propulsión marina

Hasta la aplicación de la máquina de vapor alimentada con carbón a los barcos a principios del siglo XIX, los remos o el viento eran los principales medios de propulsión de las embarcaciones. Los barcos mercantes utilizaban principalmente la vela, pero durante los períodos en que la guerra naval dependía de que los barcos se acercaran para embestir o luchar cuerpo a cuerpo, se preferían las galeras por su maniobrabilidad y velocidad. Las armadas griegas que lucharon en la Guerra del Peloponeso utilizaron trirremes , al igual que los romanos en la Batalla de Actium . El desarrollo de la artillería naval a partir del siglo XVI priorizó la potencia de fuego lateral sobre la maniobrabilidad; esto condujo al predominio del buque de guerra a vela durante los tres siglos siguientes.

En la actualidad, la propulsión humana se utiliza principalmente en embarcaciones pequeñas o como sistema de propulsión auxiliar en veleros. La propulsión humana incluye la pértiga, el remo y los pedales.

La propulsión a vela generalmente consiste en una vela izada en un mástil erguido, sostenida por obenques y controlada por cabos de cuerda . Las velas fueron la forma dominante de propulsión comercial hasta finales del siglo XIX y continuaron utilizándose hasta bien entrado el siglo XX en rutas donde el viento estaba garantizado y el carbón no estaba disponible, como en el comercio de nitratos en Sudamérica. Actualmente , las velas se utilizan generalmente para la recreación y las regatas, aunque se han empleado aplicaciones innovadoras como cometas , turbovelas , velas rotatorias , velas de ala , molinos de viento y el sistema de boya de cometa propio de SkySails en embarcaciones modernas de mayor tamaño para ahorrar combustible.

En la segunda mitad del siglo XX, el aumento del precio del combustible casi provocó la desaparición de la turbina de vapor. La mayoría de los barcos nuevos construidos desde 1960, aproximadamente, incorporan motores diésel , tanto de cuatro como de dos tiempos. El último gran buque de pasajeros construido con turbinas de vapor fue el Fairsky , botado en 1984. Asimismo, muchos barcos de vapor fueron remotorizados para mejorar su eficiencia de combustible . Un ejemplo destacado fue el Queen Elizabeth 2, construido en 1968 , cuyas turbinas de vapor fueron sustituidas por un sistema de propulsión diésel-eléctrico en 1986.

La mayoría de los buques de nueva construcción equipados con turbinas de vapor son buques especializados, como los buques de propulsión nuclear, y ciertos buques mercantes (en particular, los de transporte de gas natural licuado (GNL) y carbón) cuya carga puede utilizarse como combustible para buques .

La energía de vapor , que cobró gran importancia gracias a la Primera Revolución Industrial , dio lugar a dos tipos de máquinas de vapor para barcos: de pistón (con pistones que se mueven alternativamente mediante vapor y están conectados a un cigüeñal ) y de turbina (con álabes que se mueven radialmente mediante vapor y están unidos a un eje giratorio). La potencia del eje de cada una puede transmitirse directamente a la hélice , al propulsor u otro mecanismo, o bien a través de algún sistema de transmisión: mecánico, eléctrico o hidráulico. En la segunda mitad del siglo XIX, el vapor fue una de las principales fuentes de energía para la propulsión marina. En 1869, se produjo una gran afluencia de barcos de vapor, ya que la máquina de vapor experimentó importantes avances durante ese período.

Recíproco

El desarrollo de los buques de vapor con motor de pistón fue un proceso complejo. Los primeros buques de vapor se alimentaban con madera, los posteriores con carbón o fueloil. Los primeros barcos utilizaban ruedas de paletas en la popa o en los costados , que posteriormente fueron reemplazadas por hélices .

El primer éxito comercial lo obtuvo el barco de vapor North River de Robert Fulton (a menudo llamado Clermont ) en Estados Unidos en 1807, seguido en Europa por el Comet de 14 metros (45 pies) en 1812. La propulsión a vapor progresó considerablemente durante el resto del siglo XIX. Entre los avances más notables se encuentra el condensador de superficie de vapor , que eliminó el uso de agua de mar en las calderas del barco. Esto, junto con las mejoras en la tecnología de las calderas, permitió mayores presiones de vapor y, por lo tanto, el uso de motores de expansión múltiple (compuestos) de mayor eficiencia. Como medio para transmitir la potencia del motor, las ruedas de paletas dieron paso a hélices más eficientes. 

Las máquinas de vapor de expansión múltiple se popularizaron a finales del siglo XIX. Estas máquinas descargaban el vapor de un cilindro de alta presión a uno de menor presión, lo que proporcionaba un gran aumento de la eficiencia. ^{[ 2 ]}

de propulsión nuclear

Algunos sistemas de turbinas de vapor utilizan energía nuclear para la generación de vapor. En estos buques, el reactor nuclear calienta agua para producir vapor que impulsa las turbinas. Cuando se desarrolló por primera vez, los precios muy bajos del gasóleo limitaron el atractivo comercial de la propulsión nuclear. Las ventajas de su seguridad en el precio del combustible, mayor seguridad y bajas emisiones no pudieron compensar los mayores costes iniciales de una central nuclear. En 2019, la propulsión nuclear es poco común, excepto en algunos buques de la Armada y buques especializados como los rompehielos . En los grandes portaaviones , el espacio que antes se utilizaba para el abastecimiento de combustible del buque se utiliza ahora para almacenar combustible de aviación. En los submarinos , la capacidad de navegar sumergidos a alta velocidad y en relativo silencio durante largos períodos presenta ventajas evidentes. Algunos cruceros navales también han empleado energía nuclear; a fecha de 2006, los únicos que permanecían en servicio eran los de la clase Kirov rusa . Un ejemplo de un buque no militar con propulsión marina nuclear es el rompehielos de la clase Arktika con 75 000 caballos de fuerza al eje (55 930 kW ) . En un rompehielos, una ventaja es la seguridad en el suministro de combustible y la protección en las exigentes condiciones del Ártico. El proyecto comercial del NS Savannah finalizó antes de las drásticas subidas del precio del combustible de la década de 1970. El Savannah también adolecía de un diseño ineficiente, ya que estaba destinado en parte al transporte de pasajeros y en parte al de carga.  

En los últimos tiempos, ha resurgido cierto interés por el transporte marítimo nuclear comercial. Los precios del fueloil son ahora mucho más altos. Los buques de carga de propulsión nuclear podrían reducir los costes asociados a las emisiones de dióxido de carbono y navegar a velocidades de crucero superiores a las de los buques convencionales de propulsión diésel. ^{[ 4 ]}

La mayoría de los buques modernos utilizan un motor diésel alternativo como propulsor principal, debido a su simplicidad operativa, robustez y ahorro de combustible en comparación con la mayoría de los demás mecanismos de propulsión. El cigüeñal giratorio puede acoplarse directamente a la hélice en motores de baja velocidad, a través de una caja reductora para motores de velocidad media y alta, o a través de un alternador y un motor eléctrico en buques diésel-eléctricos. La rotación del cigüeñal está conectada al árbol de levas o a una bomba hidráulica en un motor diésel inteligente .

El motor diésel marino de pistón se utilizó por primera vez en 1903, cuando el buque cisterna fluvial diésel-eléctrico Vandal entró en servicio a cargo de Branobel . Los motores diésel pronto ofrecieron mayor eficiencia que la turbina de vapor, pero durante muchos años tuvieron una relación potencia-espacio inferior. Sin embargo, la llegada de la turbocompresión aceleró su adopción, al permitir mayores densidades de potencia.

Los motores diésel actuales se clasifican generalmente según:

• Su ciclo de funcionamiento: motor de dos tiempos o motor de cuatro tiempos.
• Su construcción: de cabezal transversal , de tronco o de pistón opuesto.
• Su velocidad
  • Baja velocidad: cualquier motor con una velocidad máxima de funcionamiento de hasta 300 revoluciones por minuto (rpm), aunque la mayoría de los grandes motores diésel de dos tiempos y baja velocidad funcionan por debajo de las 120 rpm. Algunos motores de carrera muy larga alcanzan una velocidad máxima de alrededor de 80 rpm. Los motores más grandes y potentes del mundo son diésel de dos tiempos y baja velocidad con cruceta.   
  • Velocidad media: cualquier motor con una velocidad máxima de funcionamiento comprendida entre 300 y 1000  rpm. Muchos motores diésel modernos de cuatro tiempos y velocidad media tienen una velocidad máxima de funcionamiento de alrededor de 500  rpm.
  • Alta velocidad: cualquier motor con una velocidad máxima de funcionamiento superior a 1000  rpm.

La mayoría de los buques mercantes modernos de mayor tamaño utilizan motores de dos tiempos de baja velocidad con cruceta o motores de cuatro tiempos de velocidad media con tronera. Algunos buques más pequeños pueden utilizar motores diésel de alta velocidad.

El tamaño de los distintos tipos de motores es un factor importante a la hora de seleccionar los que se instalarán en un nuevo buque. Los motores de dos tiempos de baja velocidad son mucho más altos, pero el espacio que ocupan es menor que el necesario para motores diésel de cuatro tiempos de velocidad media con una potencia equivalente. Dado que el espacio sobre la línea de flotación es limitado en buques de pasajeros y transbordadores (especialmente aquellos con cubierta para automóviles), estos buques suelen utilizar varios motores de velocidad media, lo que resulta en una sala de máquinas más larga y baja que la necesaria para motores diésel de dos tiempos. La instalación de varios motores también proporciona redundancia en caso de fallo mecánico de uno o más motores, y la posibilidad de una mayor eficiencia en un rango más amplio de condiciones de funcionamiento.

Dado que las hélices de los buques modernos alcanzan su máxima eficiencia a la velocidad de funcionamiento de la mayoría de los motores diésel de baja velocidad, los buques equipados con estos motores generalmente no necesitan cajas de engranajes. Por lo general, estos sistemas de propulsión constan de uno o dos ejes de hélice, cada uno con su propio motor de transmisión directa. Los buques propulsados ​​por motores diésel de velocidad media o alta pueden tener una o dos (a veces más) hélices, comúnmente con uno o más motores que impulsan cada eje de hélice a través de una caja de engranajes. Cuando más de un motor está acoplado a un solo eje, cada motor probablemente accionará mediante un embrague, lo que permite desconectar los motores que no se utilizan de la caja de engranajes mientras los demás siguen funcionando. Esta disposición permite realizar el mantenimiento durante la navegación, incluso lejos de puerto.

Muchos buques de guerra construidos desde la década de 1960 han utilizado turbinas de gas para la propulsión, al igual que algunos buques de pasajeros, como el jetfoil . Las turbinas de gas se utilizan comúnmente en combinación con otros tipos de motores. Más recientemente, el RMS Queen Mary 2  ha tenido turbinas de gas instaladas además de motores diésel . Debido a su baja eficiencia térmica a baja potencia (crucero), es común que los buques que las utilizan tengan motores diésel para crucero, y las turbinas de gas se reserven para cuando se necesitan velocidades más altas. Sin embargo, en el caso de los buques de pasajeros, la razón principal para instalar turbinas de gas ha sido permitir una reducción de emisiones en áreas ambientalmente sensibles o mientras están en puerto. ^{[ 5 ]} Algunos buques de guerra y algunos cruceros modernos también han utilizado turbinas de vapor para mejorar la eficiencia de sus turbinas de gas en un ciclo combinado , donde el calor residual del escape de una turbina de gas se utiliza para hervir agua y crear vapor para accionar una turbina de vapor. En tales ciclos combinados, la eficiencia térmica puede ser igual o ligeramente mayor que la de los motores diésel solos; Sin embargo, el tipo de combustible necesario para estas turbinas de gas es mucho más caro que el necesario para los motores diésel, por lo que los costes de funcionamiento siguen siendo más elevados.

Algunos yates privados, como el Alamshar del Aga Khan , también cuentan con propulsión por turbina de gas (Pratt and Whitney ST40M), ^{[ 6 ]} lo que permite velocidades máximas de hasta 70 nudos, algo único para un yate de 50 metros. ^{[ 7 ]}

Desde finales de la década de 1980, el astillero sueco Kockums ha construido varios submarinos exitosos propulsados ​​por motores Stirling. ^{[ 14 ] [ 15 ]} Los submarinos almacenan oxígeno comprimido para permitir una combustión de combustible externo más eficiente y limpia cuando están sumergidos, proporcionando calor para el funcionamiento del motor Stirling. Los motores se utilizan actualmente en submarinos de las clases Gotland y Södermanland y en el submarino japonés de la clase Sōryū . ^{[ 16 ]} Estos son los primeros submarinos en incorporar propulsión independiente del aire (AIP) Stirling, que extiende la autonomía bajo el agua de unos pocos días a varias semanas. ^{[ 15 ]}

El disipador de calor de un motor Stirling suele ser la temperatura ambiente. En el caso de motores Stirling de potencia media a alta, generalmente se requiere un radiador para transferir el calor del motor al aire ambiente. Los motores Stirling marinos tienen la ventaja de utilizar agua a temperatura ambiente. Al colocar la sección del radiador de refrigeración en agua de mar en lugar de aire ambiente, se puede reducir su tamaño. El agua de refrigeración del motor puede utilizarse directa o indirectamente para la calefacción y refrigeración del buque. El motor Stirling tiene potencial para la propulsión de buques de superficie, ya que su mayor tamaño físico no representa un problema.

Aunque actualmente no se usa comúnmente en la industria marítima, el hidrógeno como alternativa a los combustibles fósiles es un área con una fuerte inversión. En 2018, la compañía naviera Maersk se comprometió a ser libre de carbono para 2050, un objetivo que planean lograr en parte invirtiendo en tecnología de combustible de hidrógeno. ^{[ 17 ]} Si bien el hidrógeno es un combustible prometedor, tiene algunas desventajas. El hidrógeno es mucho más inflamable que otros combustibles como el diésel, por lo que se deben tomar precauciones. Tampoco es muy denso en energía, por lo que debe comprimirse mucho para aumentar su densidad energética lo suficiente como para que sea práctico, de forma similar al metano y al GNL. ^{[ 17 ]} La energía del hidrógeno se puede extraer mediante un sistema de pila de combustible o se puede quemar en un motor de combustión interna, similar a los motores diésel que se utilizan actualmente en la industria marítima. ^{[ 18 ]}

La propulsión eléctrica mediante baterías apareció por primera vez a finales del siglo XIX, impulsando pequeñas embarcaciones lacustres. Estas dependían completamente de baterías de plomo-ácido para obtener la corriente eléctrica que alimentaba sus hélices. Elco (la Compañía de Lanchas Eléctricas) se convirtió en líder del sector, expandiéndose posteriormente a otros tipos de embarcaciones, incluyendo la emblemática lancha torpedera PT de la Segunda Guerra Mundial .

A principios del siglo XX, la propulsión eléctrica se adaptó para su uso en submarinos . Dado que la propulsión submarina impulsada exclusivamente por baterías pesadas era lenta y de alcance y duración limitados, se desarrollaron bancos de baterías recargables. Los submarinos se propulsaban principalmente mediante sistemas diésel-eléctricos combinados en la superficie, que eran mucho más rápidos y permitían un alcance considerablemente mayor, cargando sus sistemas de baterías según fuera necesario para la acción y duración submarinas, que aún eran limitadas. El submarino experimental Holland V propició la adopción de este sistema por la Armada de los Estados Unidos , seguida por la Marina Real Británica .

Para ampliar el alcance y la autonomía del submarino durante la Segunda Guerra Mundial, la Kriegsmarine alemana desarrolló un sistema de snorkel que permitía utilizar el sistema diésel-eléctrico incluso cuando el submarino estaba casi completamente sumergido. Finalmente, en 1952, se botó el USS Nautilus  , el primer submarino de propulsión nuclear del mundo, que eliminó las limitaciones del combustible diésel y de la propulsión por baterías de duración limitada.

Varios buques de corto alcance se construyen (o se convierten) en embarcaciones puramente eléctricas . Esto incluye algunos propulsados ​​por baterías que se recargan desde tierra, y otros alimentados desde tierra mediante cables eléctricos , ya sean aéreos o sumergidos (sin baterías).

El 12 de noviembre de 2017, Guangzhou Shipyard International (GSI) botó lo que podría ser el primer buque de transporte de carbón fluvial totalmente eléctrico y propulsado por baterías del mundo. El buque, de 2000 TPM, transportará carga a granel hasta 40 millas náuticas por carga. El barco cuenta con baterías de iones de litio con una capacidad de 2400 kilovatios-hora, aproximadamente la misma cantidad que 30 sedanes eléctricos Tesla Model S. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

Diésel-eléctrico

La transmisión diésel-eléctrica de potencia del motor a la hélice ofrece flexibilidad en la distribución de la maquinaria dentro del buque, aunque con un coste inicial mayor que la propulsión de accionamiento directo. Es una solución preferida para buques que emplean hélices montadas en góndolas para un posicionamiento de precisión ^{[ 21 ]} o para reducir las vibraciones generales mediante acoplamientos altamente flexibles. ^{[ 22 ] [ 23 ]} La propulsión diésel-eléctrica proporciona flexibilidad para asignar la potencia de salida a aplicaciones a bordo distintas de la propulsión. ^{[ 24 ]} El primer buque diésel-eléctrico fue el petrolero ruso Vandal , botado en 1903. ^{[ 25 ]}

Turboeléctrico

La transmisión turboeléctrica utiliza generadores eléctricos para convertir la energía mecánica de una turbina (de vapor o gas) en energía eléctrica y motores eléctricos para reconvertirla en energía mecánica y así impulsar los ejes de transmisión. Una ventaja de la transmisión turboeléctrica es que permite combinar turbinas de alta velocidad con hélices o ruedas de giro lento, sin necesidad de una caja de cambios. También puede suministrar electricidad a otros sistemas eléctricos, como iluminación, ordenadores, radares y equipos de comunicaciones. ^{[ 26 ]}

En los buques mercantes actuales, las hélices son el elemento más utilizado para transformar la fuerza de rotación del eje en empuje. El empuje generado por la hélice se transmite al casco mediante un cojinete de empuje.

Los remos, una de las formas más antiguas de propulsión marina, se han encontrado datados entre el 5000 y el 4500 a. C. ^{[ 27 ]} Los remos se utilizan en deportes de remo como el remo, el kayak y el piragüismo. ^{[ 28 ]}

Las hélices marinas también se conocen como "hélices". Existen muchas variantes de sistemas de hélices marinas, incluyendo hélices gemelas, contrarrotatorias, de paso variable y de tipo tobera. Si bien las embarcaciones más pequeñas suelen tener una sola hélice, incluso los buques muy grandes, como los petroleros, los portacontenedores y los graneleros, pueden tener hélices simples por razones de eficiencia de combustible. Otras embarcaciones pueden tener hélices gemelas, triples o cuádruples. La potencia se transmite del motor a la hélice a través de un eje de hélice, que puede estar conectado a una caja de engranajes. La hélice impulsa la embarcación generando empuje. Cuando la hélice gira, la presión delante de la hélice es menor que la presión detrás de ella. La fuerza resultante de esta diferencia de presión impulsa la hélice hacia adelante. ^{[ 29 ]}

La rueda de paletas es una rueda grande, generalmente construida con una estructura de acero , sobre cuyo borde exterior se colocan numerosas paletas (llamadas flotadores o cangilones ). Aproximadamente el cuarto inferior de la rueda se desplaza bajo el agua. La rotación de la rueda de paletas produce empuje , hacia adelante o hacia atrás según se requiera. Los diseños más avanzados de ruedas de paletas incorporan sistemas de orientación que mantienen cada paleta casi vertical mientras está sumergida, lo que aumenta la eficiencia. La parte superior de la rueda de paletas suele estar encerrada en una caja para minimizar las salpicaduras.

Las ruedas de paletas han sido reemplazadas por hélices, un sistema de propulsión mucho más eficiente. Sin embargo, las ruedas de paletas presentan dos ventajas sobre las hélices, lo que las hace idóneas para embarcaciones en ríos poco profundos y aguas confinadas: en primer lugar, son menos propensas a obstruirse con obstáculos y escombros; y en segundo lugar, al girar en sentido contrario, permiten que la embarcación gire sobre su propio eje vertical. Algunas embarcaciones contaban con una sola hélice además de dos ruedas de paletas, para aprovechar las ventajas de ambos tipos de propulsión.

Un sistema de propulsión por chorro de agua, hidrojet o chorro de agua utiliza una hélice con conducto ( bomba de flujo axial ), una bomba centrífuga o una bomba de flujo mixto para crear un chorro de agua para la propulsión.

Estos incorporan una entrada para el agua de origen y una boquilla para dirigir su flujo hacia afuera, generando impulso y, en la mayoría de los casos, empleando vectorización de empuje para dirigir la embarcación. ^{[ 30 ]}

Los propulsores a chorro se encuentran en motos acuáticas , catamaranes de alta velocidad , embarcaciones fluviales de poco calado y torpedos.

El propósito de las velas es utilizar la energía del viento para propulsar la embarcación , trineo , tabla , vehículo o rotor . Dependiendo del ángulo de la vela, existirá una diferencia entre la dirección de la embarcación y la del viento. ^{[ 31 ]} El dacrón se utilizaba mucho como material para velas debido a su resistencia, durabilidad y facilidad de mantenimiento. Sin embargo, al tejerlo, presentaba debilidades. Actualmente, se utilizan velas laminadas para evitar que las velas se debiliten al tejerlas. ^{[ 32 ]}

Una hélice Voith Schneider (VSP) es un ciclorotor práctico que proporciona empuje instantáneo en cualquier dirección. No es necesario girar un propulsor. La mayoría de los barcos con VSP no necesitan ni tienen timón. Las VSP se utilizan a menudo en remolcadores, buques de perforación y otras embarcaciones que requieren una maniobrabilidad excepcionalmente buena. Implementadas por primera vez en la década de 1930, las hélices Voith-Schneider están disponibles en grandes tamaños. ^{[ 33 ]}

Un método primitivo e inusual de propulsión de embarcaciones fue la oruga acuática. Esta movía una serie de paletas en cadenas a lo largo del fondo de la embarcación para impulsarla sobre el agua y precedió al desarrollo de los vehículos de orugas . ^{[ 34 ]} La primera oruga acuática fue desarrollada por Joseph-Philibert Desblanc en 1782 y era impulsada por una máquina de vapor. En Estados Unidos, la primera oruga acuática fue patentada en 1839 por William Leavenworth de Nueva York.

En 1997, Gregory S. Ketterman patentó un método de propulsión mediante aletas oscilantes accionadas por pedales. ^{[ 35 ]} La empresa Hobie comercializa este método de propulsión como el "sistema de propulsión a pedales MirageDrive" en sus kayaks. ^{[ 36 ]}