En la construcción naval , la propulsión se refiere a todos los sistemas que permiten que los barcos y los barcos se muevan. Se lleva a cabo mediante un propulsor impulsado por un motor . El propulsor puede ser:
Un sistema de propulsión cumple varios objetivos:
Varias construcciones flotantes no tienen un sistema de propulsión autónomo y requieren una intervención externa para moverse. Este es el caso de las barcazas fluviales: una vez fueron arrastradas por caballos que caminaban a lo largo de las orillas de un canal, a veces por personas cuando el bote era lo suficientemente ligero. Para este tipo de propulsión, la cuerda de arrastre se llevaba a cabo mediante un mástil colocado aproximadamente en el primer tercio de la embarcación; este poste se llama arbouvier (de "árbol").
Los barcos o transbordadores también eran propulsados por un carrusel de caballos o bueyes a bordo, el carrusel que activaba las ruedas de paletas o una cadena de remolque .
En esta expresión, el término "propulsión" de hecho designa el motor y no el propulsor. Los ingleses utilizan la expresión más exacta " potenciada por humanos ". La propulsión es humana cuando una persona usa sus manos (y pies) como propulsor para moverse a través del agua o sobre el agua.
Este tipo de acarreo humano duró hasta la generalización de las máquinas térmicas en los barcos fluviales (en Francia, se llamó "Halage à la bricole ").
Uso de una pértiga o un remo cuando la profundidad es lo suficientemente baja (imagen opuesta a la derecha).
La fuerza muscular es probablemente la primera fuerza motriz que se utiliza en un barco, como en la barca solar de Keops con su sistema de remo.
PaletaEn general, este tipo de propulsión consiste en accionar un remo formado por un mango y una pala sumergida; el tren puede estar conectado al barco por uno o dos remos , un remo o un alimentador de vela o sostenerse con ambas manos. La acción realizada consiste en un movimiento regular de ida y vuelta, alternando una fase de empuje de la pala en el agua y una fase de retorno de la pala fuera del agua, o alternando fases de empuje completamente en el agua al remado.
La acción de la pala en el agua es de dos tipos: con el remache, la pala actúa como un ala , con un ángulo de incidencia reducido manteniendo un flujo unido a ambos lados de la pala; con la acción de remar, la pala empuja el agua directamente hacia la parte trasera de la embarcación, en un flujo completamente desenganchado.
Aplicaciones :
La hélice se puede accionar mediante una palanca o un cigüeñal: primeros submarinos autónomos con energía muscular, el Turtle , el Nautilus de Robert Fulton o gracias a un juego de bielas, como en una bicicleta. Este último sistema es utilizado por algunos vehículos de velocidad tipo hidroala y especialmente por pequeños botes de playa del tipo de bote a pedales , la hélice a veces se reemplaza por una rueda de paletas.
Hélice aéreaLa hélice se acciona mediante un pedal: engranaje decavitador , velocidad 18,5 nudos.
La propulsión a vela consiste en utilizar la fuerza del viento (el motor) para propulsar un velero , la mayoría de las veces gracias a las velas (el propulsor). Las múltiples combinaciones de formas y diseños de velas han dado lugar a una amplia variedad de aparejos , pero también a formas de casco especialmente diseñadas para este tipo de propulsión.
Como la pala de un remo, una vela puede funcionar de dos formas:
Para el transporte de la marquesina, se necesita un soporte elevado (normalmente un mástil ), una forma de establecer la marquesina (drizas) y orientarla por diferentes cuerdas (sábanas). Dependiendo del tipo de vela, es posible que se necesiten mástiles adicionales, como una botavara o un whishbone para una vela mayor, una pértiga para un foque o un spinnaker . Las diferentes formas de las velas y su disposición en uno o más mástiles permiten caracterizar los aparejos .
Dos tipos de aparejos, opuestos por su origen geográfico, terminaron combinándose para obtener la vela ideal en términos de eficiencia y flexibilidad:
Si los primeros veleros tenían una sola vela, la combinación de varias velas distribuyéndolas en altura y eslora permite mejorar la maniobrabilidad del barco y adaptar las velas a las condiciones de navegación. La combinación de diferentes formas de velas en un solo barco se produce con las carracas ; los barcos construidos a partir de entonces muestran una gran inventiva en el aparejo. Actualmente, los aparejos se han simplificado nuevamente y solo integran dos o tres velas, a menudo en materiales sintéticos.
Las velas, debido a su muy económico y que permiten la autonomía, se han utilizado en la mayoría de los barcos, incluso después de la llegada de vapor, hasta el final del XIX ° siglo , donde la vela de navegación alcanzó su pico técnica con vasos de mástil y cinco por cuatro mástiles y más de 100 m de largo, conducido por pequeñas tripulaciones. Posteriormente, la necesidad de celeridad y regularidad en la operación, la autonomía permitida por el Diesel, y la ley laboral que imponía tres andanadas en lugar de dos, llevaron a su desaparición para los buques de guerra primero y luego para el comercio. Los últimos grandes buques mercantes, que habían resistido cargas pesadas a largo plazo, como los nitratos de Chile, desaparecieron en pocos años en la década de 1950 (hundimiento del Pamir en 1957). Algunos usos de nicho se mantuvieron hasta la década de 1970. Hoy en día, las velas todavía se utilizan en pequeños veleros y en ciertos yates de lujo, para el placer (ocio) o la navegación deportiva.
Ha habido sistemas experimentales donde la energía del viento era captada por una hélice aérea (bastante similar en sus características a una hélice de turbina eólica).
Una vela "libre" no se pone en un aparejo; es un ala flexible conectada a la embarcación mediante un cable tensor. Su forma (tipo parapente) debe darle la estabilidad aerodinámica necesaria para mantenerlo en el aire. Actualmente, la empresa alemana SkySails está desarrollando una cometa de tracción para permitir un ahorro de combustible que podría oscilar entre el 10 y el 30%. Las pruebas reales tuvieron lugar endiciembre 2007en el tipo de carga Beluga Skysails (132 metros de largo, 9.770 toneladas). La superficie del ala que vuela entre 100 y 300 metros de altitud es de 160 m 2 , siendo la fuerza de tracción del orden de 5 toneladas. La velocidad de este barco es de 15,5 nudos o un número de Froude de 0,22. A esta velocidad, el arrastre relativo es del orden de 0,0025, lo que da un arrastre (resistencia al movimiento hacia adelante) del orden de 25 toneladas. La tracción de la vela vale entonces el 20% de la resistencia.
Las limitaciones del sistema son un punto ciego de 50 ° a cada lado de la dirección de donde viene el viento y la velocidad del barco es inferior a 16 nudos.
La propulsión motorizada consiste en accionar un propulsor mediante un motor. Este sistema fue introducido a principios del XIX ° siglo con la máquina de vapor accionar un impulsor , la energía suministrada por la combustión de carbón . Los primeros trabajos y aplicaciones prácticas fueron realizadas por el estadounidense Robert Fulton en 1803 . Desde entonces, se han creado otros sistemas más eficientes.
En cualquier propulsión motorizada, podemos distinguir cuatro funciones principales:
Combustibles fósiles (carbón, fuel oil pesado, diesel, gasolina), energía nuclear, electricidad, (energía muscular). Almacenamiento a bordo.
El motor se encarga de transformar la energía primaria del combustible en mecánica y / o eléctrica de energía , a veces hidráulico. Las dos categorías principales son los motores de combustión externa (calderas y máquinas o turbinas de vapor) y los motores de combustión interna ( motores diésel , motores de gasolina y turbinas de gas ).
Combustión externa: vaporEste sistema es el más antiguo. Se caracteriza por su división en dos partes: la caldera produce energía al calentar agua a vapor utilizando combustible; el motor transforma esta energía calórica en trabajo mecánico.
Las calderas constan de un cuerpo estanco, atravesado por tubos calefactores por donde circula el líquido a calentar, que envuelve un hogar donde se produce la combustión . Los primeros modelos creados fueron bastante sencillos debido a las limitaciones de la metalurgia de la época, los tubos calefactores eran de cobre y las presiones internas eran muy bajas. El uso de acero permitirá posteriormente incrementar la eficiencia de manera muy fuerte al incrementar las presiones en juego y recuperar la mayor parte de la energía generada, mediante técnicas muy refinadas. Al final del XIX ° siglo , el carbón empieza a dar paso al aceite como combustible, lo que reduce la mano de obra requerida para operar, la eliminación de las hordas de los conductores que alimentaron las calderas de pala y simplificar el almacenamiento de combustible, que ahora es líquida . El apogeo de esta tecnología llegó en la década de 1920 . Después de la Segunda Guerra Mundial , fueron definitivamente suplantados por su menor eficiencia, pero su función de producción de vapor se encontró entonces en los reactores nucleares que tienen la ventaja de utilizar un combustible casi inagotable; ver el artículo Energía nuclear .
El motor puede ser un motor de vapor o una turbina de vapor :
Los sistemas de combustión externa permiten alcanzar altas potencias (70 MW) con combustibles de baja calidad, pero de alto consumo (380 kg / MWh) y baja eficiencia térmica. También son muy largos de instalar (4 horas) y requieren mucho espacio. Todavía se utilizan normalmente para aplicaciones especializadas: en edificios militares que utilizan energía nuclear para una mejor autonomía, y en transportadores de gas licuado donde es posible reutilizar el gas de los búnkeres.
Combustión interna: el motor de combustión internaFruto del trabajo de François Isaac de Rivaz , entonces de Rudolf Diesel , el motor de combustión interna terminó alcanzando potencias aceptables para su uso naval, antes de la Primera Guerra Mundial . Salvo los barcos más pequeños , son del tipo Diesel . Permiten altos rendimientos y, por lo tanto, un menor consumo, pero requieren combustibles menos gruesos, lo que requiere el refinado de productos petrolíferos. Nos distinguimos :
Después de la Segunda Guerra Mundial , se agregaron a la lista las turbinas de gas derivadas de los motores de los aviones. Generalmente se trata de turbinas aeronáuticas “marinizadas” (además de un eje y materiales resistentes a la corrosión). Pueden proporcionar alta potencia (hasta 43 MW ) para una masa baja (relación peso / potencia de aproximadamente 1,2 a 4 kg / kW) y también permiten tiempos de arranque extremadamente cortos, del orden de dos minutos, de ahí su aplicación frecuente. en barcos militares para una rápida aceleración. Debido a un flujo de aire muy alto, las turbinas requieren grandes conductos de paso de aire de admisión y escape. Sobre todo, son muy costosos de comprar y operar porque consumen más (250 a 300 kg / MWh) y requieren un combustible de muy buena calidad.
En la década de 2000, el nivel máximo de azufre permitido en el fueloil pesado utilizado por buques civiles era del 3,5 % . La Organización Marítima Internacional adoptó la27 de octubre de 2016 la fecha de 1 st de enero de 2 020para la generalización del umbral máximo de azufre al 0,5 % y en 2019 el máximo tolerado es del 1,5 % . La armada de la OTAN impondrá un contenido de azufre del 0,1 % desde aproximadamente 1980.
Los buques de propulsión nuclear utilizan uno o más reactores nucleares. El calor producido se transmite a un fluido caloportador que se utiliza para generar vapor de agua accionando:
Existen alrededor de 400 barcos de propulsión nuclear en el mundo, abrumadoramente militares, especialmente submarinos , pero también portaaviones y cruceros , y algunos barcos civiles ( rompehielos ). De carga nuclear también se experimentaron en las décadas de 1960 y 1970 (la NS Savannah estadounidense , la alemana Otto Hahn y la japonesa Mutsu ), pero su uso no ha demostrado ser rentable, estos experimentos han sido descontinuados.
Los costos de inversión y operación de la propulsión nuclear solo la hacen realmente interesante para uso militar y particularmente para submarinos. Esta energía trae:
Por tanto, la propulsión nuclear otorga a los submarinos una ventaja decisiva, hasta el punto de que podemos calificar a los submarinos convencionales como simples submarinos.
La energía mecánica que se produce, queda por transmitirla a los propulsores. Históricamente, el método utilizado era el más simple: un eje de motor que impulsaba directamente la hélice o el eje de la rueda. Sin embargo, la satisfacción de varias necesidades podría conducir a una cierta complejidad de transmisión.
Caja inversora / reductoraEstos dos sistemas suelen estar incluidos en la carcasa de la caja de cambios.
En este caso, los motores principales actúan como generadores de electricidad (como un grupo electrógeno entonces dedicado casi exclusivamente a la propulsión) y los ejes de la hélice son accionados por motores eléctricos (a veces sumergidos) . Si los principios generales de la transmisión eléctrica han existido desde alrededor de 1940, los desarrollos muy recientes en la electrónica de potencia han dado lugar a una gran cantidad de innovación técnica. La fusión técnica de la cápsula con ella es reciente y se desarrolló alrededor de 1990. En general, la transmisión eléctrica tiene cada vez más ventajas con el desarrollo técnico. Posee un dispositivo competidor que rara vez se utiliza en los barcos por motivos de contaminación, la transmisión hidrostática (o también conocida como hidráulica) con ventajas mecánicas bastante similares a las transmisiones eléctricas que:
La propulsión eléctrica más silenciosa se utiliza en las fases de buceo, gracias al uso de acumuladores en los submarinos ( diesel-eléctricos ) desde 1935 (en la fase de snorkel el ruido es alto porque los motores diesel recargan las baterías) . Estos submarinos de guerra, todavía en uso, tienen un eje de hélice. Sus motores eléctricos de propulsión son internos al submarino. En los submarinos de exploración, hay tantos propulsores eléctricos externos, como POD, como propulsores internos de motores eléctricos. En los submarinos nucleares hay varias soluciones: el motor de propulsión interno puede ser una turbina de vapor o eléctrica y también existen Pods eléctricos externos.
El dispositivo terminal de empuje transforma la energía mecánica en fuerza motriz axial (en el eje del barco) . En casi todos los sistemas, la fuerza propulsora se ejerce en la parte trasera del barco. De hecho, la velocidad, las olas tienden a levantar la proa . Por otro lado, el volumen de agua desplazado por el empuje del casco limita la turbulencia del agua debajo de su mitad de popa, regulando las fuerzas propulsoras, disminuyendo las vibraciones y mejorando así la eficiencia global. En el caso más general, un eje largo (o incluso varios) , casi paralelo al casco (inclinado hacia atrás entre 4 y 10 °) permite desplazar la fuente de la energía mecánica primaria (interior) del dispositivo de empuje. ( exterior) . En los barcos modernos, entre estos dos polos mecánicos (energía mecánica primaria y energía mecánica de empuje) , se infiltran las innovaciones tecnológicas ( transmisiones mecánicas, eléctricas o hidráulicas) . Si en general, los dispositivos terminales de empuje funcionan por acción directa sobre el agua, como en la aviación, una parte significativa del empuje también puede ser creada por la aceleración de una masa fluida canalizada en una boquilla (empuje de reacción ) .
Rueda de paletasLa rueda de paletas es el primer sistema que se ha utilizado históricamente, para la navegación fluvial o costera con motor de vapor, y para los primeros transatlánticos. Pero la baja eficiencia de la rueda, su tamaño lateral, su vulnerabilidad (buques de guerra) llevaron a su sustitución por sistemas de hélice . Este propulsor solo se utiliza para algunas vías navegables interiores: los transbordadores en el lago de Ginebra , por ejemplo.
Hélice sumergidaLa hélice es actualmente el propulsor más utilizado. Por lo general, se coloca en la parte trasera del barco y gira alrededor de un eje horizontal o ligeramente inclinado. La "velocidad total" de las palas (suma de la velocidad de rotación y la velocidad de avance) genera un empuje que mueve la embarcación hacia adelante.
La cápsula se define en oposición al caso más general donde la hélice es impulsada por un eje de motor largo que pasa a través del casco por un cojinete sellado; cojinete terminal simple del eje de la hélice a veces complementado por un segundo exterior (la hélice está en voladizo en el extremo del eje del motor). El "Pod" no tiene un eje largo que cruce el casco. Una protuberancia del casco llamada pod pod sostiene una hélice con mucha firmeza, mientras que un dispositivo mecánico interno proporciona la energía de rotación que impulsa la hélice. Esta góndola suele pivotar verticalmente para servir para la rotación eficiente del barco. Estas cápsulas pueden llevar una hélice llamada "tractor" ubicada en la parte delantera de la góndola, o una hélice de hélice. También puede tener dos hélices, montadas en tándem, una en la parte delantera y otra en la parte trasera, o dos hélices contrarrotantes.
Finalmente, la forma en que la energía mecánica llega al eje de la hélice distingue dos tipos de cápsulas muy diferentes que se oponen entre sí.
Dirección; la góndola se puede fijar, pero la mayoría de las veces es orientable. En el caso de las cápsulas fijas, un pequeño timón a popa de la hélice proporciona la dirección a la embarcación "".
Hélices de superficieSe trata de hélices semisumergidas, con un perfil de pala particular para evitar la "ventilación" del perfil. En esta configuración, el eje de transmisión sale del espejo de popa por encima del agua; no hay timón, es la orientación lateral del eje de la hélice la que asegura la maniobrabilidad (empuje vectorial). Este sistema se utiliza en embarcaciones rápidas (más de 30 nudos).
Hidrojets o chorros de agua.La hélice se coloca en un conducto; el agua se bombea debajo del casco y se expulsa al nivel del espejo de popa, al aire libre. La orientación del chorro se controla en el plano lateral para asegurar la dirección y en el plano vertical para obtener la inversión de la dirección de empuje (reverso), reemplazando así el timón y el inversor.
Este tipo de propulsor se utilizó por primera vez en embarcaciones portuarias pequeñas y muy maniobrables bajo la marca Schottel. Se utiliza a menudo (a partir de 25 nudos) en barcos de pasajeros, y es el sistema más utilizado a alta velocidad (más de 30 nudos): yates rápidos, transbordadores de alta velocidad ( NGV ), hidroalas para militares. Los hidrojets se montan en vehículos recreativos como motos acuáticas o motos acuáticas en lugar de hélices por motivos de seguridad.
Propulsor tipo Voith-SchneiderSiempre se instalan por parejas . Giran a lo largo de un eje vertical, las hojas actúan como láminas ; La capacidad de ajustar muy rápidamente la dirección del flujo de agua hace que este sistema sea particularmente interesante para los remolcadores, pero su complejidad lo obstaculiza en beneficio de los propulsores Z o propulsores azimutales.
Hélices de maniobraPor último, los propulsores transversales o "empujadores" (" bow thruster " y " stern thruster " en inglés) son hélices que actúan en sentido transversal en un túnel que atraviesa el casco para ayudar y facilitar las maniobras de los barcos, especialmente en la navegación fluvial y en puerto. enfoques. Pueden ser accionados por motor diesel , mecánicamente o por un sistema hidráulico , o por un sistema eléctrico .
Dibujo de las hélices verticales y horizontales de la Tortuga de 1775
Hélices dobles montadas en vainas
Hélice y timón de un buque de carga moderno
Hélice de boquilla
Las embarcaciones de muy poco calado ( hidroalas ) y las que se mueven por encima del agua (embarcaciones elevadoras, aerodeslizadores de colchón de aire y aviones de efecto suelo ) utilizan propulsores aéreos:
El transporte de animales ha sido reemplazado gradualmente por tracción mecánica que se puede producir de diferentes maneras:
La ventaja de una barcaza no propulsada es que permite cierta flexibilidad y mayor rentabilidad en las operaciones: mientras la barcaza realiza las operaciones de carga y descarga en el puerto (lo que lleva tiempo), el remolcador puede soltarse para otro movimiento. El sistema de remolcadores y barcazas todavía se utiliza en lagos y grandes ríos, y en alta mar para llevar las plataformas petroleras a su lugar de operación. Algunos barcos también se transforman al final de su vida al retirar su maquinaria de propulsión, que se ha vuelto obsoleta, y convertirlos en barcazas móviles o fijas; este es particularmente el caso de ciertos camiones cisterna que sirven como unidades de almacenamiento flotantes.
La propulsión magnetohidrodinámica se basa en la fuerza de Laplace : si una corriente eléctrica pasa a través de un cuerpo sometido a un campo magnético , este cuerpo está sujeto a una fuerza . Sin embargo, el agua de mar es un conductor . En teoría, por lo tanto, es suficiente colocar un imán (grande) en un barco, luego hacer circular una corriente eléctrica en el agua sometida al campo magnético creado, para poner el agua en movimiento con respecto al barco, es decir, es decir, (simétricamente), para poner la embarcación en movimiento con relación al agua. Esto sin partes móviles, por tanto sin ruido, sin vórtices, y sin necesidad de canalizar el agua dentro de la embarcación. Los timones también son superfluos: solo necesitas cambiar la dirección de la corriente (o el campo magnético, si estás usando un electroimán) para invertir la fuerza en un lado del barco y así orientarlo. La corriente debe estar en fase con el campo magnético, por lo tanto continua si el imán es permanente y fijo, pero además son posibles muchas configuraciones (en particular con un electroimán).
Sin embargo, los inconvenientes no se dominan bien: riesgos eléctricos y magnéticos, electrólisis del agua de mar (pérdida de eficiencia eléctrica y riesgo de producción de productos nocivos para la vida y agresivos para los equipos, como cloro e hidrógeno ), necesidad de imanes fuertes, débiles empujes por unidad de área, etc. Por tanto, este proceso sigue siendo experimental. A principios de la década de 1990 , Mitsubishi fabricó un barco, el Yamato 1, con propulsión MHD. Funcionaba con imanes superconductores refrigerados por helio y podía viajar a 15 km / h .
Dirigido por primera vez por Tom Clancy en su novela de espías The Hunt for Red October , el modo de propulsión MHD se dio a conocer al público en general en la adaptación cinematográfica de la novela En busca del octubre rojo en 1990.
Propulsión a chorro: según un principio similar al del avión a reacción , las burbujas de gas se expulsan a una boquilla; la expansión de fluido así causada produce un empuje hacia adelante. El gas se puede producir mediante aire comprimido o mediante la reacción química del agua con un "combustible" como el sodio o el litio . Los resultados hasta la fecha no son muy alentadores debido a la muy baja eficiencia, la peligrosidad de los productos utilizados y la necesidad de un sistema auxiliar para arrancar.
Propulsión por aleta, aleteo u oscilación de hidroala. Los experimentos en submarinos de carreras propulsados por humanos están dando cada vez más resultados satisfactorios.