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PROPULSIÓN NAVAL
LAS PLANTAS COMBINADAS EN BUQUES DE COMBATE
El 14 de Junio, en el local de la Delegación Territorial de Murcia, he tenido lugar la
primera de las conferencias organizadas para el Foro de Propulsión Naval.
El ponente ha sido el Ing. Hubert Ohmayer, Señor Manager del Application Center
Marine Consulting de la firma MTU Friedrichshafen, persona de prestigio mundial en el
mundo de las plantas propulsoras combinadas para buques civiles y militares.
La conferencia ha constado de cuatro partes bien diferenciadas:
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Ruido y vibraciones en plantas combinadas
Comparación de motor diesel y turbina de gas
Comparación de plantas propulsoras para buques de combate
Últimos desarrollos en tacos elásticos activos
PARTE 1
La disertación ha comenzado con identificación de las fuentes de vibración o ruido
estructural de un motor diesel, el concepto de impedancia, y la transmisión de estas
vibraciones y ruido aéreo a otros elementos del propio motor.
Lógicamente para amortiguar el nivel de vibración es preciso rigidizar el conjunto, para
lo cual se emplean bancadas intermedias, que aumentan la impedancia del propio
motor, presentándose diversos niveles de vibración en función de los elementos
elásticos elegidos, de su dureza, características propias, y función de transferencia.
Este mismo principio es también válido para las turbinas de has, que pese a la opinión
muy difundida de que no tienen ruido estructural o que el mismo es muy bajo por ser
una máquina rotativa, necesitan medidas similares, ya que también presentan unos
niveles importantes de ruido estructural, y, consecuentemente, de ruido aéreo. A titulo
de ejemplo se comparan los niveles de ruido estructural de un motor diesel y de una
turbina de gas, así como de las soluciones adoptadas para amortiguar estos niveles de
ruido en las turbinas de gas, soluciones que la firma MTU ha logrado hasta tal grado
de eficacia, que en la actualidad, incluso la U.S. Navy adquiere las turbinas de gas en
MTU Friedrichshafen, totalmente encapsuladas y con la bancada proyectada y
fabricada por la misma entidad.
Seguidamente se ha pasado a presentar la forma de medición de los niveles de ruido
estructural en banco de pruebas, sobre y bajo los elementos elásticos de apoyo de los
motores, siendo significativa la reducción de los niveles de ruido estructural obtenidos
en función del tipo de elemento elástico aplicado.
También se comenta el efecto de transmisión de ruido estructural que tiene lugar
desde el motor diesel a la reductora a través de la estructura del buque, y a través del
acoplamiento entre motor y seductor. Se muestra el caso de una instalación típica de
fragatas alemanas F 124 SACHSEN Class, donde se han utilizado unos
acoplamientos elásticos especiales, en los que se distinguen claramente una parte de
goma, a la salida del motor, que amortigua el ruido estructural; a continuación un
carrete que absorbe las posibles desalineaciones existentes entre motor diesel y
reductora, y finalmente, un acoplamiento viscoso a la entrada a la reductora, para
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amortiguar los niveles de ruido estructural que lleguen a esta a través de la fundación
de la planta motriz.
Una de las soluciones más prácticas, ya enunciadas, para disminuir el nivel de ruido
estructural radica en aumentar la impedancia, pero sin aumentar en exceso el peso.
Para ello se fabrican las bancadas en perfiles de acero, huecas, rellenándose con un
polímero, con lo que se consiguen los dos objetivos señalados anteriormente.
Cuando se desea reducir hasta límites extremos el nivel de ruido estructural, se aplica
el concepto de doble sustentación elástica; es decir, el motor va apoyado sobre al
bancada intermedia por medio de tacos elásticos, y la bancada intermedia, a su vez,
sobre los polines o fundación del buque, también con elementos elásticos. Esta
disposición reduce de forma significativa el nivel de ruido estructural, en función de los
elementos elásticos empleados, aunque queda como consecuencia de la generación
del ruido estructural, el propio ruido aéreo.
Como ejemplo se proyecta el modelizado por elementos finitos del primer modo de
vibración de una bancada intermedia.
La reducción de ruido estructural obtenida con la utilización de doble sustentación
elástica y banda intermedia llega a niveles de los 60 dB.
Ya se había comentado anteriormente que una de las consecuencias de la existencia
del ruido estructural es la existencia de ruido aéreo. Aunque se atenúe el nivel de ruido
estructural, queda el ruido aéreo, que, tanto en buques militares como civiles de
pasaje, supone un handicap para los proyectistas. Para solventar este problema, MTU,
en caso de requisitos muy estrictos de ruido aéreo y estructural, se encapsula el motor
en un módulo erigido sobre una bancada común según lo definido con anterioridad.
Este módulo es autosuficiente, dotado de sistemas de vigilancia, control, equipo
antiincendios, silenciosos, etc. Con esta disposición, y a altas frecuencias, se
consiguen espectaculares reducciones del nivel de ruido aéreo.
Según los requisitos operativos exigidos al buque, MTU ha desarrollado cinco
soluciones posibles: La solución básica estándar utiliza la sustentación elástica entre
el motor y el polín del buque. Esta solución es para una reducción moderada de ruido,
y no cumplimentación de normativas antichoque, aplicable a buques de trabajo y fase
ferries. Cuando se desea una reducción moderada de ruido, y una cumplimentación
de normativas antichoque, pueden adoptarse cuatro alternativas. La primera de ellas
está proyectada para buques OPV y Corbetas, en tanto que la segunda opción está
proyectada para buques antisubmarinos, buques civiles de alto confort, y buques
casino. La tercera opción se ha revelado como la más eficaz a la hora de obtener
considerables reducción de ruido a bordo de yates, buques de pasaje, y la mayoría de
aplicaciones navales militares. La cuarta opción es capaz de cumplir los requisitos más
exigentes para buques antisubmarinos y buques de investigación oceanográfica.
Como se mostró en al gráfico, el nivel de ruido estructural decrece desde la opción
básica hasta la opción 4 para cumplimentar requisitos cada vez más exigentes desde
el punto de vista acústico. Todas las opciones han sido probadas, y se han
demostrado eficaces, en multitud de buques operativos.
Solución Básica Estándar En esta alternativa se usa una sustentación elástica
estándar, dado que no está proyectada para cumplir requisitos antichoque. Los propios
elementos elásticos son solo de goma, y el acoplamiento elástico sirve solamente para
absorber las vibraciones torsionales y las posibles desalineaciones.
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Opción 1 En esta alternativa se usa una sustentación elástica simple que cumple con
los requisitos antichoque BV 043/85, o STANAG 4141, combinando esta característica
con unos moderados requisitos acústicos. El acoplamiento elástico, además de las
misiones primordiales anteriormente descritas, sirve también para atenuar las cargas
de choque y para atenuación del ruido estructural.
Opción 2 Esta alternativa es la adecuada para aquellas aplicaciones en que el peso
sea un factor esencial en el proyecto del buque, combinando altos requisitos acústicos
y resistencia antichoque (Según BV 043/85 y STANAG 4142). Se utiliza una doble
sustentación elástica. El acoplamiento elástico es capaz de absorber las vibraciones
torsionales, así como atenuar las cargas de choque y el ruido estructural.
Opción 3 Esta alternativa está proyectada para cumplir los mismos requisitos
acústicos y antichoque que la Opción 2, pero con la diferencia de que se usan
bancadas que están construidas con acero y con cemento de polímero, con un peso
que suele ser del 50% del peso original del motor en seco como masa intermedia. El
incremento de peso del conjunto motor - bancada actúa como masa intermedia que es
capaz de reducir el nivel de ruido estructural, así como de conferir una mayor
resistencia antichoque.
Opción 4 Esta alternativa combina la doble sustentación elástica, pero esta doble
sustentación elástica está proyectada para cumplir requisitos acústicos muy
restrictivos. La bancada, construida en acero y en cemento de polímero, llega a tener
un peso del 70% del peso del motor en seco, actuando como masa intermedia, que
incrementa la atenuación acústica. Los tacos elásticos, son con muelles de acero
(dobles) y amortiguadores de silicona.
Teniendo una idea clara de las características técnicas de cada opción, es
fundamental saber que nivel de ruido estructural en un la estructura de un buque se
transmite al agua con un factor de radiación constante (En función de las propiedades
dinámicas del casco del buque). Con ello, se puede suponer que por cada 1 dB (A)
menos en ruido estructural en el anclaje del motor significará 1 dB (A) menos de firma
acústica en el agua. Sin embargo, siguiendo la filosofía de Mutes, es preciso y
fundamental tener las diferentes fuentes de vibración “equilibradas”, ya que, por
ejemplo, no tiene sentido seleccionar la Opción 4 y combinarla con un reductor que
produzca un ruido estructural que sea 20 dB(A) más alto que el obtenido finalmente
para el motor. En relación con la atenuación del ruido en el interior del buque, el uso
de material aislante acústico puede reducirse de forma importante si se combina la
doble sustentación elástica con un encapsulado acústico. Esta solución debe
considerarse cuando se calculan los costes de “elementos y materiales para reducción
elemental del nivel sonoro”, tales como doble sustentación elástica y encapsulados
acústicos.
Todo lo anterior nos lleva a una conclusión muy clara: existen soluciones probadas de
reducción drástica de los niveles de ruido aéreo y estructural de los motores diesel
propulsores y auxiliares. Estas soluciones implican un mayor coste de adquisición,
pero a cambio, los costes del astillero disminuyen drásticamente.
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PARTE 2
En esta parte, se ha tratado de las propias plantas combinadas.
Con plantas CODAD, se puede abarcar, aplicando motores rápidos, un abanico de
potencias que comenzando por los 500 kW llega a los 36.400 kW.
Mtu Friedrichshafen dispone de motores diesel rápidos y de turbinas de gas GE, de los
tipos GE LM 2500 y GE LM 2500 +.
La selección de la planta propulsora depende del tipo de requisitos operativos del
buque a que vaya destinada; en el caso de los buques de combate, las disposiciones
más usadas son CODAD, CODOG, CODAG, y CODAG en X.
Teniendo en cuenta que en los buques de combate, el buque opera a máxima
velocidad solamente un 1 – 1,5% del tiempo operativo (Según datos estadísticos), se
hace un estudio comparativo para una fragata de unas 1.500 toneladas, entre las
diferentes opciones, considerando no solamente el precio de coste de la planta
propulsora, sino los costes de consumibles y de mantenimiento.
Las cifras que arroja el estudio son más que elocuentes; para este tipo de buque la
planta más barata y sencilla es CODAG en X, sobre todo teniendo en cuenta el precio
de cada turbina de gas encapsulada (10 millones de €).
Teniendo ya una idea clara de la composición de las plantas combinadas y su posible
aplicación, a continuación se exponen algunas de las últimas plantas combinadas
instaladas en buques de superficie.
Destacan las de las fragatas F 124 de la Bundesmarine (CODAG en X), así como las
WARP (Water and Refined Propeller) de las corbetas sudafricanas (En estos buques
no hay requisitos estrictos de niveles sonoros); repasando con detalle la reductora
para la planta CODAG en X de las fragatas F 124, y en el sistema propulsor WARP,
así como en las mediciones en el acoplamiento de un motor propulsor Tipo 1163 de
una de estas plantas.
Otros casos de plantas propulsoras combinadas son los de los equipos instalados en
los buques del proyecto Deepwater para el U.S. COSAT Guard en Estados Unidos
(CODAG), las plantas propulsoras CODLAG de las futuras fragatas alemanas F 125, y
la planta CODOG del buque experimental X Craft de la U.S. Navy.
Se explica y se muestran las diferencias entre un sistema de sobrealimentación normal
y uno secuencial aplicado al mismo tipo de motor, y como con el mismo paso de la
hélice en una planta combinada, para proporcionar al buque la misma velocidad es
precisa menor potencia gracias a este sistema de sobrealimentación y sus cualidades.
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LOS ELEMENTOS ELÁSTICOS ACTIVOS
MTU ofrece un nuevo elemento elástico activo, en un desarrollo conjunto y exclusivo
con una firma francesa, que está siendo integrado, en las sustentaciones elásticas de
los motores y grupos generadores. El nuevo sistema representa el desarrollo máximo
del tradicional y convencional montaje elástico, combinando este sistema tradicional
con los elementos elásticos especiales derivados de la tecnología de automoción y
aeronáutica. El elemento activo incorpora los sensores y actuadotes necesarios para
un funcionamiento anti – ruido, y el control electrónico, apropiadamente ajustado, los
hace sencillos, compactos, y fáciles de instalar.
Los elementos híbridos combinan las excelentes y bien probadas cualidades de los
elementos elásticos pasivos son un innovador elemento activo. Los tacos elásticos de
alta calidad tienen una alta amortiguación de ruido estructural, y los elementos activos
proporcionan una capacidad de atenuación de ruido aéreo. Las dimensiones de los
nuevos elementos híbridos son comparables a las de los elementos simples, usados
hasta ahora. No se necesita espacio adicional. El sistema es efectivo en los tres ejes
ortogonales y puede optimizarse y ajustarse “in situ” para cumplir los requisitos de
cada instalación en particular. Los primeros elementos se han desarrollado para
aplicaciones comerciales, pero, actualmente, está en desarrollo una versión con
resistencia al choque, para aplicaciones militares. La única diferencia estriba en el
elemento pasivo, y para esto MTU tiene varias alternativas. No existe riesgo técnico,
incluso en el caso de que el control activo falle, dado que los elementos pasivos
funcionarán como tacos elásticos normales, y no afectarán al funcionamiento del
buque.
De hecho, la primera vez que se aplicado este sistema, ha sido en un mega-yate de
lujo, con todo éxito. Es muy importante matizar una realidad: Para reducir un “pico” de
ruido estructural, o varios “picos” en un rango de frecuencias dado, no es preciso que
todos los elementos elásticos bajo el motor sean activos. En realidad, las pruebas han
demostrado que es suficiente, en la mayoría de los casos, con 2 elementos, situados
de forma conveniente.
Estos nuevos elementos son sumamente interesantes, no solo para determinadas
aplicaciones civiles, sino también, y en grado sumo, para el mercado militar de buques
de combate de superficie. En esta aplicación, los elementos elásticos activos, no solo
atenúan los niveles de ruido estructural, sino que incluso pueden distorsionar la firma
del motor, con lo que la firma acústica de un buque de superficie sería capaz de ser
modificada.
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