10/09/2019 UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA PROYECTOS NAVALES II DIMENSIONAMIENTO Y FORMA DEL BUQUE DSc. Juan José Uchuya López Tópicos Abordados 1. DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE 2. FORMA DEL BUQUE 3. PREDICCIÓN DE LAPOTENCIA DSc Juan José Uchuya López juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 1 10/09/2019 1. DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE Se debe lograr satisfacer tanto las especificaciones del dueño del buque como las regulaciones nacionales e internacionales. Las dimensiones principales de un buque se obtienen a partir de estimaciones obtenidas de una base de datos de buques con características similares, a partir de un buque base o mediante un análisis de las dimensiones de los espacios que compondrán un buque de un tipo determinado. Por lo tanto, para definir las dimensiones principales de un buque, se realiza a través de los siguientes métodos: Método Directo Método del Buque Base Método de Regresiones con Base de Datos DSc. Juan José Uchuya López juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 1. DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE MÉTODO DIRECTO Mediante este método se calcularán las dimensiones principales directamente usando un análisis de los requerimientos actuales del buque. Así se obtendrán: ♦ Loa (Eslora Total) ♦ B (Manga) ♦ D (Puntal) MÉTODO DEL BUQUE BASE Esté método consiste en elegir un buque con características de navegación similares y luego extrapolar los datos mediante unas correlaciones que resulten en las dimensiones principales del buque. DSc. Juan José Uchuya López juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 2 10/09/2019 1. DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE MÉTODO DE REGRESIONES CON BASE DE DATOS Este método usa buques similares, del mismo tipo de material de construcción y sistema de propulsión para obtener datos más fiables, luego mediante regresiones obtendremos una tercera alternativa. La variable principal que será utilizada como referencia será el desplazamiento según la especificación del proyecto. En las regresiones el coeficiente de correlación ( ) deberá ser elevado (mayor a 0.80 a excepción del calado y las regresiones T/D y Loa/B, ambas con respecto al desplazamiento) para que se obtenga una buena estimación. Las regresiones a elaborarse serán las siguientes: Loa/Δ DSc. Juan José Uchuya López B/Δ juanjouchuya@gmail.com T/Δ D/Δ Celular: +51987753286 1. DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE Con los métodos anteriores: directo, buque base y mediante regresiones; se consigue generar las dimensiones principales de un buque. Esto se logra con el análisis de las relaciones adimensionales L/B, B/D, T/D, L/D y L/T con el objetivo de elegir las que permitan un mejor desempeño de las funciones del buque. A este buque se llamará: “BUQUE BASE” Finalmente, se debe optimizar las dimensiones principales del Buque Base, por lo tanto, se procederá a considerar el uso de una CIFRA DE MÉRITO. DSc. Juan José Uchuya López juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 3 10/09/2019 1. DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE CRITERIOS DE MÉRITO Existen diferentes tipos de criterios de mérito, a continuación se listan los más usados: 1. Coste de construcción mínimo 2. Inversión Total mínima 3. Coste del ciclo de vida mínimo 4. Flete requerido mínimo 5. Tasa de recuperación del capital propio máxima. 6. Tasa de rentabilidad interna máxima. El primer criterio de mérito, Coste de Construcción Mínimo, es un criterio básico generalmente usado por los astilleros y trata de obtener el mínimo valor de oferta del buque y a efectos del buque este será considerado como Cifra de Mérito. DSc. Juan José Uchuya López juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 1. DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE CRITERIOS DE MÉRITO Coste de Construcción Mínimo El coste de construcción mínimo viene dado por la siguiente expresión: = + + + Donde: : . : . !: ': "# $ % ( # & . . Para más detalle revisar el libro “El Proyecto Básico del Buque Mercante” del autor Ricardo Alvariño Castro, páginas 141 – 143. DSc. Juan José Uchuya López juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 4 10/09/2019 1. DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE El Ingeniero Naval debe familiarizarse con el significado de las relaciones entre las dimensiones principales. Relación Eslora – Manga (L/B) Esta relación es Directamente Proporcional a la Resistencia al Avance y la Potencia Propulsora. Al estar relacionada L/B con la resistencia al avance, también se puede considerar que esta relacionada con el número de Froude (Fn). Para determinar un L/B adecuado se debe tener en consideración el Fn del líquido donde se va a navegar, ya que para un Fn alto será necesario un valor alto de L/B y para un Fn bajo se buscaran relajaciones moderadamente bajas. DSc. Juan José Uchuya López juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 1. DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE TIPOS Fn L/B Buques grandes y lentos < 0.15 5–6 Buques medios y lentos 0.18 < Fn < 0.22 5.5 – 6.5 Buques medios y rápidos 0.22 < Fn < 0.27 6 -7 > 0.3 >7 Buques pequeños y rápidos (No pesqueros) DSc. Juan José Uchuya López juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 5 10/09/2019 1. DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE Relación Manga - Puntal (B/D) Esta relación está vinculado a la Estabilidad, por tanto cuando sea una condición de diseño la elección de esta relación para el cálculo estadístico permitirá controlar los valores necesarios, y en caso sea necesario establecer limitaciones. El B/D puede aumentarse o reducirse en función de la configuración de las dimensiones y de los pesos, pero se puede tomar como referencia los siguientes valores: B/D DSc. Juan José Uchuya López TIPOS 1.5 Pocos estables 1.8 Buena Estabilidad juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 1. DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE Relación Manga- Calado (B/T) La relación B/T tiene influencia en la Estabilidad Inicial y en la Resistencia al Avance. El aumento de B/T mejora, en general, la estabilidad de forma y de la resistencia al avance. De modo orientativo de puede dar los sientes valores: BUQUES B/T Petroleros, Bulkcarries y Carga General 2.3 – 2.8 Portacontenedores DSc. Juan José Uchuya López juanjouchuya@gmail.com 3–4 Celular: +51987753286 6 10/09/2019 1. DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE Relación Calado - Puntal (T/D) La relación entre el calado y el puntal está vinculado al Francobordo del buque, y por lo tanto, es una medida de las imposiciones del convenio sobre líneas de agua. Un aumento del calado obliga a un incremento también del puntal para mantener el francobordo exigido. Relación Eslora - Puntal (L/D) La relación entre la eslora y el puntal tiene influencia en la Resistencia Longitudinal del buque, y la sociedad clasificadora establece un valor límite de alrededor de 15 o 16. Relación Eslora - Calado (L/T) Una relación L/T elevada reduce las posibilidades de que el buque sufra pantocazos de la carena. DSc. Juan José Uchuya López juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 2. FORMA DEL BUQUE Introducción: El proyecto de las FORMA de la carena de un buque es un PROCESO COMPLEJO, en el que intervienen distintos aspectos de la Ingeniería Naval, principalmente resistencia y propulsión, estabilidad, trimado, maniobrabilidad, comportamiento del buque en aguas agitadas, capacidad de los espacios de carga y su estiba más adecuada, etc. Es decir, que una gran parte de la arquitectura naval está presente de forma activa durante el proceso de definición de las FORMAS DEL BUQUE. En este apartado se exponen: 1. Fórmulas y gráficos para la selección de los coeficientes de formas de la carena. 2. Directrices para la selección de los parámetros principales de las formas. DSc. Juan José Uchuya López juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 7 10/09/2019 2. FORMA DEL BUQUE 1. Fórmulas y Gráficos para la Selección de los Coeficientes de Formas de la Carena Estimación del Coeficiente de Bloque ) El coeficiente de bloque representa la relación entre el volumen de carena del buque y el paralelepípedo que lo circunscribe de dimensiones Eslora, Manga y Puntal. Esto se representa en la siguiente fórmula: ) DSc. Juan José Uchuya López *+,-./0/ 1/ , 2/0 2 ,/,/4í4/1+ = *+,-./0 1/, 3 juanjouchuya@gmail.com * = 6.).7 Celular: +51987753286 2. FORMA DEL BUQUE 1. Fórmulas y Gráficos para la Selección de los Coeficientes de Formas de la Carena Fórmula de Alexander Fórmula de Scheneekluth ) = 8 − :. ;<*/(?. @A<633)C/@ El valor de K puede deducirse del siguiente gráfico. :. CD 633⁄) + @: :. @? 633⁄) + @: < )= < @H EF@/? @H EF Estas dos fórmulas son válidas entre los límites de 0.48 < CB < 0.85 y FN entre 0.14 y 0.32 )= Fórmula de Katsoulis ) = :. A@CI<J<633:.D@<)K:.?:I@<7:.CI@C <*K:.HC?; f es un factor de corrección por tipo de buque. (Ver siguiente cuadro). Fórmula de Kerlen ) = C. CIL − @. :@H<EF Para Buques llenos de CB > 0.78. DSc. Juan José Uchuya López juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 8 10/09/2019 2. FORMA DEL BUQUE Coeficiente K de Alexander Ro Ro, Frigoríficos 0.97 Cargueros, Petroleros de crudo 0.99 Portacontenedores 1.00 Graneleros 1.03 Gaseros 1.04 Petroleros de Productos 1.05 Quimiqueros 1.06 Ferries 1.09 Factor de corrección de la Fórmula de Katsoulis juanjouchuya@gmail.com DSc. Juan José Uchuya López Celular: +51987753286 2. FORMA DEL BUQUE Estimación del Coeficiente Sección Media Este coeficiente se ve muy relacionado con la resistencia al avance, asociándolo a las curva de área del buque, la correcta selección del coeficiente de sección media, obliga a la embarcación a tener menos resistencia al avance, y mejorar el rendimiento propulsivo de la misma. (Alvariño, Azpíroz, & Meizoso, 1997) = Fórmula de Kerlen Fórmula de HSVA Fórmula de M. Meizoso DSc. Juan José Uchuya López Á2/ 1/ N/OOPó0 /NR2 Á2/ 1/, 2/ORá0T-,+ = U. ). 7 = C. ::H − :. ::;H<( ))K?.;H = C C + (C − ))?.; Para Ro – Ro y Portacontenedores. = C − :. :H@<EF:.IL@ juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 9 10/09/2019 2. FORMA DEL BUQUE Estimación Coeficiente del Plano de Agua V3 Este coeficiente se define como la razón entre el área del plano de agua (WXY ) al área del rectángulo circunscrito a un calado determinado. V3 = Á2/ 1/ 3, 0+ 1/ UTÁ2/ 1/, 2/ORá0T-,+ Secciones normales: V3 = Fórmula de Schneekluth C+ V3 = DSc. Juan José Uchuya López UV3 6. ) C + @< ) ? Secciones en V: Remolcadores = @< ) ? V3 = :. D;< ) + :. ;H juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 2. FORMA DEL BUQUE Estimación Coeficiente Prismático 3 El coeficiente prismático, a veces llamado coeficiente prismático longitudinal, se define como la razón entre el volumen desplazado y un prisma que es igual a la longitud de la embarcación por la sección media de la embarcación que está sumergida a un calado determinado. Z 3 = 6. U. 3 = ) Sin embargo, en algunos tipos de buques se elige CP como parámetro fundamental para calcular la resistencia a la marcha, en lugar de CB, especialmente en buques rápidos. En buques portacontenedores y Ro-Ro se tiende a aumentar CP, disminuyendo CM, para conseguir un mayor cuerpo cilíndrico que favorece la estiba de las cargas unitizadas. DSc. Juan José Uchuya López juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 10 10/09/2019 2. FORMA DEL BUQUE Estimación Posición Longitudinal del Centro de Carena [) La posición longitudinal del centro de carena \] debe determinarse en base a consideraciones Hidrodinámicas y de Trimados del buque en las distintas condiciones de carga. Teóricamente existe un valor óptimo de \] para el afinamiento y velocidad de cada buque, que se debería tratar de adoptar, intentando que la posición longitudinal del centro de gravedad del buque coincida con este \] . A continuación se indica una fórmula por L. Troost sobre la posición adecuada del \] para que la resistencia al avance sea mínima. [) = CI. ;< 3 − C@. ; En esta fórmula \] es la abscisa del centro de carena en porcentaje de la eslora entre perpendiculares, respecto a la sección media, con valores positivos a proa de la misma. En la siguiente gráfica se indican unos valores adecuados del \] de varios tipos de buque, en función de su CB (ó CP). DSc. Juan José Uchuya López juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 2. FORMA DEL BUQUE Abscisa del Centro de Carena, [) , según Van Lammeren y SNAME. DSc. Juan José Uchuya López juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 11 10/09/2019 2. FORMA DEL BUQUE Estimación Longitudinal del Cuerpo Cilíndrico La longitud del cuerpo cilíndrico o paralelo, LP, depende del llenado de las formas, y tiene interés en relación con los costes de fabricación del casco, que son menores cuanto mayor sea este cuerpo, y en relación con la estiba de las cargas unitizadas. 63 = −H;A + C. H:I< ) − LCD< )@ <(% 1/ 633) En la siguiente tabla se dan valores recomendados de la longitud adecuada del cuerpo cilíndrico, en base a consideraciones hidrodinámicas, que se resumen a continuación. CB 44 0.76 34.5 0.73 29.5 0.70 19 0.67 8.5 juanjouchuya@gmail.com DSc. Juan José Uchuya López LP (% de LPP) 0.81 Celular: +51987753286 2. FORMA DEL BUQUE 2. Directrices para la selección de los parámetros principales de las formas. Buques de Alto ) Características normales: CB mayor de 0.75 Cuerpo cilíndrico largo Número de Froude menor de 0.2 CM próximo a 1 Propulsor moderadamente cargado Aspectos hidrodinámicos: La resistencia por formación de olas depende del cuerpo de entrada y de su transición hacia el cuerpo cilíndrico. El cuerpo cilíndrico y el cuerpo de la salida no influyen en la resistencia por formación de olas si L/B es mayor de 5. Los factores propulsivos dependen básicamente de la forma del cuerpo de salida. DSc. Juan José Uchuya López juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 12 10/09/2019 2. FORMA DEL BUQUE El factor de forma (1 + k) es bastante mayor de 1 y sensible a pequeñas modificaciones del cuerpo de salida. Un aumento del 10% en la relación L/B produce una disminución de la potencia propulsora del 1.5% al 2.5% a una velocidad de 15 a 17 nudos. Un aumento del 10% em la relación B/T produce un aumento de la potencia propulsora del 0.8%, a todas las velocidades normales. Cuerpo de proa: Es importante suavizar el hombro de proa de la curva de áreas de cuadernas. El bulbo de proa es efectivo para reducir la resistencia por olas, y su tamaño óptimo aumenta con el CB del cuerpo de proa. La curva de áreas de cuadernas debe ser recta o ligeramente convexa. Las cuadernas deben ser en forma de U con costados verticales en su parte alta, con una transición hacia formas en V en su parte baja. Cuerpo de popa: La curva de áreas de cuadernas debe ser recta o ligeramente convexa. Las formas con cuadernas en forma de U requieren menor potencia propulsora que las que tiene cuaderna en V. juanjouchuya@gmail.com DSc. Juan José Uchuya López Celular: +51987753286 2. FORMA DEL BUQUE Buques de Bajo ) Características normales: Se incluyen en este apartado los portacontendores, frigoríficos, Ro-Ro, cargueros rápidos. Buques de un hélice, con CB entre 0.55 y 0.70 Número de Froude entre 0.20 y 0.35 Potencia propulsora relativamente elevada, lo que puede dar origen a problemas de vibraciones y ruidos. Aspectos hidrodinámicos: La disminución de la potencia propulsora con un aumento de la relación L/B es muy alta cuando esta varía entre 4 y 6, pero estas relaciones no son usuales. Para valores normales entre 6 y 8, la disminución de potencia oscila entre un 7% a 23 nudos por cada 10% de aumento de L/B, y nada a 19 nudos. El aumento de potencia propulsora al aumentar la relación B/T es el mismo a cualquier velocidad, y asciende a un 2% por cada 10% de aumento de B/T. DSc. Juan José Uchuya López juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 13 10/09/2019 2. FORMA DEL BUQUE Cuerpo de proa: El bulbo de proa es beneficioso a menos que haya una gran variación en el calado a proa en las distintas situaciones de carga. Las secciones transversales deben ser en V y deben cortar a la flotación de proyecto casi verticalmente. La flotación de proyecto debe ser aproximadamente de trazado recto. La curva de áreas de cuadernas debe tener el hombro lo más suavizado posible. Para valores del CB entre 0.55 y 0.6 su forma ha de ser en S para un FN hasta 0.24 y rectilínea para FN mayor. Cuerpo popa: Se debe prestar atención a la distribución de la estela en la zona de la hélice para evitar excesivas vibraciones inducidas por ésta. Se deben disponer adecuados huelgos entre hélices y codaste, al menos según las recomendaciones de las Sociedad de Clasificación. La curva de áreas de cuadernas debe ser en S para valores del CB mayores de 0.55 y rectilínea para valores menores. DSc. Juan José Uchuya López juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 3. PREDICCIÓN DE LA POTENCIA Introducción: Para evaluar la POTENCIA PROPULSORA de un buque en la fase del proyecto inicial, en que no se conocen muchas características del mismo, y en cálculos de optimización de las características principales. Se consideran dos clases de métodos: 1. Fórmulas sencillas para estimar la Potencia Propulsora. 2. Método de J. HOLTROP y G.G.J. MENNEN. DSc. Juan José Uchuya López juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 14 10/09/2019 3. PREDICCIÓN DE LA POTENCIA 1.Fórmulas sencillas para estimar la Potencia Propulsora 3) = :. :CCD<*? <V3 :.;; Donde: V: Velocidad en nudos, en condiciones medias de servicio. PB: Potencia desarrollada por el motor propulsor en HP. Fórmula de J. Mau 3) = Fórmula de D.G.M Watson DSc. Juan José Uchuya López :. AAL<∆@/? D: − 633⁄HC + D:: ` − C @ − C@ ) C; − C. AC<F< 633 Donde: k: Constante de la fórmula de Alexander. a = b − 0.5'/ 3.28hijj V: Velocidad en nudos, en condiciones de pruebas a plena carga. PB: Potencia desarrollada por el motor propulsor directamente acoplado, en HP. N: RPM del motor propulsor. juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 3. PREDICCIÓN DE LA POTENCIA 2. Método de J. HOLTROP y G.G.J. MENNEN Se resumen a continuación las formulaciones incluidas en el método publicado por sus autores, desarrollado a partir de un análisis estadísticos de resultados de ensayos con modelos en MARIN (Wageningen), y de resultados de pruebas de mar de buques construidos. Se presenta un resumen de este método, derivado de las publicaciones originales. Este método proporciona valores de la resistencia de remolque y de los factores propulsivos, que combinados con un procedimiento para calcular el rendimiento del propulsor en aguas libres, permite determinar el rendimiento propulsivo y la potencia propulsora de una amplia gama de tipos de buques, a diversos calados. La exactitud que se obtiene en el 95% de los casos es satisfactoria en la fase del proyecto preliminar si el rango de las variables está dentro de los límites siguientes: DSc. Juan José Uchuya López juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 15 10/09/2019 3. PREDICCIÓN DE LA POTENCIA DSc. Juan José Uchuya López juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 3. PREDICCIÓN DE LA POTENCIA RESISTENCIA AL AVANCE: La resistencia total al avance RT, se subdivide en loa siguientes componentes: RT = RV + RAP + RW + RB + RTR + RA Donde: RV: Resistencia Viscosa. RAP: Resistencia de lo Apéndices. RW: Resistencia por formación de olas. RB: Resistencia debida al bulbo cerca de la flotación. RTR: Resistencia debida a la inmersión del espacio. RA: Resistencia por correlación modelo – buque, que tiene en cuenta la rugosidad del casco y la resistencia del aire. DSc. Juan José Uchuya López juanjouchuya@gmail.com Celular: +51987753286 16 10/09/2019 GRACIAS DSc. 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