Sistema de Propulsión Waterjet

De forma muy simplificada, el funcionamiento de un waterjet basa su funcionamiento en canalizar un chorro de agua producido por una «hélice», concentrando así toda su energía en una misma dirección. Esto nos lleva a recorrer una larga trayectoria histórica desde que en el siglo III a.C., Arquímedes inventara el tornillo que lleva su nombre para transportar agua a un punto más elevado, utilizado por ejemplo para achicar agua de barcos hundidos.

1-Historia y Antecedentes

De forma muy simplificada, el funcionamiento de un waterjet, basa su funcionamiento en canalizar un chorro de agua producido por una «hélice», concentrando así toda su energía en una sola dirección. Esto nos lleva a recorrer una larga trayectoria histórica desde que en el siglo III a.C., Arquímedes inventara el tornillo que lleva su nombre (Figura 2.1) para transportar agua a un punto más elevado, utilizado por ejemplo para achicar agua de barcos hundidos. El concepto de bomba de tornillo, fue utilizado de nuevo por Leonardo Da Vinci (1452 – 1519), tal y como muestran sus dibujos (recordemos su famoso helicóptero (figura 2.2) cuyo rotor se asemeja en cierto modo a los utilizados hoy en día en la propulsión waterjet).

Mediante la adaptación del tornillo de Arquímedes como hélice de barco, Toogood & Hays, introdujeron el primer concepto moderno de propulsión waterjet en el año 1661, registrándolo con el número de patente 132 en Inglaterra, aunque originalmente el concepto de introducir un mecanismo para la propulsión marítima mediante el vapor es de David Rumsey en el año 1631 (patente número 5 en Inglaterra).

Años posteriores, en 1730, John Allen, probó con una nueva técnica, algo más “aeronáutica”. Su invento consistía en calentar agua generando vapor a alta presión que se descargaba por la popa a alta velocidad.

Así mismo, destacaremos la invención de Bernouille, a mediados del siglo XVIII, que consistía en un tubo en forma de L, el cual atravesaba longitudinalmente a la embarcación. Al introducirse el agua por el extremo, ésta salía por el otro situado en popa propulsando levemente a la embarcación, aunque no se llegó a determinar con cuanta energía debía verterse el agua inicialmente para desplazarla eficientemente.

Hacia 1780, James Rumsey, inventó un nuevo sistema consistente en una caldera que generaba vapor y alimentaba a un cilindro en cuyo interior se albergaba un pistón acoplado a otro juego cilindro-pistón, en el que, por medio de diferentes válvulas, se expulsaba el agua a presión por la popa, consiguiendo una velocidad de 1.7 nudos. 10 años más tarde, John Fitch, mejoró el sistema original de John Allen, mediante la adecuación de diferentes válvulas que permitían el paso del agua.

Numerosas pruebas en mar fueron necesarias para que el concepto de waterjet tal y como lo conocemos hoy tuviera éxito. Los ingenieros de aquella época se dieron cuenta de algunas de las características que tenían estos primitivos propulsores que impedían obtener una eficiencia mayor al de la hélice de tornillo convencional o la rueda de paletas utilizadas hasta entonces, tales como las grandes tuberías utilizadas para canalizar el agua, el poco rendimiento de aquellas bombas hidráulicas de desplazamiento positivo o la poca potencia de los motores de vapor. Esto se solucionó mediante la invención (en cierta medida) de las bombas hidráulicas tal y como la conocemos hoy. En 1884, Barnaby sugirió reducir las pérdidas mediante la adecuación de una bomba hidráulica fuera del casco (Figura 2.3) en la que no fuera necesaria ni elevar ni conducir el agua, alineando el eje de forma horizontal.

Fue entonces en 1950, cuando Sir. Hamilton ideó un sistema lo suficientemente eficiente como para alcanzar velocidades relativamente altas. El jet de Hamilton, consistía en una bomba centrífuga que aspiraba el agua y la expulsaba por debajo de la embarcación mediante una tobera, alcanzando una velocidad de unos 6 nudos. Éste sistema originalmente estaba pensado para navegar en los ríos de poca profundidad de Nueva Zelanda, dónde las hélices convencionales, chocaban con las rocas. 4 años más tarde, un gesto tan simple como elevar la tobera por encima de la línea de flotación, eliminando diferentes componentes en la obra viva del barco, fue esencial para terminar de popularizar la prolusión waterjet, consiguiendo velocidades de hasta 15 nudos. Esta invención de Hamilton, fue llamada Quinnat (figura 1.4), que consistía en una bomba centrífuga horizontal (eje en vertical) acoplada a una reductora ortogonal.

A partir de este momento, grandes industrias del sector, tales como KaMeWa (hoy en día parte del grupo Rolls Royce Plc.) comenzaron a enfocar sus estudios a la mejora de este sistema mediante la implantación de nuevas bombas más eficientes y con más caudal. En 1992, KaMeWa diseña e instala el sistema propulsor del mega yate “Destriero”. Ésta embarcación cruzó el Océano Atlántico (Punta Tarifa, España – Ambrose Light, Nueva York) en algo más de 58 horas. En la actualidad, el sistema de propulsión waterjet, está muy aceptado en la industria naval, hasta tal punto de ser el más utilizado en embarcaciones de alta velocidad, desde motos de agua hasta fast ferries que transportan pasajeros y mercancías.

2-Partes del Waterjet

Cualquier embarcación propulsada por un sistema waterjet, está dotada de una serie de elementos comunes relacionados entre sí. Imaginemos que tenemos una embarcación de estudio en dique seco, que está seccionada longitudinalmente por su plano de simetría y que vamos andando de proa hacia popa. Observaremos, hacia el final del barco, una tubería o ducto de aspiración, una turbo-bomba (explicaré el uso de este término en la sección ) y una tubería de impulsión. Adicionalmente, veremos diversos elementos encargados de dotar de potencia al sistema: un motor y su acoplamiento, una reductora, de carácter opcional, chumaceras de empuje, los ejes, así como aquellos que controlan y supervisan su estado: un sinfín de cables eléctricos e hidráulicos con múltiples unidades de control. 

Vamos a explicar con detenimiento cada uno de ellos sin entrar en términos físicos que puedan aburrir al lector o dotar de significado nulo este artículo. Así mismo, hablaré de términos mecánicos sin entrar en profundidad en la lógica del autómata que precisa este sistema propulsivo.

      Figura 3.1: Esquema básico de un waterjet.

Haremos una subdivisión de los elementos:

• Propulsión
• Potencia
• Control.

2.1-Elementos de Propulsión

2.1.1-Tomas de Agua y Ducto de Aspiración

Son los orificios por donde ingresa el agua a la bomba. Haremos una distinción entre las tomas ‘a ras’ (flush intakes) y tomas de impacto o ‘pods’ (ram intakes)

Los catamaranes de Incat, como el «HSC Alborán» o el «HSC Milenium Dos», están dotados de tomas a ras, mientras que los Jet Foils Boeing 929 o los Foil Cats (Multihull Hydrofoils – Kvaerner Fjellstrand) son ejemplos de embarcaciones con tomas tipo ‘pod’.

Las tomas tipo pod, ofrecen una resistencia al avance adicional, ya que se trata de un apéndice adicional sumergido de la embarcación, aunque en este tipo las líneas de corriente del flujo de entrada, no deben experimentar un cambio en su dirección.

Figura 3.2: detalle de las tomas de agua del waterjet

Las tomas a ras no son más que orificios elíptico o rectangulares situados en la quilla de la embarcación. En este tipo, no existe una resistencia al avance adicional, ya que la tubería (S duct) está situada dentro del buque. Ocasionalmente, se instalan filtros cuyo objetivo es obvio: evitar la entrada de elementos que puedan obstruir o dañar la instalación.

Figura 3.3.: Impeller y toma de agua

Teóricamente, cada embarcación precisa de un ducto de aspiración concreto en función de su peso, potencia propulsiva, eslora, velocidad… El problema que sintetiza todos los parámetros anteriores se basa en la elección de la longitud y curvatura de la tubería de aspiración: una tubería larga evitaría la cavitación de la bomba (explicaré este fenómeno en la sección…), pero involucraría un peso adicional por el volumen de agua entrante, lo que se traduce a una mayor resistencia al avance, además de la generación de flujos turbulentos en la admisión debido a su proximidad con la proa.

Por el contrario, un ducto corto, eliminaría el peso adicional anteriormente citado, aunque existiría la posibilidad de la entrada de aire o la creación de un vacío que proliferase la entrada en cavitación de la bomba. Así mismo, se generaría una fuerza de sustentación en proa debido a la caída repentina de presión en la zona de aspiración.

Es por ello por lo que las casas encargadas del diseño y fabricación de waterjets, (Rolls Royce KaMeWa, Wärtsilä Lips, Hamilton…) se encargan de elegir la localización óptima de la toma para anular estos posibles fenómenos, ofreciendo una gama de producto predefinidos que se ajustan perfectamente a las necesidades de cada buque abaratando así costes de producción y diseño.

2.1.2-Turbo-Bomba

Es el elemento por excelencia del waterjet, y se encarga de transmitir la potencia del motor al fluido. El término ‘turbo’, proviene del griego ‘turbis’ (torbellino o movimiento de masa circular). En este tipo de máquinas de fluido, a diferencia de aquellas de desplazamiento positivo, el funcionamiento se basa en la Ecuación de Euler en sus diferentes formas, que, sin entrar en detalle a la explicación de las mismas, basan su expresión en los cambios de las diferentes componentes de velocidad del fluido que atraviesan el rodete así como la velocidad en el mismo.

Figura 3.5.: Rodete de un Kamewa 112 S2

El funcionamiento de una turbobomba se basa en el giro de un rodete (impeller): un elemento dotado de una serie de álabes (superficies curvas, paletas) con una geometría característica que permiten crear una diferencia de presiones entre el intradós y el extradós de los mismos. En bombas de alta eficiencia, como las que trata este artículo, encontramos además una corona de álabes fijos (estator) que, ayudan a convertir la energía cinética (presión dinámica) aportada al fluido por el rodete, en presión estática.

Atendiendo a la trayectoria que el fluido experimenta en su paso por la bomba, encontraremos:

• Bombas centrífugas: la trayectoria que describen las líneas de corriente del fluido en la aspiración es paralela al eje de la bomba mientras que en la salida es perpendicular, describiendo una geometría radial. Este tipo de bombas son ampliamente utilizadas en aplicaciones industriales, ya que son capaces de generar un caudal aceptable en un gran abanico de presiones. Permite la conexión de varios rodetes en serie, logrando presiones aun mayores.

• Bombas axiales: las líneas de corriente son paralelas al eje tanto en la entrada como en la salida. Son capaces de generar un caudal mucho mayor que las centrífugas o radiales a una altura menor. Son empleadas en instalaciones agrícolas, aguas de refrigeración o bombeo de aguas residuales tratadas.

• Bombas de flujo mixto, semiaxiales o helico-centrífugas: como su propio nombre indica, es un compromiso entre las dos anteriores. Este tipo de bombas son las empleadas con mayor asiduidad en propulsión waterjet debido a que ofrecen la combinación óptima entre caudales y presiones.

Figura 3.6.: Diferentes bombas.

Hablemos un poco de este tipo, ya que es en el tema en el que se centra nuestro artículo.

Denominadas además como bombas diagonales debido a la trayectoria que experimenta el fluido, son las más comunes en términos de propulsión, aunque es extraño encontrar en folletos informativos este término. El rodete, no está configurado para dotar al fluido con fuerza centrífuga, dando como resultado un gran caudal a una altura aceptable. El funcionamiento es sencillo: el fluido experimenta un gradiente de energía desde su entrada por la toma hasta los álabes girando. Estos transfieren la fuerza del motor (momento angular) al fluido, incrementando su presión y velocidad. Adicionalmente, y muy en especial en este campo de aplicación, es común añadir una serie de álabes fijos o estacionarios, que, además de ‘añadir’ presión estática al fluido tal y como se citó anteriormente, sirven como apoyo del rodete mediante un rodamiento.

Los términos n_s y n_q definen el número de revoluciones específico; parámetro utilizado en el diseño de bombas que permite conocer el número de revoluciones necesarios en una bomba semejante geométricamente operando con valores de altura y caudal unitario (q) o en términos de potencia (s). Resulta muy práctico ya que, durante el diseño de un rodete para un sistema waterjet, sería completamente imposible probar rodetes a escala natural, ya que se necesitarían las potencias reales de la embarcación y vaciarían por completo las piscinas de pruebas en cuestión de segundos.

Figura 3.7.: Curvas características de una bomba semiaxial (izquierda) y curvas semejantes (derecha). 

Hablemos de la cavitación. En términos muy reducidos, es la aparición de burbujas de vapor de agua por la creación de un vacío (mala configuración de los álabes, elección de un número de revoluciones erróneo, mala adecuación de la altura en la aspiración…) que implosionan repentinamente cuando éste desaparece, acarreando golpeteos continuos sobre la superficie del álabe que terminan por su destrucción, así como la aparición de vibraciones que causan fallos por fatiga en diferentes elementos, como rodamientos y ejes.

El parámetro que cuantifica y estudia la cavitación es el NPSH (Net Positive Suction Head), aunque no entraré en su explicación debido a la gran envergadura que tomaría el artículo.

Figura 3.8.:Daños producidos por cavitación en un rotor.

2.2.3-Impulsión

A partir de ahora, tobera, es el elemento encargado de dotar de energía cinética al chorro de agua a partir de la presión que le confiere el rodete. Cuando se precisa del gobierno de la embarcación, se coloca sobre la tobera un deflector que permite dirigir el chorro hacia un sentido u otro. Así mismo, se dispone de una cuchara que permite deflectar el chorro hacia atrás, permitiendo la reversa de la embarcación.

Figura 3.9.: Waterjet Kamewa

2.2-Elementos de Potencia

Para dotar de potencia al waterjet, tanto mecánica como hidráulica (hablaremos de ello más adelante), es necesario la instalación de un motor. Hablaremos además de la cómo se transmite la potencia desde el motor hasta la bomba.

2.2.1-Motor

Generalmente será un motor de combustión interna alternativo, diésel (preferente) o gasolina, aunque también es muy común el uso de turbinas de gas. El gran volumen desplazado requiere grandes potencias en comparación con una hélice tradicional. Una moto de agua de gama media-alta como por ejemplo, una ‘Yamaha Waverunner’ del 2017 con motores Yamaha TR-1 (gasolina), abarca potencias gasolina desde, aproximadamente, los 60 a los 150 kW. Un fast ferry convencional como el HSC Avemar Dos navegando a 40 nudos requiere 4 motores MTU 20V1163-TB73L que desarrollen unos 6800 kW de potencia cada uno (fuel oil). El HSC Luciano Federico L, de Buquebús, construido por AMD-Bazán en el 1997, para navegar a 60 nudos, requiere de dos turbinas de gas ABB STAL GT35 de 16.1 MW cada una (fuel oil-gas).

Es común en fast ferries, el uso de motores con cilindros dispuestos en V y turboalimentados, optimizando así el espacio/potencia. Algunos de los fabricantes más extendidos son:

• Caterpillar: series 3616-3618 (5200 – 7200 kW)

• Ruston/MAN: series rk270-rk280 (V28/33D) (4050 – 7080 kW / 7200-9000 kW)

• MTU: series 1163-8000 (4800 – 9100 kW)

*NOTA: existen otros modelos, si bien es cierto que el uso de los citados son los más extendidos a fast ferries de pasajeros y vehículos.

2.2.2-Transmisión

Se precisará de diferentes elementos que transmitan la potencia del motor a la bomba. Es común acoplar el motor a un eje mediante un acoplamiento flexible (generalmente caucho) que suavice las posibles desalineaciones ocurridas durante la instalación. El eje, debido a su peso, irá apoyado en una serie de rodamientos; algunos de ellos, sobre todo para las grandes potencias requeridas en los fast ferries, monitoreados (SKF) que analizan el desvío, revoluciones y temperaturas en continuo.

Figura 3.10a: Acoplamiento Vulkan-Rato RUSTON en un HSC Evolution 10

Es común intercalar una caja reductora con embrague entre el motor y el eje del waterjet, adecuando así las revoluciones para la bomba, aunque es cierto que algunos ferries de construcción temprana, obviaban este mecanismo. Así mismo, encontraremos en el mercado, reductoras que dispongan de una toma de fuerza que sirva para acoplar un alternador o una bomba hidráulica, siendo preferente este último caso.

Para altos regímenes de revoluciones y potencias, el mecanismo irá adecuadamente lubricado y refrigerado mediante un circuito adicional que capte agua de mar para enfriar el aceite hidráulico.

Una serie de rodamientos de empuje (chumaceras), irán anclados al waterjet, transmitiendo la fuerza a la estructura de la embarcación.

Figura 3.10b: Motor RUSTON 20RK270

Figura 3.10c: Reductora Reintjes VLJ6831

2.3-Elementos de Control

Tras leer las anteriores líneas, sería lógico pesar cómo es posible el gobierno de una embarcación con un simple chorro.

Dejando a un lado los waterjets tipo ‘booster’ o fijos, que únicamente proporcionan fuerza de empuje hacia delante y que emplearse durante la navegación y no en operaciones de maniobra, todos los demás, disponen de una serie de mecanismos que permitan a la embarcación pueda girar así como avanzar hacia delante o hacia atrás (no es posible revertir el sentido de giro del rodete). Para la maniobra derecha-izquierda, los waterjets poseen una tobera orientable (denominada ‘steering nozzle’) que permite guiar el chorro de agua en una dirección u otra.

Así mismo, para controlar los movimientos avance-retroceso, se dispone de otro deflector que canaliza el agua hacia la parte delantera de la embarcación, permitiendo el retroceso del buque, denominado ‘reversing bucket’.

En pequeñas embarcaciones de recreo y motos de agua, el gobierno se realiza mediante la conexión de una serie de varillas con el timón; sin embargo, en grandes embarcaciones, es común el uso de un sistema hidráulico operado por pistones hidráulicos.

Es común el uso de una posición neutral en la que la cuchara de reversa permanezca en una posición tal que se deflecte la mitad de la cantidad de agua entrante, creando un empuje nulo, utilizada sobre todo en operaciones de atraque. Otra configuración del mismo es la utilización del ‘empuje vectorial’: estableciendo los jets de cada banda en una dirección u otra, se permite que el barco realice maniobras muy complejas y precisas, tales como el movimiento de avance lateral. Dependiendo nuevamente del modelo y el fabricante, nos encontraremos los elementos de control fuera del buque, montados sobre el propio waterjet, o dentro de la embarcación, conectados mediante mecanismos a las partes móviles del mismo. Este sistema, aunque más complejo, evita el posible vertido del aceite hidráulico al mar, así como la prevención de la corrosión en estos actuadores.

Figura 3.11: diferentes posiciones de gobierno

3-Funcionamiento

Tras haber leído las líneas anteriores, es obvio intuir el funcionamiento. Un chorro de agua se canaliza en una tobera en la misma dirección pero opuesto al sentido de marcha de la embarcación. El sistema está basado en la Tercera Ley de Newton: cuando un objeto ‘A’ ejerce una fuerza sobre un objeto ‘B’, este objeto ‘B’, debería ejercer una fuerza de igual magnitud y sentido opuesto al objeto ‘A’. En nuestro caso, el objeto ‘A’ es el waterjet, y el ‘B’ el agua o aire circundante. Recordemos que en términos de eficiencia propulsiva, es preferible no sumergir la tobera.

Detalle de los waterjets orientables (extremos) y fijo (booster) en el centro.

Recordemos así mismo que para el gobierno del buque, se precisan de waterjets orientables, que canalizan el flujo para obtener la dirección deseada. Del mismo modo, se optan por waterjets no orientables de gran potencia para dotar a la embarcación de más velocidad.

Waterjet orientable Hamilton HJ362.

Explicación breve del waterjet:

4-Ventajas

La altas velocidades alcanzadas y la perfecta maniobrabilidad son algunas de las ventajas más obvias de este sistema. La inexistencia de apéndices adicionales en los waterjets a ras, hacen que las embarcaciones tengan un calado relativamente pequeño, así como poca resistencia al avance, permitiendo la navegación en aguas poco profundas.

Encontramos también la redución de las vibraciones, o la rápida solución si éstas aparecieran, la fácil instalación del sistema y los escasos costes de mantenimiento.

La gran variedad de bombas presentes en el mercado, permite la adaptación perfecta de la potencia del motor a la potencia absorbida por la bomba, evitando sobrecargas en la maquinaria y alargando la vida útil de la misma.

Este sistema, además, permite una aceleración óptima en cualquier condición de carga, aprovechando siempre el 100% de la potencia entregada por el motor, fenómeno que no se da en los buques de hélices convencionales. En condiciones de navegación adversas, el número de revoluciones no se ve afectado, manteniendo siempre una velocidad constante.

4.1-Comparativa con Hélices y Desventajas

Existen otros sistemas propulsivos, tales como las hélices supercavitantes; sin embargo, por la longitud que tomaría el artículo, no hablaré de ellas.

Para embarcaciones donde la alta velocidad es el parámetro fundamental, es preferible el uso de un sistema watejet. Sin embargo, en condiciones de baja velocidad, este sistema pierde eficiencia tanto en términos propulsivos como de gobierno (recordemos que la deflexión del chorro de agua a alta velocidad, permitía el control de la embarcación). Para ello, será preferible el uso de hélices.

La entrada de aire en el impulsor, causaría el descebado de la misma, produciendo un empuje nulo, aumento de las revoluciones del conjunto y posibles averías en los álabes y circuitos de refrigeración, fenómeno que en una hélice convencional, al no estar ‘entubada’, no se da.

Generalmente son instalaciones que requieren de una gran potencia para su funcionamiento.

La ventaja principal respecto a la hélice radica en los términos de eficiencia propulsiva; alta velocidad con un menor tamaño y menor peso por el uso de materiales como el aluminio o el acero inoxidable en tuberías y bomba.

Comparativa entre los diferentes mecanismos de propulsión.

5-Bibliografía:

• Estudio del Sistema Propulsivo Waterjet (TFG). Autor: Victor Iñesta i Solà
• Descripción y Mantenimiento del Sistema Waterjet del Buque Bentago Express (TFG). Autor: Héctor Marrero Rivero
• https://www.incat.com.au/
• https://www.hamiltonjet.com/
• https://www.rolls-royce.com/products-and-services/marine/product-finder/propulsors/waterjets.aspx
• https://www.wartsila.com/products/marine-oil-gas/propulsors-gears/waterjets
• Aportes fotográficos de la página de Facebook «Con la proa pal marisco,curiosidades de la gente de mar».
• Aportes fotográficos de Ingeniero Marino
• Vídeo  canal Ingeniero Marino (Youtube)

Autor: Adrián Lara