MEKO A200 propulsión Water Jet

[Cocker]

Este es un resúmen sobre el sistema de propulsión basado en la combinación diesel + turbina.

Altere un poco el orden con respecto al pdf pero es solo para hacerlo más didáctico y menos aburrido. Al final dejo la dirección para el que quiera profundizar el tema y encontrar más datos técnicos.

PROPULSION DIESEL Y TURBOGAS DE ACOPLAMIENTO HIDRODINAMICO

Por: Julio Vergara Aimone Capitán de Fragata, Licenciado en Ciencias Navales e Ingeniero Naval Mecánico (A.P.N.). M.B.A. de la Universidad Adolfo Ibáñez. Ph.D. en Nuclear Materials Engineering, M.Sc. en Naval Architecture and Marine Engineering, M.Sc. en Materials Engineering, y M.Sc. en Nuclear Engineering del Massachusetts Institute of Technology. Profesor de Posgrado de Arquitectura, Construcción e Ingeniería Naval de la Academia.Politécnica Naval.


Este trabajo describe las características y atributos del sistema de propulsión DAG-HD (Diesel And Gas, de acoplamiento o combinación HidroDinámica), y sus propulsores. Esta es una planta propulsora de concepción reciente en su utilización como sistema integrado, pero relativamente antigua si se consideran sus componentes en forma separada, siendo apropiada, en general, para la propulsión de buques de guerra, desde patrulleras hasta fragatas. Una de las características más obvias de este sistema propulsivo es que combina ventajosamente algunas de sus similitudes a una planta CODAG (COmbined Diesel And Gas) con otras de una planta CODOG (COmbined Diesel Or Gas), compensando sus respectivas desventajas.

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SISTEMAS CODAG Y CODOG

CODAG (COmbined Diesel And Gas), que tiene el atributo de balancear las conocidas ventajas y desventajas de la propulsión Diesel y la propulsión turbogas.

Impulsado por la planta Diesel: amplio espectro de velocidades, consumo específico y autonomía razonables a velocidades moderadas (potencia relativamente baja).

Impulsado por turbogas: emisiones de gases de baja energía y por otro lado una alta densidad de potencia, en peso y volumen, con menores solicitaciones termomecánicas para la operación a alta velocidad, además de proveer al buque una buena capacidad de aceleración y un bajo nivel de ruido.

CODAG utiliza la propulsión Diesel hasta la velocidad de crucero, y a partir de esa “agrega” la potencia de las turbinas a gas. Esta configuración es ventajosa desde el punto de vista del peso y volumen instalado, evitando adquirir potencia que no se utiliza, y por ello resulta una planta relativamente compacta y liviana.

En cuanto a economía de operación, esta combinación compensa la ventaja de consumo específico de combustible relativamente uniforme en casi todo el espectro de potencia del motor Diesel, con la simplicidad de mantenimiento de la turbogas, justificándose cuando el perfil de operación del buque es poco intensivo y la utilización de velocidades extremas es circunstancial
(Nota: Ideal para armadas que necesiten ahorrar por costo de combustible)
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CODOG (COmbined Diesel Or Gas), típica en fragatas europeas, sustituye los motores Diesel sobre la velocidad de crucero, por las turbogas, lo que implica adquirir turbinas más poderosas.
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En ciertos diseños CODAG y CODOG, predominante en corbetas o fragatas con velocidades máximas inferiores a 30 nudos, se puede interconectar los ejes propulsores, de manera de utilizar un solo motor Diesel a velocidad económica, moviendo ambos ejes propulsores, y además utilizar una sola turbogas sobre una caja reductora cruzada, que también puede accionar ambos ejes.

En el particular diseño de una turbogas y ejes interconectados, las diferencias de las cajas reductoras para propulsión CODAG y CODOG no son muy visibles.

Las plantas CODOG deben alternar los motores Diesel y la turbogas, al acelerar y frenar alrededor de la velocidad de transición, mientras que la planta CODAG sólo debe agregar o quitar la turbogas en este tipo de maniobras.
Una planta CODAG puede operar como CODOG, excepto para máxima velocidad, en que requiere toda la potencia instalada.

No obstante, existen algunas diferencias prácticas entre las configuraciones CODAG y CODOG. La primera posee una caja reductora más compleja ya que debe sincronizar y sumar las potencias Diesel y turbogas.
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OTROS SISTEMAS

COGOG (COmbined Gas Or Gas), Si el costo del combustible no es relevante para una armada, es recomendable una planta propulsora con un conjunto de turbogas de crucero y otro de turbogas de potencia como es el caso de la mayoría de las fragatas y destructores norteamericanos e ingleses.
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COGAG (COmbined Gas And Gas) es equivalente a la COGOG pero con sincronización de velocidades.
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CODAD (COmbined Diesel And Diesel), si el costo del combustible fuera crítico, pero se pudiera tolerar un mayor gasto y complejidad de mantenimiento, entonces se permite la propulsión basada sólo en motores Diesel, en una configuración propulsiva como se observa típicamente en lanchas y corbetas europeas. Esta alternativa no es usual en buques más grandes, cuando hay limitaciones de volumen y peso para propulsión.
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[Cocker]

EL SISTEMA DE PROPULSIÓN DAG-HD.

Este sistema consiste simplemente en asignar a cada fuente de poder su propio propulsor, acoplando la potencia en el medio marino, lo que elimina la relativa complejidad del sistema de reducción cruzado tipo “And”, logrando plantas propulsoras CODAG (y también CODAD y COGAG) más simples.
Por ello, al sustituir el acoplamiento mecánico por uno hidrodinámico externo, no justifica el prefijo “CO” del acrónimo de las combinaciones, quedando las anteriores como DAG (y también DAD y GAG). Sólo para claridad, se le agrega el sufijo HD.

Este sistema propulsivo está permitido cuando no existen interacciones físicas o hidrodinámicas que degraden la eficiencia o pongan en peligro la integridad de los propulsores, y se justifica cuando la suma de las potencias desarrolladas (PD) por cada uno de estos supera la potencia desarrollada por un propulsor único con las fuentes de poder acopladas mecánicamente, o cuando hay otros beneficios operacionales, como por ejemplo bajar el nivel de ruido o navegar en aguas someras.
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En particular, el tipo de propulsión de las corbetas y fragatas alemanas MEKO clase A, es una planta que consiste en dos motores Diesel con sus respectivos propulsores tipo tornillo, y una turbogas dedicada, vía reductor simple, a un propulsor tipo water jet, en un tercer eje en la línea de crujía, que se coloca en servicio en modo “And” a velocidades bastante superiores a los 20 nudos, cooperando al empuje de las hélices clásicas.

Las cajas reductoras de los motores están construidas de tal forma, que se acoplan y permiten mover los ejes laterales con un sólo motor Diesel, para una operación más económica, como si fuera una planta CODAD cruzada.
El propulsor water jet es más compacto que una hélice convencional, lo cual, junto con hélices de menor diámetro, permite que este concepto de tres ejes pueda ser instalado en corbetas y fragatas.
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FUNDAMENTO TEÓRICO DEL WATER JET

El propulsor a chorro de agua es una “hélice entubada”, típicamente de 3 a 7 palas según la eficiencia esperada, más silenciosa a alta velocidad que una hélice clásica (transfiere menos energía hidroacústica al medio marino).

Esta hélice de impulso, que actúa como una bomba de flujo mixto axial-radial, recibe agua por un conducto curvado desde una aspiración a ras del casco o la quilla, y la expulsa acelerando el chorro, utilizando el principio de conservación de la cantidad de movimiento junto al teorema de acción y reacción, a través de una tobera y un ducto de diámetro relativamente pequeño, situado en el espejo de popa. Al girar este impulsor, accionado por una fuente de poder externa al ducto, se arrastra un volumen de agua que produce una disminución de la presión en la aspiración del casco y genera una diferencia de velocidades entre la del chorro expulsado y la del agua en la tobera, lo cual redunda en un aumento de la presión en la descarga.

Esta diferencia de presiones es la que origina la fuerza de empuje en el buque.
La parte más crítica de este sistema, es el ducto de aspiración.
Su longitud no debe ser muy grande para evitar pérdidas de presión por fricción, pero tampoco debe ser muy corta porque la curvatura resultaría muy abrupta, con pérdidas de presión por aceleración.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

La planta DAG-HD, supera la mayoría de los inconvenientes de una planta CODAG. Esta evita la sincronización mecánica de los motores Diesel con la turbogas, y por ello salva eventuales perturbaciones que pudieran ocurrir por un mal procedimiento de sincronización. Esta planta incorpora las ventajas de una planta CODAG de caja reductora cruzada, con un diseño más simple y compacto, pues se puede operar ambos ejes con un motor Diesel.

Una planta CODAG, o una DAGHD, usando turbogas disponibles comercialmente, ajustadas a la respectiva potencia nominal, permite velocidades superiores a los 28 nudos en buques tipo fragata. Por tener motores Diesel más grandes, se puede operar con un sólo motor a velocidades de tránsito rápido, y ganar algunos nudos más con dos motores, y a partir de esa condición agregar la turbogas, en un proceso simple y confiable por las características propias de esta máquina térmica.

Por encima, la eficiencia de una planta propulsora DAG-HD con water jet es superior a la de una planta CODAG, en gran parte el espectro de utilización, al tener las fuentes de poder ajustadas a las condiciones óptimas del propulsor respectivo, en especial si incluye cajas reductoras two step-gear en los motores Diesel.

Un sistema de tres ejes propulsores, con tres fuentes de poder dedicadas pero independientes, y con dos de estas últimas interrelacionadas, es notablemente más confiable que una planta de dos ejes y tres fuentes de poder, y más confiable que dos plantas independientes, con dos fuentes de poder y un eje cada una, sin capacidad de cruzamiento.

Por esta razón, hay mayor redundancia que en un buque de propulsión CODOG o CODAG de dos ejes independientes. Además, con hélices pequeñas se reduce el calado total y queda menos expuesto a varadas o golpes.

Algunas de sus desventajas son la exigencia de inspección y mantención del ducto de aspiración, lo que se simplifica con una compuerta de inspección desde el interior del buque. No obstante, como el buque opera hasta altas velocidades con los motores Diesel, el desgaste de este sistema es bajo. Además, un hombre puede inspeccionar la tobera y el impulsor del water jet en seco, caminando en su interior, con un leve encabuzamiento del buque.

Debido a la reducción de la carga en las ejes hélices y su menor tamaño, a la pequeña extensión del eje central, a la mayor simplicidad de la planta y a otros efectos, el costo de inversión de una planta DAG-HD resulta comparable al de una planta CODAG. El menor costo de operación, sin valorizar otras ventajas, la hace más rentable que la planta CODOG.
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La planta DAG permite una ventaja sin precedentes, que consiste en descargar los gases de la turbina directamente a la estela, sobre el cubo deflector del water jet. Si por encima, esos gases se enfrían inyectando un chorro de agua de mar, en un ducto del material apropiado, se logra un buque frío en su huella MIR, y que a su vez hace más segura la operación de helicópteros.

La planta DAGHD alemana incorpora este arreglo para la turbogas, y las opciones de descarga superficial y submarina para los motores Diesel, según la amenaza del momento. Por ello, este buque no requiere de chimeneas ni de pesados eductores enfriadores, eliminando los puntos de la superestructura calentados por los gases de escape, lo cual produce el efecto adicional de reducir la sección transversal de radar , y el de reducir los esfuerzos mecánicos y deflexiones en la superestructura.

Asimismo, el water jet resulta práctico para ciertas operaciones especiales de baja firma acústica, y según sus materiales se puede lograr una baja firma magnética. Con estos atributos, se logra un buque más furtivo en todos sus planos, lo cual permite reducir el nivel de gasto en sistemas de autodefensa y guerra electrónica.

Al instalar la turbogas cerca del espejo de popa y al no requerir del reductor cruzado, se libera un enorme volumen al centro del buque, donde el movimiento relativo es menor, el cual puede ser redestinado a habitabilidad, mando y control, armas adicionales, lanzadores verticales, etc., lo cual optimiza los accesos, la distribución eléctrica y el acondicionamiento de aire. Por último, simplifica el reemplazo del compresor y la turbina de poder.

Fuente:
http://www.revistamarina.cl/revistas/2000/2/vergara.pdf

 

[SuperEtendard]

Espectacular Cocker!!!

Queria agregar que tambien existe el sistema de propulsion denominado CODLAG (COmbined Diesel eLectric And Gas) que es el sistema de propulsion que utilizan las ultimas T-23 de la RN. En este caso los motores diesel no suministran la potencia a los ejes sino que generan electricidad que va a una central y de aqui a los motores electricos que son los que dan potencia a los ejes, tambien tiene 2 turbinas de gas conectadas a los ejes por medio de una caja reductora. Para velocidades crucero se utiliza propulsion electrica haciendo que un buque con este sistema sea muy silencioso (ideal buques ASW) y de necesitar mas potencia para altas velocidades se utilizan las turbinas de gas.

Se podria diseñar un sistema DLAG-HD y tener todas las ventajas juntas!!!

Saludos

 

[Halcon_del_sur]

Fantástico, muy buena data Cocker, es sencillamente un motor de reacción para el agua, que en lugar de usar gases de escape a velocidad para impulsarse emplea un chorro de agua a velocidad. Es interesante, porque al expulsar masas de agua a gran velocidad se logra un empuje considerable. Es el mismo principio por el cual los motores aeronáuticos de reacción usan inyectores de agua durante las carreras de despegue, ya que le bajan la temperatura a la turbina y aumentan la masa a ser expulsada (ahora gases de escape + agua) logrando así mayor empuje. Todo por la cantidad de movimiento lineal y el principio de acción y reacción.:)
Saludos.

P.D: el princicpio de arrastre del motor, es decir un motor alternativo para mover una turbina de acción, es similar al de los motores turbo-compound.

 

[Red_Star]

Julio Vergara Aimone Capitán de Fragata, Licenciado en Ciencias Navales e Ingeniero Naval Mecánico (A.P.N.). M.B.A. de la Universidad Adolfo Ibáñez. Ph.D. en Nuclear Materials Engineering, M.Sc. en Naval Architecture and Marine Engineering, M.Sc. en Materials Engineering, y M.Sc. en Nuclear Engineering del Massachusetts Institute of Technology. Profesor de Posgrado de Arquitectura, Construcción e Ingeniería Naval de la Academia.Politécnica Naval.

Un título de pregrado, ¡tres maestrías! y un doctorado Díganle tonto al Capitán Vergara

Saludos

 

[Cocker]

Espectacular Cocker!!!

Queria agregar que tambien existe el sistema de propulsion denominado CODLAG (COmbined Diesel eLectric And Gas) que es el sistema de propulsion que utilizan las ultimas T-23 de la RN. En este caso los motores diesel no suministran la potencia a los ejes sino que generan electricidad que va a una central y de aqui a los motores electricos que son los que dan potencia a los ejes, tambien tiene 2 turbinas de gas conectadas a los ejes por medio de una caja reductora. Para velocidades crucero se utiliza propulsion electrica haciendo que un buque con este sistema sea muy silencioso (ideal buques ASW) y de necesitar mas potencia para altas velocidades se utilizan las turbinas de gas.

Se podria diseñar un sistema DLAG-HD y tener todas las ventajas juntas!!!

Saludos

Hace rato que quería sacarme dudas con este sistema de las MEKO A200 y entender mejor como son los otros sistemas y sus ventajas y desventajas.

Otra fragata que usa CODLAG es la MEKO D

Halcón, vos que sos ingeniero, te va a interesar si vas al archivo pdf, ahí vas a encontrar más detalles técnicos y algunas fórmulas

Red, me dá la impresión que el Capitán de Fragata Julio Vergara Aimone estaría relacionado en alguna forma con Chile, el artículo es de una revista chilena, no es cierto?

 

[Red_Star]

Red, me dá la impresión que el Capitán de Fragata Julio Vergara Aimone estaría relacionado en alguna forma con Chile, el artículo es de una revista chilena, no es cierto?

Era Capitán de la Armada de Chile. Se retiró con grado de Capitán de Navío en Diciembre de 2004 (Ver aquí)

Saludos

 

[joseph]

EL SISTEMA DE PROPULSIÓN DAG-HD.

Este es el que usaba el octubre rojo.

Lo unico de que hay que preocuparse es de algun problema porque para reparar el water jet necesitas un mejor equipo de inspeccion.

 

[Cocker]

Este es el que usaba el octubre rojo

El Octubre Rojo, de la película, era un sub nuclear.

 

[joseph]

Pero tenia el aparatejo dentro del casco que no hacia ruido.

 

[argie]

Pero tenia el aparatejo dentro del casco que no hacia ruido.

...denominado sistema "Oruga".

 

[2-P-111]

Recién ahora lei el informe con detenimiento. Bravo Zulu. Te pasaste Cocker! Con un poco mas de tiempo voy a leer el PDF.

Saludos

Denis

 

[2-P-111]

Se podria diseñar un sistema DLAG-HD y tener todas las ventajas juntas!!!

Saludos

La idea es muy buena, y parece probable ya que el DAG libera espacio. Además el Diesel Electric tiene muy buenas eficiencias.

Saludos

Denis

Voy encargando una de estas plantas de poder para mi nuevo yate.

 

[danram]

el octubre rojo "usaba" un sistema de magnetos/imanes que no recuerdo el nombre habia un barco japones que lo usaba y producia un ejecto de hidrolisis secundario, pero la pregunta mia es ese sistema de hidro-jet no se tiene previsto usar en SUBS? o es ineficiente?

 

[SnAkE_OnE]

jajaja el caterpillar drive?

 

[danram]

disculpa pero no conozco....

 

[Pánzon]

HOla Damram,

Se refieren a una novela de los 80´s que derivara en pelicula de mucho exito "La caza al Octubre Rojo" y fue como el nacimiento del "techno-thriller" militarico...

El principio es el de exitar las particulas del agua mediante campos magneticos de alta intensidad mediante la utilizacion de superconductores, los cuales en teoria crearian campos magneticos tan poderosos que impulsarian a la nave silenciosamente mas alla de los ruidos que se pudieran filtrar al exterior.... es decir, "ducted propellers" dentro de un tubo, como los Jet Sky..... pero sin helices..

Se hablo de prueba realizadas en un buque Japones de unas 500 tn pero creo fue un fiasco ya que la velocidad alcanzada era ridicula..... es evidente que en este caso aun falta el gran salto adelante en el tema superconduccion electrica.

Saludos.

 

[joseph]

¿La turbina de gas que combustible usa?

 

[xrozac]

HOla Damram,

Se refieren a una novela de los 80´s que derivara en pelicula de mucho exito "La caza al Octubre Rojo" y fue como el nacimiento del "techno-thriller" militarico...

El principio es el de exitar las particulas del agua mediante campos magneticos de alta intensidad mediante la utilizacion de superconductores, los cuales en teoria crearian campos magneticos tan poderosos que impulsarian a la nave silenciosamente mas alla de los ruidos que se pudieran filtrar al exterior.... es decir, "ducted propellers" dentro de un tubo, como los Jet Sky..... pero sin helices..

Se hablo de prueba realizadas en un buque Japones de unas 500 tn pero creo fue un fiasco ya que la velocidad alcanzada era ridicula..... es evidente que en este caso aun falta el gran salto adelante en el tema superconduccion electrica.

Saludos.

Si no me equivoco hace mas de 10 años que existe un barco con este tipo de propulsion. en mi casa tengo un libro dond dice lo voy a buscar

 

[robert78]

¿La turbina de gas que combustible usa?

Es un turborreactor, igual que la de un avión. Al igual que éste usa combustible JP, una variante del querosene.

Es por eso que es tan caro operar un buque con turbinas a gas. Los consumos de combustible son muy altos, en comparación con buques con calderas o diesel. como bien se explica más al inicio del thread, esto se compensa con menores costos de horas-hombre de mantenimento.

Saludos

Rob