Barcos con rotor Flettner, no todo son velas

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En cierta ocasión hablamos en Nergiza de los buques de carga traccionados por cometas, algo que a priori puede parecer disparatado pero que es realmente interesante. Hoy vamos a hablar sobre el rotor Flettner en el campo de la navegación, un sustituto a la vela tradicional que se ha quedado un poco olvidado.

E-Ship Rotor Flettner

Sería imposible explicar en que consiste un rotor Flettner sin antes pararnos a hablar del efecto Magnus, lo siento Fulgencio…

 

El efecto Magnus

El señor Magnus decía básicamente que un objeto que rota y que está sometido a una corriente de aire tiene como resultante una fuerza lateral. El diagrama de fuerzas de todo esto lo dejamos para otro día porque ya veo una gota de sudor cayendo de la frente de Fulgencio.

Efecto Magnus

Un ejemplo sencillo sería el efecto que un futbolista da al balón (fútbol, esto ya le gusta más a Fulgencio), si le damos una patada de forma que gire en el aire durante su trayectoria, también experimentará un desplazamiento lateral.

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Efecto Magnus Futbol

 

El Rotor Flettner

Una vez conocido el efecto Magnus ya es más fácil pensar como funciona un buque con “vela” Flettner, consiste en disponer grandes cilindros verticales en lugar de la vela tradicional y hacerlos girar con un motor para que, junto con la fuerza del viento, consigamos esa fuerza de empuje resultante que nos mueva el barco.

Algún Nergizo dirá, “pero si hay que mover el cilindro hace falta un motor”, sí, hace falta, pero la potencia de este motor es muy inferior al empuje generado. Además necesitamos que el motor pueda girar en uno u otro sentido dependiendo del lado de donde sople el viento.

Este vídeo da una idea de como funciona el sistema, además de demostrar a los escépticos que realmente funciona:

 

El Buckau

El Buckau fue el primer buque donde se probó este sistema, se trataba de una transformación de una nave construida en 1920 con tres mástiles los cuales se sustituyeron por dos grandes cilindros verticales de 15m de altura y casi 3 de diámetro, impulsados por un motor eléctrico de 15cv. La primera prueba del Buckau fue en 1924 y los resultados fueron bastante buenos.

Rotor Flettner

Para demostrar la factibilidad de su invento, el inventor Anton Flettner preparó una carrera entre el Buckau y su velero gemelo Anon. La carrera acabó con el Buckau ganando con clara diferencia. De este modo demostró que los buques a rotores tenían una  eficiencia un 50% mayor que un buque a vela.

 

E-ship

A día de hoy hay un buque de carga llamado E-ship que utiliza este sistema, pertenece a Enercon GmbH y cuenta con 4 rotores verticales Flettner que apoyan al sistema de propulsión principal.

E-ship

La propulsión del barco está a cargo de nueve motores marinos Mitsubishi, con una potencia total de 3,5 MW, lo curioso es que la salida de gases de combusión está conectadas a intercambiadores de calor; este calor se transmite a una planta de vapor, que genera el movimiento de los rotores Flettner, por lo que se utiliza energía “residual” para moverlos.

Los rotores de la cubierta, miden 27 metros de alto, y 4 de diámetro. El fabricante declara un ahorro de entre 30 y 40% a una velocidad de 16 nudos, algo muy interesante en un sector donde el consumo de combustible es clave.

16 Comentarios

  1. A mí la pregunta que me surge es que, si desde 1920 se conoce este tema y es tan eficiente, ¿por qué no se usa rutinariamente en todos los barcos desde hace décadas? No sé, algún inconveniente debe haber… ¿Quizá problemas estructurales por tener que plantar semejantes pepinos? ¿Peligro para la integridad del barco en caso de mala mar?

    • Pues los problemas de este sistema de los que se habla en la red no parecen muy difícilmente solucionables la verdad.

      Pego lo que he encontrado sobre los “contras” del sistema:

      -El viento no se mueve a velocidad estable y unidireccional. Por tanto, para algunas
      condiciones de viento, la velocidad del rotor será estable, pero al cabo de poco tiempo
      cambiará. Por tanto, deberemos adoptar una velocidad de rotación que permita el
      avance del buque.
      – El empuje es perpendicular al viento. Por tanto, un cambio en la dirección del viento
      implicará un cambio en la dirección del buque. El rumbo deberá ser corregido
      continuamente, o tomar precauciones en la navegación estimada.
      – El empuje es proporcional al diámetro del cilindro, o a las revoluciones. Si ampliamos
      el diámetro, podremos encontrarnos con problemas de estabilidad (una masa girando a
      cierta velocidad), añadiéndose la dificultad de que el rotor gire de forma estable a partir
      de ciertas velocidades.
      – El empuje es proporcional a la velocidad del viento. Por tanto, si el viento no tiene
      componente estable en su velocidad, el empuje será continuo, pero no constante.

      • Ahora mismo solo recuerdo las generalidades del funcionamiento pero los giróscopos se mantienen estables por un fenómeno muy similar al que crean esos cilindros girando en un eje mientras se pueden mover en los demás, la precesión.

        Se deben crear unas fuerzas bastante interesantes en los cilindros con tanto movimiento debido a la mar, cada cabeceo y escora cambiará los momentos de fuerza mientras el rotor quiere mantenerse estable por su giro, lo que creará tensiones por todos los lados.

  2. No puedes “bajar vela”. Si te pilla en medio de un temporal, te lo comes con los rotores izados. Esto vale para rutas regulares en sitios donde sabes que no te vas a encontrar condiciones de mar duras. En rutas de alta mar donde periodicamente tienes que enfrentar temporales da mas problemas de los que quita.

    • El empuje no lo da solo el viento, lo da el viento más el cilindro en rotación.
      Entiendo que el símil a “bajar vela” en estos barcos sería algún tipo de freno hidráulico, que los cilindros fueran reduciendo sus revoluciones hasta quedar complemente quietos cuando fuera necesario.

      • Me refiero a que cuando sopla de verdad, por muy quietos que esten los cilidros siguen ofreciendo una gran superficie. Y encima alta.

  3. Así de primeras, se me ocurre un contra bastante obvio. Tener 4 cilindros bestiales sobre cubierta implica que estás subiendo el centro de masas del barco, lo cual en circunstancias poco favorables va a hacer que tu barco vuelque con mayor facilidad. Salvo que lo emplees en zonas con pocas tormentas, lo veo bastante inseguro.

  4. Me da a mi que mejor saldría aprovechar los momentos de fuerza para transformarlos energía almacenable (electricidad) y no en propulsion directa del buque y luego utilízalos en la planta propulsora eléctrica.

    Los grandes cruceros modernos, los sísmicos y cableros ya trabajan con plantas denominadas de forma genérica diesel-electricas, que consisten en múltiples – normalmente > 6 – generadores de electricidad alimentados con cualquier combustible líquido o gaseosos junto con motores propulsores eléctricos que suelen ser más de dos – y normalmente azimutales conocidos habitualmente como “Azipods”.

    Los buques son mucho más eficientes en consumo de combustible si mantienen sus motores funcionando al régimen óptimo (aprox 86% de la potencia nominal del motor), pero para conseguir esto en buques que tienen que operar a diferentes velocidades (regímenes de potencia) solo se consigue teniendo muchos motores y arrancando solo solo el número necesario para que la suma de sus potencias efectiva en cada eje sea la necesaria para cada velocidad, al mismo tiempo que cada motor individual se mantiene en su régimen óptimo. El implementar una planta propulsora mecánica que tenga casi la misma flexibilidad que la mixta mecánico-eléctrica no es posible.

    La planta funciona mantiendo todos y solo los generadores necesarios a un régimen del 86%, con excepción de uno, para conseguir la potencia eléctrica necesaria para mantener todos los servicios generales del buque más la que requieren los motores eléctricos para alcanzar la velocidad requerida y un porcentaje de potencia de standby variable en función de las condiciones de navegación. Esta potencia en standby depende de único generador que está por debajo de este 86% en al menos en el % de standby. Pero siendo un solo motor relativamente pequeño la ineficiencia es en términos absolutos es muy pequeña y además lo que se busca es que el tiempo de respuesta del propulsor eléctrico en par a la hélice sea inmediato y para ello el generador ha de está online para que aporte la potencia eléctrica necesaria para mantener la velocidad ante una condición de mar (mayor desplazamiento al salir del seno de una ola).

    Los grandes cruceros son perfectos clientes de este tipo de plantas propulsoras. Están de travesía durante la noche y en puerto después de la madrugada (07:30) hasta el anochecer, como no hay la misma distancia entre cada escala lo que ajusta el buque es la velocidad para llegar a puerto a la hora prevista y si es posible con el mínimo consumo de combustible. Al operador del buque no le interesa gastar más combustible, pagar más gastos de prácticos y puertos, ni molestar a los clientes por llegar antes y hacer la maniobra a las 04:00. Por el otro lado no le interesa tampoco llegar después de las 10:30 pues sus clientes no tendrían tiempo de visitar el destino y no se puede justificar económicamente extender la estadía en puerto un día solo por esta circunstancia ya que implica muchos costes para el operador del buque.

  5. Hola,

    Los rotores Flettner eran competitivos en comparación con el armamento de velas. Es decir, si comparais el peso de mástiles, cabos y velas, más el peso y la mano de obra necesaria para las maniobras… Los rotores salían ganando.

    No obstante, los rotores dependen de unas condiciones muy concretas de viento transversal. Aunque me gustaría aclarar que los barcos no siempre navegan de forma perfecta.

    Respecto al peso, hay que tener en cuenta que son cilindros rotando, pero huecos, el momento de rotación no es demasiado elevado. En todo caso, los buques llevan la sala de máquinas por debajo de la línea de flotación, así que la estabilidad no se verá comprometida.

    Saludos,

  6. El momento de fuerza (flexión) que sufrirá la estructura del barco ante un cambio en los ángulos de balanceo o cabeceó debido al uso los rotores Flettner dependerá en gran parte del número de rotores, el posicionamiento de cada uno con respecto al centro de gravedad del buque, la altura máxima de estos (efecto multiplicador), las vueltas por minutos a las que estén girando (inercia angular) y la aceleración angular sufrida por el buque en el cambió de los ángulos de guiñada y cabeceó.

    En el E-Ship 1 al ser cuatro situados simétricamente, sus momentos de inercia actúan como momentos de flexión sobre la estructura del buque siempre los cuatro oponiéndose al cambio de ángulos del buque debido a las condiciones del mar y por tanto estresando la estructura que los sostiene y produciendo flexiones (fatigas) estructurales en un buque que no las soportaría en otro caso.

    La estabilidad del buque no se verá comprometida por el uso de los rotores Flettner siempre y cuando se mantengan girando y los momentos de inercia generados sean superiores a los vectores de fuerza de sus masas. De hecho actúan como es cierta manera estabilizadores rudimentarios del buque ya que por sus momentos de inercia tienden a contrarrestar los movimientos del buque.

    De hecho para buques de alta velocidad son (bajo el agua, en cada amura y pudiendo situar dos o más, uno a proa del centro de gravedad del buque y otro a poa de este con lo que se disminuye el cabeceó además del balanceo) una alternativa más efectiva, de menor consumo y de menor mantenimiento que los tradicionales estabilizadores hidráulicos.

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