DINÁMICA DE VEHICULOS MARINOS EMBARCACIONES DE SUSTENTACIÓN DINÁMICA. HIDROFOILS. ÍNDICE 1. Introducción. 2. Definiciones. 3. Primeros diseños y evolución histórica. 4. Normativa internacional OMI. Evolución. 5. Principio de funcionamiento. 6. Estabilidad en los buques hidroala. 7. Tipos y aplicaciones del hidrofoil. 8. Bibliografía y material de Internet.
DINÁMICA DE VEHICULOS MARINOS EMBARCACIONES DE SUSTENTACIÓN DINÁMICA. HIDROFOILS. INTRODUCCIÓN • Barco convencional se mantiene a flote en virtud del principio de Arquímedes. • Este principio produce la flotabilidad del casco, pero resulta un inconveniente cuando se trata de moverlo. • El hidroala resuelve el problema de la resistencia de la ola elevándose por encima del agua, manteniendo sumergidas unas alas que lo sostienen mientras la velocidad sea lo suficientemente alta. • Como las olas no golpean el fondo del casco tienen poca influencia sobre la estabilidad del barco y la navegación. • Bajas velocidades funciona como un barco normal capaz de flotar y moverse lentamente en el agua, lo que es necesario para maniobrar en un puerto o permanecer fondeado.
DINÁMICA DE VEHICULOS MARINOS EMBARCACIONES DE SUSTENTACIÓN DINÁMICA. HIDROFOILS. DEFINICIONES • HIDROALA: Barco cuyo casco sobresale del agua cuando la velocidad es lo bastante elevada, gracias a la acción de un plano de sustentación o ala que al aumentar la velocidad disminuye la fricción entre el casco y el agua y evitando los efectos de las olas. • MODALIDAD OPERACIÓN CON DESPLAZAMIENTO: Aplicación exclusiva del principio de Arquímedes. • MODALIDAD SIN DESPLAZAMIENTO: Régimen operacional normal. Nave sustentada por fuerzas hidrodinámicas. • MODALIDAD DE TRANSICIÓN: Paso de una modalidad a otra. • ALETA SUSTENTADORA: Plancha que produce sustentación hidrodinámica. • ALETA SUSTENTADORA CORTA LA SUPERFICIE: Aleta sustentadora que en modo de sustentación tiene una parte en contacto con el agua. • ALETA SUSTENTADORA TOTALMENTE SUMERGIDA: Es una aleta sustentadora que no contiene ningún elemento sustentador que atraviese la superficie del agua en la modalidad de sustentación sobre aletas.
DINÁMICA DE VEHICULOS MARINOS EMBARCACIONES DE SUSTENTACIÓN DINÁMICA. HIDROFOILS. EVOLUCIÓN HISTÓRICA • 1869. Emmanuel Farcot Denis, ingeniero parisino: "la adaptación a los lados y el fondo del buque de una serie o planos inclinados o cuña formada piezas, que el buque es impulsado tendrá el efecto de levantamiento en el agua y reducir el calado” • 1906. Publica artículo. Número de marzo de la revista Scientific American. William E. Meacham. Principios físicos del efecto hidroala y la estructura y diseño básico que deberían tener éstas embarcaciones. • Entre 1910 y 1911. Baldwin y Forlanini se encontraron en Italia. • HD-4. Prototipo alcanzo record de velocidad. 87 Km/h. Con buena velocidad y estabilidad en la navegación. • 1908. Alexander Graham Bell y el ingeniero Casey Baldwin, realizaron sus ensayos, basado en los diseños Enrico Forlanini.
DINÁMICA DE VEHICULOS MARINOS EMBARCACIONES DE SUSTENTACIÓN DINÁMICA. HIDROFOILS. EVOLUCIÓN HISTÓRICA • 1919. HD-4 nuevo record mundial de velocidad ? 114 Km/h. Vigente durante diez años. • Se realizaron otras investigaciones: – 1873 – 1914. Británico John Thornycroft ? casco escalonado y una única ala inclinada. – 1909 su compañía construyó un barco de 22 pies de largo, el Miranda III, propulsado por un motor de 60 CV y el Miranda IV llegó a alcanzar los 35 nudos. • Alemania: Barón Von Schertel ? hidroalas en los años previos a la Segunda Guerra Mundial. – Pionero de la aplicación comercial y militar. – Tras la Guerra, el equipo técnico de Schertel ? URSS. Barón Schertel se trasladó a Suiza ? Supramar AG. – 1952. Supramar botó el primer hidroala comercial (PT10), en el Lago Maggiore, entre Suiza e Italia. 32 pasajeros a una velocidad de 35 nudos. • 1960. La Marina Canadiense ? Hidroala militar de alta velocidad. – HMCS Bras d'Or era del tipo aletas que cortan la superficie (surface-piercing). 63 nudos.
DINÁMICA DE VEHICULOS MARINOS EMBARCACIONES DE SUSTENTACIÓN DINÁMICA. HIDROFOILS. EVOLUCIÓN HISTÓRICA •Décadas 1970-80: Unión Soviética experimentó con hidroalas para la navegación fluvial y ferrys. -Clases: Raketa y Meteor, el más pequeño de la clase Voskhod, – Diseñados en la Oficina liderada por el ingeniero Rotislav Alexeiev, creador del ekranoplano.
DINÁMICA DE VEHICULOS MARINOS EMBARCACIONES DE SUSTENTACIÓN DINÁMICA. HIDROFOILS. NORMATIVA INTERNACIONAL IMO • Resolución A.373: De noviembre del 1977. “Código de seguridad para naves de sustentación dinámica”. Creado para facilitar la investigación y el desarrollo de este tipo de naves y facilitar la aceptación internacional de la mismas en materia de seguridad y diseño. Consta de 18 capítulos, 3 anexos y dos apéndices, recoge todos los aspectos de su construcción. Desde el compartimentado, habilitación, y seguridad contraincendios a su estabilidad, maniobrabilidad y diseño de máquinas y sistemas auxiliares. • Resolución A.749: De noviembre de 1993. “Código de Estabilidad sin Avería para todos los tipos de buques regidos por los instrumentos OMI”. En su Capítulo 4.8 recoge la estabilidad sin avería de las naves de sustentación dinámica en sus tres regímenes de navegación: flotabilidad, transición y modo sin desplazamiento. •Resolución MSC. 97(73): De diciembre de 2000.“Código Internacional de seguridad para naves de gran velocidad”. De aplicación a naves de alta velocidad de transporte de pasajeros que no se aleje más de ocho horas de un puerto. – Anexo 6: sobre estabilidad de las naves hidroala desarrolla los criterios de estabilidad que han de cumplir esta embarcaciones. Recoge de un modo muy similar a las disposiciones de la anterior.
DINÁMICA DE VEHICULOS MARINOS EMBARCACIONES DE SUSTENTACIÓN DINÁMICA. HIDROFOILS. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO • Se basa en obtener una fuerza que eleve el casco de la nave gracias a la sustentación generada por medio de un ala sumergida en el agua. Baja velocidad ? Barco convencional. ? Velocidad ? ?presión del agua bajo el ala. • Debido a su forma, unida a la disminución de la presión que se forma sobre la misma genera una fuerza de sustentación opuesta al peso de la nave y una vez alcanzada cierta velocidad es suficiente para elevar completamente el casco sobre el agua. Permanecen sumergida: alas, hélices y el timón. Con casco elevado ? la única resistencia alas. Menor a la que ofrecería el casco sumergido navegando a la misma velocidad.
DINÁMICA DE VEHICULOS MARINOS EMBARCACIONES DE SUSTENTACIÓN DINÁMICA. HIDROFOILS. SUSTENTACIÓN La fuerza ascensional puede calcularse utilizando la ecuación: Donde: ? es la densidad del agua. V es la velocidad. C es el coeficiente de elevación. S es el área de la superficie de sustentación. RESISTENCIA AL AVANCE La resistencia del elemento sustentador de la embarcación o hidroala con relación al fluido se define ecuación: Donde: ? es la densidad de líquidos. V es la velocidad. CX es el coeficiente de resistencia. S es el área de la hidroala.
DINÁMICA DE VEHICULOS MARINOS EMBARCACIONES DE SUSTENTACIÓN DINÁMICA. HIDROFOILS. CAVITACIÓN • La presión del flujo hidrodinámico se distribuye a lo largo de la hidroala cuando ésta se encuentra en movimiento a través del fluido. • En este flujo laminar, bajo algunas condiciones, puede ocurrir que la presión del flujo hidrodinámico del agua sea igual a la presión de vapor saturado del fluido. • En este momento se produce la rotura de la continuidad del líquido, apareciendo el fenómeno de cavitación.
DINÁMICA DE VEHICULOS MARINOS EMBARCACIONES DE SUSTENTACIÓN DINÁMICA. HIDROFOILS. ESTABILIDAD • La última definición de las características de estabilidad, tanto estática como dinámica queda definida y regulada por el Código NGV del año 2000, en su Anexo 6. • Estabilidad: – Aletas que cortan la superficie. – Aletas totalmente sumergidas. – Modalidad con desplazamiento. – Modalidad de transición. – Modalidad Sustentación. • Aletas que cortan la superficie. Flotación sobre el casco: La estabilidad en aguas tranquilas = 8º cada banda. Momento escorante provocado por la evolución: Donde: MR momento escorante. Vo velocidad de la nave durante la evolución (metros por segundo). ? desplazamiento (toneladas). KG altura del centro de gravedad por encima de la quilla (metros). L eslora de la nave medida en la flotación (metros).
DINÁMICA DE VEHICULOS MARINOS EMBARCACIONES DE SUSTENTACIÓN DINÁMICA. HIDROFOILS. ESTABILIDAD • MODALIDADES DE TRANSICIÓN Y SOPORTE DE LAS ALETAS SUSTENTADORES. – La estabilidad se determinarse por cálculo o basándose en los datos experimentales. – Tiempo pasar de la modalidad de sustentación ? 2 minutos. – Modalidad de sustentación, el ángulo de escora originado por la concentración de pasajeros en una banda no excederá de 8º. – En la modalidad de transición, el ángulo de escora debido a la concentración de pasajeros en una banda no excederá de 12º. • Método del Convenio NGV determina GM en la modalidad de sustentación: nB , porcentaje de la carga del hidroala soportada por la aleta sustentadora anterior. nH , porcentaje de la carga del hidroala soportada por la aleta sustentadora posterior. LB ,envergadura de la aleta sustentadora anterior. LH ,envergadura de la aleta sustentadora posterior. a, distancia libre entre la parte inferior de la quilla y el agua. g, altura del c.d.g. por encima de la parte inferior de la quilla. Ig , áng. de inclinación de la aleta anterior respecto a la horiztl. IH, áng. de inclinación de la aleta sustentadora posterior con respecto a la horizontal
DINÁMICA DE VEHICULOS MARINOS EMBARCACIONES DE SUSTENTACIÓN DINÁMICA. HIDROFOILS. ESTABILIDAD HIDROALAS DE ALETAS TOTALMENTE SUMERGIDAS. • Modalidad de flotación ? Satisfacer lo anterior para este tipo de embarcaciones. • Modalidad de transición ? Se examinará la estabilidad con simulaciones realizadas con computador y verificadas, a fin de evaluar los movimientos, el comportamiento y las reacciones de la nave en condiciones normales y límite, y bajo la influencia de cualquier defecto de funcionamiento. Se examinarán las condiciones de estabilidad en cualquier fallo de los sistemas o de los procedimientos operacionales durante esta fase. • Modalidad de sustentación ? Se han de ajustar a lo dispuesto en los apartados anteriores para las otras modalidades. Las simulaciones realizadas con computador y los cálculos de proyecto se verificarán mediante pruebas efectuadas a escala natural. CARGA CONSTITUIDA POR LOS PASAJEROS. Para el cálculo ? 75 kg por pasajero Centro de gravedad, de cada pasajero según: 1.- 1,0 m por encima del nivel de cubierta para los pasajeros que estén de pie. 2.- 0,30 m por encima de los asientos para los pasajeros sentados. Los pasajeros y equipaje ocupan el espacio normalmente distribuidos de modo que se produzca la combinación más desfavorable de momento escorante. A este respecto se señala que no hará falta un valor que exceda del correspondiente a cuatro personas por metro cuadrado.
DINÁMICA DE VEHICULOS MARINOS EMBARCACIONES DE SUSTENTACIÓN DINÁMICA. HIDROFOILS. TIPOS DE HIDROFOILS • Tipos de naves de sustentación dinámica en función de su uso: – Comercial. – Militar. – Experimental. – Lúdica. •JET-FOIL: Diseñado por Boeing. – Embarcación cuyo sistema de propulsión es similar a las que tienen los aviones reacción. – Posee unos soportes dirigidos con alas y alerones controlados automáticamente. – Puede transportar 250 pasajeros a 43 nudos. Clase Olympia. 37 nudos y 250 pasajeros. Clase Poleise. 33 nudos y 55 pasajeros. Clase PT-50. 40 nudos y 110 pasajeros
DINÁMICA DE VEHICULOS MARINOS EMBARCACIONES DE SUSTENTACIÓN DINÁMICA. HIDROFOILS. TIPOS DE HIDROFOILS. • Diseños militares: Infinidad de tipos. Peculiares características. •SARACHA. Construcción soviética. Hidroala Jet-Foil. • Apéndices que sustentan las hidroalas de proa y popa son retráctiles pudiendo navegar como buque convencional. • Propulsión dos motores de turbina de gas potencia de 15.000 CV a 50 nudos.
DINÁMICA DE VEHICULOS MARINOS EMBARCACIONES DE SUSTENTACIÓN DINÁMICA. HIDROFOILS.
DINÁMICA DE VEHICULOS MARINOS EMBARCACIONES DE SUSTENTACIÓN DINÁMICA. HIDROFOILS. BIBLIOGRAFÍA Y PÁGINAS WEB – SHIP DYNAMICS FOR MARINERS. I.C. Clark. – Development of the Tool for Predicting Hydrofoil System Performance and Simulating Motion of Hydrofoil- Assisted Boats. Dr. Konstantin Matveev and Ralph Duncan. – "Volador" Un hidrofoil para el récord del mundo de velocidad a vela. Fulgencio García Fernández. – Resolución IMO A. 749(18). Código de estabilidad para todos los tipos de buques regidos por los instrumentos de la OMI. – Resolución MSC. 97 (73) Código Internacional de Seguridad de Naves de Alta Velocidad. – http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrofoil – http://www.infovisual.info/05/061_es.html – http://www.foils.org/ – http://www.hydrofoil.org/ – http://www.hydrofoils.org – http://www.fluidlab.naoe.t.u-tokyo.ac.jp/Research/CavPictures/index.html.en – http://cavity.ce.utexas.edu/kinnas/cavphotos.html – http://www.hs-ships.ru/e_pages.phtm?f=2&p=1 – http://www.uni-koblenz.de/~yasko/hydrfoil.htm – http://www.histarmar.com.ar/InfGral/Hidroalasbase.htm – http://www.rzg.mpg.de/~rfs/comas/lectures/SportundPhysik/materialien/OnlineBooks/wings.avkids.com/Libro/Ve hicles/advanced/hovercraft-01.html – http://es.wikipedia.org/wiki/Enrico_Forlanini – http://www.volga-shipyard.com/index.php?lang=eng§ion=products&catid=4&craft_id=24