PROPULSION ELÉCTRICA CON PODS (I)

Transcripción

1 PROPULSION ELÉCTRICA CON PODS (I) Ramón G. Borrás Formoso José M. López Marín Manuel Luaces Rodríguez. Departamento de Enxeñería Industrial. Universidade da Coruña. En la historia de la propulsión de buques hay unos hitos que supusieron unos saltos cualitativamente trascendentales, uno de ellos, al que se refiere este artículo, son los PODs. Es tan reciente, estamos hablando de 15 años, que todavía no se encontró la palabra en castellano que traduzca esta voz inglesa. Como tantas otras, no es extraño que termine por aceptarse el mismo vocablo. Dentro de los PODS, pueden ser de accionamiento mecánico o bien, es el caso de los grandes buques, los que poseen un motor eléctrico dentro del cuerpo propulsor. A estos últimos es a los que nos referiremos en el presente artículo. 1.- INTRODUCCIÓN. La propulsión mecánica hizo su aparición a partir de la máquina de vapor en el siglo XIX accionado la rueda de paletas, hoy día todavía puede verse una réplica de aquellos buques navegando por el río Missisipi en travesías turísticas. El primer avance trascendental fue la aplicación de la hélice (los primeros ensayos datan de 1693, pero la primera patente es del año 1835 por Francis Pettit Smith). La necesidad de grandes velocidades y potencias fue cubierta por la turbina de vapor. El siguiente paso fue la aplicación de los grandes motores diesel directamente acoplados a la hélice ó bien a través de la reductora, innovación en los primeros años del siglo XX. El siguiente, sin sustituir al anterior, sino abriéndose paso de forma selectiva, fue la aplicación del motor eléctrico propulsor en sus dos vertientes: propulsión turbo-eléctrica ó diesel-eléctrica. Tuvo que llegar el final del siglo XX, año 1990, para la siguiente gran innovación: el propulsor POD. Los fabricantes de PODs mas importantes del mundo son: 1º ABB que construyen los AZIPOD, 2º Rolls Royce los Mermaid,3º Siemens los SSP y 4º Lips los Dolphin. Los dos primeros son los que tienen posición dominante en el mercado. Las potencias disponibles van desde 0,5 a 38 MW por unidad 1

2 2.- PROPULSORES TIPO Los PODs son unidades sumergidas conteniendo el motor eléctrico, cuyo eje está unido directamente a la hélice, y que pueden girar libremente 360º según un eje vertical, por tanto hace innecesario el timón y el servomotor. Dado que puede proporcionar todo el empuje en cualquier dirección la maniobrabilidad es extraordinaria. A estos bloques sumergidos a veces se los llama barquilla ó góndola. Su aspecto recuerda también al de un torpedo AZIPOD es el nombre comercial registrado, fruto de la colaboración entre ABB Industry of Finnland y KVAERNER MASA YARD. El primer POD fue montado, por transformación, en 1990 en el buque de servicio (Buoy tender) SEILI. Se trataba de un Azipod que incorporaba un motor síncrono con una potencia de kw. Previamente el buque tenía una potencia de máquina de 1600 kw, estaba dotado de timón y hélice de paso controlable y podía navegar con hielo de 45 cm. de espesor. Después de la modificación, a pesar de haberse reducido la potencia propulsora en 100 kw, debido al mayor rendimiento, podía navegar con hielos de 55 cm. Asimismo tenia capacidad para navegar, rompiendo hielo, hacia popa cosa que antes de la transformación, debido a la disposición del timón, no podía hacer. Dato este que, dada la función del buque, no es irrelevante. A esta primera construcción no se le llamó Azipod sino Cyclopod, cyclopor estar alimentado a través de un convertidor directo de frecuencia (cicloconvertidor) Posteriormente dos pequeños petroleros de navegación entre hielos (Product tanker), tambien fueron transformados para ser propulsados por PODs. Eran los buques MT Uikku y el MT Lunni,construidos a finales de los años 70. A cada uno de ellos se le montó un Azipod de 11,8 MW. En estos primeros casos, precisamente por haber sido diseñados y construidos para propulsión con hélice convencional, el espacio disponible para alojar el pod era muy reducido lo que obligó a que la hélice se haya colocado a popa del pod (empujando) en vez de a proa (tirando) como hubiera sido deseable. Posteriormente siguieron muchas otras construcciones. Estos propulsores estaban diseñados para rompehielos, grandes cruceros, petroleros... En el año 2000 introduce en el mercado su segunda generación de AZIPOD, para buques mas pequeños; ferrys, cargueros que han de navegar por ríos,.. que designa con el nombre de Compact Azipod (figura 1), con un rango de potencias entre 0,5 y 4,2 MW. Lleva un motor síncrono de imanes 2

3 permanentes que igualmente va acoplado a la hélice de paso fijo. La última generación de Azipod, desarrollo conjunto de ABB y Samsung, conocido como CRP Azipod es adecuada para un amplio espectro de buques LNG, RoRo, Ropax,... Se verá en un articulo posterior. A junio de 2004 el numero de Azipod contratados sumaba 122. Dolphin es el resultado de colaboración entre John Crane-Lips, SAM Electronics, VEM Sachsenwerk y Wartsila. Hasta la fecha sólo lleva este tipo de Pod el Seven Seas Voyager. Monta dos Pod diesel-eléctrico. Cada motor propulsor es un motor síncrono de 7MW, 170 rpm, con doble devanado. El cuadro de 6,6 kv está alimentado por 4 Diesel-alternadores de 7,2 MVA, 6,6 kv, 60 Hz, 600 rpm. A grandes rasgos, Azipod (figura 2), Mermaid (Figura 3)y Dolphin (Figura 4) son similares. En los SSP (Figura 3),al contrario que en los demás Pods, el eje del motor eléctrico propulsor va directamente unido a dos hélices, girando en la misma dirección, la de proa tirando y la de popa empujando, con ello se consigue 1º. repartir la potencia entre ambas y 2º reutilizar, aprovechar, la energía de los remolinos generados por la hélice de proa. Hacia la mitad de la góndola del Pod se disponen unas aletas laterales que junto con la parte vertical de sustentación, desvía el flujo tangencial de las corrientes de agua procedentes de la hélice de proa y la dirige de forma axial hacia la de popa. En los astilleros Armón recientemente se construyeron 5 remolcadores con estos propulsores para armadores rusos. Los motores eléctricos que montan los SSP, a gusto del armador, pueden ser asíncronos ó síncronos excitados ó de imanes permanentes. En general la mejor opción cuando se trata de elevadas potencias y relativamente bajas velocidades es el motor síncrono de imanes permanentes y flujo longitudinal, de desarrollo reciente, ya que si se opta por motores síncronos con excitación o bien motores de inducción resultan muy pesados y voluminosos. De especial utilidad para la industria offshore, Schottel construye pods con una hélice en el interior de una tobera. Este fabricante es quizás el que ofrece mas rango de elección de sistemas propulsivos. El empleo de los pods a los que nos estamos refiriendo, implica que su propulsión es eléctrica. En la mayor parte de los casos diesel-eléctrica. No obstante hay algunas excepciones, tal como el caso de la serie Millenium, que va dotado de turbinas GE LM 2500+, combinación de turbina de gas y turbina de vapor, moviendo un alternador (sistema COGES) HP a 3600 RPM Grandes clientes de Azipod son KMY, Fincatieri y Meyer Werft (equipó 6 buques de Carnaval Cruise Lines, 11 de Royal Caribbean...); de Mermaid: Chantiers; de SSP: Costa Crucero, Costa Classica y para Dolphin: Seven Seas Voyager. 3

4 3.- VENTAJAS Sin ánimo de ser exhaustivos las ventajas derivadas del empleo de propulsores pods son las siguientes : Excelente maniobrabilidad derivada de disponer del máximo empuje, en cualquier dirección y prácticamente sin demora. Ausencia de timón y servomotor. Eliminación de la reductora. Al no existir eje de cola: Bajo nivel de vibraciones inducidas por la hélice. Bajo ruido. Radio de giro mucho menor. o Estas tres cualidades son especialmente interesantes para los grandes cruceros de lujo Mayor libertad para disposición de la maquinaria, menores restricciones. Ausencia de eje de cola. Motor propulsor fuera del casco. Todo ello dando lugar a una cámara de máquinas mas pequeña y por ello: Aumento de la capacidad de pasaje ó carga (figura 1) y como consecuencia directa : Mayor rentabilidad de explotación Posibilidad de trabajo a muy bajas revoluciones derivado del hecho de ser alimentado a través del convertidor de frecuencia. El par puede ser el máximo a cualquier velocidad. Menor consumo y menor contaminación ambiental al poder trabajar los primotores de los grupos a velocidad constante en torno a la carga óptima con máxima eficiencia. Por otra parte la propulsión con pods da lugar a mayores rendimientos propulsivos. Derivados de la propulsión eléctrica es la alta redundancia que conduce a la seguridad No hay que ocultar sin embargo algunos problemas de importancia que surgieron en algunos propulsores y que hicieron cancelar algunos viajes a cruceros de lujo durante algunas semanas hasta que fueron resueltos, con lo que esto supone en los resultados económicos. Hecho que justifica que algunos digan que esta tecnología no está suficientemente desarrollada. El buque Millennium, a los pocos meses de su inauguración, hubo de entrar en dique seco a reparar debido a las elevadas vibraciones en sus turbinas de gas. Y poco después un fallo en un Pod (Mermaid) impedía que desarrollase mas de 20,5 nudos cuando la velocidad debería ser 24. En el Infinity (también de la clase Millennium) una avería en los cojinetes del pod dejó al buque inoperativo durante 3 semanas. Los Azipod del Paradise 4

5 (de la Carnaval Cruise Lines) también tuvieron varios fallos de cojinetes achacados al principio a problemas de lubricación. 4.- PRIMERAS UNIDADES. M/T UIKKU Originalmente este petrolero de Tm de doble casco, estaba propulsado por dos motores Diesel de media velocidad (425 RPM) que actuaban sobre la reductora (425/120 RPM) que movía un único eje de cola con la hélice de paso controlable. Asimismo los propios motores principales movían, a través de sendas multiplicadoras 425/1000 RPM, a los generadores (colas) que alimentaban a las barras de 6 kv De estas barras se alimentaban los motores de los compresores de aire, los motores de las electrobombas de carga, de las electrobombas de lastre y la hélice de proa. Se disponía asimismo de dos grupos auxiliares alimentando el cuadro de B/T a 380 V. A su vez este cuadro podía ser alimentado desde el cuadro de 6kV a través de dos trafos. Para proceder a la transformación se quitan las motores principales, reductora, hélice y eje de cola, timón y servo y se procede a la modificación estructural para poder colocar el Pod. El motor del Pod es un motor síncrono de 1500 V con doble devanado independiente, conectado en doble estrella. El devanado de la rueda polar, con flujo radial, es alimentado a través de anillos de deslizamiento. La velocidad de giro de la hélice puede variarse de forma continua desde 0 a 150 RPM. Con objeto de conseguir la máxima fiabilidad se duplicaron los servicios lo máximo posible: motor con doble devanado, como acaba de decirse; dos cicloconvertidores refrigerados por agua (con sus respectivos circuitos de control de disparo) y alimentado cada uno de ellos por sus tres transformadores trifásicos (ver figuras 5d y 5e, esta última figura no corresponde a este buque pero es similar) ; del cuadro de B/T, tomando alimentación de un lado u otro del cuadro, se alimenta a un trafo que alimenta a dos unidades de excitación del rotor del motor, una en servicio y la otra en reserva y se selecciona una de las salidas mediante dos interruptores con enclavamiento para alimentar el devanado rotórico. Si, por ejemplo, surge un fallo en uno de los cicloconvertidores, queda sin alimentación uno de los devanados del motor, pero puede seguir funcionando el resto del sistema al 50% de la potencia. El sistema de gobierno incluye tres motores hidráulicos, uno es suficiente, impulsados por dos bombas hidráulicas, que actúan sobre un anillo de acero que mueve el conjunto del pod, de un modo análogo a como lo haría la caña de un timón convencional. 5

6 En este buque el ángulo de rotación sobre el eje de giro vertical, en vez de ser ±180º, es de tan solo ± 95º debido a la falta de espacio (figura 5b) por no haberse diseñado en origen el casco para este tipo de propulsor. En las modernas construcciones el control se hace a través de joysticks que permiten ajustar la dirección y el número de revoluciones. Para parar el buque puede escogerse entre invertir el sentido de rotación de la hélice o bien, manteniendo el sentido de giro, girar la unidad 180º. BIBLIOGRAFIA 1.- Información técnica proporcionada por los fabricantes 2.-Electric Propulsión. Conference proceedings. The Institute of Marine Engineers. Londres, WWW. Distintas fuentes Figura 1.- Aumento del espacio de carga con propulsores pod 6

7 Figura 2.- Azipod Y Compact Azipod 7

8 Figura 3.- Mermaid (Izda) y SSP (Dcha) Figura 4- Dolphin 8

9 Figura 5.- M/T Uikku (el esquema e, aunque similar, no es de este buque) 9

10 Figura 7.- M/T Uikku: transformación. 10