ACTIVIDADES CONJUNTAS DE I+D CON NAVANTIA, CEHIPAR Y SISTEMAR

En 1997 comenzó una fuerte cooperación entre Astilleros Españoles, CEHIPAR y SISTEMAR con un proyecto de I+D+i titulado «Optimización de la propulsión de un buque mediante soluciones innovadoras incluyendo hélices con placas de cierre” (1997-1999). En aquel momento IZAR y NAVANTIA no se habían creado todavía.

Una de las metas conseguidas fue desarrollar un procedimiento para extrapolar a plena escala los resultados de los ensayos de canal con modelos de hélice CLT, de tal manera que hoy en día CEHIPAR y  SISTEMAR pueden extrapolar a plena escala resultados de ensayos de canal con hélices CLT con el mismo grado de precisión que tiene la extrapolación a plena escala de resultados de ensayos con modelos con hélices convencionales.  

El procedimiento de extrapolación desarrollado es casi el mismo que el de la ITTC’78 para las hélices convencionales pero con la introducción de algunos coeficientes de correlación especiales en la obtención de las curvas de propulsor aislado de la hélice CLT. El procedimiento se presentó en la Conferencia de The Motor Ship en 2005 (“Scale effects in model tests with CLT propellers”. 27th Motor Ship Marine Propulsion Conference. Bilbao, Enero del 2005).

Otra meta importante de este esfuerzo de I+D+i ha sido resaltar el efecto de escala existente en el coeficiente epsilon que define el reparto entre las fuerzas de sobrepresión y de depresión que actúan sobre las palas de la hélice CLT.

El flujo del agua a plena escala es completamente turbulento y no hay separación de la capa límite laminar y además el agua abandona la cascada de perfiles en dirección tangente a las líneas medias del perfil. Sin embargo, la separación del flujo tipo lámina producida en el campo de modelo afecta no solo a las fuerzas de viscosidad que actúan sobre las palas (conduciendo a valores más altos de CD) sino también a la distribución de presión sobre las palas así como a las fuerzas de sustentación (conduciendo a valores más bajos de CL). 

Debido a todo lo anterior, los efectos de escala se han de tener en cuenta no solo al evaluar las fuerzas de viscosidad sino también las fuerzas de sustentación para corregir la influencia de la separación del flujo laminar en el campo del modelo con hélices CLT. 

Debido a los valores más altos de CD del campo de modelo y a los valores CL más bajos, el coeficiente epsilon en el campo del modelo es más alto que a plena escala y por lo tanto el rendimiento de la hélice en aguas libres es menor en el campo del modelo que a plena escala y además el comportamiento en cavitación en el campo del modelo es peor que a plena escala. 

Se realizó un nuevo proyecto de I+D+i durante 2001-2003 entre IZAR, CEHIPAR y SISTEMAR: “Investigación sobre el comportamiento en cavitación de las hélices CLT, sobre la influencia de las secciones anulares de las palas de nuevos tipos de hélices y las potenciales aplicaciones a los POD’s”, con los siguientes objetivos:

• Desarrollar un nuevo procedimiento para realizar ensayos de cavitación con hélices CLT, para poder asegurar que dentro del túnel de cavitación se desarrollase un fenómeno similar al correspondiente a plena escala.
• Estudiar las ventajas que se obtendrían al utilizar un nuevo tipo de línea media desarrollada por SISTEMAR en el diseño de las hélices CLT, buscando un mayor incremento de la cantidad de movimiento que las cascadas de la sección anular de las palas de la hélice dan al agua.
• Comparar los pulsos de presión inducidos sobre el casco por una hélice convencional con los inducidos por una hélice CLT estándar y un nuevo diseño de hélice CLT utilizando la nueva línea media.

Con el nuevo tipo de línea media se confirmaron las siguientes mejoras:

1. Una reducción de la depresión existente en la cara de succión de la hélice/palas CLT y también una mayor reducción del volumen de la cavitación tipo lámina, y en consecuencia una reducción de los niveles de los pulsos de presión sobre el casco.
2. Aumento de la sobrepresión existente en la cara de presión de la hélice/palas CLT, que llevaría a un incremento en el rendimiento de propulsor aislado de las actuales hélices CLT.

Se realizó un nuevo proyecto de I+D+i durante 2003-2005 entre IZAR, CEHIPAR y  SISTEMAR, con la participación de ACCIONA TRASMEDITERRANEA y TSI, con la finalidad de validar a plena escala los logros de los programas previos: “Investigación sobre el comportamiento de hélices altamente cargadas para ferries convencionales de alta velocidad”.

Se instalaron palas CLT en el ferry “Fortuny” reemplazando las palas convencionales existentes. La velocidad del buque en condiciones ideales de pruebas era de 24 kn, y no hubo problemas significativos de vibraciones operando en condiciones distintas de las de diseño bajo el modo de combinador; sin embargo operando bajo el modo de rpm constantes en condiciones distintas de las de diseño para pasos inferiores al de diseño  los niveles de ruidos y vibraciones fueron muy altos, convirtiéndose en no aceptables en ciertos espacios.

Cuando el paso disminuye y las rpm se mantienen constantes la distribución radial de carga de las palas convencionales disminuyen incluso más en el extremo y se alcanzan cargas negativas en las secciones más altas de la pala. En consecuencia, se desarrolla una cavitación en la cara de presión de la pala convencional y los niveles de ruidos y de vibraciones aumentan debido a la mayor excitación de los pulsos de presión. La situación no es la misma con las palas CLT porque no hay cavitación en cara de presión para pasos más bajos.

Se ha deducido tanto del túnel de cavitación como de las mediciones a plena escala que los niveles de ruidos y vibraciones no aceptables se producen como consecuencia de espectro de energía de banda ancha detectada en el caso de palas convencionales que no existe en el caso de las palas CLT. Este fenómeno explica los problemas de vibraciones existentes con las palas convencionales.

La excitación variable de banda ancha detectada entre la excitación de los armónicos correspondientes al segundo y tercer armónico de paso de pala facilita la aparición de fenómenos de resonancia local que son claramente predominantes para todos los espectros tanto de ruidos como de vibraciones a lo largo de todo el buque. El ruido estructural de frecuencia baja es muy difícil de reducir con amortiguadores acústicos convencionales y debido a esto los niveles de ruidos y de vibraciones aumentan para posiciones de paso reducidas con palas convencionales.

Se realizaron pruebas comparativas a plena escala antes y después de la instalación de las palas CLT. Los resultados de estas pruebas han demostrado que el consumo de combustible se ha reducido para todo el rango de velocidades del buque tras la instalación de las palas CLT y también que los niveles de ruidos y de vibraciones no aceptables producidos con las palas convencionales operando a rpm constantes con  pasos inferiores a los de diseño se han eliminado totalmente.