TFG_Laura_Martinez_Martin

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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
Escuela Técnica Superior
de Ingenieros Navales
MADRID
TRABAJO DE FIN DE GRADO EN
INGENIERÍA MARÍTIMA
GIM - 229
Diseño del propulsor de un submarino convencional
Autor:
Laura Martı́nez Martı́n
Tutor:
Rodrigo Pérez Fernández
Noviembre 2022
El mar es solo la realización de una existencia
sobrenatural y maravillosa.
-Julio Verne.
I
II
Propuesta TFG
A continuación se presentan las especificaciones en la propuesta de Trabajo de Fin de Grado
que ha sido aprobada por la COA.
El objetivo de este trabajo es el diseño del propulsor de un submarino convencional con las
siguientes caracterı́sticas:
• Eslora total de 81 m.
• Velocidad máxima de 20 nudos.
• Autonomı́a de 55 dı́as de navegación en superficie y 25 dı́as de navegación en inmersión
a 4 nudos.
• Desplazamiento en inmersión de 2960 t.
Para ello, se deberá analizar el submarino en su conjunto para posteriormente estudiar en deta-
lle el propulsor, explicando las caracterı́sticas de la hélice elegida.
Las fases del trabajo consistirán en lo descrito a continuación. Se estudiará el estado del arte de
los submarinos. Seguidamente, se realizará el predimensionamiento del submarino , obtenien-
do unas formas preliminares, para el posterior análisis de la predicción de potencia. Se elegirán
también los motores a disponer, ası́ como el resto de equipos para el correcto funcionamiento
de la cámara de máquinas. Por último, se diseñará el propulsor con la información recopilada,
determinando sus caracterı́sticas.
III
IV
V
VI
VII
VIII
Resumen
El presente Trabajo de Fin de Grado (TFG) con tı́tulo “Diseño del propulsor de un submarino
convencional” ha sido desarrollado con el fin de obtener el tı́tulo de graduado en Ingenierı́a
Marı́tima por la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Navales de la Universidad Politécnica
de Madrid.
En él se ha pretendido recopilar todo lo aprendido durante su realización, en cuanto a este
tipo de buques, de los que se conoce poco, en gran parte por su confidencialidad. Bien se sabe
la variedad de submarinos que existen, pero el objetivo principal de este trabajo se centra en los
de uso militar, en los que prima su capacidad para evitar ser detectados.
Es por ello que lo principal será reducir la huella acústica; caracterı́stica del submarino en la
que la hélice toma un papel importante, siendo el objeto de este trabajo definirla. Antes de po-
der establecer sus caracterı́sticas se comenzará definiendo las formas del submarino, siguiendo
con la predicción de la potencia, que es el dato principal que se necesitará pare determinar el
tamaño de la hélice. No se debe olvidar el dimensionamiento de la cámara de máquinas, que,
aunque no es el objeto final del trabajo, cabe definir los diferentes sistemas para su correcto
funcionamiento. Todo ello se presentará en un plano de disposición general.
El objetivo final será definir una hélice con unas caracterı́sticas adecuadas a las prestaciones
del submarino; es decir, buscar una reducción del ruido teniendo en cuenta distintos paráme-
tros, en los que influyen principalmente el número de palas y la cavitación. Una vez conocidas
las principales caracterı́sticas del propulsor se procederá a su diseño aplicando los conocimien-
tos aprendidos durante el grado mediante programas CAD, que se presentará en el plano del
propulsor.
Palabras clave: submarino, hélice, potencia, cavitación, ruido, palas, propulsión, geometrı́a.
IX
X
Abstract
The following Final Degree Project (TFG) entitled “Design of the propeller of a conventional
submarine” has been developed in order to obtain the Degree in Maritime Engineering by the
Technical Faculty of Naval Engineers of the Polythechnic University of Madrid.
During its realization the intention has been trying to collect all what has been learnt based
in this type of vessels, of which little is known, largely due to its confidentiality. It is well known
the existance of a variety of submarines, but the principal aim of this project is focused in those
of military use, in which their capacity to avoid being detected is of prime importance.
This is why the main objective is to reduce the acoustic footprint, one of the submarine´s cha-
racteristics in which the propeller plays an important role, so defining it is the main aim of this
project. Before establishing the characteristics of the propeller, the shape of the submarine must
be defined, continuing with the power prediction, which is the principal data required to determi-
ne the size of the propeller. Even though it is not the aim of the project, it is important to define
the different systems of the engine room for its correct operation. This will be all presented in the
general arrangement plan.
The final aim is to define the propeller with the appropiate characteristics adecuated to the per-
formance of the submarine; this is, seeking for a noise reduction taking into account different
parameters such as the number of blades and cavitation, which are the main influence. Once the
principal characteristics of the propeller anre known, the next step will be to create the design by
appliyng the knowldege learned during the degree, using CAD programs. This will be presented
in the propeller plan.
Keywords: submarine, propeller, power, cavitation, noise, vibrations, blades, propulsion, geo-
metry.
XI
XII
Agradecimientos
Quiero agradecer a mis padres, Andrés Martı́nez y Raquel Martı́n, y a mis hermanas, Cecilia
Martı́nez y Ana Martı́nez, por el apoyo y la ayuda recibida durante estos años de carrera y, es-
pecialmente, por los ánimos en los momentos más difı́ciles.
A los profesores de la Escuela, y a mi tutor, que, aunque indirectamente, me han animado a
conocer este mundo. Me gustarı́a hacer una mención especial a D. Alfonso López de Asiaı́n
Zabı́a, con quien tuve la suerte de trabajar, y que me enseñó a aplicar en la vida real lo apren-
dido y mucho más, por su dedicación como profesor y como mentor en el trabajo.
Agradezco también a esos compañeros de curso que me han animado con este trabajo, prin-
cipalmente a Álvaro Buitrago, que me supo animar y me dio esperanzas cuando más perdida
estaba.
No me olvido de todas las amistades tan increı́bles que he ganado en estos años, gracias a
todos ellos he podido seguir adelante con la carrera. Porque nunca sabemos lo que nos depa-
rará el futuro, pero lo que sı́ sé, es que los quiero a todos ellos en el mı́o.
Por último, me gustarı́a agradecer también a las amistades de toda la vida, de las que he recibido
un apoyo increı́ble durante la realización del trabajo.
Gracias. A todos, por todo.
XIII
XIV
ÍNDICE GENERAL
Índice general
Propuesta TFG III
Resumen IX
Abstract XI
Agradecimientos XIII
1. Introducción 1
1.1. Estado del arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1. Los submarinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2. Sistema propulsivo: la hélice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2. Marco teórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2. Predimensionamiento del submarino 7
2.1. Caracterı́sticas principales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1. Tipo de casco y forma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2. Número de cubiertas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.3. Propulsión y lı́nea de ejes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.4. Tipo de timón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.5. Elección de las velocidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.6. Autonomı́a y dotación a bordo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2. Carga de Pago . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 13
2.3. Cálculo de los volúmenes y obtención de las formas . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4. Especificaciones del submarino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3. Submarino S-210 19
3.1. Disposición general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2. Predicción de la potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3. Elección del Motor Eléctrico Principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
XV
ÍNDICE GENERAL
3.4. Dimensionamiento de las baterı́as . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.5. Dimensionamiento del sistema AIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.6. Elección de los grupos diésel generadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4. Sistemas de la CCMM 31
4.1. Equipos del buque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.1.1. Sistema de lastre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.1.2. Sistema de sentinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.1.3. Sistema de contra incendios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1.4. Sistema de lodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2. Equipos de máquinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2.1. Sistema de combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2.2. Sistema de aceite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.3. Sistema de refrigeración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2.4. Sistema de aire comprimido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.3. Equipos de acomodación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3.1. Sistema de agua sanitaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3.2. Sistema de aguas residuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3.3. Sistema de climatización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.4. Tomas de mar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.5. Sistema de exhaustación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.6. Sistema de ventilación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5. Diseño del propulsor 49
5.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.1.1. Tipos de hélices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.1.2. Elección del número de palas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.1.3. Geometrı́a de la hélice y parámetros de funcionamiento . . . . . . . . . . . 51
5.1.4. Materiales empleados en la construcción del propulsor . . . . . . . . . . . 54
5.1.5. Cavitación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.1.6. Series sistemáticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2. Diseño de la hélice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.3. Realización del plano de la hélice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6. Conclusiones 69
Bibliografı́a 70
XVI
INTRODUCCIÓN
Capı́tulo 1
Introducción
En este capı́tulo se pretende realizar una breve introducción acerca de los submarinos, re-
pasando ası́ tanto sus inicios como su evolución y estableciendo un contexto general para la
realización del proyecto.
1.1. Estado del arte
1.1.1. Los submarinos
Un submarino es un tipo de buque capaz de navegar tanto por encima como por debajo de la
superficie del mar. No se debe confundir con los sumergibles, ya que estos navegan principal-
mente por la superficie, sumergiéndose tan solo en determinadas ocasiones; a diferencia de los
submarinos, que pasan la mayor parte del tiempo sumergidos.
La historia de los submarinos se remonta al año 1500, cuando Da Vinci conceptualizó por prime-
ra vez un barco que podı́a navegar bajo el agua y hundir otros barcos. Sin embargo, no siguió
con el diseño, y no fue hasta 1620 cuando se construyó el primer submarino prototipo de la
historia. Este fue el Cornelius Drebbel, que, aunque constaba de un sistema de propulsión por
remos y no disponı́a de hélice, fue capaz de sumergirse durante tres horas.
Más adelante se construyó la primera idea de sumergible, en 1775, al que se le conoce co-
mo The Turtle. Fue un diseño experimental para fines militares y de un solo tripulante. Además,
fue el primero en utilizar una hélice para propulsarse, siendo esta de dos palas o de tornillo, que
más tarde revolucionó todas las embarcaciones impulsadas a vapor.
En 1800 nació el Nautilus, considerado como el primer submarino moderno y contaba con una
hélice de cuatro palas. Sin embargo, el primer submarino propulsado a motor fue el Ictı́neo II,
construido en 1865 por Narciso Monturiol. La hélice estaba movida por una máquina de vapor
anaeróbica que usaba una reacción quı́mica para generar calor.
Ya en 1888 se construyó el submarino diseñado por Isaac Peral, siendo para uso militar y el
primer submarino con propulsión diésel-eléctrica, que contaba con dos motores eléctricos y, por
tanto, de dos hélices que tenı́an tres palas cada una. De ahı́ en adelante, a partir de la Primera
Guerra Mundial, se hizo muy común la construcción de submarinos militares, llegando a con-
siderarse como un arma estratégica para cualquier armada. El uso militar es el más conocido,
pero cabe mencionar que existen también submarinos civiles para operaciones de investigación
o rescate, entre otras.
1
INTRODUCCIÓN
Los submarinos se pueden clasificar según el tipo de propulsión: convencional o nuclear. Como
se ha visto, los submarinos mencionados eran de tipo convencional. Esto se debe a que no fue
hasta pasada la Segunda Guerra Mundial cuando comenzó el desarrollo de prototipos nuclea-
res.
Un submarino convencional está propulsado por motores eléctricos. Estos motores se alimen-
tan a través de baterı́as, que son cargadas a bordo con los motores diésel. Tras varios años
de diseños se ha logrado una mejor eficiencia de los motores diésel y de las baterı́as, con lo
que se ha conseguido una disminución en la llamada tasa de indiscreción. Este coeficiente es
el tiempo que el submarino invierte en recargar las baterı́as en snorkel, es decir, el tiempo en
el que está visible para el enemigo, frente al tiempo total del ciclo completo. Asimismo, con la
aparición del sistema de Propulsión Independiente de Aire (AIP) se ha conseguido aumentar el
tiempo de sumersión, llegando a alcanzar las tres o cuatro semanas, frente a los tres o cinco
dı́as que el submarino podı́a estar sumergido.
Por otro lado, los submarinos nucleares están propulsados por un reactor nuclear que genera el
calor necesario para mover la turbina que transmite la electricidad a la hélice. Existen distintos
tipos de reactores nucleares, siendo los principales, en el ámbito naval: reactor de agua a pre-
sión (PWR), como los de la clase Typhoon; reactor de metal lı́quido (LMR), por ejemplo la clase
Alfa, que ya no están operativos; y el reactor de circulación natural (IPWR), por ejemplo los de la
clase Seawolf [1]. La gran ventaja de los submarinos nucleares es su autonomı́a prácticamente
ilimitada (limitada tan solo por la habilitación y vı́veres). En contra, los submarinos nucleares son
más ruidosos que los convencionales, factor de gran importancia para los submarinos de uso
militar.
1.1.2. Sistema propulsivo: la hélice
El sistema propulsivo de los submarinos y de otras embarcaciones actuales (la mayorı́a), se
basa en el uso de hélices, aunque también existen sistemas de propulsión que no cuentan con
hélice, por ejemplo la propulsión a chorro (water-jets), los propulsores cicloidales(como Voith-
Schneider ) o las ruedas de paletas. Esta sección se centrará en la hélice como propulsor (en
un concepto general), ya que es el sistema usado por los submarinos.
El uso de la hélice es bastante tardı́o, aunque ya durante la antigüedad clásica Arquı́medes
realizó estudios sobre esta propulsión, ası́ como más adelante lo hizo Leonardo Da Vinci.
En 1683 Robert Hooke construye un mecanismo para medir corrientes, siendo esta la primera
posible adaptación a la propulsión de buques.
Años más tarde, en 1752, Jackob Bernoulli estudió un ingenio que recreaba una velocidad esti-
mada de 2 nudos con aproximadamente 20-25 hp.
Los siguientes estudios significativos son los de Joseph Bramah (1785), que tuvo problemas
para sellar el eje de la hélice debido a que se encontraba completamente sumergida y Edward
Shorter (1802), que tuvo más éxito, generando un eje que no entraba en el buque por la obra
viva.
Más tarde, en 1836, Jhon Ericsson realiza un experimento con dos hélices contrarrotativas.
Sin embargo tuvo poco éxito debido a que introdujo el timón a proa de la propulsión, convirtien-
do la dirección en algo muy poco efectivo.
2
INTRODUCCIÓN
En 1839 Francis Smith estudió generar un flujo con una hélice con forma de tornillo sin fin,
con lo que tuvo un gran éxito, y que hizo que los ingleses lanzaran un decreto obligando a todos
los buques de dicha bandera a emplear este tipo de propulsión. Sin embargo, las complicacio-
nes económicas impidieron que esto se llevara a cabo.
En 1842 Jhon Barnes creó la primera hélice basada en pruebas de modelos a escala, llegando
a alcanzar los 12 nudos en el buque Napoleon.
De ahı́ en adelante se ha tenido un rápido crecimiento y desarrollo muy significativo en el di-
seño de las hélices.
Como se ha visto, las hélices han ido evolucionando con el paso de los años, tanto en la forma
como en el número de palas. En la actualidad, lo más común es el uso de una sola hélice de
entre 5 y 7 palas, aunque lo más frecuente son 7 palas. Del mismo modo, hay submarinos que
utilizan dos lı́neas de ejes en lugar de una sola, principalmente submarinos nucleares rusos, co-
mo son los de la clase Typhoon. El principal inconveniente del uso de dos hélices es que puede
dar mayores problemas de ruido.
Ya establecido un contexto general, se procederá a detallar ciertas especificaciones que puedan
ser de importancia a la hora de tomar decisiones para la posterior elaboración del trabajo.
Cabe destacar que se enfocará todo al submarino convencional y no al nuclear, ya que será
el submarino proyecto. Esta decisión se ha tomado debido a la facilidad de España para la
fabricación de este tipo de submarinos, a diferencia de los nucleares.
1.2. Marco teórico
Como se ha adelantado, en esta sección se abarcarán distintos puntos en los que se especifi-
carán los modos de operación de los submarinos, las caracterı́sticas operativas y las situaciones
de operación.
Aunque se han dividido los tipos de submarinos en función de su sistema de propulsión, también
se pueden clasificar según las misiones que realizan:
• Misiones contra fuerzas navales de superficie, submarinos y tráfico mercante. Detectar y
combatir amenazas enemigas mediante operaciones especiales.
• Misiones especiales. Por ejemplo operaciones especiales, de vigilancia, ataque a objetivos
de tierra con misiles y apoyo a guerra anfibia o búsqueda y rescate, entre otros. Otra de las
operaciones que destaca es la de la obtención de inteligencia, principalmente en el caso
de los convencionales, gracias a que pueden operar de forma discreta sin ser detectados,
todo esto, gracias a la mejora de la tecnologı́a.
En el caso del submarino proyecto, este será un submarino de detección/espionaje de buques,
submarinos, aviones y minas.
Como se ha mencionado antes, otro factor a tener en cuenta es conocer las caracterı́sticas
operativas, tanto las ventajas como los inconvenientes que se pueden encontrar. En ellas se
incluyen:
3
INTRODUCCIÓN
1. Discreción. Esta es una de las caracterı́sticas que se ha comentado previamente. Es la ca-
pacidad de operar sin ser detectado. Esto es de vital importancia, por lo que se debe lograr
la máxima reducción de ruido posible. Para ello se estudian aspectos tanto hidrodinámicos
como mecánicos.
2. Cota. Es la profundidad máxima que puede alcanzar el submarino. Los submarinos no
suelen superar los 600 metros de profundidad. La profundidad es una caracterı́stica im-
portante, ya que, como se verá más adelante, en otro capı́tulo, a mayores profundidades
se reduce e incluso desaparece la cavitación. Además, dificulta también el ser detectado.
3. Autonomı́a. Este es un factor que depende mucho del tipo de submarino. Como se ha
mencionado en la sección anterior, la autonomı́a en los submarinos nucleares es práctica-
mente ilimitada, dependiendo principalmente de los vı́veres, las condiciones ambientales
y de la habilitación y la condición fı́sica de la tripulación. Por otro lado, en el caso de los
convencionales la autonomı́a se ve limitada por el combustible y el sistema AIP. Esto se
tratará más adelante.
4. Maniobrabilidad y movilidad. La habilidad para maniobrar rápidamente, tanto horizontal
como verticalmente, favorece la evasión del submarino. Esta capacidad está determinada
principalmente por la forma del casco y por la velocidad.
5. Armas y sistema de combate. Necesario para que el submarino pueda efectuar sus misio-
nes. Para ello dispondrá de: sensores, que le permitirán obtener información del enemigo;
y armas, como torpedos y misiles.
6. Comunicaciones. Existen diferentes sistemas de comunicación a bordo. Según la referen-
cia [2], las bandas utilizadas son las VLF, HF, LF, VHF, UHF y SHF. Lo más utilizado
son las comunicaciones por satélite, llamadas SATCOM. Estas se usarán con preferencia
frente a las de UHF y HF.
Por último, queda por definir las situaciones de operación. Entre ellas se encuentran la situación
de tránsito, de patrulla y de combate, que se definen a continuación:
1. Tránsito. Durante esta situación el submarino se traslada desde la base a la zona de opera-
ciones y viceversa, o bien entre zonas y entre bases. La mayor prioridad es la discreción,
manteniendo de esta manera el factor sorpresa y ası́ evitar ser detectado. Por ello, hay
diversos parámetros que se deben establecer, como por ejemplo:
• Niveles máximo y mı́nimo de la capacidad de las baterı́as, que deberá estar entre el
50 % y 80 %.
• Snorkel. Duración de los periodos de carga.
• Rumbo, velocidad y profundidad.
• Uso del periscopio, del radar y del sonar.
2. Patrulla. Durante esta operación el submarino se encarga de recopilar información del
enemigo y detectar sus movimientos.
3. Combate. De nuevo, la discreción toma una gran importancia. Durante esta operación el
submarino es más eficaz si mantiene la discreción. Se encuentran distintas fases durante
esta situación:
• Contacto. Es el momento en el que se detecta el blanco mediante sensores pasivos
(radar, sonar). Se determina la distancia y se analizan sus movimientos. Esto es lo
que se conoce como TMA (Target Motion Analysis).
4
INTRODUCCIÓN
• Aproximación. Una vez se ha detectado el blanco y estudiado su rumbo comienza la
aproximación (en caso de que la decisión sea el ataque). Eso sı́, se debe mantener
en la medida de lo posible la discreción.
• Ataque. Tras la aproximación, en posición de lanzamiento, se procederá al ataque.
Para ello se elegirá el arma a utilizar, ya sea bien torpedo o bien misil. Esta decisión
depende de diversos factores como por ejemplo las condiciones de lanzamiento o la
distancia, velocidad y tipo del blanco, entre otros. Ya realizado el lanzamiento, finaliza
el ataque.
• Evasión. Puede haber distintas situaciones por las que el submarino necesite realizar
esta operación, como por ejemplo, tras haber realizado un ataque o por haber sido
detectado. Vuelve a cobrar una especial importanciael silencio. El submarino reali-
zará cambios de velocidad, rumbo o cota. A esto se le suma la posibilidad de realizar
distintos tipos de señuelos y operaciones especiales.
Una vez conocidas las distintas caracterı́sticas principales de los submarinos, en concreto las
de un submarino convencional, se puede proceder al diseño de este, considerando requisitos
descritos durante este capı́tulo. Por consiguiente, en el próximo capı́tulo se comenzará con el
predimensionamiento del submarino proyecto.
Figura 1.1: Submarino convencional S-71 Galerna en tránsito. Fuente: [3]
5
INTRODUCCIÓN
6
PREDIMENSIONAMIENTO DEL SUBMARINO
Capı́tulo 2
Predimensionamiento del submarino
Como se ha adelantado, una vez definido el concepto de submarino convencional y sus ca-
racterı́sticas, se procederá a realizar el predimensionamiento del submarino. Por tanto, en este
capı́tulo se definirán las principales caracterı́sticas del submarino proyecto, estableciendo ası́
los parámetros necesarios que permitirán posteriormente determinar el propulsor.
2.1. Caracterı́sticas principales
Antes de comenzar con el dimensionamiento del submarino, ası́ como con la predicción de la
potencia, es necesario establecer una serie de caracterı́sticas para el tipo de submarino. Para
ello se determinará el tipo de casco, el número de cubiertas y el tipo de propulsión, ası́ como
el rango de velocidades, entre otros factores, que será importante para el posterior dimensiona-
miento del submarino.
2.1.1. Tipo de casco y forma
Los submarinos pueden construirse en base a dos tipos de casco: monocasco o doble casco.
La elección de un tipo u otro depende de varios factores tales como las necesidades del subma-
rino o las condiciones de operación, entre otros. Para ello, se analizarán los dos tipos de casco,
eligiendo finalmente como criterio más importante aquel que permita un mejor aprovechamiento
del espacio utilizable.
En primer lugar, independientemente de que sea casco simple o doble casco, los submarinos
cuentan con un casco resistente y un casco no resistente [4]:
1. Casco resistente. También llamado casco de presión. Es la estructura cerrada que resiste
la presión exterior del mar. Permite contener la maquinaria interior en seco cuando el
submarino está en inmersión.
2. Casco no resistente. Por descarte, es la estructura que no es casco resistente. Está for-
mada por un casco no resistente interior y un casco no resistente exterior.
• Casco no resistente interior. No tiene que soportar la presión de inmersión. Este lo
componen las cubiertas, plataformas, mamparos interiores, polines, etc.
• Casco no resistente exterior. En contra, este sı́ soporta la presión de inmersión. Es el
casco que le da la forma al submarino.
Una vez conocidos estos términos se procede al análisis de los dos tipos diferentes de casco.
7
PREDIMENSIONAMIENTO DEL SUBMARINO
El monocasco o casco simple (2.1) es aquel en el que el casco resistente queda a la vista
en la mayor parte de la eslora del submarino. Como se ha mencionado anteriormente, el casco
resistente soportará todas las presiones exteriores a las que está sometido el submarino. Debido
a la gran presión exterior es importante que el casco tenga unas formas geométricas sencillas:
un cuerpo cilı́ndrico o un tronco de cono muy abierto terminado en ambos extremos por domos
semiesféricos o semi-elı́pticos. Para conseguir una forma del casco más hidrodinámica se afi-
nan los extremos de proa y popa mediante una estructura superpuesta. En la proa las formas
podrán ser más redondeadas, pero en el caso de la popa es necesario que terminen en cono
para que la hélice trabaje con con un flujo de entrada óptimo. Estas estructuras exteriores se
aprovechan para alojar los tanques principales de lastre, ası́ como para inclinar elementos que
sobresalgan del casco (tubos lanzatorpedos, sonar pasivo y mecanismos del timón) [4].
Por el contrario, el doble-casco (2.1) es aquel en el que el casco resistente queda recubierto
en su totalidad por el casco exterior (casco no resistente). No es necesario que el casco ex-
terior sea completamente fuerte, ya que en inmersión está compensado a efectos de presión
hidrostática por estar comunicado por las dos caras por el mar. Esta estructura cuenta con un
espesor muy pequeño, lo que le da al submarino unas formas hidrodinámicas muy perfectas y
eficientes. Además, el espacio entre ambos cascos se utiliza para alojar diversos tanques de
lastre y fluidos, principalmente los de combustible. Asimismo, el doble casco dota al submarino
de una resistencia adicional a golpes.
Se ha decidido disponer de un submarino monocasco debido al mayor aprovechamiento de
espacio de uso de volumen interno. Además, el monocasco tiene la ventaja de ser más simple
en cuanto a construcción, inspecciones y mantenimiento; y por consiguiente, un mayor ahorro
económico.
Figura 2.1: Representación de un submarino de casco simple y de doble casco. Fuente: elabo-
ración propia
8
PREDIMENSIONAMIENTO DEL SUBMARINO
Una vez decidido el tipo de casco del submarino, es importante determinar también su forma, ya
que esto afecta al predimensionamiento en el cálculo de las formas, como se verá más adelante.
Las formas de los submarinos han ido evolucionando, llegando a la forma ideal, que es la de una
gota de agua (2.2), en la que la proa es elı́ptica y la popa parabólica. El diámetro irı́a cambiando
continuamente a lo largo de la eslora, lo que supone mayores costes de producción.
Figura 2.2: Diseño ideal del casco de un submarino. Fuente: [5]
Por ello, y para poder aprovechar mejor el volumen, se añade un cuerpo cilı́ndrico central, con
proa y popa elı́pticas (2.3). Con ello se consigue reducir los costes de producción, además de
permitir el uso de varias cubiertas.
Figura 2.3: Forma de un submarino actual con cuerpo cilı́ndrico central. Fuente: [5]
2.1.2. Número de cubiertas
Conocida la forma del casco, queda por determinar el número de cubiertas del que dispondrá el
submarino proyecto, que depende principalmente del diámetro de este. Por otro lado, según [6],
se ha observado que la mı́nima resistencia del casco y la mayor maniobrabilidad se da para una
relación L/B (Eslora/Manga) entre 6 y 8. Más adelante, con los volúmenes que se obtendrán de
la Carga de Pago, se obtendrá el diámetro del submarino.
Como se ha mencionado en apartados anteriores, las formas del casco del submarino han
ido cambiando a lo largo de los años, buscando aumentar el volumen del casco resistente para
ası́ aprovechar el espacio interior. El número de cubiertas depende principalmente del diámetro
del submarino. Como es lógico, con un mayor diámetro del casco resistente se podrán disponer
más cubiertas. El aumento del número de cubiertas proporciona mayor aprovechamiento del
espacio. En la siguiente figura se presentan distintos tipos en función del diámetro.
Figura 2.4: Distintas posibilidades del número de cubiertas. Fuente: [6]
9
PREDIMENSIONAMIENTO DEL SUBMARINO
Siguiendo 2.4, se definirá brevemente cada configuración:
1. Una cubierta (Single Deck). Equivale a tener dos niveles distintos en el interior del casco
resistente. Esto está limitado a submarinos de diámetro entre 4 y 7 m [6]. Esta configura-
ción permite un aprovechamiento del 63% [5].
2. Dos cubiertas (Twin Deck). Equivale a tener tres niveles. Se limita a submarinos de diáme-
tro entre 7 y 8 m [6] y permite un aprovechamiento del 77% [5]. Esta configuración es la
más utilizada para submarinos diésel-eléctricos con un tamaño adecuado.
3. Tres cubiertas (Triple Deck). Esta configuración suele usarse para submarinos de diámetro
entre 9 y 11 m [6]. Generalmente se da para submarinos nucleares, ya que necesitan
espacios altos para poder disponer la planta nuclear. Con tres cubiertas se consigue un
aprovechamiento del 82% [5].
4. Cuatro cubiertas (Four Deck Design). Se limita a submarinos de diámetro entre 11 y 13
m [6]. Al igual que el caso anterior,se da principalmente en submarinos nucleares, por la
misma razón.
Para el submarino proyecto se utilizará la configuración de dos cubiertas (Twin Deck), ya que,
conocido el dato de la eslora según la especificación y el tipo de casco, se estima un diámetro
de entre 7 y 8 m.
2.1.3. Propulsión y lı́nea de ejes
En el capı́tulo anterior se tomó la decisión de una propulsión convencional diésel-eléctrica, con
un sistema de propulsión anaerobia. En esta sección se aclarará el funcionamiento de este
tipo de propulsión. Para ello, dicho funcionamiento se presentará mediante dos condiciones de
operación distintas:
• Superficie / snorkel. En estos casos el submarino se encuentra navegando a poca profun-
didad. Los generadores diésel proporcionan la energı́a eléctrica al motor eléctrico principal
y al resto de consumidores cargando baterı́as durante el proceso.
• Inmersión. Durante esta condición la energı́a necesaria para la propulsión y alimentación
del resto de consumidores se proporciona a través de las baterı́as previamente cargadas.
Por otro lado, los motores diésel y eléctricos, frente a la propulsión nuclear, cuentan con el in-
conveniente de no ser autónomos cuando el submarino está sumergido. Debido a la capacidad
de descarga de las baterı́as, la cantidad de reserva a bordo se ve limitada a unos 4-5 dı́as.
Por ello, un submarino convencional debe realizar perı́odos de inmersión con subidas a snorkel
para recargar las baterı́as de nuevo. Esto puede traer la posibilidad de que el submarino sea
detectado.
Sin embargo, esta posibilidad de detección se ha reducido gracias a la aparición del sistema AIP,
lo que hace que, como se ha mencionado en el capı́tulo anterior, el submarino pueda aguantar
sumergido hasta las 3-4 semanas. Se han estudiado distintos tipos de sistemas AIP, entre ellos,
los dos que han resultado dar mejores prestaciones son:
• Motores Stirling. Es un motor de calor. Funciona a base de combustión externa continua.
• Pilas de combustible PEM (Proton Exchange Membrane). Presenta diversas ventajas fren-
te al motor Stirling, como no expulsar gases de escape, lo que no limita la profundidad de
sumersión.
10
PREDIMENSIONAMIENTO DEL SUBMARINO
Para este trabajo se elegirá como sistema AIP las células de combustible PEM. Dicho sistema
quedará definido en el próximo capı́tulo. En la siguiente figura se muestra un esquema de los
distintos equipos:
Figura 2.5: Esquema de la propulsión convencional con sistema AIP. Fuente: elaboración propia
Por último, queda por definir el número de lı́neas de ejes que se llevarán. Al tratarse de un sub-
marino de diámetro entre 7 y 8 metros, incluir dos hélices no es factible. Por ello, la decisión
tomada es la de llevar una sola lı́nea de ejes, y, por tanto, una sola hélice. La hélice se definirá
en capı́tulos posteriores, ya que es el objetivo final del trabajo.
Igualmente, hay que tener en cuenta diversos problemas que se podrı́an dar al disponer de
dos lı́neas de ejes. En primer lugar, en caso de que exista cavitación, dos hélices producen ma-
yor ruido. Otro problema es la existencia de una distancia lı́mite entre hélices, por lo que no se
pueden separar una gran distancia con el fin de reducir el ruido. Como último factor a tener en
cuenta, una sola lı́nea de ejes es mucho más eficiente (eficiencias del 70-80 % frente a un 60 %
en los de doble eje).
2.1.4. Tipo de timón
El tipo de timón no es igual para todos los submarinos. Existen distintas configuraciones en
cuanto al tipo de timón, que son las que se presentan en la figura 2.6.
Figura 2.6: Configuraciones posibles de timones. Fuente: [5]
11
PREDIMENSIONAMIENTO DEL SUBMARINO
La elección de un tipo u otro depende de distintos factores, entre ellos hidrodinámicos. Al ser
esto parte de arquitectura no se dimensionarán los timones. Como elección se tomará la primera
configuración de la imagen 2.6, es decir, unos timones en cruz. Se ha tomado esta decisión por
simplicidad y similitud con los submarinos españoles.
2.1.5. Elección de las velocidades
Las velocidades con las que navegue el submarino serán las que definan la potencia necesaria
para propulsarse en cada una de las condiciones. Según el tipo de submarino las velocidades
que lleve serán distintas. Para este tipo de submarinos el rango de velocidades para las distintas
condiciones se presentan en la siguiente tabla:
Tabla 2.1: Rango de velocidades en función de cada condición
Rango de velocidades (kn)
Inmersión
a. Máxima 18 - 22
b. Económica con baterı́as 3 - 4,5
c. Económica con AIP 18 - 22
Snorkel
a. Máxima 10 - 12
b. Superficie 10- 12
Teniendo en cuenta los valores de esta tabla y partiendo de la especificación con una velocidad
máxima de 20 kn, las velocidades para el submarino de este proyecto quedan definidas de la
siguiente manera:
Tabla 2.2: Velocidades del submarino proyecto
Velocidades del submarino (kn)
Inmersión
a. Máxima 20
b. Económica con baterı́as 4
c. Económica con AIP 4
Snorkel
a. Máxima 10
b. Superficie 10
2.1.6. Autonomı́a y dotación a bordo
Para establecer la autonomı́a de los submarinos hay que tener en cuenta diversos factores, tales
como la localización de las zonas de operación. En el caso del submarino de este trabajo ope-
rará por el mar Mediterráneo. Además, como se establece en la especificación, su autonomı́a
es de 55 dı́as.
Siguiendo este dato se establece una duración de misión de 55 dı́as. De esta forma, se tendrán
30 dı́as de tránsito entre el puerto y la zona de operación a una velocidad de tránsito de 8 kn y
25 dı́as de patrulla en inmersión a 4 kn, tal y como se detalla en la especificación del trabajo. Es
importante tener en cuenta que estos datos pueden variar en función de las misiones, y que se
trata de una aproximación para el cálculo de los sistemas y predicción de la potencia.
12
PREDIMENSIONAMIENTO DEL SUBMARINO
Por otro lado, hay que tener en cuenta el número de submarinos en operación. Si se supone un
sistema de dos submarinos, uno de ellos deberá permanecer en la zona durante el tiempo que
el otro tarda en abandonar la zona, volver a la base, realizar un periodo de mantenimiento (nor-
malmente fijo), volver a almacenar y salir de nuevo a la zona de operación. Un tercer submarino
permitirı́a reducir el tiempo de patrulla. Ambos sistemas se muestran en la figura 2.7. En el caso
de este proyecto se dimensiona para un sistema de dos submarinos.
En cuanto a la dotación del submarino, depende tanto del tamaño del submarino como del
grado de automatización de los sistemas. Esto último significa que, a mayor automatización de
los sistemas, menos dotación a bordo, aunque no hay que excederse en ello.
Teniendo en cuenta esto y los datos del S-80, ya que está basado en este submarino, la do-
tación será de un total de 40 personas: 32 de dotación propia y 8 de personal de transporte [3].
Figura 2.7: Sistema de dos y tres submarinos convencionales. Fuente: [5]
2.2. Carga de Pago
A diferencia del resto de buques convencionales, para el caso de los submarinos no es posible
realizar el predimensionamiento a partir del método de buque base. Esto se debe a la escasa
información de la que se dispone debido a la confidencialidad de los submarinos. Por ello, para
el diseño de los submarinos se emplea el método de construcción por bloques, en el que se
analizan las distintas partes del submarino independientemente, de manera que cada parte se
convierte en un bloque.
Se entiende por Carga de Pago [5] a los elementos requeridos para llevar a cabo las opera-
ciones del submarino. En este caso, al tratarse de un submarino de detección y espionaje de
buques, aviones y minas, se incluyen los sonares, comunicaciones, sensores de radar y equi-
pos de procesamiento asociados, ası́ como armas, sistemas de control de disparo y recarga y
sistemas de control y mando.
13
PREDIMENSIONAMIENTO DEL SUBMARINO
Además de la demanda de la carga de pago en cuanto a volumeny peso, habrá requerimientos
asociados a la potencia eléctrica, suministros de aire e hidráulicos, y la dotación de personal
para los puestos operativos y de mantenimiento. También habrá tanques de compensación para
la descarga de armamento. El total de estos requisitos compone una carga de pago predetermi-
nada, e independiente a la configuración del submarino.
El resto de componentes que componen la totalidad del submarino, directa o indirectamente,
dependen del tamaño de la embarcación y de las caracterı́sticas de rendimiento.
El valor de la carga de pago se puede estimar siguiendo la tabla 2.3 que se presenta a con-
tinuación y tomada de [5].
Tabla 2.3: Comparativa de los porcentajes de peso y volumen obtenida de [5] para submarinos
convencionales
Peso ( %) Espacio ( %)
Carga de Pago 9 28
Estructura 43 -
Maquinaria principal y auxiliar 35 56
Habilitación y equipos 4 11
Almacenes 1 5
Lastre permanente 8 -
Teniendo en cuenta el dato inicial del desplazamiento en inmersión, y siguiendo la tabla, se es-
tima una carga de pago de 547, 1 m3.
Sin embargo, como se dispone del valor del desplazamiento en inmersión, siendo este de 2960
t, se procederá a la inversa, de tal manera que se obtiene la carga de pago a partir del volumen
de forma.
2.3. Cálculo de los volúmenes y obtención de las formas
Para llevar a cabo el cálculo de los volúmenes se sigue el proceso explicado en [5], a la inversa,
teniendo en cuenta una densidad del agua de mar en el Mediterráneo es de 1028 kg/m3.
Como se ha mencionado en el apartado anterior, se parte del desplazamiento en inmersión.
Con este valor, teniendo en cuenta la densidad del agua de mar, se obtiene un volumen de for-
ma de 2879, 4 m3, por lo que a partir de este dato se puede proceder al cálculo de volúmenes.
En primer lugar, el Volumen de Forma (V F ) es el volumen total del submarino, que se cal-
cula como un 15 % más del volumen del Casco Resistente Total (CRTOT ), siendo este último
la suma del volumen del Casco Resistente Exterior (CREXT ) y del volumen de los Tanques
Principales de Lastre (TPL):
V FV OL = CRTOT · 1, 15 (2.1)
CRTOT = CREXT + TPLV OL (2.2)
De la ecuación (2.1) se puede despejar el valor del Casco Resistente Total, que resulta:
CRTOT =
V F
1, 15
14
PREDIMENSIONAMIENTO DEL SUBMARINO
CRTOT =
2879, 4
1, 15
= 2503, 8 m3
De esta manera se obtiene un volumen de Casco Resistente de 2503, 8 m3.
Con ello es posible dimensionar los TPL, mediante el uso de la Reserva de Flotabilidad (RF ).
Este dato se toma a criterio del diseñador, pero suele oscilar entre un 10 % y un 15 %. La dife-
rencia supone una variación de unos 30 m3 en el valor final de la carga de pago. Se tomará para
el cálculo de volúmenes una Reserva de Flotabilidad del 15 %.
Por otro lado, se debe incluir también un Factor de Utilidad (FU). Este factor se determina a
partir de los Tanques de Compensación y Trimado (TC&T ), que se calcularán más adelante.
Según [7], los tanques de compensación generalmente tienen una capacidad de entre el 2,5 %
y el 3 % del desplazamiento del casco resistente, mientras que la capacidad es de hasta el 5 %,
según [5]. Estos tanques se conectan entre sı́ por tuberı́as que se llenan y vacı́an de agua de
mar a través de bombas. Se deberá tener en cuenta el lı́quido que permanece en el fondo de
estos tanques y que no es posible de desalojar, el cual se estimará en un 10 %. Este será el
porcentaje que se tendrá en cuenta a través del FU . Una vez se conoce este factor, es posi-
ble calcular el volumen de los TPL, ası́ como el volumen del CREXT , mediante un sistema de
ecuaciones.
TPLV OL =
CREXT ·RF
FU
(2.3)
TPLV OL = CRTOT − CREXT (2.4)
2503, 8− CREXT =
CREXT · 0, 15
0, 9
CREXT =
2503, 8 · 0, 9
(0, 15 + 0, 9)
= 2146, 1 m3
TPLV OL = 2503, 8− 2146, 1 = 357, 7 m3
Del sistema anterior se obtienen 2146, 1 m3 del CREXT y 357, 7 m3 de los TPL. A continuación,
a partir del CREXT se puede calcular el volumen del Casco Resistente Interior (CRINT ) de la
siguiente manera:
CREXT = CRINT · 1, 15 (2.5)
CRINT =
2146, 14
1, 15
= 1866, 2 m3
Por otro lado, el volumen del CRINT es el resultado de la suma del volumen del Casco Re-
sistente (CR) y del volumen de los TC&T mencionados anteriormente. En primer lugar, los
TC&T son tanques cuya función es compensar las variaciones de desplazamiento y de trima-
do que puedan ocurrir por determinados motivos, ya sea la variación de combustible, vı́veres,
lanzamiento de torpedos o cambios de densidades en el agua en la que se navega, entre otras
causas.
El volumen de estos tanques se puede calcular de la siguiente manera, teniendo en cuenta
el FU presentado anteriormente:
TC&TV OL =
CRV OL · 0, 05
FU
(2.6)
De nuevo se presenta un sistema de ecuaciones del que se pueden obtener los volúmenes de
CR y de TC&T .
CRINT = TC&TV OL + CRV OL (2.7)
15
PREDIMENSIONAMIENTO DEL SUBMARINO
CRV OL =
1866, 2 · 0, 9
(0, 05 + 0, 9)
= 1768 m3
TC&TV OL = 1866, 2− 1768 = 98, 2 m3
Se obtienen por tanto 1768 m3 de CR y 98, 2 m3 de TC&T . A partir del volumen del casco resis-
tente se podrá obtener el valor de la carga de pago. Para el caso de los submarinos convencio-
nales, la Carga de Pago (CP ) es aproximadamente un 30 % del volumen del Casco Resistente.
CRV Ol =
CPV OL
0, 3
(2.8)
CPV OL = 1768 · 0, 3 = 530, 4 m3
De esta manera, partiendo del Volumen de Forma se ha obtenido una Carga de Pago de 530, 4
m3; valor que se acerca al estimado por la tabla 2.3.
Una vez realizado el cálculo de los volúmenes se procederá a realizar el estudio de las for-
mas del submarino. Para ello, se toma como referencia lo definido en [8]. Con ello, será posible
determinar el diámetro del submarino.
Mediante este procedimiento se podrá obtener el diámetro máximo, a partir de la eslora del
submarino. Para ello, será necesario conocer las fórmulas para calcular tanto el cuerpo de proa
como el cuerpo de popa.
En primer lugar, las del cuerpo de proa son:
yf (xf ) =
D
2
[1− (
xf
Lf
)nf ]
1
nf (2.9)
Lf = 2, 4 ·D (2.10)
Siendo D el diámetro máximo de entrada, Lf la eslora del cuerpo de proa, xf e yf los puntos
que describen el cuerpo de proa y nf un exponente con valor entre 1,75 y 4 [8].
En segundo lugar, las del cuerpo de popa son:
ya(xa) =
D
2
[1− (xa
La
)na ] (2.11)
La = 3, 6 ·D (2.12)
Siendo D el diámetro máximo de entrada, La la eslora del cuerpo de popa, xa e ya los puntos
que describen el cuerpo de popa y na un exponente con valor entre 2 y 4 [8].
Antes de comenzar con la obtención del diámetro es importante conocer la forma del submarino,
Generalmente, las formas se asemejan a las de una gota de agua; sin embargo, a estas formas
hay que añadir un cuerpo cilı́ndrico central. Esto puede verse en la siguiente figura.
16
PREDIMENSIONAMIENTO DEL SUBMARINO
Figura 2.8: Geometrı́a del submarino. Fuente: [8]
La forma que corresponde al submarino proyecto es la inferior de la figura 2.8, es decir, la que
incluye el cuerpo cilı́ndrico central, de la que se tomará la siguiente ecuación:
L = La + LPMB + Lf (2.13)
De la ecuación anterior, LPMB corresponde a la eslora del cuerpo cilı́ndrico central, mientras que
L es la eslora total para el volumen interior. A partir de esta eslora, tomando las referencias [5],
[7], [8], se puede presuponer un incremento del 30 % sobre la eslora total. Este incremento se
debe al volumen interior para la lı́nea de ejes, los tubos lanzatorpedos (TLT ), el sonar cilı́ndrico
y el lastre. Con ello se podrá calcular la eslora para el cuerpo interior, ya que se dispone de la
eslora total (LTOT ) del submarino, que son 81 m.
LTOT = 1, 3 · L (2.14)
L =
81
1, 3
= 62, 3 m
Por otro lado, para obtener LPMB se empleará la ecuación del volumen del cuerpo cilı́ndrico
central (siendo esta el volumen de un cilindro).
VPMB = π(
D
2
)2 · LPMB (2.15)
Al no conocerse el volumen del cuerpo central, se podrá aproximar entre un 40 % un 45 % del
CRV OL, calculado a partir del sistema de ecuaciones de 2.6 y 2.7, en el apartado anterior,y que
resulta 777, 9 m3. Por tanto, a partir de las ecuaciones 2.10, 2.12 y 2.15 se presenta, de nuevo,
un sistema de ecuaciones del que se puede obtener el valor del diámetro (D) y de la eslora del
cuerpo cilı́ndrico central (LPMB).
De la ecuación 2.15 se despeja LPMB, dejándola en función del diámetro, por lo que queda
la siguiente ecuación para obtener el diámetro:
6D3 − 62, 3D2 + 990, 4 = 0 (2.16)
De las tres soluciones de la ecuación anterior 2.16, la más coherente es un diámetro de 7, 3 m.
Una vez obtenido el diámetro, se pueden conocer las diferentes esloras. La eslora del cuerpo
de popa resulta de 26, 3 m, la eslora del cuerpo de proa son 17, 5 m y, por último, la eslora del
cuerpo cilı́ndrico central son 18, 5 m.
17
PREDIMENSIONAMIENTO DEL SUBMARINO
Por otro lado y, como se ha adelantado previamente, según [6] se ha observado que la mı́ni-
ma resistencia total sobre el casco y las mejores caracterı́sticas de maniobrabilidad se dan para
relaciones de L/B entre 6 y 8. Tomando como valor intermedio 7, la manga máxima serı́a de
11, 6 m.
A continuación, se presenta en la figura 2.9 un modelo 3D correspondiente al submarino que
sigue estas medidas.
Figura 2.9: Modelo 3D del submarino S-80. Fuente: [3]
2.4. Especificaciones del submarino
A la vista de los resultados obtenidos, en la siguiente tabla se muestran las caracterı́sticas y
dimensiones principales del submarino proyecto, al que se le ha dado el nombre de S-210. La
elección del nombre no ha sido otra que la de la fecha de nacimiento del autor del trabajo.
Tabla 2.4: Submarino S-210
Dimensiones Unidades
Eslora total 81,0 m
Manga máxima 11,6 m
Calado 6,3 m
Diámetro del casco 7,3 m
△ inmersión 2960 t
Velocidad en superficie 20 kn
Velocidad en inmersión 10 kn
Autonomı́a 55 dı́as
Tripulación 40 personas
18
SUBMARINO S-210
Capı́tulo 3
Submarino S-210
La previa realización del predimensionamiento del submarino permite conocer brevemente la
disposición general de este. El principal objetivo de este capı́tulo es obtener la potencia necesa-
ria, y ası́ determinar los motores, las capacidades de las baterı́as y el sistema AIP. Con ello se
podrán dimensionar los sistemas principales para el correcto funcionamiento de la cámara de
máquinas (CCMM) y finalmente realizar el diseño del propulsor del submarino, objeto final del
trabajo.
3.1. Disposición general
El submarino de este proyecto, el S-210, está basado en el S-80 Isaac Peral. Es decir que la
disposición general será la misma, y es la que se presenta en la siguiente figura:
Figura 3.1: Disposición general del submarino S-80 Isaac Peral. Fuente: [3]
Como se ve en la figura 3.1, el submarino está divido en distintas secciones. Teniendo en cuenta
la referencia [9], se compondrá de 5 secciones. Sin entrar en mucho detalle, ya que no es el
objetivo final del trabajo, se definirán las distintas secciones:
19
SUBMARINO S-210
1. Sección 1: Propulsión. Contiene el motor eléctrico principal (MEP).
2. Sección 2: Energı́a. Incluye el local de los diésel y la cámara de baterı́as de popa. Incluye
también el local de sistemas eléctricos del MEP, de los cuadros principales y de los ge-
neradores. Tanto la chumacera de empuje como el prensaestopas se encuentran a popa
y en el interior del casco resistente. Como se verá más adelante, se llevarán tres grupos
generadores colocados paralelamente. Igualmente, como se muestra en la figura 3.1, es-
tos grupos irán colocados encima de las baterı́as, que se colocan en un local aislado y
estanco.
3. Sección 3: Sistema AIP. Justo a proa del cofferdam se encuentra el local para el sistema
AIP. Este local contendrá los tanques de oxı́geno lı́quido y metanol, las células de com-
bustible PEM y un sistema de exhaustación de CO2. El dimensionamiento de este sistema
quedará definido posteriormente.
4. Sección 4: Control y mando. En la parte inferior se encuentran los tanques de regulación
y compensación, el tanque central de achique, el tanque de purgas de snorkel y el local
de auxiliares de proa, entre otros. En la parte superior, se dispone el centro de control de
mando (PCNO) y el local de Radio.
5. Sección 5: Sección de proa. En esta última sección se encontrará la cámara de baterı́as
de proa, la estiba de las armas, tubos lanzatorpedos (TLT ) y los locales de acomodación.
En cuanto a servicios principales, como el combustible, este se almacenará a los costados de
las baterı́as, bajo el cofferdam y otros volúmenes del fondo. Por otro lado, al ser monocasco, el
lastre irá situado en la proa y popa del casco no resistente (es decir, entre ambos cascos).
Una vez hecha una idea de la disposición general se procederá al dimensionamiento de los
equipos. En primer lugar, a la obtención de la potencia necesaria para obtener los motores y ası́
poder obtener el número de baterı́as necesarias y los elementos necesarios para el funciona-
miento del sistema AIP.
3.2. Predicción de la potencia
En este apartado se procederá a realizar la predicción de potencia del submarino, que permitirá
elegir el motor eléctrico principal, cuyas caracterı́sticas se presentan en el siguiente apartado.
Hay distintos métodos para calcular la potencia efectiva. Por lo general se utilizan los dos méto-
dos que se definen a continuación:
1. El método seguido por [5]. Se basa en que el tamaño del motor se rige por la potencia
máxima requerida para ser transmitida al propulsor. Esta potencia se toma para la máxima
velocidad del submarino (VMAX). Para estimar la potencia efectiva (EHP ) se emplea la
siguiente ecuación:
EHP = Kp · V F 0,64 · V 2,9MAX (3.1)
Teniendo en cuenta que el factor Kp toma un valor de 20 [5], el volumen de forma conocido,
2879, 4 m3, y una velocidad máxima de 20 kn, se obtiene la siguiente potencia efectiva:
EHP = [20 · 2879, 40,64 · (20 · 0, 5144)2,9] · 10−3 = 2823, 21 kW
Para obtener la potencia propulsora se deben tener en cuenta unos rendimientos: Rendi-
miento del casco (ηCASCO), Rendimiento del propulsor (ηPROP ) y Rendimiento de trans-
misión (ηTRANS).
20
SUBMARINO S-210
Estos rendimientos vienen definidos por [5] y se pueden obtener dependiendo de si se
tienen una o dos lı́neas de ejes, como se muestra en la siguiente tabla:
Tabla 3.1: Rendimientos en función de las lı́neas de ejes. Fuente: [5]
Rendimientos Una lı́nea de ejes Dos lı́neas de ejes
ηCASCO · ηPROP 0,75 0,6
ηTRANS 0,98 0,98
Tomando los rendimientos de la tabla anterior (3.1), y aplicando la ecuación que se pre-
senta a continuación (3.2), la potencia propulsora resulta:
P =
EHP
ηCASCO · ηPROP · ηTRANS
(3.2)
P(1) =
2823, 21
0, 75 · 0, 98
= 3841, 1 kW ≈ 3, 84 MW
En la siguiente figura 3.2 se muestra la curva de potencia-velocidad en inmersión para las
diferentes velocidades siguiendo el método de [5]:
Figura 3.2: Curvas Potencia-Velocidad en inmersión
2. Método de la Resistencia al avance (RT ). Este método es más habitual. La ecuación
empleada es:
EHP = RT · VMAX (3.3)
Para determinar la resistencia al avance se trabaja con coeficientes adimensionales. Una
vez establecido el tamaño del submarino y determinada la geometrı́a de los apéndices se
puede realizar una evaluación más detallada de la relación resistencia-velocidad [5]. Para
ello se hace uso del coeficiente de resistencia a la fricción (CF ), que sigue la ecuación
siguiente, establecida por ITTC-1957 [10]:
CF =
0, 075
(log10Re− 2)2
(3.4)
21
SUBMARINO S-210
Para calcular la resistencia total se pueden seguir dos métodos [11]:
• Método de Froude. Se basa en la hipótesis de que la resistencia al avance se des-
compone en otras dos resistencias: resistencia de fricción (RFR) y resistencia de
residuo (RR):
RT = RFR +RR (3.5)
• Método de Hughes. Se basa en la hipótesis de que la resistencia al avance se des-
compone en otras dos resistencias: resistencia viscosa (Rv) y resistencia por forma-
ción de olas (Rw):
RT = Rv +Rw (3.6)
Ya que el cálculo de la resistencia al avance pertenece a la partede arquitectura naval, se
tomará como referencia [11], estableciendo un valor estimado de 320 kN . De esta manera,
aplicando los datos correspondientes en la ecuación 3.3 se obtiene:
EHP = 320 · (20 · 0, 5144) = 3292, 2 kW
De nuevo, la potencia obtenida es la efectiva, por lo que se debe conocer la potencia de
propulsión. Para ello, hay que aplicar unos rendimientos que se ajusten al tipo de embarca-
ción, en este caso, un submarino convencional. Como una aproximación se pueden tomar
los siguientes rendimientos [12]:
• ηO: Rendimiento del propulsor aislado = 0, 68
• ηR: Rendimiento relativo-rotativo = 1, 04
• ηH : Rendimiento de la carena = 1, 35
• ηM : Rendimiento mecánico de la lı́nea de ejes = 0, 98
Aplicando los rendimientos anteriores, a partir de la siguiente ecuación (3.7) la potencia
resulta:
P =
EHP
ηO · ηR · ηH · ηM
(3.7)
P(2) =
3292, 2
0, 68 · 1, 04 · 1, 35 · 0, 98
= 3518, 72 kW ≈ 3, 52 MW
A modo resumen se presentan a continuación los dos resultados obtenidos por los métodos
mencionados, a partir de los cuales se determinará una potencia final para el motor eléctrico:
• P(1) = 3, 84 MW
• P(2) = 3, 52 MW
Dado que son valores similares, para determinar cuál será la potencia para la propulsión se
tomará un valor intermedio entre ambos, con lo que se obtiene una potencia final de 3650 kW
(3, 65 MW ).
Una vez se ha determinado la potencia requerida para la propulsión, el siguiente paso será
definir el motor que gire la hélice; que, como se ha mencionado, al ser propulsión diésel-eléctri-
ca, este motor será de tipo eléctrico.
22
SUBMARINO S-210
3.3. Elección del Motor Eléctrico Principal
Una vez se conoce la potencia necesaria, obtenida en el apartado anterior, se procederá a de-
terminar el tipo de motor eléctrico que llevará el submarino.
Para elegir el tipo de motor se encuentran distintas alternativas: motor CC compensado, mo-
tor CC no compensado y motor sı́ncrono de imanes permanentes [11]. Los compensados pre-
sentan una mayor relación potencia-peso. Además, no necesitan un inversor para el cambio de
sentido o giro. Por otro lado, los no compensados son más silenciosos. En segundo lugar, se
encuentra la posibilidad de un motor sı́ncrono de imanes permanentes. En los últimos años se
ha introducido este tipo de motores en los nuevos submarinos. Aunque se emplean en muchas
otras áreas, se han creado máquinas de más de 1 MW , principalmente para estos fines.
El motor que se llevará, por tanto, será de tipo sı́ncrono de imanes permanentes. Cabe des-
tacar ventajas e inconvenientes que pueden presentar [13].
Entre las ventajas se pueden destacar:
• No tienen pérdidas de cobre al no requerir un circuito de campo externo.
• Ausencia de pérdidas de desplazamiento, frente a los motores de inducción sı́ncronos y
convencionales, que sı́ presentan pérdidas de desplazamiento.
• Aumento de la eficiencia de conversión de energı́a.
• Menores costes de mantenimiento y menores pérdidas asociadas a la refrigeración del
motor.
• Reducción considerable del peso y empacho gracias a la reducción de la distancia entre
polos, ya que en uno de corriente continua esta distancia es mayor, por tanto ocupa y pesa
más.
Entre los inconvenientes se encuentran:
• No pueden producir una densidad de flujo tan alta como un campo de derivación suminis-
trado externamente.
• Presentan riesgos de desmagnetización.
• Necesitan convertidores en funcionamiento continuo.
Por otro lado, se pueden encontrar diferentes tipos de imanes permanentes. A la hora de elegir
el tipo de imán será importante considerar su resistencia a las condiciones ambientales varia-
bles, como el incremento de temperatura y la desmagnetización del campo. Los dos tipos más
utilizados son los de Samario-Cobalto (SmCo) y los de Neodimio-Hierro-Boro (NdFeB).
Ambos imanes son de tierras raras; es decir, que están fabricados con aleaciones de elementos
conocidos como tierras raras. En este caso, ambos se encuentran en la serie de los Lantánidos,
por lo que las propiedades y estructuras cristalinas son muy similares. Por otro lado, se puede
ver que tanto uno como otro están formados por una tierra rara (Sm y Nd) más un metal de
transición (Co y Fe) (además de la adición del boro en los de neodimio). Para analizar cada tipo
se tendrán en cuenta distintos factores: temperatura, corrosión y coercitividad [14].
23
SUBMARINO S-210
1. Temperatura. Los imanes de SmCo funcionan mejor a temperaturas altas que los de Nd-
FeB. Estos últimos son más fuertes que los de samario, pero su fuerza disminuye a medida
que aumenta la temperatura. Esto se muestra en la figura 3.3, en la que se puede ver que
los imanes de neodimio son mejores para temperaturas más bajas. Cabe mencionar que
BHmax es el producto de energı́a máximo, y mide la máxima energı́a magnética almace-
nada en un imán.
2. Corrosión. Se conoce que el cobalto es el componente principal del acero inoxidable. Esto
se debe a que tiene una gran resistencia a la corrosión. En cuanto al hierro, presenta baja
resistencia a la corrosión, a menos que se le agreguen metales de mayor resistencia. Sin
embargo, a los imanes de samario hay que someterlos a tratamientos de limpieza y de
resistencia al astillado ya que son más frágiles.
3. Coercitividad. Se define como resistencia a la desmagnetización. Con fuertes fuerzas de
desmagnetización los imanes pueden empezar a perder su campo magnético. En el caso
de estos imanes, tanto para los de samario como para los de neodimio, la fuerza coercitiva
es muy alta.
Por último, existen aplicaciones tı́picas para cada tipo de imán, como por ejemplo:
• NdFeB. Aplicaciones electro-acústicas (altavoces), motores de tracción para vehı́culos
eléctricos automotrices, teléfonos móviles o sensores, entre otras.
• SmCo. Motores de tracción de locomotoras, motores y generadores industriales pesados,
y motores y generadores marinos, entre otros.
Figura 3.3: Condiciones de trabajo de los imanes de SmCo y NdFeB en función de la tempera-
tura. Fuente: elaboración propia a partir de [14]
24
SUBMARINO S-210
Finalmente, debido a las aplicaciones tı́picas y a las buenas propiedades frente a la corrosión
y temperaturas de trabajo, se ha decidido que el motor será de imanes permanentes Samario-
Cobalto (SmCo).
Con los cálculos realizados en el apartado anterior y tras haber decidido el tipo de motor eléctri-
co, se presentan sus caracterı́sticas en la siguiente tabla. Debido a la escasa información de
estos equipos, no se pude especificar la marca del motor.
Tabla 3.2: Caracterı́sticas principales del Motor Eléctrico Principal
Valor Unidades
Potencia Nominal 3650 kW
Frecuencia Nominal (f) 60 Hz
Velocidad Nominal (n) 150 rpm
Con los datos de la tabla anterior se puede determinar el número de polos. Cabe destacar que,
al tratarse de un buque de guerra, la frecuencia es de 60 Hz (aunque navegue por Europa). Los
polos se calculan de la siguiente manera:
n =
60 · f
p
(3.8)
En la que p es el número de pares de polos. Con ello, se obtienen 24 pares de polos, es decir,
48 polos.
3.4. Dimensionamiento de las baterı́as
Las baterı́as son equipos que se encargan de almacenar energı́a quı́mica y transformarla en
energı́a eléctrica para su uso a bordo. Suministran energı́a eléctrica a los equipos propulsores
y auxiliares del submarino.
Existen distintos tipo de baterı́as recargables. Las más usadas a bordo han sido las de plomo
(baterı́as de ácido-plomo). También se pueden encontrar las baterı́as de tipo Zebra, que están
basadas en cloruros de sodio y nı́quel, y las baterı́as de iones de litio. Debido a la escasez de
información verı́dica del uso de las baterı́as en su aplicación en submarinos, se ha optado por
disponer de las baterı́as clásicas de plomo.
Para llevar a cabo el dimensionamiento de las baterı́as se ha seguido la referencia [5]. Se di-
mensionarán para el servicio de sprint, es decir, 12 kn en 11 h, en donde un grupo diésel será
el encargadode recargar las baterı́as.
Se necesitará, por un lado, la energı́a durante el servicio de sprint (ES), y, por otro lado, la
energı́a de funcionamiento (EF ). Esta última se dimensiona a partir del volumen del casco re-
sistente, que permite calcular la cantidad de energı́a que se dedica a producir aire a presión.
Entra aquı́ el término que se conoce como Hotel Load (HL), que se estimará en 110 kW .
Con ello se puede calcular la potencia de funcionamiento, estimándose un 75% en inmersión y
un 100% en superficie.
SubHL = 0, 75 ·HL+ 0, 075 · CRINT (3.9)
25
SUBMARINO S-210
Teniendo en cuenta un valor del Hotel Load de 110 kW y un volumen del Casco Resistente
Interior de 1866, 2 m3 (obtenido de la ecuación 2.5), se obtiene:
SubHL = 0, 75 · 110 + 0, 075 · 1855, 2 = 222, 5 kW
Conociendo la autonomı́a durante este servicio (t), de 11 horas:
EF = SubHL · t (3.10)
EF = 222, 5 · 11 = 2447, 5 kWh
En segundo lugar, será necesario determinar la potencia de propulsión a la velocidad de sprint.
Para ello se empleará la fórmula 3.1, sustituyendo VMAX por VINM , en donde VINM es la velo-
cidad en inmersión al servicio de sprint.
EHP12 kn = Kp · V F 0,64 · V 2,9INM (3.11)
El factor Kp toma un valor de 20 [5] y el volumen de forma son 2897, 4m3. Por último, conociendo
la velocidad durante el servicio de sprint, de 12 kn, sustituyendo en la ecuación anterior (3.11)
se obtiene:
EHP12 kn = [20 · 2879, 40,64 · (12 · 0, 5144)2,9] · 10−3 = 650, 1 kW
Aplicando los rendimientos de la tabla 3.1 para una única lı́nea de ejes:
P12 kn =
EHP12 kn
0, 75 · 0, 98
(3.12)
P12 kn =
650, 1
0, 75 · 0, 98
= 884, 5 kW
Con ello y una autonomı́a (t) de 11 horas:
ES = P12 kn · t (3.13)
ES = 884, 5 · 11 = 9729, 5 kWh
La energı́a que deberán almacenar las baterı́as será la suma de ambas: la energı́a de funciona-
miento y la energı́a a la velocidad de sprint, obtenidas de 3.10 y 3.13.
ETOTAL = EF + ES (3.14)
ETOTAL = 2447, 5 + 9729, 5 = 12177 kWh
Una vez se conoce la energı́a que deben almacenar las baterı́as se puede calcular el número
que se llevarán. Para ello se empleará la siguiente ecuación [5].
NBATERÍAS =
ETOTAL ·m
Capacidad · Coeficiente de descarga rápida
(3.15)
Se elegirán baterı́as con una capacidad de 50 kWh cada una. Teniendo en cuenta que m es un
margen de seguridad que se establece en un 10 % y un coeficiente de descarga rápida de 0, 75
se obtiene:
NBATERÍAS =
12177 · 1, 1
50 · 0, 75
= 357, 2 → 358
Se tienen dos cámaras de baterı́as; la de proa con 180 baterı́as y la de popa con 178.
26
SUBMARINO S-210
3.5. Dimensionamiento del sistema AIP
Como se ha adelantado en el capı́tulo anterior, el sistema AIP permite que el submarino opere
sin necesidad de aire atmosférico. Se utiliza en submarinos con propulsión diésel-eléctrica ya
que tienen una autonomı́a de sumersión limitada, especialmente a velocidades altas. Cuando
operan con los motores diésel son vulnerables a ser detectados, por lo que con el sistema AIP
se consigue tanto mayor autonomı́a como discreción en inmersión [15].
Hay varios tipos de sistemas AIP, en los que se requiere un combustible y un oxidante para ge-
nerar electricidad. Esta electricidad se puede generar mediante dos métodos: un motor (diésel
de ciclo cerrado, motor Stirling o turbina de gas de ciclo cerrado); o una celda electroquı́mica
(celdas de combustible) [16]:
1. Diésel de ciclo cerrado. Funciona con una atmósfera sintética en la que los gases de
escape se tratan mediante la absorción del CO2 y la adición de O2, y luego se reciclan a
la entrada del motor. La eficiencia es aproximadamente de un 30%.
2. Motor Stirling. Como se ha mencionado en el capı́tulo anterior, funciona a base de com-
bustión externa. Presenta una eficiencia similar al diésel de ciclo cerrado.
3. Turbina de vapor. Está alimentada con el vapor generado al quemar el combustible con el
oxı́geno.
4. Celdas de combustible. La energı́a quı́mica se convierte directamente en energı́a eléctrica.
Su eficiencia es de aproximadamente un 50%. Las celdas de combustible de tipo membra-
na de intercambio de protones (PEMFC) tienen un buen potencial. Este sistema consiste
en una pila de celdas individuales separadas por una placa bipolar. Entre cada placa hay
una membrana de intercambio de protones recubierta con un electro-catalizador de pla-
tino.
La alta eficiencia de las celdas de combustible se debe a que convierten el metanol y oxı́geno
directamente en energı́a eléctrica. Otra de las ventajas es que son fáciles de mantener y no son
especialmente perjudiciales para el medio ambiente. Debido a su alta eficiencia y a las venta-
jas frente a otros sistemas, se ha optado por disponer de un sistema AIP basado en celdas de
combustible; además de ser el sistema usado por los submarinos españoles.
Siguiendo la referencia [17], se puede observar que los submarinos alemanes de la clase S-
212 integran 4 pilas de combustible de 70 kW cada una, es decir 280 kW en total; mientras que
el S-80 incorpora una sola pila de combustible de 300 kW . Conocidos estos datos, se tomarán
las caracterı́sticas del S-212, ya que dará mayor flexibilidad y permitirá usar las pilas en su rango
de máximo rendimiento, cuando funcionan aproximadamente al 85 % [18].
De esta forma y teniendo en cuenta que las pilas de combustible del submarino proyecto se
construyen uniendo dos o más celdas, se dispondrá de 4 celdas con una potencia de 70 kW
cada una, con lo que se tendrá una potencia total de 280 kW , suficiente para poder navegar en
inmersión a una velocidad de 7 kn.
Una vez definido el sistema se procederá a realizar los cálculos correspondientes para su di-
mensionamiento. Para ello, se seguirá el proceso seguido en [17], en el cual se especifica que la
potencia será la suma de la potencia de propulsión a una determinada velocidad y de la energı́a
de utilización durante el proceso. Se emplearán las siguientes ecuaciones:
PT = PPropulsión + EUtilización(kW ) (3.16)
27
SUBMARINO S-210
PPropulsión = Kp · V F 0,64 · V 2,9 (3.17)
EUtilización = Equipos+ 0, 075 · CRV OL (3.18)
Para estimar el número de células necesarias, mediante las ecuaciones anteriores, se realizará
el cálculo a diferentes velocidades. Se obtendrá la potencia necesaria a la velocidad de patrulla
de 4 kn y a una velocidad algo superior de tránsito, de 7 kn. De nuevo, el factor Kp toma un valor
de 20 y el volumen de forma son 2879, 4 m3. Las velocidades, 4 kn y 7 kn, son de 2, 06 m/s y 3, 6
m/s, respectivamente.
P4 kn = [20 · 2879, 40,64 · 2, 062,9] · 10−3 = 26, 53 kW
P7 kn = [20 · 2879, 40,64 · 3, 62,9] · 10−3 = 134, 36 kW
Por otro lado, la energı́a de utilización no varı́a su valor, siendo de 141, 82 kW . Con ello, la
potencia total para cada velocidad resulta:
PT 4 kn = 26, 53 + 141, 82 = 168, 35 kW
PT 7 kn = 134, 36 + 141, 82 = 276, 2 kW
Con ello, se podrán realizar las operaciones de patrulla a 4 kn empleando tres células de 70 kW
(210 kW ); y haciendo uso del sistema completo, es decir, cuatro células de 70 kW (280 kW )
para navegar a una velocidad de tránsito de 7 kn.
Una vez se conoce el número de células que se usarán, se puede calcular el volumen de los
tanques de metanol y oxı́geno lı́quido necesarios a bordo para producir la energı́a necesaria
para navegar en inmersión durante 25 dı́as.
En primer lugar, para calcular la masa de metanol se emplea la siguiente ecuación:
mMETANOL = CMETANOL · PTOT · tPATRULLA (3.19)
Teniendo en cuenta un consumo de metanol (CMETANOL) de 0, 74 kg/kWh, la potencia total
(PTOT ) de 280 kW y un tiempo de patrulla de 25 dı́as, es decir, 600 h, a partir de la ecuación
3.19 se obtiene:
mMETANOL = (0, 74 · 280 · 600) · 10−3 = 124, 32 t
Para el cálculo de la masa de oxı́geno se procede de una forma similar, a partir de la siguiente
ecuación:
mO2 = CO2 · PTOT · tPATRULLA + CH · T · tPATRULLA (3.20)
El consumo de oxı́geno (CO2) serán 0, 374 kg/kWh, la potencia total (PTOT ) de 280 kW y un
tiempo de patrulla de 25 dı́as, es decir,600 h. En cuanto al consumo humano (CH), este será de
0, 374 kg/ps · d́ıa y la tripulación (T ) es de 40 personas. A partir de la ecuación 3.19 se obtiene:
mO2 = (0, 374 · 280 · 600 + 0, 037 · 40 · 600) · 10−3 = 63, 72 t
A partir de la masa obtenida de metanol y de oxı́geno, se puede obtener el volumen, conociendo
sus densidades, mediante la siguiente ecuación:
V =
m
ρ
(3.21)
ρMETANOL = 0, 791 t/m
3
ρO2lq = 0, 141 t/m
3
28
SUBMARINO S-210
A partir de la ecuación 3.21 se obtiene:
VMETANOL =
124, 32
0, 791
= 157, 2 m3
VO2lq =
63, 72
0, 141
= 452, 9 m3
Se incluirá, por tanto, un tanque de metanol de 157, 2 m3 y un tanque de oxı́geno lı́quido de
452, 9 m3. Como se muestra en la ecuación 3.20, este último incluye el oxı́geno necesario para
respirar. Haciendo un predimensionamiento aproximado para el Plano de Disposición General
se puede tomar un radio de 4 m, con lo que queda una longitud de unos 8, 5 m.
En la siguiente tabla se muestran las especificaciones de las pilas de combustible, tomando
como referencia [17]:
Tabla 3.3: Especificaciones de las pilas de combustible
Tipo Polı́meros sólidos (PEMFC)
Número de células 4 x 70 kW
Rango de temperaturas 50-90 ºC
Combustible Oxı́geno e hidrógeno
Electrolito Membarana de polı́meros sólidos
Potencia a la salida 280 kW
Por último, queda por definir los grupos diésel que se dispondrán a bordo. El dimensionamiento
de estos motores se presenta a continuación.
3.6. Elección de los grupos diésel generadores
La planta de generación diésel se dimensiona a partir de la potencia requerida durante la ope-
ración de snorkel. Los servicios a los que debe alimentar durante esta condición son [5]:
• Potencia necesaria para la propulsión a la velocidad y profundidad en situación de snorkel
(PS).
• Carga de las baterı́as, que deberá ser en el menor tiempo posible.
• Carga del motor en funcionamiento.
Para calcular la potencia necesaria durante esta operación se empleará la siguiente ecuación:
PMD = [
PS
ηEL
+ (1 +m) · (IMAX · 2, 4 ·NBATERÍAS) + CFS ] ·
1
ηCONV
(3.22)
Como se ha definido en la tabla 2.2, la velocidad durante la situación de snorkel es de 10 kn.
Con este dato, empleando la fórmula 3.17, la potencia resulta de:
EHP10 kn = [20 · 2879, 40,64 · (10 · 0, 5144)2,9] · 10−3 = 378, 23 kW
Aplicando los rendimientos de la tabla 3.1, para la condición de snorkel resulta una potencia de:
P10 kn =
378, 23
0, 75 · 0, 98
= 514, 16 kW
29
SUBMARINO S-210
El término IMAX establece el lı́mite máximo de régimen de carga de las baterı́as, y se tomará un
valor de 2500 A. Los rendimientos, tanto el eléctrico (ηEL) como el convectivo (ηCONV ) toman
un valor de 0, 8. Se deberá incluir también un margen de seguridad, que se establece en un 10
%. Por último, el coeficiente de fricción (CFS) en la situación de snorkel es despreciable al tener
un orden de magnitud muy pequeño en comparación al resto de términos.
Con estos datos la potencia que se obtiene es:
PMD = [
5141600
0, 8
+ (1 + 0, 1) · (2500 · 2, 4 · 358) + 0] · 1
0, 8
= 3757562, 5 W ≈ 3, 8 MW
Por tanto, la potencia necesaria será de 3, 8 MW . Con ello se eligen 3 grupos de 1390 kW ca-
da uno de la marca MTU modelo 12V396 TE54, que permitirán cargar las baterı́as en 4 horas
aproximadamente.
La instalación de estos equipos se muestra en la siguiente figura 3.4 [7].
Figura 3.4: Instalación de los motores diésel con generador. Fuente: elaboración propia a partir
de [7]
30
SISTEMAS DE LA CCMM
Capı́tulo 4
Sistemas de la CCMM
Antes de comenzar con el diseño del propulsor es importante conocer los diferentes equipos
para el correcto funcionamiento de la cámara de máquinas. Al no ser esta parte objeto final del
trabajo, se definirán los sistemas de manera más simplificada. Los cálculos de cada sistema se
diseñarán siguiendo [19] y [20].
4.1. Equipos del buque
4.1.1. Sistema de lastre
El sistema de lastre de un submarino se encarga de controlar su inmersión y emersión, además
de compensar las escoras y trimados mediante el trasegado de agua entre tanques. Para ello, es
necesario disponer de colectores de succión y descarga o bien válvulas de corte en el colector.
Para el dimensionamiento de este sistema se ha decidido disponer de un circuito centralizado.
Para calcular el caudal de la bomba de lastre se tendrá en cuenta que deberá ser capaz de
lastrar y deslastrar el total de tanques de lastre en un tiempo aproximado de 2 min. Teniendo en
cuenta el volumen de los tanques de lastre (TPL) de 357, 7 m3:
Qlastre =
TPL
tlastre
(4.1)
Qlastre =
357, 7
2/60
= 10731 m3/h
Con ello, se dispondrá de 4 bombas de 2700 m3/h cada una.
Para calcular la presión de la bomba se deben tener en cuenta las dos operaciones: lastrado y
deslastrado y se calcula mediante la siguiente ecuación:
P = H + Pcar (4.2)
• Lastrado. Toma agua del mar en una condición de calado mı́nimo y llena hasta la altura
máxima el tanque más alejado. De la ecuación 4.2 el término H es la altura de la descarga,
y corresponde a la altura del tanque (Htq), siendo 6 m, menos el calado mı́nimo (Tmin),
que son 3 m. Las pérdidas de carga (Pcar) se estiman en 1, 5 bar. Con ello, sustituyendo
en la ecuación 4.2 se obtiene:
P = Htq − Tmin + Pcar (4.3)
31
SISTEMAS DE LA CCMM
Plastrado =
6− 3
10
+ 1, 5 = 1, 8 bar
• Deslastrado. Toma del tanque de lastre más alejado hasta su nivel mı́nimo y descarga al
costado. En este caso la altura de la descarga se calcula como el calado máximo (Tmax),
que son 11, 6 m, más 1 m. Sustituyendo en la ecuación 4.2 queda:
P = Tmax + 1 + Pcar (4.4)
P =
11, 6 + 1
10
+ 1, 5 = 2, 8 bar
A la vista de los resultados se dispondrá de 4 bombas de 2700 m3/h del 100 % y 2, 8 bar.
4.1.2. Sistema de sentinas
El sistema de sentinas es el encargado de achicar todos los espacios del submarino que no
disponen de medios de achique propios. Se pueden encontrar distintos tipos de operaciones: de
emergencia por inundación, en cuyo caso se descarga directamente al mar; o achique de aguas
sucias por fugas de lı́quidos por operaciones a bordo, debiendo tratarse antes de descargar al
mar.
Para determinar el diámetro del colector de sentinas se utiliza la siguiente ecuación:
Dsent = 1, 68
√
L · (B +D) + 25 (4.5)
Siendo L la eslora, 81 m, B la manga, 7, 3 m y D el puntal, 11, 6 m, se obtiene un diámetro
mı́nimo de:
Dsent = 1, 68
√
81 · (7, 3 + 11, 6) + 25 = 90, 73 mm
Para conocer el diámetro real del colector se tomará la regla DIN 2448, DN 90 en la que el
diámetro exterior es de 101, 6 mm y el espesor de 3, 6 mm, por tanto el diámetro interior es de
94, 4 mm, que al ser mayor que el obtenido de la ecuación 4.5, este diámetro es válido.
En siguiente lugar, el caudal necesario de la bomba de sentinas se calcula como sigue:
Qsent = 5, 75
D2sent
1000
(4.6)
Qsent = 5, 75
90, 732
1000
= 47, 33 m3/h
Por normativa, se deberá disponer de 3 bombas de sentinas del mismo caudal. Y la presión de
la bomba de sentinas se calcula siguiendo la ecuación 4.2. Tomando un doble fondo (Hdf ) de 2
m la presión de la bomba de sentinas resulta:
P = Tmax + 1−Hdf + Pcar (4.7)
P =
11, 6 + 1− 1
10
+ 1, 5 = 2, 7 bar
En cuanto al separador de sentinas, contará con una bomba auxiliar del 5 % del caudal de
sentinas, por lo que resulta de:
Qaux = 5% ·Qsent (4.8)
Qaux = 0, 05 · 50 = 2, 5 m3/h
32
SISTEMAS DE LA CCMM
Por tanto, el sistema de sentinas cuenta con 3 bombas de 50 m3/h del 100 % y 2, 7 bar y una
bomba auxiliar de 2, 5 m3/h del 100 %.
En cuanto al tanque de sentinas, este se calcula en función de la potencia de los motores
instalados a bordo acorde a la tabla 4.1. Teniendo en cuenta que la potencia total es mayor
de 1000 kW y menor de 20000 kW , se emplea la ecuación 4.9 para calcular la capacidad del
tanque:
Tabla 4.1: Capacidad del tanque de sentinas en función de la potencia. Fuente: [19]
Potencia instalada (kW ) Capacidad del tanque de sentinas (m3)
P < 1000 1,5
1000 ≤ P < 20000 1,5+(P-1000)/1500
P ≥ 20000 14,2+0,2