: la salida hacia empuje es un conducto con geometría típica de tobera, lo cual, si recordamos los fundamentos de dinámica de fluidos, genera una aceleración al fluido a costa de una disminución en su presión, manteniendo el caudal constante. En este punto es donde se consigue la ecuación anteriormente comentada caudal-velocidad, aumentando la energía cinética del fluido.

Deflector: cabe destacar que estos sistemas tienen la ventaja de no requerir timón, eliminando así la importante fricción que genera dicho apéndice sumergido, consiguiendo asimismo que los cambios de rumbo se basen en un empuje efectivo. El sistema de mando es generalmente controlado por unos brazos hidráulicos que dirigen el chorro mediante el giro de la tobera sobre un acople semiesférico. Si la direccionalidad es ascendente-descendente se consigue variar en cierta medida las características de trimado del buque también mediante empuje efectivo sin necesidad de flaps, con la consiguiente eliminación de su resistencia de presión viscosa.

Detalle sistema de doble/triple canal

Cazoleta: el sistema de maniobra, también llamado cazoleta, se emplea únicamente en ciertas maniobras, puesto que su actuación genera grandes pérdidas de carga, estando plegado en condiciones normales. Pueden efectuarse dos maniobras principales mediante la cazoleta. Una es ciar (marcha atrás), que se consigue mediante la inversión del flujo, comunicándolo en dirección avante en un solo canal o en 45º avante estribor-babor en canal bifurcado. Por otro lado existen sistemas de cazoleta que permiten dividir el flujo en tres canales, formando una estrella de componentes vectoriales compensables, con lo que se consigue un posicionamiento dinámico del buque.

En el siguiente vídeo puede observar el funcionamiento del sistema de impulsión así como el de pilotaje.