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TRABAJO DE FIN DE ESPECIALIDAD

VENTAJAS Y DESVENTAJAS EN LOS SISTEMAS DE PROPULSION Y

GENERACION DE CORRIENTE ENTRE LOS MOTORES DIESEL Y LAS TURBINAS

DE GAS.

E.E. ANTONIO ESCAÑO

- Jefatura de Estudios -

Tutor TAD:

TN MARTINEZ FRAGA

19 de MARZO de 2018

TN. Francisco DIUFAIN FLETHES

TN. Luis GARCÍA CARDO

TAD VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE MOTORES DIESEL Y TURBINAS DE GAS

bbgg

TRABAJO DE FIN DE ESPECIALIDAD

VENTAJAS Y DESVENTAJAS EN LOS SISTEMAS DE PROPULSION Y

GENERACION DE CORRIENTE ENTRE LOS MOTORES DIESEL Y LAS TURBINAS

DE GAS.

SUMARIO.

Desde los primeros prototipos, hablar de barcos conlleva hablar de su propulsión.

Desde el remo, pasando por la vela y motores de combustión, hasta las más modernas

turbinas, la propulsión es algo implícito y fundamental en todas las plataformas que

surcan mares y ríos. Conforme fueron creciendo estas plataformas, tanto en tamaño

como en funcionalidad, fueron creciendo a la par tanto sus sistemas de propulsión

como sus métodos de generación de corriente a bordo hasta llegar a los dos más

usados a día de hoy: los motores diesel y las turbinas de gas. Todas la plataformas

navales de gran porte utilizan actualmente uno u otro de estos sistemas, cuando no

utilizan una combinación de ambos. En este estudio, se realizara una comparación de

estos sistemas, tanto en la propulsión como en la generación de electricidad a bordo,

atendiendo a costes y dificultad de mantenimientos, eficacia, consumos, impacto

medioambiental, y rendimientos, para intentar determinar la mejor configuración de

ellos a bordo de nuestros buques.

1

E.E. ANTONIO ESCAÑO

- Jefatura de Estudios -

Tutor TAD:

TN MARTINEZ FRAGA

19 de MARZO de 2018

TN. FRANCISCO DIUFAIN FLETHES

TN. LUIS GARCÍA CARDO


ÍNDICE

1.INTRODUCCIÓN............................................................................................3

1.1.PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACION...............................................3

2.ANÁLISIS.

2.1.COMPARATIVA EN LA PROPULSION.......................................................5

2.1.1.RENDIMIENTOS Y CONSUMOS........................................................5

2.2.COMPARATIVA EN LA GENERACION DE ELCTRICIDAD......................10

2.2.1. RENDIMIENTOS Y CONSUMOS......................................................12

2.3.COMPARATIVA DE MANTENIMIENTOS..................................................14

2.3.1. Mantenimientos periódicos................................................................15

2.3.2. Mantenimientos incidentales..............................................................18

2.4.IMPACTO MEDIOAMBIENTAL..................................................................20

3.VENTAJAS Y DESVENTAJAS.....................................................................22

4.CONCLUSIONES.........................................................................................24

5.ANEXOS.......................................................................................................28

6.BIBLIOGRAFIA............................................................................................25

2


1.INTRODUCCION.

Tras una larga evolución que va desde la propia fuerza del individuo hasta la propulsión

nuclear, actualmente en la Armada Española, son dos los sistemas utilizados en los

barcos para su propulsión y la producción de electricidad a bordo: los motores de

combustión y las turbinas de gas.

Más resistentes, accesibles y "económicos" (respecto al gasto de combustible) unos, o

más fiables, potentes y caros otros, encontramos ventajas y desventajas en ambos

sistemas, que se intentarán reflejar en este estudio.

La elección de uno u otro sistema de propulsión a la hora de diseñar el buque depende

fundamentalmente del propósito al que vaya destinado , encontrando así turbinas en

los buques a los que se les vayan a exigir mayores velocidades y maniobras más

agresivas (escoltas), y motores en transportes, anfibios y patrulleros, con menos

demanda de potencia, y más orientados a estar largos periodos patrullando mismas

zonas, o en tareas de desembarco anfibio. En el área de energía, encontramos la

única turbina utilizada en la Armada para la generación de electricidad en el Juan

Carlos I, primer buque AES (All Electric Ship). No es la primera, ya que las antiguas

corbetas clase DESCUBIERTA llevaban en su configuración inicial una pequeña turbina

como generador de emergencia ,aunque fue desinstalada por poco uso.

A día de hoy en la Armada, sólo los barcos que tienen en su planta propulsora turbina

de gas superan con facilidad los 23 nudos, lo que hace indispensable la instalación de

estos sistemas en buques como los escoltas, que necesitan maniobrar en cortinas y

sectores a mayores velocidades de las que puedan alcanzar las unidades a las que

protegen.

1.1. PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN.

Para este trabajo de investigación, se hará una comparación entre los motores diesel y

las turbinas de gas tanto en la propulsión como en la generación de electricidad en

3


distintos campos, como son los consumos y rendimientos de cada sistema, coste de los

mantenimientos programados, impacto en el medio ambiente y ventajas y desventajas

de operar con cada uno de estos sistemas a bordo.

Para dicha comparación se utilizarán, en la medida de lo posible, las mismas

condiciones de desplazamiento o demanda de potencia eléctrica para cada sistema. De

esta manera, en el área de propulsión, se obtendrán los datos de una fragata F-100, ya

que dispone de los dos sistemas de propulsión. En el área de generación de

electricidad la única plataforma en la Armada con generación de electricidad por medio

de turbina de gas es actualmente el Juan Carlos I, por lo que será nuestro principal

foco de estudio.

2. ANÁLISIS

2.1. Comparación en la propulsión.

A día de hoy, los sistemas propulsores navales son muy diversos y a la vez de muy

distinto coste a corto y largo plazo. Debido a esto, la aplicación de la turbina de gas a

los buques mercantes ha sido limitada. Pero en los buques de guerra las circunstancias

son totalmente distintas por las misiones y requisitos que deben cumplir.

Las cualidades esenciales que ha de reunir la maquinaria propulsora de un buque de

guerra son:

Aptitud para funcionar durante largos períodos de tiempo.

Máxima flexibilidad de funcionamiento, incluso pudiéndose poner en funcionamiento en

muy corto tiempo.

Consumo reducido de combustible, especialmente a velocidades de crucero.

Sencillez de manejo y posibilidad de control desde un lugar próximo al mando.

Aptitud para resistir al choque u otras averías fruto del combate.

Posibilidad de fácil defensa contra ataque N.B.Q.

4


Peso y dimensiones reducidas.

Disponibilidad permanente. Mantenimiento por sustitución de componentes.

Como es lógico, ninguna máquina marina cumple a la perfección con todos estos

requisitos, pero, de entre todas ellas, la turbina de gas es en muchos aspectos la que

mejores prestaciones da.

Como se dijo anteriormente, para ver las diferencias entre el motor diesel y la turbina

de gas (en adelante, T.G.) en la planta propulsora, se van a reflejar datos obtenidos de

las fragatas F100, para ver cómo responde cada uno de los sistemas con la misma

plataforma. Los datos que se van a presentar a continuación son un promedio de las 4

fragatas de la primera clase.

Las 4 fragatas F-100 tienen propulsión CODOG (COmbined Diesel Or Gas), con dos

motores CATERPILLAR BRAVO 12 y dos turbinas de gas GENERAL ELECTRIC 7 LM

2500 PF-MLG12 , uno por cada eje, pudiendo navegar con uno u otro sistema por eje.

En las F-100, se habla de MODO MOTORES, cuando se lleva la propulsión con un

motor diesel por eje, y MODO TURBINA, cuando se lleva una turbina por eje.

Para empezar, en la siguiente tabla se puede ver como establecen la planta en las

distintas situaciones de alistamiento:

5

BR Y ER GUARDIA T.G.

Z/C

T.G. (MOTOR SI ES

EMERGENCIA EN LA MAR)

Z/V T.G. (NOTA 1)

RAS/FAS T.G.

TRANSITOS MOTOR/MIXTA (NOTA 2)


NOTA 1: Con buenas condiciones meteorológicas, se pueden realizar operaciones de

vuelo en modo motores.

NOTA 2: El modo de propulsión MIXTA consiste en llevar una turbina en un eje y un

motor en el otro. Aunque no estaba definido en su configuración inicial, se empieza a

usar debido a la baja velocidad económica que proporcionan los motores BRAVO12

buscando unas velocidades de transito mayores, pero sin llegar al alto consumo que

supondría el modo con dos turbinas..

Se puede observar que la turbina está seleccionada en la mayoría de las situaciones

comprometidas, reflejando una de sus cualidades más destacables como es la

fiabilidad y la garantía de tener la potencia requerida cuando sea necesario.

Por otro lado, debido a que el generador de gas y la turbina de potencia no están

unidas físicamente por un eje y tener un único movimiento rotatorio, la turbina es más

flexible a los cambios de velocidad y menos brusca que los motores, siendo la

utilizada en las maniobras que necesitan rápidos ajustes de velocidad, como RAS/FAS,

operaciones de vuelo y salidas y entradas de puerto.

2.1.1. RENDIMIENTOS Y CONSUMOS.

Los rendimientos teóricos de cada modo son los siguiente:

Modo motor diesel CATERPILLAR BRAVO 12

Máxima potencia 1 X 4500 Kw 6118,29 CV

2 X 9000 Kw 12.236,59 CV

Velocidad de entrada 1000 rpm.

Velocidad del eje principal 116 rpm.

Velocidad máxima buque 18 nudos.

6


Modo turbina de gas GENERAL ELECTRIC LM 2500

Máxima potencia 1 X 17.500 Kw 23.793,37 CV

2 X 35.000 Kw 47.586,75 CV

Velocidad de entrada 3600 rpm.

Velocidad del eje principal 180 rpm.

Velocidad máxima buque 27 nudos.

En cuanto a datos reales de velocidades proporcionadas por los barcos, los datos que

se han obtenido son los siguientes:

VELOCIDAD MAXIMA

TURBINA 31 KNT

MOTORES 20 KNT

VELOCIDAD ECONOMICA 14 KNT CON MOTORES

Tras experiencias reales, cabe decir que en los MOTORES han resultado menos

capaces de lo estimado, llegando a la velocidad máxima teórica sólo con condiciones

meteorológicas favorables y a un régimen de revoluciones más alto de lo normal.

No hay duda de la superioridad de la turbina frente el motor diesel, a la hora de llegar a

altas velocidades, sin embargo, es ahí donde encontramos el principal punto

desfavorable de la turbina: su elevado consumo de combustible.

En la siguiente tabla se resumen los consumos reales de motores y turbinas a

diferentes regímenes de velocidad obtenido de las fragatas F-101,F-102 y F-103. Los

buques de la 31 Escuadrilla han obtenido los datos por el medio tradicional de sondar

7


tanques, ya que estos barcos no disponen de caudalímetros que faciliten la toma de

datos.

VELOCIDAD CONSUMO MODO MOTORESBuque NUDOS ltrs/hora ltrs/millaALVARO DE BAZAN 10 250 50ALVARO DE BAZAN 11 270 49,0909ALVARO DE BAZAN 12 300 50ALVARO DE BAZAN 13 350 53,8462ALVARO DE BAZAN 14 450 64,2857ALVARO DE BAZAN 15 550 73,3333ALVARO DE BAZAN 16 700 87,5ALVARO DE BAZAN 17 1050 123,5294ALVARO DE BAZAN 18 1200 133,3333JUAN DE BORBON 10 250 50JUAN DE BORBON 12 425 70,8333JUAN DE BORBON 14 600 85,7143JUAN DE BORBON 16 750 93,75JUAN DE BORBON 18 840 93,3333BLAS DE LEZO 10 250 50BLAS DE LEZO 11 275 50BLAS DE LEZO 12 300 50BLAS DE LEZO 13 375 57,6923BLAS DE LEZO 14 450 64,2857BLAS DE LEZO 15 575 76,6667BLAS DE LEZO 16 725 90,625BLAS DE LEZO 17 900 105,8824BLAS DE LEZO 18 1125 125

Con estos datos, el Gabinete de Investigación Militar Operativa (G.I.M.O.), realiza un

estudio de la velocidad económica para las fragatas F-100. Tras descartar los datos

proporcionado por la F-102, por verse una clara discordancia en su medición, se estima

la velocidad económica en modo Motores en 11 nudos con un consumo de 48.65

litros/milla.

En cuanto a turbinas, los datos obtenidos de las tres mismas fragatas son los

siguientes:

8


VELOCIDAD CONSUMO MODO TURBINASBUQUE NUDOS ltrs/hora ltrs/millaALVARO DE BAZAN 10 2200 220ALVARO DE BAZAN 12,5 2600 208ALVARO DE BAZAN 15 2800 186,666ALVARO DE BAZAN 17 3000 176,4705ALVARO DE BAZAN 21,5 4600 213,9535ALVARO DE BAZAN 22,5 5800 257,777ALVARO DE BAZAN 25,5 9000 352,941ALVARO DE BAZAN 27,5 9200 334,545454JUAN DE BORBON 10 2400 240JUAN DE BORBON 12 2600 216,666JUAN DE BORBON 14 3100 221,4285JUAN DE BORBON 16 3500 218,75JUAN DE BORBON 18 4200 233,333JUAN DE BORBON 19 5000 263,1578JUAN DE BORBON 20 5800 290JUAN DE BORBON 25 7600 304BLAS DE LEZO 11 2600 236,3636BLAS DE LEZO 12 2800 233,333BLAS DE LEZO 13 3400 261,5384BLAS DE LEZO 14 3600 257,14124BLAS DE LEZO 15 3800 253,333BLAS DE LEZO 16 4000 250BLAS DE LEZO 17 4200 247,36BLAS DE LEZO 18 4400 244,444BLAS DE LEZO 19 4700 247,36841BLAS DE LEZO 20 5000 250BLAS DE LEZO 21 5300 252,3842BLAS DE LEZO 22 5600 254,545454BLAS DE LEZO 23 5900 256,5214BLAS DE LEZO 24 6100 254,16666BLAS DE LEZO 26 8000 301,886BLAS DE LEZO 28 9600 342,85

Para este caso, la estimación de velocidad económica obtenida por el GIMO es de 15

nudos, con un consumo de 224,92 litros/milla.

Estas tablas han sido obtenidas de las F-100, la primera clase. En la F-105, habiendo

quedado probada la poca potencia que daban los BRAVO 12 a la plataforma, lleva

9


instalado motores BRAVO 16, con cuatro cilindros mas, teniendo una notable mejoría, y

dando unas velocidades mantenidas de 18 nudos incluso con mala mar.

De los datos obtenidos se puede ver una relación de consumos entre modo motores y

modo turbinas que, aunque van disminuyendo en tanto aumenta la velocidad, son

mucho más económicas para modo motores. Así, a 12 nudos, se observa que el

consumo en modo turbina es unas 9 veces mayor, a 15 nudos pasa a ser 6 veces más,

y a 18 nudos se consumen 4 veces más en modo turbina. También hay que mencionar,

que dando 18 nudos, estos motores están a su máximo régimen de revoluciones,

siendo poco recomendable tenerlos así por largos periodos de tiempo, mientras que la

turbina no llega al 60 % de la potencia que pueden dar.

Por lo tanto, hablando de su aplicación en propulsión, podemos sumar a la turbina los

puntos favorables de fiabilidad, posibilidad de alcanzar mayores velocidades, y su

flexibilidad en los cambios de regímenes de máquinas. Mientras que en los motores

diesel, destacan por sus bajos consumos, ideales para tránsitos a velocidad

económica, y patrullas a bajas velocidades.

2.2. COMPARATIVA EN GENERACION DE ELECTRICIDAD.

Como se ha mencionado anteriormente, para este análisis se ha elegido el Juan Carlos

I, que es la única plataforma de la Armada Española que utiliza motores, turbinas o una

combinación de ambas para generar corriente eléctrica. Dicha corriente eléctrica,

además, se utiliza para propulsar y dotar de todos los servicios a la plataforma

aeronaval más versátil de la historia de nuestra Armada.

El objetivo de esta comparativa de rendimientos y consumos es sacar conclusiones

para definir las ventajas y desventajas de los dos sistemas.

10


Generalidades del LHD “Juan Carlos I”

El buque tiene dos diésel generadores (en adelante D.G.) MAN 16V 32/40, de 16

cilindros en V y una turbina (T.G.) GENERAL ELECTRIC CM-2500 PI-MLG-09. Con

uno, dos o todos los sistemas en marcha, el portaaeronaves recibe la energía eléctrica

necesaria para afrontar lo que se le demanda en cada momento. Además, dispone de

un diésel generador extra que se usa principalmente en caso de “Black Out” para

restablecer la planta eléctrica.

Para profundizar en los distintos aspectos de la comparativa es necesario detallar las

distintas configuraciones de la planta eléctrica del buque en las diversas situaciones

operativas:

1. Atracado en puerto base (Base Naval de Rota): Corriente de tierra.

2. Atracado en puerto fuera de base: 1 D.G. arrancado.

3. Babor y Estribor de Guardia: 2 D.G. arrancados o 1 D.G. + 1 T.G. arrancada.

4. Zafarrancho de Combate: 2 D.G. arrancados + 1 T.G. arrancada.

5. Zafarrancho de Vuelo: 2 D.G. arrancados o 1 D.G. + 1 T.G. arrancada.

6. Zafarrancho Anfibio: 1 D.G. arrancado o 2 D.G. arrancados.

Consideraciones previas de los elementos generadores

Existen ciertas diferencias sustanciales entre los elementos generadores del LHD “Juan

Carlos I” y otras máquinas generadoras de las distintas plataformas de la Armada:

1. En lo que se refiere a diésel generadores, los dos MAN del LHD son más

grandes que los diésel generadores del resto de buques ya que deben generar

electricidad para un buque de enormes dimensiones que, además, usa la

electricidad para propulsarse. Así, los consumos que efectúan son más

parecidos a los que realiza un propulsor de un buque tipo fragata que a los que

realiza un diésel generador de ese mismo tipo.

2. La turbina de gas que monta el LHD, la CM-2500, es ligeramente distinta al resto

de turbinas que montan los otros buques de la Armada ya que está enfocada a

la generación eléctrica y no a la propulsión.

Los diesel generadores, al igual que en la mayoría de buques de la Armada se suelen

llevar la mayor cantidad de tiempo posible entre un 70% y un 80% de su rendimiento.11


Los motores y la turbina se encuentran separados en dos cámaras de máquinas,

estando los primeros en la cámara de proa y la segunda en la cámara de popa. Este

diseño de planta dividida es fundamental para asegurar la capacidad de generación del

buque en caso de pérdida parcial de la planta eléctrica.

2.2.1 RENDIMIENTOS Y CONSUMOS

Para contribuir a la comparativa global del trabajo se va a reflejar los rendimientos y los

consumos de los diésel generadores y de la turbina en las diferentes configuraciones.

Dentro de cada configuración, se detallara la situación operativa que corresponde, los

consumos a los regímenes de potencia más habituales y aspectos de rendimiento que

resulten interesantes:

Un DG arrancado

Esta configuración es la correspondiente a la de buque atracado en puerto fuera de

base o, en ocasiones, si se pretende ahorrar, la que corresponde a zafarrancho anfibio

(buque usando PODS para mantenerse en el sitio y lanzar o recuperar embarcaciones).

En esta situación, teniendo en cuenta que el motor no debe estar a más del 80%, se

genera una potencia de 5958 KW y se consumen 1287 litros/hora.

Dos DG arrancados

Esta configuración es la que abarca más situaciones operativas posibles y la que más

se ha utilizado en los años operativos del buque, con el propósito de ahorrar en

combustible. Se contempla en Br y Er de guardia, en zafarrancho anfibio para no

depender de un solo motor, en zafarrancho de vuelo o en tránsito normal.

En esta situación, con los dos motores mantenidos al 80%, se genera una potencia de

11916KW y se consumen 2739 litros/hora. Además, en este régimen, se consiguen 130

rpm de giro de los PODS pudiéndose conseguir una velocidad máxima de 15 nudos.

12


Turbina de Gas arrancada

La turbina por sí sola da una potencia de 20.000 KW con un consumo de 5.900 litros

por hora, suficiente para afrontar la mayoría de situaciones operativas del buque. Sin

embargo, el Juan Carlos I en particular ha tenido problemas de regulación y

sustentación tras el arranque de la turbina, teniendo dificultades para mantenerla en

marcha. Por esta razón no se contempla que vaya arrancada sin el acompañamiento

de un motor puesto que si se parase, irremediablemente se produce una pérdida de la

planta eléctrica total con los inconvenientes que eso acarrea.

Turbina de Gas y un DG arrancados

Menos usada que la configuración con dos DG, sobre todo porque dispara el consumo,

es la otra configuración que daría garantías a la planta eléctrica del buque. Se

contempla en Br o Er de guardia o en zafarrancho de vuelo y permite incrementar

considerablemente la potencia y la velocidad del buque en situaciones que lo

requieran. Con ambos, se consigue una potencia máxima de 25958 KW para dar 170

rpm de los PODS, que se traduce en una velocidad máxima de 19,5 nudos.

Esta situación, aunque se ha dado durante pocas veces en la vida del buque presenta

un inconveniente principal: Si hay una variación de la demanda de energía, la turbina al

tener mayor rapidez de reacción asume toda la carga, y el diesel generador disminuye

su porcentaje de trabajo, de manera que existe el riesgo de ser arrastrado por la

turbina. Este efecto se denomina "potencia inversa" y tiene lugar debido a la falta de

repartidores asíncronos de carga. Esto ocurre al acoplar dos tipos de generadores

distintos. Para evitar estos efectos, lo más recomendable es que los generadores a

acoplar sean del mismo tipo y potencia. De hecho los LHD entregados a la Armada

Australiana sustituyen la turbina por otros dos motores diesel.

Para evitar el efecto de potencia inversa a bordo, si disminuye la demanda de

consumo se recomienda arrancar un segundo diesel generador y parar la turbina.

Turbina de Gas y dos DG arrancados

Es la configuración menos usada. Se utiliza solamente en zafarrancho de combate ya

que es la que más potencia y redundancia ofrece. Es la menos óptima si se relacionan13


consumos/rendimientos. Arrancando un segundo motor, se aumentan

considerablemente los consumos y sólo se suben 5 revoluciones en los dos PODS lo

que aumenta apenas 1,5 nudos la velocidad llegando así a la velocidad máxima: 21

nudos.

Tras detallar los distintos tipos de configuraciones que se llevan a bordo y sus

consumos y rendimientos es necesario reflejar unos comentarios finales de este

apartado:

1. La turbina CM 2500 ha presentado problemas de sustentación tras el arranque en

varias ocasiones desde que el buque entró en servicio, principalmente por un problema

de software relativo a la regulación electrónica de la válvula de control de combustible.

Por este motivo, no se ha dado tanto uso a este elemento generador y por

consiguiente, se han aumentado considerablemente el número de horas de los diesel

generadores.

2. En el siguiente cuadro se reflejan las horas de los elementos generadores

HORAS/GENERADO

R

DG 1A DG 1B TURBINA

HORAS 12000 12725 105

3. Debido al hecho mencionado acerca de los problemas de la turbina, y a su poco uso,

los datos de consumo se consideran poco exactos para este estudio.

2.3. COMPARATIVA DE MANTENIMIENTOS.

Para este apartado se va a proceder mediante dos vías. En primer lugar se reflejara

una visión general de los costes de los mantenimientos programados de los motores

14


diesel y las turbinas de gas. Por otra parte, se obtendrán de GALIA los costes de

mantenimientos incidentales y no programados de los motores y turbinas de algunos

buques ( principalmente JCI y fragatas F-100) en el mismo periodo de tiempo.

2.3.1. Mantenimientos programados.

Los mantenimientos programados de los motores se rigen por horas de

funcionamiento. La siguiente tabla muestra los tipos de mantenimientos programados

para un motor CATERPILLAR BRAVO 12 propulsor de cuatro F-100 como ejemplo.

Horasx1000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Escalón C3 C3 C4 C3 C3 C5 C3 C3 C4 C3 C3 C6

Desde el año 2007, estos mantenimientos se vienen ejecutando por el contrato

centralizado para motores diesel de la Armada. Los importes de mano de obra y

material han ido sufriendo actualizaciones con el transcurso del tiempo hasta el día de

hoy, donde en el contrato actual podemos encontrar los siguientes presupuestos para

los mantenimientos anteriormente señalados:

TIPO DE

MANTENIMIENTOPRECIO PLAZO (días)

C3 13.041.64€ 5

C4 55.410.49€ 15

C5 418.011.49€ 32

C6 605.171.10€ 60

Para las turbinas de gas hasta la fecha se han llevado a cabo las tareas periódicas

mandatorias (M) consistentes básicamente en la comprobación de la alineación

15


respecto al reductor y soportado elástico del módulo. Quedando de la siguiente

manera:

TURBINA DE POTENCIA

EQUIPO TAREA DEFINICION PERIODO/HORAS PRECIO

7 LM 2500 PB 101-D GTB11 Inspección TP 0 €

7 LM 2500 PB 101-D GTB-12 Holgura alabes 6º 12500 50 €

7 LM 2500 PB 101-D OVH Overhaul 25000 2-4 mill€

GENERADOR DE GAS

EQUIPO TAREA DEFINICION PERIODO/HORAS PRECIO7 LM 2500 PF MLG12 GTB11 Inspección Generador de gas 0 €7 LM 2500 PF MLG12 GTB-24 Pines antirotación 6000 300-1200€

7 LM 2500 PF MLG12 GTB-22 Alabes 1º escalón 10000 15.000 €

7 LM 2500 PF MLG12 OVH Overhaul 20000 2-4 mill€

Dichas tareas se están realizando con auxilio de personal del taller de turbinas del

ISEMER el cual se apoya, cuando es necesario, con personal de NAVANTIA (hasta

hace poco, se realizaba con personal de la empresa ITP) o empresas locales.

Los cambios de los Generadores de gas (GG) y de turbinas de potencia (TP) de las

fragatas se efectúan con una periodicidad de 20.000 horas el GG y de 25.000 horas la

TP, tardándose aproximadamente dos semanas en sustituir un GG, y tres semanas en

la sustitución de la TP.

El coste aproximado de un OVERHAUL completo de la turbina, es aproximadamente

de 3.000.000 €, aunque pocas veces se hace completo ya que depende del estado en

el que se encuentren los elementos. Lo primero que se realiza es una inspección

completa del G.G. para ver qué elementos son renovados, cuales son saneados y

cuales pueden continuar en funcionamiento.

16


Para hacerse una idea en tiempo, del periodo que abarcan 20.000 horas en

funcionamiento de una turbina en un buque COGAG, no ha sido hasta 2016 cuando se

ha sustituido el primer generador de gas de la fragata CANARIAS desde su entrega a

la Armada en 1994, y de los datos de turbinas de las F-100, la que más horas de

funcionamiento lleva apenas sobrepasa las 10.000 horas.

Un estudio realizado por el ramo de Casco del Arsenal de Ferrol refleja una

comparativa en los gastos de mantenimientos programados realizados en las fragatas

de la primera serie F-100 tanto en motores diesel de propulsión como en turbinas de

gas desde su entrega a la Armada hasta 2014. Los resultados descubrieron lo

siguiente:

BUI MOTORES

PROPULSORES

TURBINAS DE GAS

ADB 1.676.553,43 78.097,80

AJB 1.301.039,01 95.024,33

BDL 1.079.520,12 52.356,58

MNZ 1.540.502,95 3.928,34

TOTAL 5.597.615,51 229.407,05

Estos gastos contemplan los costes de mano de obra y material, así como los

correspondientes a las ampliaciones surgidas durante la realización de los mismos.

En el periodo de tiempo donde se han tomado esos gastos, la media de horas de

funcionamiento de los motores por cada fragata fue de 46.274 horas, mientras que las

horas de funcionamiento de las turbinas fueron de 16.559.

Con estos datos hemos estimado un valor que hace referencia a coste en

mantenimiento por horas de funcionamiento, que queda de la siguiente manera:

Coste en mantenimientos por hora de funcionamiento de motor: 31 €/h.

Coste en mantenimientos por hora de funcionamiento de la turbina: 4 €/h.

17


Como refleja la tabla superior, se puede observar que los gastos en mantenimientos de

motores diesel es unas 24 veces superior al gasto en mantenimientos de las turbinas

de gas, aunque si se ajusta al coste por horas de funcionamiento se reduce a 9 veces

mayor el coste de mantenimiento de los motores en un largo periodo de tiempo (10

años aproximadamente).

2.3.2. Mantenimientos Incidentales.

En la parte correspondiente a obras o mantenimientos incidentales, se ha recabado

información en GALIA, sobre los Partes de mantenimientos (PPMM) y obras solicitadas

tanto por la F-101 en concreto (primera de su clase) , tanto como por el Juan Carlos I,

en lo que a motores y turbinas se refiere, obteniéndose los resultados del ANEXO 1,

1. En el periodo que abarca desde enero de 2011 hasta el presente estudio en abril de

2018, el Juan Carlos I lleva acumulados 472.411.58 € en gastos relacionados con los

Diésel Generadores, y tan solo 33.606.52 € destinados a la Turbina de Gas. Como se

explicó en el análisis de los rendimientos de la turbina en el Juan Carlos I, debido a los

problemas en la regulación de la turbina, han hecho muy poco uso de la misma, por lo

que no es fiable esta comparativa para el estudio.

2.En el periodo de enero 2015 hasta el presente estudio, la fragata F-101 lleva

acumulados alrededor de 70.000 € en gastos relacionados a Motores propulsores con

9.567 horas de funcionamiento y cerca de 7.000 € destinados a las turbinas de gas con

3.180 horas de funcionamiento. Esto nos da una idea de un gasto aproximado a corto

plazo(3 años) de 7,3 eur/hora en motores, y de 2.2 eur/horas en la turbina de gas.

Esta comparación trata de reflejar los gastos incidentales asociados a ambos sistemas,

donde podemos ver que ante la sencillez de construcción de la turbinas, simplicidad y

equilibrio de fuerzas ( funcionamiento sin vibraciones) reducen las averías de estos

equipos, centrándose sus mantenimientos programados en comprobaciones en su

mayoría y resultando más económica la turbina.

18


Ahora bien, estos datos, como se puede ver, son para un uso mucho muy restrictivo de

las turbinas (un tercio del tiempo de uso de los motores), debido principalmente a su

alto consumo de combustible.

Si igualamos las horas de uso de la turbina y el motor diesel a la velocidad económica

de cada uno por un periodo estimado de 30 años, los datos muestran lo siguiente.

1 año 2 años 3 años 4 años 5 años 6 años 7añoshoras 8.760 17.520 26.280 35.040 43.800 52.560 61.320 4 años 9 años 13años 18 años 23 años 27 años 32 años

Litros 4.677.840 9.355.680 14.033.520 18.711.360 23.389.200 28.067.04032.744.88

0Millas nav. 92.251 184.502 276.753 369.004 461.255 553.506 645.757Coste Mant. 100.000 60.000 1.264.412 1.345.904 1.858.448 2.502.742 3.015.286Coste Comb. 935.568 1.871.136 2.806.704 3.742.272 4.677.840 5.613.408 6.548.976Obras 100.000 225.000 325.000 450.000 575.000 675.000 800.000Coste total 1.135.568 2.156.136 4.396.116 5.538.176 7.111.288 8.791.150

10.364.262

Años 6 años 13 años 19 años 26 años 32 años Litros 29.565.000 59.130.000 88.695.000 118.260.000 147.825.000 Millas nav. 131.400 262.800 394.200 525.600 657.000 Coste Mant. 700 16.000 6.020.000 6.040.000 9.000.000 Coste Comb. 5.913.000 11.826.000 17.739.000 23.652.000 29.565.000 Obras 12.000 26.000 38.000 52.000 64.000 Coste total 5.925.700 11.868.000 23.797.000 29.744.000 38.629.000

En la tabla se han utilizado las velocidades económicas obtenidas por el GIMO es

decir, 11 nudos con un consumo de 534 litros/milla con motores, y 15 nudos con un

consumo de 225 litros/milla con turbina. Las horas en rojo, son las horas de

funcionamiento continuadas. Para que la comparación se mas exacta, en vez de por

días de mar se han equiparado las horas de funcionamiento por millas navegadas,

siendo la media de una F-100 de 20.000 millas al año. De esa manera, en amarillo se

puede ver el tiempo que tardan en llegar a las horas de funcionamiento indicadas en

rojo. Y en verde está indicado el coste total, sumando combustible consumido,

mantenimientos programados y mantenimientos incidentales. 19


Esta es la representación de la tabla en una gráfica de coste total por años de vida :

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 310

5000000

10000000

15000000

20000000

25000000

30000000

35000000

40000000

45000000

AÑOSMOTORTURBINA

Del estudio se obtiene, que a partir del primer OVERHAUL de la turbina, la media del

coste de mantenimiento de la turbina es más elevado que el del motor, disparándose

en el segundo OVERHAUL. A esto hay que sumar, que la turbina va a tener un

consumo al menos 3 veces mayor que el motor lo que supone la mayor parte de la

diferencia de costes.

2.4.IMPACTO MEDIOAMBIENTAL

Uno de los puntos que se han estudiado para la comparativa entre motores diesel y

turbinas de gas es el impacto medio ambiental de los mismos. La comparativa del

impacto medio ambiental se planteó para estudiar dos aspectos diferentes: Emisiones e

impacto acústico de motores y turbinas.

En el estudio del impacto acústico se ha investigado a través de NAVANTIA y ramos de

arsenales de apoyo. A día de hoy, no existe ninguna medición de ruidos en los motores

20


o las turbinas que sirvan para detectar exceso de ruido o frecuencias perjudiciales para

la fauna marina. Si se toma mediciones en las cámaras por parte de seguridad

operativa de la FLOTA mediciones para el personal que opera en las cámaras. La única

medida asociada a los ruidos de alta frecuencia de la turbina es el modulo que la

contiene, al que es imposible acceder mientras está en funcionamiento, y permite las

rondas y trabajo en la cámara aunque esté la turbina arrancada.

A la hora del estudio de las emisiones se ha obtenido algo más de información. En lo

que se refiere a los motores diésel, se ha averiguado a través de la ICOFER que en las

especificaciones de los mismos, NAVANTIA entrega los motores de los barcos de

nueva construcción con una especificación de emisiones según el convenio MARPOL

anexo VI "Reglas para prevenir a contaminación atmosférica ocasionada por los

buques" . Sin embargo, a lo largo de la vida útil del motor no se miden emisiones ni a

bordo de las unidades ni en periodos de mantenimientos por parte de NAVANTIA. En

los manuales técnicos de los motores, en su apartado de impacto medioambiental, sólo

se hace referencia al uso del combustible y aceites adecuados, así como su correcta

sustitución y reciclaje.

Con estos datos de NAVANTIA al entregar el motor, y el certificado del barco de que se

han hecho los mantenimientos correspondientes, la Jefatura de Apoyo Logístico emite

los certificados del ANEXOIV de MARPOL.

El subgrupo ENPRO de la GRUPLAT, y en las Juntas de Combustibles y Lubricantes

de la Armada, se ha realizado un estudio sobre el posible uso de aditivos como la

UREA (de nombre comercial Ad-Blue en los vehículos diésel de nueva matriculación)

para hacer que tras combustión se reduzca la emisión de gases tóxicos y

contaminantes como los NOX y los SOX a la atmósfera.

Tras el estudio, se determinó que: " La adaptación de las unidades para añadirles el

tanque de urea, e instalar todos los equipos y sistemas auxiliares para su empleo a

bordo (tuberías, bombas...) e implementar el sistema en los motores es muy alto,

afecta a la estabilidad y de desplazamiento del buque. Se estima (sin realizar un

21


estudio económico que lo avale), que el coste-beneficio de la instalación en las

unidades actuales es demasiado alto."

A pesar de ello, se abre la ventana al uso de UREA en los buques de nueva

construcción, aunque en las F-110 ya ha sido rechazado por los mismos motivos.

Además se suma el inconveniente de que nuestros buques de aprovisionamiento no

tienen tanques reservados para suministrar este aditivo.

Aunque la Armada y los buques de guerra en general no están regidos por la normativa

civil internacional de la OMI que regula las emisiones de NOX (Código técnico sobre los

NOX de 2008) se desconoce si se prevé establecer una línea de acción que aproxime

medioambientalmente los motores navales a los motores marinos.

Para finalizar, se concluye en este apartado que la información existente, aunque

complementa el trabajo, no sirve para comparar motores diésel y turbinas en temas de

impacto medioambiental.

3.VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Una vez completado el análisis de los principales factores a comparar, se pueden reunir

las ventajas y desventajas de las turbinas de gas frente a los motores diésel.

VENTAJAS DE LA TURBINA.

En primer lugar, se podría decir que la mayoría de las ventajas de la turbina de gas

derivan de su SIMPLICIDAD. Sus partes en movimiento, compresor y rotor, en un

mismo eje axial, no tienen fuerzas desequilibradas, por lo que tiene un funcionamiento

suave y, sobre todo, sin vibraciones (ya se ha visto lo ventajoso que resulta esto en la

prevención de averías). Todos sus equipos auxiliares son sencillos y funcionan con la

fuerza de la propia turbina.

Su principal ventaja es la alta relación POTENCIA/PESO, alcanzando velocidades

muy superiores a las que pueden proporcionar los motores en propulsión, o generar

22


potencia eléctrica equivalente a dos DDGG, además de una rápida entrada en

servicio, pues una vez arrancada y alcanzada la velocidad de ralentí, la turbina se

puede acelerar a plena carga en pocos segundos sin necesidad de periodos de

calentamiento.

Son mas económicas en cuanto a mantenimientos. Se ha comprobado en el

apartado de mantenimientos, que debido a su simplicidad, y pocas vibraciones, tienen

un menor coste, tanto de averías o mantenimientos incidentales, como de

mantenimientos programados.

DESVENTAJAS DE LA TURBINA.

Por contrapartida, su principal desventaja es el alto consumo de combustible (entre 4

y 9 veces más que los motores diesel) poco compatible con estos tiempos de

austeridad en la Armada. Derivado de este elevado consumo de combustible resulta

una menor autonomía sin repostar de la plataforma.

Necesitan de una estación de mantenimiento y reparación. Salvo pequeñas

excepciones, las turbinas no van a poder ser reparadas a bordo, y tendrán que ser

desmontadas y reemplazadas por otra nueva o reparada. Una operación que puede

llevar de dos a tres semanas.

El alto nivel de ruidos de alta frecuencia hace necesaria la instalación de un modulo

para que no afecte al personal de la cámara.

Desde el punto de vista operativo, por un lado tenemos una reducción de ruidos de

baja frecuencia ( propio de los movimientos alternativos de los motores diesel) lo que

reduce la posibilidad de detección por sonar, y como desventaja la gran cantidad de

calor en los gases de exahustación que hacen que sea un blanco fácil a los

detectores de calor e infrarrojos. Problemas que a su vez se intentan reducir con

sistemas enfriadores de gases de escape o señuelos de infrarrojos. Por otra parte,

siempre nos van a dar una mayor potencia, necesaria para darle mayor

maniobrabilidad al buque en situaciones de escoltas, cortinas de sectores, operaciones

de vuelo..etc

23


VENTAJAS DE LOS MOTORES.

En cuanto a los motores diésel, destaca como principal ventajas que son sistemas

compactos y robustos, en la mayoría de los casos se van a poder afrontar las averías

que sufran con personal y material del primer escalón de mantenimiento y al contrario

que las turbinas de gas, tienen un consumo reducido, que dota a la plataforma de

mayor autonomía.

DESVENTAJAS DE LOS MOTORES.

Por otra parte, se pueden achacar las siguientes desventajas a los motores:

Su alta demanda de mantenimientos programados, así como sustitución de diversos

elementos y lubricantes hacen que, a la larga, tengan un coste mucho más elevado

que las turbinas.

Como se dijo anteriormente, están sometidos a movimientos alternativos, produciendo

altas vibraciones, de las que resultan en primer lugar una mayor posibilidad de

averías, y en segundo lugar, vibraciones de baja frecuencia, fáciles de detectar con

sonar.

4.CONCLUSIONES

Tras este estudio, se ha llegado a las siguientes conclusiones:

1. Las características de flexibilidad, rapidez de entrada en servicio y , por supuesto,

mayor potencia, hacen de la turbina el sistema de propulsión necesario para buques

de gran desplazamiento destinados a funciones de escolta, dotándolos de gran

maniobrabilidad para las acciones que les sean requeridas.

2. A la hora de generar electricidad, hay problemas de distribución de carga cuando se

acoplan diferentes elementos generadores, corriendo el riesgo del efecto de

POTENCIA INVERSA, por lo que la mejor opción es distribuir la planta con dos turbinas

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y dos motores, de forma que puedan funcionar dos a dos, o directamente, montar 4

diesel generadores.

3. A la hora de gastos en mantenimientos, por los factores estudiados y datos

recopilados, a día de hoy salen más baratos los mantenimientos de las turbinas, ya que

se tienen menos horas de uso, y sus gastos mantenimientos hasta el OVERHAUL son

mínimos. Sin embargo, a iguales horas de uso, tanto por consumo por mantenimientos

es más cara la turbina.

6.BIBLIOGRAFIA.

-PUBLICACIONES E.E. Antonio de Escaño:

Turbinas de Gas marinas. Turbina de gas LM-2500. PE-EYP 626(A)

Motores de combustión interna. PE-EYP.203(A)

Motores específicos combustión interna.

TURBINAS DE GAS. Publicación nº103.

Manuales técnicos:

- TG-LM2500-GEK50501

-Motor MTU 396

-MOTOR BRAVO 12.

-MAN

-Oferta económica NAVANTIA Motores.

-GALIA.

-Intranet Armada.

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trabajo de fin de especialidad ventajas y ......trabajo de fin de especialidad ventajas y...

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