Republica Bolivariana de Venezuela

Ministerio del Poder Popular para la Defensa

Universidad Nacional Experimental Politécnica

De la Fuerza Armada

UNEFA

Diseño Preliminar de un Buque Roll On Roll Off para el transporte de vehículos desde la Ciudad de Cumaná hacia el Estado Nueva Esparta.

Prof. Joselys Pacheco

Realizado Por:

Marines Wrobel

CI: 19537789

Cumaná, Julio de 2011

Requerimientos del armador

El armador requiere la construcción de una embarcación la cual sirva para el

transporte de vehículos, este buque partirá desde la ciudad de Cumaná Estado-

Sucre hacia Margarita Estado-Nueva Esparta. Como requerimiento el armador

establece una eslora de 165 metros, un Peso Muerto de 2000 Toneladas y una

velocidad de 18 nudos. Este buque estará diseñado para cargar

aproximadamente 180 vehículos, entre ellos camiones y carros.

Dimensionamiento.

Para determinar las dimensiones del buque respectivo y para el desarrollo de

las líneas del casco, se toman en cuenta las indicaciones del Armador, el cual no

es más que aquella persona o representante de ésta, que contrata la construcción

de un diseño determinado de buque, y, es quién define sus características

generales, tales como: volumen de carga, peso muerto, velocidad, autonomía,

estandarización del equipo a instalar, ruta de navegación, sociedad clasificadora,

entre otros, en función de sus necesidades, de tal manera que hay que tomar en

cuenta las relaciones dimensionales de buques similares construidos con

anterioridad, para así obtener los valores reales del buque a diseñar.

Determinación de las dimensiones principales.

El primer parámetro que se debe determinar es la Eslora Total (L), ya esta ha

sido fijada por el armador la cual no será mayor ni menor a 165 metros. A través

de una base de datos que se realiza en el programa Excel con los buques

similares seleccionados, para luego hacer una gráfica de dispersión con la cual se

obtiene los valores totales de la Manga (B), Puntal (D) y Calado (T). Luego, se

traza una línea de tendencia lineal, la cual arroja la siguiente ecuación, donde el

eje de las “y” representara las relaciones de E/M, E/P y E/C y el eje de las “x”

representara el valor de las esloras de los buques semejantes:

TABLA DE BUQUES SEMEJANTES

  Eslora Manga Puntal Calado Dwt E/M E/P E/C1 185,52 32,29 10,64 7,448 24223 5,745 17,436 24,9092 199,93 32,2 10,06 7,042 21503 6,209 19,874 28,3913 176,7 31,1 8,75 6,125 12743 5,682 20,194 28,8494 164 28 8,42 5,894 12527 5,857 19,477 27,8255 199,98 32,26 10,01 7,007 21479 6,199 19,978 28,5406 160 22,2 6,2 4,34 5600 7,207 25,806 36,8667 164 28 8,42 5,894 12577 5,857 19,477 27,8258 140 22,7 6,5 4,55 4470 6,167 21,538 30,7699 164 28 8,42 5,894 12466 5,857 19,477 27,82510 141,88 21 6,2 4,34 6000 6,756 22,884 32,69111 174,5 25,43 7,22 5,054 8773 6,862 24,169 34,52712 141,18 21,77 6,7 4,69 6017 6,485 21,072 30,10213 176,5 31,1 8,75 6,125 37712 5,675 20,171 28,81614 180 30 9 8,35 11100 6,000 20,000 21,55715 184,07 30,6 10 8,82 13363 6,015 18,407 20,870

CURVA DE TENDENCIA DE MANGA

130 140 150 160 170 180 190 200 2100.000

2.000

4.000

6.000

8.000

f(x) = − 0.00813032272592639 x + 7.55504592100362R² = 0.113540909038494

CURVA DE TENDENCIA MANGA

CURVA DE TENDENCIA MANGA

Linear (CURVA DE TENDENCIA MANGA)

y = -0,0081x + 7,555

Obteniendo un valor total de la manga de 26,5 metros

CURVA DE TENENCIA DE PUNTAL

130 140 150 160 170 180 190 200 2100.0005.000

10.00015.00020.00025.00030.000

f(x) = − 0.0490846556073488 x + 29.0159394721593R² = 0.187797873274075

CURVA DE TENDENCIA PUNTAL

CURVA DE TENDENCIA PUNTAL

Linear (CURVA DE TENDENCIA PUNTAL)

y = -0,0491x + 29,016

Obteniendo un valor total de puntal de 7,9 metros

CURVA DE TENDENCIA DE CALADO

130 140 150 160 170 180 190 200 2100.000

10.000

20.000

30.000

40.000

f(x) = − 0.0980941240570731 x + 45.3816224596307R² = 0.197414936321287

CURVA DE TENDENCIA CALADO

CURVA DE TENDENCIA CALADO

Linear (CURVA DE TENDENCIA CALADO)

y = -0,0981x + 45,382

Obteniendo un valor de calado de 5,7 metros

Ecuaciones paramétricas

Son ecuaciones que relacionan las dimensiones principales que tendrá el buque, las cuales se igualan a un factor referente, generando una ecuación con dos variables y una incógnita, según la bibliografía de Bonilla (1984).

Tabla 1

Relaciones Valor ReferenteL/B 6,22L/D 20,88B/T 4,64

Obteniendo como resultado:

Eslora: 165 metros

Manga: 26,5 metros

Puntal: 7,9 metros

Calado: 5,7 metros

Velocidad: 18 nudos

Método para calculas el Du por la cantidad de cubiertas:

Para poder determinar la dimensione principal restantes del tipo de buque

que se pretende diseñar, se recurrió al cálculo básico, Utilizando el método de

número de cubiertas o entrepuentes, Que dispondrá el buque para transportar los

vehículos, del libro “Proyecto Básico del Buque Mercante (1997)” de Alvariño. Se

calculo el puntal a la máxima cubierta de la siguiente manera:

Figura 1.

De la figura 1, se sustrajo la tabla 2, para hallar el Puntal máximo (Du),

tomando en cuenta que la altura máxima de los vehículos a transporta es de

1,85mts, pero la bibliografía asume 3,1mts como altura promedio cuando se trate

de vehículos, y se consideran que buque dispondrá de 3 cubiertas, se obtuvo lo

siguiente:

Tabla 2

Términos N Alturas (mts) Totales (mts)

vehículos 2 3,1 6,2

caminones 1 4,4 4,4

Estructura de Cubiertas 3 0,8 2,4

Distancia entre Vh y Cub 3 0,05 0,15

Doble fondo 1,8 1,8

Puntal (P) 14,95

Obteniendo como resultado el puntal a la máxima cubierta Du=14,95mts, y

haciendo una comparación entre los valores obtenidos en las curvas de tendencia

y con los obtenidos a través de las ecuaciones paramétricas y el método anterior

mente usado, estimo las siguientes dimensiones para someterlas a comprobación

en las series sistemáticas.

En de la tabla 3, según Alvariño, para el tipo de buque a diseñar, se tomaron

los ratios de las dimensiones principales características se obtuvo:

Tabla 3

VALORES REFERENTES A LA SERIE SISTEMATICA

Fuente: Alvariño, Azpiroz y Meizoso (1997)

Fuente: Alvariño, Azpiroz y Meizoso (1997)

Los valores hallados a través de distintos métodos según las bibliografías citadas,

se encuentran en su mayoría dentro de los valores que contienen las series

sistemáticas, obteniendo como dimensiones finales del buque:

Eslora: 165 metros Manga: 26,5 metros Puntal: 7,9 metros Calado: 5,7 metros Puntal máximo: 14,95 metros

Calculo del coeficiente del Bloque

Esta propiedad a dimensional del buque es la que permite saber las formas finas o llenas que posea el modelo, y este se encuentra dentro de los rangos de 0,1 a 1. Este se estima a través de:

Cb=K-0,5V / (3,28*Lpp)1/2 Ec. 1

Lpp= (165 / 21) * 20,5 Ec.2

WPM/

1000

L/B B/Du B/T L/Du T/Du

20 6,22 1,7 4,6 11,03 0,36

Lpp=161,07 metros

A través de la fórmula del autor Alvariño en la bibliografía “Libro Básico del Buque Mercante” con valores relacionados al buque de tipo Roro con un factor K de 1,14. Donde se obtuvo:

Cb=1,14-0,5*18/(3,28*161,07)1/2

Cb=0,74

Desplazamiento del buque

Para el cálculo de desplazamiento será empleado el teorema de Arquímedes, de

tal manera que:

∆r = Vs x ρ Ec.3

Vs= Lpp*B*T*Cb Ec. 4

Vs= 18003,92 m3

∆r = 18003,92m3 * 1,025Ton/m3

∆r =18454,018 Ton

Calculo de la superficie mojada

Sm= L*(1,5 * T + (0,09+Cb) * B Ec. 5

Sm= 541,34*(1,5 * 18,70 +(0,09+0,74)* 86,94

Sm= 54249,30 pies2

Resistencia y Propulsión

Resistencia al Avance del buque.

La resistencia al avance de un buque así como sus diferentes componentes

hidrodinámicos está basada no solo en estudios realizados a la carena del buque

en cuestión.

Cálculo del Número Volumétrico de Froude.

Para definir el tipo de embarcación es necesario tomar en consideración el

número volumétrico de Froude (FnV), el cual define las carenas de las

embarcaciones como desplazantes, semi- planeantes o planeantes.

FnV = V / (g x (V)^1/3)^1/2 Ecu. 6

Donde:

FnV: Numero volumétrico de Froude

V: Velocidad del buque en m/s, (velocidad de la embarcación 18 Nudos)

G: Gravedad (9.81 m/s²)

V: Volumen sumergido m3

FnV = 0,578389424

Cálculo de la Resistencia Superficial o Friccional (Rf).

La resistencia superficial o friccional está relacionada directamente a la

velocidad del buque y la rugosidad de la carena, Bonilla (1.979) en su texto indica

que su valor es calculado mediante la expresión implantada por Froude, la cual

expresa lo siguiente:

Rf = f x Sm x V^1.825 Ecu. 7

En donde:

f: Coeficiente de fricción de Froude en función de la eslora en pies, 0,0087545 (SNAME).

Sm: Superficie mojada, 54249,30 pies2

V: Velocidad de la embarcación en nudos. 18 nudos.

Rf = 92789,29 Lb ó 42126,34 Kg

Cálculo de Resistencia por Formación de Olas (Ro).

La interacción existente entre las formas del buque con la velocidad la cual

logra alcanzar la embarcación, tiene como resultado la formación de una serie de

olas que son divergentes a popa y a proa. Dicho fenómeno causa una disminución

la rapidez del navío lo cual se traduce como un aumento de la resistencia, Bonilla

(1.997) lo define de la siguiente manera:

Ro = ko*(∆ ²/³ V 4 ) /L Ec. 8

En donde:

Ro: Resistencia del oleaje en kilogramos.

Ko: Coeficiente de fricción el cual se encuentra entre valore de 0.04 y 0.07,

0.065 para buques de coeficiente de bloque alto y velocidad moderada

∆: Desplazamiento en la mar de la embarcación en toneladas, 18454,018 ton

V: Velocidad de la embarcación en nudos, 18 nudos.

L: Eslora del buque en metros, 165 metros.

Ro = 27048,268 Kg

Cálculo de Resistencia por Formación de Remolino (Re).

Todos los elementos o apéndices que forman parte de la embarcación, causan

remolinos a su paso lo cual aumenta la resistencia del buque en un valor

comprendido entre el 5 % y el 8% según Bonilla (1997). Pueden ser mencionados:

timones, arbotantes, toberas hélices.

Re = 8% x Rf Ec. 9

En donde:

Re = 3370,11 kg

Resistencia por efectos de los apéndices y estado del casco (Ral).

Según Bonilla (1979), “los efectos de los apéndices son de dos clases, por una

parte aumenta la superficie mojada y por otra parte si no se tiene formas

correctas, aumenta el valor de la resistencia por remolinos, ambos efectos pueden

llegar hasta un 20% de la resistencia friccional”, por lo consiguiente:

Ral = 20% x Rf Ec. 10

En donde:

Ral = 8425,267 Kg

Cálculo de la Resistencia al Remolque (Rr).

La resistencia es un factor que depende de ciertos parámetros tales como:

resistencia superficial o de fricción, resistencia por formación de olas, resistencia

por formación de remolinos, de la manera Bonilla (1.979) define la siguiente

formulación así como sus propiedades:

Rr = Ro + Re + Rf + Ral Ec. 11

En donde:

Rf: Resistencia friccional 42126,34 Kg

Ro: Resistencia por formación de olas, 27048,268 Kg

Re: Resistencia por formación de remolinos, 3370,11 Kg

Ral: Resistencia por efectos de los apéndices y estado del casco, 8425,267 Kg

Rr = 80969,979 Kg

Cálculo de la Resistencia al Viento (Rv).

El viento al ejercer una fuerza contra la embarcación también puede crear una

resistencia negativa al avance y está definida por Bonilla (1997) de la siguiente

manera:

Ra = Ka.xSp*(Vb+Va cosα)2 Ec. 12

En donde:

Ka: coeficiente experimental aerodinámico, valores comprendidos entre 0.025 y

0.032.

Sp: Simetría de las áreas proyectadas de la obra muerta del buque 353,125m2

Vb: Velocidad del buque en nudos, 18

Vv: Velocidad del viento en nudos, velocidad promedio en costas 12 nudos

α: Angulo formado por la dirección del viento en el plano diametral, siendo la

condición desfavorable en la cual el viento forma un ángulo de 0º con respecto a la

eslora de la embarcación.

Ra = 10170,000 Kg

Cálculo de la Resistencia a la Propulsión (Rp).

En concordancia con lo expresado por Bonilla (1997), la resistencia a la

propulsión tiene un valor comprendido entre el 10% y el 20% de la resistencia al

remolque, Por lo consiguiente:

Rp = 20% x Rr Ec. 13

En donde:

Rp= 16194,00 Kg

Cálculo de la Resistencia en Aguas Tranquilas del Remolcador (Rt)

La resistencia al avance de la embarcación en aguas tranquilas depende de un

serie de factores combinados como los son la resistencia al remolque así como la

resistencia a la propulsión y la resistencia por la oposición del aire, parámetros los

cuales serán evaluados a continuación.

Rt = Rv + Rp + Rr Ec. 14

En donde:

Rr: La resistencia al remolque, 80969,979 Kg

Rv: La resistencia al viento, 10170,000 Kg

Rp: La resistencia a la propulsión, 16194,00 Kg

Rt = 107333,975 Kg

Potencia y Propulsión.

Comprendido entre los requerimientos del armador, el buque contara con un

sistema de propulsión propia, para la selección del motor propulsor es necesario

evaluar la exigencia de potencia en puntos específicos así como las eficiencias

correspondientes.

Cálculo de Potencia Efectiva (EHP)

La potencia efectiva (EHP) representa el requerimiento de la embarcación para

alcanzar una velocidad (V), venciendo una resistencia (Rt). En su desarrollo, el

texto Principles of Naval Enginering, define la potencia efectiva de la siguiente

manera:

EHP = 0.00307 x V x Rt Ec.15

En donde:

V = 18 nudos

Rt = Resistencia total al avance

EHP = 5931,275 Hp

Cálculo de Potencia Indicada (IHP).

Bonilla (1979) en su texto, define la potencia indicada con una relación directa

entre la potencia efectiva y el rendimiento propulsivo, de tal manera:

IHP = EHP / ηpr Ec.16

De la cual:

EHP: Potencia efectiva, 5931,275 Hp

ηpr: Rendimiento propulsivo, el cual puede ser determinado mediante la siguiente

Formulación:

ηpr = ηm x ηt x ηp x ηc Ec.17

En donde:

ηm: Rendimiento mecánico, definido por Bonilla (1979) para motores de cuatro

Tiempos con un valor de 0.84

ηt: Rendimiento de transmisión, definido por Bonilla (1979) para buque con caja

Reductora con un valor de 0.92

ηp: Rendimiento del propulsor, definido por Bonilla (1979) con un valor de 0.65

ηc: Rendimiento de la carena, definido por Alemán (1979) para buques de doble

Hélice de la siguiente manera:

ηc = (1 - t) / (1 - w) Ec.18

De donde:

w: Coeficiente de estela, para buques de dos hélices se define de la siguiente manera:

w = (0.55 x Coeficiente de bloque (0.74)) – 0.2 Ec. 19

w = 0,207

t: Coeficiente de empuje, valor comprendido por:

t = 0.7 x w + 0.06 Ec. 20

t = 0,2049

Por lo cual:

ηc = 1.003

Como con secuencia:

ηpr = 0.502

Una vez obtenidas las eficiencias correspondientes es posible definir la potencia

indicada:

IHP = 11807,763 Hp

Cálculo de Potencia al Freno (BHP).

A través de una relación directa entre la potencia indicada (IHP) y el

rendimiento mecánico (ηm), es posible determinar la potencia al freno, por medio

de la cual será seleccionado el motor propulsor, debido a que comercialmente son

escogidos por este parámetro.

BHP = IHP x ηm Ec. 21

En donde:

IHP: Potencia indicada, 11807,763 Hp

ηm: Rendimiento mecánico, 0.84

BHP = 9918,521 Hp

Por cada motor: 4959,2604 Hp

Cálculo de Potencia en el Eje (SHP)

El cálculo de la potencia requerida en el eje realiza mediante la obtención del

coeficiente de transmisión, el cual considera las pérdidas a lo largo de la línea y se

calcula a través de la siguiente ecuación:

SHP = BHP x ηt Ec. 22

SHP = 9125,039 Hp

Para cada motor: 4562,51957 Hp

Selección del Motor Propulsor.

De acuerdo a los BHP calculados anteriormente se realiza la selección del

motor propulsor tomando en cuenta lo siguiente:

1. Número de Motores = Dos (2) Motores.

2. Tipo de Motor = CATERPILLAR.

3. Potencia al freno = 9918,521 HP.

Tomando en cuenta la potencia necesaria en el motor para mover el buque a

una velocidad de 18 Nudos. De igual manera, considerando que el buque necesita

9918,521 HP como mínimo, se seleccionaron 2 motores con un rango que está

por encima de los HP requerido por cada motor.

Se seleccionaron dos (2) motores de la casa fabricantes CATERPILLAR, los

cuales son usados para este tipo de buques, y cumple con las características

adecuadas. Las características del motor seleccionado son:

MOTOR: CATERPILLAR.

MODELO: C280-12

POTENCIA: 5096 HP.

R.P.M: 900 rpm

CONSUMO: 878 l/hr