Propulsión por chorro de agua (WaterJet): principio de funcionamiento, diseño y ventajas

 

Propulsión por chorro de agua (WaterJet): principio de funcionamiento, diseño y ventajas

 

Por: Ajay Menon

Estudiante de grado en el Instituto Indio de Tecnología de Kharagpur (India), cursando una especialización integrada en Ingeniería Oceánica y Arquitectura Naval.

 Los barcos son estructuras enormes, con un peso que oscila entre 100.000 y 500.000 toneladas. Sin embargo, se desplazan con facilidad por los océanos.

En el otro extremo del espectro de tamaño de las embarcaciones, los pequeños barcos de pesca de arrastre y los yates de recreo apenas superan las 10.000 toneladas. Se les suele encontrar navegando por la costa a velocidades muy altas.

  Entonces, ¿cómo se propulsan embarcaciones y barcos tan diferentes en el agua?

Aquí es donde entra en juego la propulsión marina.

Las distintas clases de embarcaciones utilizan diversos sistemas de propulsión que emplean diversas técnicas para generar energía. Las embarcaciones anteriores utilizaban combustibles fósiles como el carbón para impulsar grandes motores que impulsaban las hélices.

Los modelos posteriores funcionaban con motores alternativos y motores marinos diésel, que eran más eficientes. La energía nuclear también se utiliza hoy en día para propulsar buques de guerra, pero su adaptación al sector marítimo comercial es demasiado cara y peligrosa.

 ¿No sería conveniente generar algún tipo de energía utilizando un recurso fácilmente disponible que no genere productos tóxicos?

 Aquí es donde entra en juego la propulsión por chorro de agua.

El agua es el recurso más abundante de la Tierra, con casi el 75 % de la superficie cubierta de agua. Además, al utilizarse como único componente de propulsión, no se generan subproductos nocivos y todo el proceso es respetuoso con el medio ambiente.

En este artículo, analizaremos la propulsión por chorro de agua, su principio de funcionamiento y sus ventajas.

 Sistemas de Propulsión Marina Convencionales

La propulsión se refiere a la mecánica que genera el empuje y la fuerza necesarios para mover un cuerpo por sus propios medios. La potencia requerida se genera convencionalmente mediante dos o más motores diésel marinos que funcionan en modo de dos o cuatro tiempos.

Estos motores cuentan con varios cilindros de pistón que generan movimiento de rotación mediante la combustión del combustible a temperatura de ignición. Este movimiento de rotación se utiliza para girar un cigüeñal conectado al eje de la hélice marina, que a su vez conduce a las hélices.

 

Las hélices tienen palas hidrodinámicas de tres o más palas que impulsan el agua detrás del barco para impulsarlo hacia adelante. Los motores se ubican sobre robustas plataformas amortiguadoras capaces de redirigir el movimiento vibratorio hacia la amplia superficie del casco.

Para modificar la dirección, se utilizan timones que dirigen la masa de fluido entrante desde las hélices. En los diseños más recientes de azipod, los timones están integrados en las hélices, lo que resulta en un sistema compacto que puede girar en la mayoría de las direcciones para cambiar la trayectoria del buque.

 De la descripción anterior, se pueden identificar varios problemas. La principal desventaja de este sistema convencional es su dependencia de una gran cantidad de componentes, que no son fáciles de reemplazar.

Por ejemplo, si el eje de la hélice marina requiere reparación, las hélices y todo el conjunto del eje deben retirarse del barco, lo que supone un gran gasto de tiempo y mano de obra. Un diseño más simple permitiría realizar reparaciones más rápidamente, al facilitar el acceso a los diversos componentes. La propulsión por chorro de agua ofrece esta ventaja, ya que está integrada en un sistema compacto que puede desmontarse sin necesidad de desmontar gran parte del barco. Ahora que comprendemos bien el método de propulsión convencional, podemos comprender mejor los sistemas de chorro de agua y sus ventajas.

 

Propulsión por chorro de agua

El uso del agua como fuente de energía elimina varios de los problemas derivados de los métodos de propulsión convencionales. Es rápido, silencioso y extremadamente ecológico.

Sin embargo, actualmente la propulsión por chorro de agua no puede utilizarse en grandes buques como petroleros, cargueros o buques de guerra. Es más adecuada para propulsar buques de la guardia costera y la marina más pequeños, arrastreros, remolcadores y embarcaciones personales.

La idea de utilizar el agua como fuente de energía fue considerada por primera vez en 1661 por Toogood y Hayes, quienes teorizaron que un canal central de agua podría utilizarse para generar propulsión. La idea pasó por varias iteraciones antes de ser ampliamente aceptada e integrada en los buques comerciales.

  Varias empresas comerciales diseñan, construyen e instalan sistemas de chorro de agua. La principal diferencia entre estas empresas reside en los componentes de instalación, el grado de movimiento, el diseño de los componentes de trabajo y la elección de los materiales.

 En resumen, los sistemas de chorro de agua se instalan en la popa del buque, cerca de la línea de flotación. El agua se extrae y procesa dentro del sistema para salir por la tobera de popa a alta velocidad, impulsando el buque hacia adelante.

En la siguiente sección, analizaremos el funcionamiento de este sistema y la física detrás de la propulsión por chorro de agua.

 

Principio de funcionamiento, mecanismo y componentes

El sistema de chorro de agua funciona según el principio de la Tercera Ley de Newton, que establece que a cada acción le corresponde una reacción igual y opuesta.

La fuerza desarrollada debido a la rápida expulsión de agua desde la tobera de popa del sistema de chorro de agua crea una fuerza de reacción que impulsa el buque hacia adelante.

El agua se introduce directamente en la maquinaria principal a través de un conducto de succión ubicado en la parte inferior del buque.

La mayoría de los buques utilizan un solo conducto, aunque un mayor número de conductos puede aumentar la potencia generada, necesaria en buques grandes. El fluido que pasa por la entrada se dirige a la unidad de procesamiento principal del sistema.

En caso de obstrucción por residuos cerca de la entrada, el buque puede detenerse hasta que se eliminen. Existen otros mecanismos que permiten el retrolavado de la entrada para desalojar los residuos.

El agua de entrada es un fluido de energía relativamente baja, ya que se encuentra en reposo antes de la succión. Sin embargo, para generar suficiente empuje, debe convertirse en un fluido de alta energía. Esto se logra induciendo un elemento de turbulencia mediante álabes. Los álabes se accionan mediante un impulsor y un estator.

  Debido a las respuestas de la mecánica de fluidos, se crea suficiente presión mediante esta turbulencia, la cual se expulsa como un chorro de alta presión desde la tobera. El impulsor es un eje accionado por un motor a bordo. Está acoplado al estator, que gira las palas.

Para comprender la disposición impulsor-estator, se puede comparar, en principio, con el motor de un avión que aumenta rápidamente la velocidad de salida del aire que entra en la turbina. El eje del impulsor gira mediante el eje de transmisión principal conectado al motor y acoplado mediante cojinetes y conectores reforzados.

La tobera está ubicada en la popa de la unidad y dirige el fluido que sale del sistema. Está controlada por un sistema giratorio conectado a un timón en el puente de la embarcación.

El movimiento giratorio se extiende entre 150° y 180° en la mayoría de las embarcaciones. Existe un componente esencial, conocido como deflector de popa, que ayuda a la embarcación a moverse en reversa o a girar mientras está en reversa.

El deflector está diseñado con una forma hidrodinámica que permite redirigir suavemente el flujo en la dirección opuesta a la de expulsión. Se ajusta sobre la boca de la boquilla y puede subirse o bajarse según la maniobra de dirección requerida.

La alimentación de los componentes móviles de la unidad se realiza mediante dos fuentes principales:

 .- el motor a bordo para el eje del impulsor y

.- el sistema hidráulico para el funcionamiento del deflector.

 El sistema hidráulico, generalmente basado en aceite, se almacena dentro del casco del buque para evitar cualquier tipo de contaminación en caso de derrame de petróleo.

Para acceder a los diversos componentes del buque, se disponen de varios paneles de acceso a lo largo de la unidad. Sin embargo, se debe tener cuidado al abrir el sistema y toda la unidad debe apagarse y detenerse por completo.

Debido a las grandes vibraciones y fuerzas que actúa el sistema de propulsión, la unidad está montada sobre estructuras especializadas que pueden redirigir y absorber las fuerzas de salida. La fuerza se redirige a la gran superficie del casco para poder dispersarse de forma segura sin crear cargas puntuales peligrosas.

 

¿Cómo se operan las embarcaciones de chorro de agua?

 Los sistemas de chorro de agua son extremadamente precisos en cuanto a maniobrabilidad y dirección. Esto se debe al amplio rango de movimiento que proporciona la tobera.

Los principales controles disponibles para el oficial a cargo del gobierno incluyen una palanca de aceleración, un volante y una palanca para subir o bajar el deflector de popa. Analizaremos algunas operaciones principales de gobierno y cómo la tecnología de chorro de agua las logra.

 Para acelerar hacia adelante, la palanca de aceleración se incrementa gradualmente mientras el deflector se mantiene en posición elevada. En esta condición, el empuje generado por el fluido que sale de la tobera se dirige hacia popa, impulsando así la embarcación hacia adelante. Al ajustar la palanca de aceleración, se puede modificar la velocidad de la embarcación a medida que el fluido sale a mayor velocidad.

Para las operaciones de giro, el volante se utiliza junto con el acelerador. La dirección se controla mediante el volante, mientras que la velocidad de giro está sujeta a la aceleración. Para obtener virajes cerrados, se requiere una aceleración alta y una rotación brusca del timón. La velocidad de giro puede variar según el número de unidades y la potencia generada por cada una, el tamaño de la embarcación y las condiciones meteorológicas.

Por último, para la marcha atrás, se baja el deflector de popa y se aumenta la aceleración. A medida que se aumenta la aceleración, los chorros de agua que salen de la tobera se redirigen hacia abajo y en sentido inverso gracias a la forma hidrodinámica del deflector. Esto provoca que la embarcación se mueva en sentido inverso.

Para virar mientras se da marcha atrás, se utiliza el timón para cambiar la dirección del chorro de agua que sale del deflector. Al gobernar, conviene recordar que la proa siempre apunta en la dirección en la que se ha girado el timón. Esto es especialmente útil al dar marcha atrás, ya que en esta situación se invierte la convención de giro.

 

Bomba de propulsión a chorro

El número de unidades en uso puede tener un efecto importante en la eficiencia y eficacia del sistema de chorro de agua. Aunque es común utilizar un sistema único, se prefiere una configuración de sistema dual. Esto se debe a que proporciona un mayor grado de control.

Por ejemplo, para mantener la embarcación estacionaria, se puede utilizar una combinación de los modos de avance y retroceso. El deflector se baja parcialmente de modo que la mitad del empuje pase a través de él, mientras que la otra mitad incide sobre el deflector y proporciona el empuje inverso. En esta situación, la dirección sigue activa.

Girar el timón permite a la embarcación realizar un giro con un radio de giro casi nulo, es decir, la embarcación realiza un giro sobre su posición actual. Los avances en la tecnología de chorro de agua han permitido que incluso sistemas de una sola unidad realicen esta maniobra.

De igual manera, la embarcación puede moverse transversalmente sin ningún movimiento de traslación utilizando unidades duales. Esto se logra utilizando chorros individuales en diferentes direcciones para mantener la embarcación estable. Si la configuración no se maneja correctamente, la embarcación puede balancearse violentamente, lo que resulta en resonancia paramétrica y, eventualmente, daños a la embarcación. También puede causar daños al muelle en caso de colisión.

 Un punto interesante a destacar es que las unidades de chorro de agua pueden presentarse en tres variantes principales al momento de la instalación:

 .- unidad independiente,

.- conducto y boquilla independientes,

.- o un conducto independiente.

 El metal preferido para la construcción de la boquilla es el acero, mientras que para el conducto se utilizan materiales compuestos o acero. Contar con una unidad independiente completa facilita la instalación, ya que todo el sistema simplemente debe conectarse en un dique seco.

 

Ventajas y desventajas

La propulsión por chorro de agua presenta varias ventajas que la convierten en una opción atractiva al elegir sistemas de propulsión. La velocidad de la embarcación es fundamental en embarcaciones pequeñas, y las embarcaciones propulsadas por chorro de agua pueden alcanzar los 40 nudos (75 km/h) incluso en condiciones adversas. Esta velocidad es comparable y, a menudo, superior a los estándares convencionales de la industria.

 En general, para alcanzar altas velocidades, las palas de las hélices convencionales deben girar a muy altas RPM para generar suficiente empuje. Sin embargo, esto genera una diferencia de presión dinámica entre el medio circundante y los bordes de las palas giratorias de la hélice. Esto provoca la desintegración del borde debido a un fenómeno conocido como cavitación.

La cavitación se debe a que el agua se vaporiza rápidamente cerca de la superficie de la pala, lo que genera microburbujas que dañan el borde de la pala. Este efecto puede desgastar rápidamente el metal y obligar a la embarcación a moverse en direcciones impredecibles.

 Aunque los sistemas de chorro de agua también utilizan palas hidrodinámicas, la diferencia de presión dinámica entre la maquinaria interna y el fluido circundante es menor. De esta forma, se reducen considerablemente los efectos de la cavitación, lo que se traduce en una mayor vida útil del sistema.

El sistema de chorro de agua es muy compacto y puede producir una cantidad considerable de potencia en una unidad pequeña. Esto lo convierte en una excelente opción para embarcaciones con limitaciones de espacio.

 Las palas de la hélice están recubiertas con un diseño que evita cualquier contacto accidental con las palas de alta velocidad. Por lo tanto, es más seguro que las palas convencionales sin protección. Otra ventaja del uso de chorros de agua es que no es necesario sumergir todo el conjunto.

Para que los sistemas normales sean eficaces, todo el conjunto de palas y eje debe estar sumergido, mientras que en los sistemas de chorro de agua solo es necesario sumergir la entrada.

 La propulsión por chorro de agua también es más fácil de maniobrar, ya que la dirección es casi instantánea. Esto se debe a la respuesta inmediata de los sistemas hidráulicos que giran la boquilla de salida.

A diferencia de las embarcaciones convencionales, que requieren un mayor radio de giro, las embarcaciones propulsadas por chorro de agua pueden realizar un giro completo de 360° sin moverse de su posición. Además, los giros se pueden realizar a una velocidad mucho mayor simplemente aumentando la aceleración del chorro de agua. Por lo tanto, la dirección y la navegación son considerablemente más rápidas y eficientes.

 Otra ventaja de los sistemas de chorro de agua es la ausencia de caja de engranajes. Si bien esto ofrece un mayor nivel de control en los sistemas de propulsión estándar, es innecesario en los sistemas de chorro de agua. Esto se debe a que solo se utiliza un modo de engranaje y no es necesario modificar el par de ningún componente rotatorio. El único componente rotatorio es el impulsor, conectado a un acoplamiento rotatorio básico. Por lo tanto, en los sistemas de chorro de agua, se requieren menos componentes para su mantenimiento y reparación.

 Por último, desde un punto de vista militar, los chorros de agua no producen tanto ruido como la propulsión convencional. Esto se traduce en una reducción del ruido físico y de las señales de sonar. Esto tiene una enorme aplicación en embarcaciones de uso militar que pueden navegar a altas velocidades sin ser fácilmente detectadas por SONAR y otros sistemas. Esto se debe en parte al diseño encapsulado del conjunto, que redirige y redistribuye el ruido.

 La principal desventaja de los sistemas de chorro de agua es su elevado coste inicial. A diferencia de los sistemas de propulsión estándar, los componentes y la maquinaria asociados a esta tecnología aún son demasiado caros para integrarlos en todas las embarcaciones. Además, el coste de instalación y mantenimiento puede ser elevado debido a la naturaleza especializada del proceso. Por ello, la mayoría de los operadores y propietarios de embarcaciones prefieren alternativas más económicas.

 Otro problema al que se enfrentan los sistemas de chorro de agua es que solo se pueden utilizar en embarcaciones pequeñas y medianas. Esto se debe a que el empuje generado por equipos de tamaño estándar solo puede alcanzar el empuje suficiente para embarcaciones de estos tamaños. Las embarcaciones más grandes también requerirían sistemas de propulsión proporcionalmente más grandes.

 No es que no sea posible lograrlo en un futuro próximo; simplemente es demasiado caro realizar este tipo de fabricación. Además, la construcción de componentes de tamaño comparable al de las hélices convencionales requiere equipos especializados que aún se encuentran en investigación y desarrollo por parte de entidades comerciales. En un futuro próximo, cabe esperar un aumento gradual del número de buques propulsados ​​por propulsión a chorro de agua debido a la reducción de los costos de producción.

 

Chorro de agua híbrido-eléctrico

Para satisfacer la creciente demanda global de aplicaciones que requieren un funcionamiento con cero emisiones o bajas emisiones, hemos aplicado nuestro avanzado diseño de chorro de agua y nuestra capacidad técnica para desarrollar el único chorro de agua híbrido-eléctrico con función de toma de fuerza (PTI) integrada. Ideal para clientes que buscan una solución híbrida eléctrica complementaria sin realizar cambios significativos en la transmisión existente ni comprometer la fiabilidad de la embarcación.

 La variante Híbrida-Eléctrica se ofrece en modelos seleccionados de nuestra gama, que ahora pueden suministrarse o equiparse con el PTI integrado que presenta un acoplamiento de entrada orientado hacia adelante para la conexión y adaptación de un motor eléctrico de hasta 300 kW, continuo al chorro de agua.

 

Nuestro enfoque ha sido trabajar con un sistema de propulsión tradicional, de eficacia probada y fácil mantenimiento. El PTI montado en el jet cuenta con un embrague integrado para mayor seguridad; actúa como punto de conexión entre el sistema de propulsión tradicional y el sistema híbrido elegido, brindando al cliente la confianza de que los sistemas pueden operar de forma independiente con mayor redundancia, sin riesgos. El PTI montado en el jet permite adaptar perfectamente las características del motor eléctrico a la configuración establecida del impulsor diésel-agua.

 Este enfoque innovador elimina la necesidad de costosas transmisiones marinas híbridas, productos especiales de transmisión en serie o motores eléctricos en serie entre el motor y el chorro de agua, y proporciona un dispositivo simple y rentable para combinar y convertir energía diésel y eléctrica en el chorro de agua con los siguientes modos de operación posibles:

 

Sólo diésel

En este sistema de propulsión tradicional, los motores diésel proporcionan energía para la propulsión y el motor eléctrico se puede desconectar completamente mediante el embrague si es necesario.

 Sólo eléctrico

El motor de CA impulsa directamente la propulsión, y el motor diésel está apagado y desconectado de la propulsión. La embarcación puede operar silenciosamente y sin emisiones durante todo el tiempo que dura gracias al almacenamiento de energía.

 

Impulso eléctrico

El motor diésel y el motor de CA, a través del PTI, proporcionan energía para la propulsión simultáneamente.

 

Regeneración

Los motores diésel proporcionan energía para la propulsión. La energía de reserva disponible del diésel utilizado por los motores de CA genera energía que puede almacenarse en el almacenamiento de energía o utilizarse para alimentar el panel de distribución del buque con energía para las cargas del hotel. En este modo, la PTI elimina la necesidad de operar motores de grupos electrógenos separados gracias a su capacidad para actuar como toma de fuerza (PTO).

 Para respaldar el sistema de chorro de agua híbrido-eléctrico, nuestra plataforma de control ECS400 se conecta fácilmente al motor eléctrico, al sistema de gestión de potencia eléctrica y al motor diésel, garantizando una distribución de potencia fluida. Desde la perspectiva del capitán, la propulsión y el control del barco en el puente de mando permanecen inalterados, independientemente del modo de operación.

 

Qué impulsará el  catamarán ligero más grande del mundo?

 Los barcos eléctricos propulsados por baterías son cada vez más interesantes para las empresas que quieren ser más sostenibles. Un ejemplo interesante es un nuevo ferry que está construyendo Incat Tasmania, ordenado por Buquebús.

El nuevo ferry será el ferry de catamarán ligero más grande del mundo, y será alimentado por un sistema de propulsión eléctrica de batería y chorros de agua de Wárrtil. Será la mayor nave eléctrica de batería jamás construida.

 El cliente sudamericano a largo plazo de los insólidos, Buquebús tendrá el buque para operar entre Argentina y Uruguay. Tiene una longitud total de 130 m y tendrá capacidad para transportar 2.100 pasajeros y 225 vehículos.

Está previsto que el equipo de Wártsilá se entregue en la última parte del año 2024. La propia embarcación está programada para ser entregada a Buquebús en 2025.

 

 Energía de baterías y ocho chorros eléctricos

 Esta vasija de catamarán estará totalmente alimentada con batería, y los chorros de agua serán la principal potencia de su motor eléctrico.

En total, el buque tendrá el beneficio de las siguientes soluciones de Wártsil:

     sistema de conversión de potencia

    el sistema inteligente de gestión de la energía

    Sistema de carga de la costa de DC

    40 módulos de batería MWh

    el centro de DC

    ocho motores eléctricos

    ocho chorros de agua Wártsil axial WXJ1100

    Sistema de control de propulsión ProTouch.

 El paquete de los módulos de batería y el sistema de almacenamiento de energía producirá 4 veces la potencia de cualquiera de los que se encuentren en los buques eléctricos o híbridos de hoy.

 

El sistema de propulsión a entregar

Ocho propulsores principales, compactos y ligeros flujos axiales de flujo axial WXJ1100 que están diseñados y optimizados para el funcionamiento de 25 nudos de velocidad media. Los chorros son conducidos por ocho motores electrónicos permanentes muy eficientes en un diseño compacto y ligero.

 

Los sistemas de propulsión, batería y almacenamiento de energía que se van a suministrar

Los módulos de batería y el paquete del sistema de almacenamiento de energía pueden proporcionar cuatro veces la eficiencia que cualquier otro buque eléctrico/híbido que esté operando actualmente.

 

 Una relación sinérgica entre Incat y Wártsil.

Incat ha tenido una relación prácticamente sinérgica con el equipo de los Waterjets de Wurtil durante más de 30 años. Durante este tiempo, los catamaranes de Incat se han hecho más y más grandes y mucho más eficientes.

Sorprendentemente, los chorros construidos para este ferry de catamarán de cero emisiones más grandes de este mundo no eran mayores que antes. De hecho, eran más pequeñas, decenas de toneladas más ligeras que en anteriores instalaciones del INCAT, y optimizadas para la operación de velocidad media (25 nudos).

Incat y Wártsil, incluso han batido un récord mundial de velocidad juntos. En 2012, los chorros de agua de flujo axial de 1720mm propulsaron el buque Buquebús Francisco, que alcanzó la asombrosa velocidad de 58,1 nudos (107.6 km/h), lo que la convierte en el barco más rápido del mundo. Ostenta un récord de Guinness Book of Records.

Hasta la fecha, Wártsil ha entregado más de 200 chorros de agua al Astillero Incat.

 

                                          ------------------------------------------------------------

 

 Wärtsilä es una empresa finlandesa que fabrica y presta servicios a centrales eléctricas y diferentes equipos en los mercados marino y energético.

 Incat Tasmania es un fabricante australiano de transbordadores catamarán de alta velocidad (HSC)

 

 

Ricardo Berizzo

Ingeniero Electricista                                                                                    2025.-