La propulsión naval eléctrica

[minoru genda]

LA PROPULSIÓN POR MEDIOS ELÉCTRICOS


Introducción
La propulsión eléctrica es aquella en que los propulsores (conjunto de ejes y hélices) son accionados por medio de electromotores que son alimentados mediante baterías de acumuladores o por generadores eléctricos que son movidos por turbinas o por motores diesel.
Los mayores logros en éste campo nacen de la necesidad de dotar a los primeros sumergibles de una propulsión durante la navegación en inmersión que cuando en su momento fueron dotados de motores eléctricos movidos por baterías tenían una autonomía muy limitada porque para recargar baterías debían hacerlo en puerto. Fue, entre otros el caso del submarino de Isaac Peral
La propulsión eléctrica puede considerarse dividida en tres clases
1) Propulsión por baterías
2) Propulsión turbo-eléctrica
3) Propulsión diesel-eléctrica
Un poco de historia
En 1838 y por iniciativa de Jacobi profesor de San Petersburgo se hizo el primer ensayo de propulsión eléctrica en el río Neva, para ello se dotó a una embarcación de 6,5 metros de un motor eléctrico de un caballo de vapor que movía unas ruedas de paletas, el motor recibía la corriente de una batería de 128 elementos. Años más tarde y en 1858 fue en EE.UU cuando se comenzó a aplicar la propulsión mixta a un sumergible utilizando máquinas alternativas de vapor para navegación en superficie y motores eléctricos alimentados por baterías para la navegación en inmersión, el sumergible en cuestión se llamaba Alistitt.
Las pruebas con motores eléctricos y la instalación de los mismos no fue abandonada así en 1884 se construyó en Londres una embarcación propulsada por un motor eléctrico de 9 caballos alimentado por acumuladores, en septiembre de 1888 Isaac Peral bota su sumergible que está dotado de dos motores de 30 caballos cada uno y que también son alimentados por acumuladores, Gustav Zédé bota su Gymnote con un motor eléctrico de 50 caballos en ese mismo año.
Por entonces a finales del siglo XIX ya se planteaba seriamente la aplicación de la propulsión eléctrica para la propulsión submarina y la solución más típica era la utilización de un sistema mixto, esto es máquinas alternativas de vapor o de combustión para la navegación en superficie y motores eléctricos alimentados por baterías de acumuladores eléctricos para la navegación en inmersión.
El sistema diesel eléctrico es probado por primera vez en Rusia el año 1903 un petrolero fue el buque elegido para ser el primero de estas características y usado como transporte fluvial en el río Volga con destino a los puertos del mar Caspio.
Dicho petrolero desplazaba 1150 toneladas y sus tres motores que accionaban otras tantas dínamos para alimentar los propulsores eléctricos alcanzaban la potencia de 360 caballos de vapor y la velocidad de 7 nudos.
Por su parte el sistema turbo-eléctrico es adoptado por primera vez en EE.UU cuando es transformado el carbonero Júpiter en el portaviones Langley al que se dota de dos turbinas Curtiss a las que se acoplan dos alternadores de 5500 Kilowatios que suministraban corriente a dos motores de inducción y los que a su vez movían sendos ejes propulsores.
Las pruebas comparativas del Langley equipado con turbo-eléctricos, Neptune con turbinas de engranajes y Cyclops con motor alternativo de vapor dieron un resultado favorable a la propulsión turbo-eléctrica lo que influyó en la elección del sistema de propulsión a aplicar en la clase de acorazados Colorado de 32000 toneladas de desplazamiento.
El sistema consistía en dos grupos turboalternadores que movían cuatro motores asíncronos acoplados directamente a cuatro ejes propulsores.
Los clase Colorado fueron: Colorado, New Mexico, California, Tennesse, West Virginia y Maryland.
Con posterioridad los portaviones Lexington y Saratoga que fueron acorazados convertidos en portaviones también fueron dotados de propulsión turbo-eléctrica con una potencia que alcanzaba los 180000 caballos de vapor.
En 1923 los británicos instalaron en el crucero-minador Adventure la propulsión diesel-eléctrica para velocidades de crucero.
En EE.UU fueron construidos durante la segunda guerra mundial más de dos centenares de buques con propulsiones turbo-eléctricas ó diesel-eléctricas entre destructores de escolta, buques nodriza de submarinos, minadores y embarcaciones menores además de un buen número de buques mercantes de los cuales la mayoría eran petroleros.

TÉCNICA

Propulsión por baterías de acumuladores
Se trata del único sistema de propulsión eléctrica pura y se emplea por lo general para la propulsión de sumergibles y submarinos en inmersión y en algunas embarcaciones menores.
Las plantas de éste tipo se componen de un electromotor por cada eje propulsor, alimentados por la energía que suministran un grupo de baterías de acumuladores.
Una imagen de un sistema de propulsión eléctrica en gris podemos ver el sistema adoptado a partir de la utilización de los motores Diesel trabajando tanto como propulsores como de ayuda para el movimiento de motores generadores en la carga de baterías.
Para el caso concreto de sumergibles y submarinos la planta consiste en un motor-generador eléctrico por eje que va acoplado por un lado (proa) a un motor diesel y por el opuesto (popa) al eje propulsor. En inmersión se desacopla el motor o motores diesel y se usan los electromotores como propulsores. Al regresar a la superficie se acoplan los motores diesel y los electromotores trabajan como generadores que cargan las baterías.
Las combinaciones son varias y sobre ellas hay un artículo en éste enlace http://www.u-historia.com/ > Técnica > Combinaciones de propulsión y carga de baterías
También se puede ampliar en: http://www.u-historia.com/ > Técnica > Visita guiada > motores eléctricos.




Como funciona
La electricidad para que el motor (6) gire la proporciona el acumulador de baterías (11) a través de los cables de alimentación (12) el interruptor general (13) el cuadro (14) y de nuevo los cables de salida del cuadro (15).
El cuadro (14) tiene una serie de dispositivos (interruptores, volantes y palancas) que regulan el régimen del motor cuando funciona como tal, e indicadores (amperímetros y voltímetros) que marcan los datos relacionados con la tensión e intensidad de trabajo y consumo del motor así como la intensidad de campo de la excitación.
Para el caso de un motor no reversible, esto es que no pueda hacer de generador para recargar las baterías, cuando éstas se descargan el buque debe recargarse en puerto por lo que debe prever una distancia a alejarse igual a la mitad de su autonomía para poder regresar por sus propios medios.
Para el caso de un motor reversible que sí pueda hacer de generador se procede del siguiente modo en el cuadro se cambia el sistema de conexiones accionando los interruptores correspondientes para que el motor cambie a la actividad de generador luego se conecta el embrague (9) y se arranca el motor Diesel (10) Este sistema tiene la ventaja de que se puede propulsar el buque con ayuda del motor diesel mientras se cargan baterías y es el adoptado por submarinos y sumergibles de propulsión Diesel.
Si se desea se pueden cargar las baterías sin propulsión (por ejemplo en puerto) para ello se desconecta el embrague (3) del motor eléctrico situado entre éste y la chumacera de empuje (2) manteniendo el resto de conexiones y acoplamientos normalmente
(Continuará)

[minoru genda]

Propulsión turbo-eléctrica
En este sistema se utilizan electromotores para mover los ejes propulsores, la energía que los electromotores consumen proviene de generadores eléctricos movidos por turbinas de vapor que se acoplan a dichos generadores bien directamente bien por medio de engranajes reductores.
El sistema permite compaginar el rendimiento de las turbinas y de los motores propulsores al hacer que dichas turbinas puedan girar a un elevado número de revoluciones mientras los motores eléctricos lo hacen al régimen requerido por las hélices y a un número de revoluciones comprendido generalmente entre las 60 y 250 a 400 r.p.m.
Una instalación turbo-eléctrica, (y hasta el advenimiento de las turbinas de gas que ocurrió en 1951, momento en que se aplicó la propulsión turbo-eléctrica con generadores movidos por turbinas de gas)se compone esencialmente de:
Generadores de vapor (calderas), turbinas de vapor, generadores eléctricos acoplados a las turbinas, motores eléctricos para mover los ejes y hélices, turbinas auxiliares que mueven los generadores de las excitaciones, cuadros de control y sistemas de ventilación de todas las máquinas eléctricas (generadores , motores eléctricos, generadores de las excitaciones,….etc.
Las turbinas empleadas, tanto si son de vapor como si son de gas, tienen un régimen de giro comprendido entre 1500 y 3000 r.p.m., los generadores eléctricos son por regla general alternadores bipolares y normalmente trifásicos dando tensiones de entre 2000 y 6000 voltios y frecuencias comprendidas entre 30 y 80 ciclos/segundo (herzios), se construyen de un número reducido de polos con objeto de obtener una adecuada reducción de velocidad entre alternador y motor, sin hacer excesivamente grande el número de polos de éste último. La corriente de excitación es suministrada por dínamos acopladas por lo general a turbinas auxiliares independientes aunque en algunas ocasiones se acoplan al eje del propio alternador.
El empleo general de la corriente alterna en la propulsión turbo-eléctrica es debido a la mejor adaptación estructural de los alternadores a las grandes velocidades de giro de las turbinas, que no permiten el accionamiento directo de dínamos (generadores de corriente continua), obteniéndose además un mejor rendimiento en generadores y motores. Los motores eléctricos empleados de un modo casi exclusivo son síncronos en razón a su mayor rendimiento, buena regulación y elevado factor de potencia, sin embargo tienen el inconveniente de su débil par de arranque, que suele corregirse incluyendo una bobina inductora de jaula en los polos del rotor, de ese modo el motor funciona en arranque como asíncrono y una vez a arrancado y ya en régimen normal como síncrono. Puede también utilizarse un motor asíncrono provisto de un compensador de fase con lo que se consiguen las ventajas de esta clase de motores y las inherentes a motores asíncronos de tener a la unidad como factor de potencia.
En lo referente al número de polos inductores depende de la reducción de velocidad que se pretenda obtener, por lo general el número máximo de polos es de 72, ya que un número superior es excesivo y hace a su vez que el diámetro de los motores sea muy grande y dado que en pequeñas potencias no es posible un motor con tan alto número de polos hay buques en los que se emplea una doble reducción, la primera eléctrica y la segunda mecánica en el segundo caso se acopla el motor al eje por medio de un reductor de engranajes. La velocidad de los motores que mueven los ejes (motores propulsores) se regula de dos formas diferentes
1) Cambiando el número de polos inductores.
2) Variando la frecuencia de la corriente producida mediante la apertura o cierre de la válvula que suministra vapor a la turbina que a su vez varía la velocidad de giro de dicha turbina.
Cuando se precisa una amplia gama de velocidades se emplea un sistema mixto de los anteriores, esto es modificando el segundo sistema se consiguen variaciones de velocidad intermedias para cada variación del primer sistema.
Para el caso de pequeñas variaciones de velocidades se actúa sobre los reóstatos de excitación, motor y alternador, éste sistema también se usa para no variar la frecuencia de la corriente cuando ésta se utiliza para alimentación de equipos auxiliares pero que en cualquier caso resulta antieconómico especialmente cuando se trabaja con potencias elevadas.
Para el cambio de giro basta con cambiar el sistema de conexiones de dos de las tres fases paso que se sigue para cambiar el giro de cualquier motor eléctrico trifásico.
Todas estas maniobras se realizan desde un cuadro de control en el que se encuentran reunidos todos los mandos y aparatos de medida que controlan, voltaje, intensidad, potencia, etc., dicho cuadro puede estar situado dentro de la cámara de máquinas o en otro compartimento totalmente independiente. Por último debe de proveerse a todo el sistema de motores y generadores de una ventilación adecuada y cuya instalación más adecuada es aquella en la que se provee a cada motor y a cada generador de una ventilación independiente. El aire circulará en circuito cerrado y su refrigeración se llevará a cabo con agua salada en enfriadores instalados al efecto.
La extinción de eventuales fuegos en generadores motores o instalaciones anexas está previsto un circuito de extinción alimentado por anhídrido carbónico cuya descarga sea lo más inmediata posible.
Esquema práctico de una propulsión turbo-eléctrica



Esquema eléctrico de una propulsión turbo-eléctrica


1.- Turbinas, 2.- Generadores de Corriente Alterna (A.C), 3.- Generador auxiliar de Corriente Continua (C.C), 4.- Excitaciones, 5.- Turbina auxiliar, 6.- interruptores de las excitaciones, 7.- Interruptores de los generadores (en caso de que uno de los dos generadores quede fuera de servicio por cualquier causa se acciona el interruptor para desconectar el generador correspondiente), 8.- Interruptores de marcha directa de los motores, 9.- Interruptor inversor para cambiar la marcha de directa a inversa, 10.- Reóstatos para regular la intensidad de campo de las excitaciones, 11.- Motores propulsores eléctricos, 12.- Hélices

Como funciona
Durante la marcha avante las turbinas (1) giran normalmente alimentadas por el vapor de las calderas y siempre en el mismo sentido haciendo a su vez girar a los generadores (2) que producen la corriente alterna necesaria para alimentar a los motores (11) a través de los interruptores (7) y (8). A un tiempo la turbina auxiliar (5) hace girar al generador de corriente continua (3) que proporciona corriente a las excitaciones (4) a través de los reóstatos (10) y los interruptores (6) corriente necesaria para crear los campos magnéticos en los inductores campos que al ser cortados por las bobinas del inducido producen la corriente.
Los medios de actuación para variar la velocidad del buque como ya vimos más arriba son:
1) Regular hacia arriba o hacia abajo el flujo de vapor de las turbinas (1)
2) Regular la corriente de las excitaciones a través de los reóstatos (10)
3) Cambiando el número de polos inductores por medio de conmutadores o interruptores situados en el cuadro de control
Para cambiar de marcha avante a marcha atrás se procede del siguiente modo.
Se corta la corriente con el circuito de mando al efecto, en dicho circuito se activan una serie de relés que abren los interruptores (8) de un modo automático mientras cierran de igual modo los inversores (9) como vemos estos inversores cruzan dos de las tres fases lo que provoca que el motor comience a girar en sentido inverso

Ventajas e inconvenientes de la propulsión turbo-eléctrica respecto a las turbinas de engranajes

Ventajas

1) Simplificación de las máquinas térmicas. Esto es así porque las turbinas siempre giran en el mismo sentido y al no necesitar máquina de ciar la construcción de las turbinas es más sencilla
2) Disposición de toda la potencia en marcha atrás. El motor eléctrico al invertir la marcha y poner marcha atrás puede disponer de la misma potencia que tenía cuando iba avante.
3) Mayor libertad a la hora de disponer el emplazamiento de los grupos generadores y motores propulsores. Se ahorran ejes intermedios y tuberías de alimentación, se aprovecha mejor el espacio y se puede disponer de una subdivisión estanca más eficaz.
4) Posibilidad de utilizar los grupos generadores principales para suministrar energía a la propulsión y a los grupos auxiliares. Esto es posible tanto en el puerto como en el mar siempre que la velocidad del buque permanezca constante, en caso contrario se puede disponer de uno o varios grupos compuestos por un motor eléctrico alimentado por los alternadores principales que mueva a su vez una dínamo o alternador que también pueden ser accionadas por una turbina auxiliar que funciona de un modo automático en el momento que sea necesario
5) Mayor reserva de potencia en caso de avería en un grupo generador. En éste caso el buque puede seguir navegando con todos los motores eléctricos propulsores que son alimentados por los generadores que siguen funcionando

Inconvenientes

1) Mayor peso y por lo general mayor volumen. Motores eléctricos y generadores ocupan más espacio y suponen un mayor peso, necesitan instalaciones adicionales como ventilaciones, instalaciones de refrigeración, líneas eléctricas para alta potencia…..
2) Mayor coste de la instalación. Los materiales empleados y la naturaleza de los sistemas resultan caros
3) Mayor consumo. Existe efectivamente un mayor consumo al tener que realizar una doble transformación de energía.
(continuará)

[minoru genda]

Propulsión Diesel-eléctrica
En éste tipo de propulsión la energía es suministrada por generadores eléctricos movidos por motores diesel que alimentan a los motores eléctricos acoplados a los ejes propulsores.
Una instalación Diesel-eléctrica consta de uno o más motores acoplados a igual número de generadores eléctricos que suministran la corriente al motor o motores eléctricos encargados de la propulsión.
Los motores Diesel son irreversibles, esto es giran siempre en el mismo sentido y por tanto de construcción sencilla. El régimen de giro se encuentra entre las 250 y 600 r.p.m. y la corriente empleada puede ser continua o alterna, en un principio y durante bastante tiempo fue usada de un modo casi exclusivo la corriente continua porque presentaba las ventajas, de fácil acoplamiento a las dínamos y una mayor facilidad en los cambios de régimen y maniobra. En la actualidad se utilizan indistintamente corriente alterna o continua con mayor preferencia por la alterna para los casos de elevadas potencias debido a las dificultades de empleo de elevados voltajes con corriente continua.
La regulación de velocidad de los motores de propulsión, cuando son de corriente continua, se realiza actuando sobre la excitación de los generadores por medio de reóstatos girando dichos generadores a velocidad constante y en el caso de que varios generadores alimenten a un mismo motor se conectan sus excitaciones en paralelo con el objeto de unificar el mando.
Para la regulación de la velocidad con corriente alterna se procede de forma similar a lo ya explicado para la propulsión turbo-eléctrica.
La propulsión Diesel-eléctrica tiene las mismas ventajas e inconvenientes que las comentadas para la propulsión turbo-eléctrica y solo se puede añadir como ventaja adicional que la supresión de cambio de marcha, debida a que los diesel giran siempre en el mismo sentido, supone un menor dimensionado en la capacidad de las botellas de aire y de los compresores utilizados para rellenarlas.
Esquema práctico de una propulsión Diesel eléctrica con turbina para el generador auxiliar



Esquema eléctrico de una propulsión Diesel eléctrica con motor diesel para el generador auxiliar.



El funcionamiento de la propulsión Diesel eléctrica es similar a el de la propulsión turboeléctrica salvando las lógicas diferencias entre las turbinas y los motores Diesel

Bibliografía:
Diccionario Enciclopédico Espasa Calpe
Enciclopedia el Mar de Salvat
Propulsión eléctrica en ingeniería naval, José Mª Glez-Llano
Enciclopedia of Warships, Grange Books
Enciclopedia de los Barcos de Edimat
Conocimientos propios sobre el tema tratado
Los dibujos son de elaboración propia

[hartmann]

Hola a todos ¡¡
Felicidades Minoru . Toda una maravilla de trabajo (pa´l disco duro, jejeje).
Muchas gracias por todos tus conocimientos (y feliz navidad )
Un cordial saludo

[Rus]

- Es muy curioso, Isaac Peral consiguió lo que ningún otro país hizo, patentar de manera exitosa el primer submarino operativo de la historia, algo de lo que se lucraron los Alemanes, cuando estos llamaron a este a prestar servicio en su país. Lo mas trágico fue que llegó a resultar víctima de oscuros intereses que fomentaron un halo de desprestigio para este gran visionario náutico del siglo XIX.

- Isaac Peral, como muchos grandes genios (Véase el ejemplo de Nikola Tesla), que acabaron sin saberlo colisionando contra intereses de terceros, acabó desmoralizado, con su gran invento pudriéndose en puerto, dado de baja la marina, sin una pensión tan siquiera. En la marina española de la época se barajó y "extrañamente" se descartó, usar el submarino durante la guerra de cuba para atacar los barcos estadounidenses. Un solo submarino habría sido capaz de hundir cualquier flota atacando la quilla de los barcos "la parte inferior y la mas débil". En fín...cada vez que lo pienso me enerva...

[minoru genda]

Modificado y repuestas las imágenes