Desarrollo de un algoritmo para el diseño e implementación de hidroalas en embarcaciones

Texto completo

(1)DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. JUAN MIGUEL LA ROTTA MARÍN. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ, D. C. 2004.

(2) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. JUAN MIGUEL LA ROTTA MARÍN. Proyecto de grado. Director Jaime Lobo Guerrero Uscátegui Profesor Titular. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÌA MECÁNICA BOGOTÁ, D. C. 2004.

(3) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. CONTENIDO Pág.. INTRODUCCIÓN. i. 1. MARCO TEÓRICO. 2. 1.1 CAVITACIÓN. 2. 1.2 VENTILACIÓN. 3. 1.2.1 Causas de la ventilación. 4. 1.2.2 Efectos de la ventilación. 4. 1.2.3 Mecanismos de iniciación de la ventilación. 5. 2. COMPORTAMIENTO DE UNA HIDROALA. 8. 2.1 El MONTAJE. 9. 2.2 FUNCIONAMIENTO. 10. 2.3 RESULTADOS DE LAS PRUEBAS. 12. 2.4 ANÁLISIS Y CONCLUSIÓN DE LOS RESULTADOS DE LAS PRUEBAS 15 3. EL MODELO. 18. 3.1 LA LANCHA. 18. 3.2 EL DISEÑO. 19. 3.3 EL AQUAVION. 20. 3.4 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE ALAS. 21. 3.4.1 Distribución de pesos y función detallada de las alas.. 21. 3.4.1.1 Grupo 1 (ala principal).. 21.

(4) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. 3.4.1.2 Grupo 2 (Esquís delanteros).. 22. 3.4.1.3 Grupo 3 (Amortiguador/estabilizador). 22. 3.5 DESARROLLO DEL DISEÑO. 23. 3.5.1 Ubicación de las alas.. 24. 3.5.2 Profundidad de operación de las alas. 26. 3.5.3 Cálculos dinámicos.. 29. 3.5.3.1 Límites para C L , V y A. 31. 3.5.3.2 Caracterización de las alas. 31. 3.5.3.2.1 Ángulo de diedro.. 35. 3.5.4 Sección transversal de los postes estructurales.. 39. 4. ESTRUCTURA DEL SISTEMA DE HIDROALAS. 41. 4.1 MATERIAL DE FABRICACIÓN DEL SISTEMA. 41. 4.2 IMPACTO. 42. 4.3 EL PERFIL DE LOS POSTES. 43. 4.3.1 Postes estructurales de los esquís delanteros.. 44. 4.3.2 Postes estructurales del ala principal.. 48. 4.4 DISEÑO DE LA UNIÓN ENTRE LOS POSTES Y LA LANCHA. 50. 5. EL MODELO A ESCALA. 54. 5.1 DESCRIPCIÓN DEL MODELO. 54. 5.2 CONSTRUCCIÓN DEL MODELO. 55. 5.3 LA PRUEBA. 56. 5.4 CONCLUSIONES SOBRE LA PRUEBA. 57.

(5) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. 6. CONCLUSIONES. 59. BIBLIOGRAFÍA. 62. LISTA DE ANEXOS. 63.

(6) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. INTRODUCCIÓN. Hoy en día, la necesidad de transportarse de un lugar a otro con mayor facilidad, en el menor tiempo posible y con los menores costos, ha otorgado gran importancia al desarrollo de medios de transporte más rápidos y eficientes, condición que ha obligando a la ciencia y a la ingeniería a llegar hasta sus límites. Actualmente, los desarrollos en las áreas de la aeronáutica y el transporte terrestre han llegado a satisfacer en gran medida las necesidades de la industria y la sociedad, sin embargo, siguen existiendo limitaciones tanto económicas como de infraestructura para su completa cobertura y aplicabilidad en todos los escenarios, y es allí cuando hay que recurrir a medios alternativos. En muchas ocasiones los medios de transporte acuáticos cubren la brecha entre el transporte aéreo y terrestre en situaciones en las que, por costos del servicio o falta de infraestructura, no es posible acceder a ninguno de ellos. Algunas veces no es rentable o es imposible, por dimensiones y peso de la carga transportada, contratar con un servicio de transporte aéreo; en otros casos, es físicamente imposible hacer uso del transporte terrestre por medio de camiones o automóviles por falta de infraestructura vial, como en el caso de un viaje intercontinental, atravesando el océano.. En ciertos casos la única alternativa es acudir a los medios de transporte marítimos. Estos últimos tienen como común denominador las bajas velocidades de desplazamiento y una dependencia de las condiciones climáticas y metereológicas que limitan su operación, razón por la cual, no llegan a reemplazar al medio de transporte aéreo como medio rápido y eficaz de transporte de carga y pasajeros. Sin embargo, cuando se trata de cargas voluminosas y pesadas, hay que hacer, por cuestiones de costos o de limitaciones estructurales, un compromiso entre velocidad y precio, por cuanto no existe una mejor alternativa que un barco carguero. Es obvio que existe la necesidad de desplazarse por el agua, y mediante un correcto manejo del tema del transporte acuático, pueden lograrse grandes beneficios económicos y sociales.. El tema de este proyecto de grado trata precisamente de la optimización y mejora de las condiciones de desplazamiento de embarcaciones de pequeña y mediana escala, para el transporte de pasajeros y de cargas medianas, tanto en mar como en ríos, a través de la modificación de su estructura y principios de funcionamiento. Como propuesta para lograr este objetivo, se plantea la opción de. i.

(7) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. implementar un sistema de hidroalas en embarcaciones convencionales, o por lo menos que se encuentren en producción, para su utilización en las áreas costeras y ríos navegables del país.. Una hidroala es un diseño especial de superficie hidrodinámica que genera sustentación en proporciones significativamente superiores al arrastre. Al formar un arreglo de hidroalas y sujetarlo sumergido por debajo del casco de la embarcación, se logra que por encima de ciertas velocidades de operación, la nave vuele sobre la superficie del agua dejando las alas sumergidas como único punto de apoyo con el agua. Una vez la embarcación está volando, la resistencia al movimiento se reduce dramáticamente, pues las alas que son mucho más esbeltas que el casco, se mueven con mayor facilidad en el agua.. En términos generales, las características y modo de funcionamiento de una de estas embarcaciones son las siguientes: a bajas velocidades funciona igual que cualquier otro barco o lancha sin alas; la embarcación tiene un casco de geometría normal y es impulsado por hélices movidas por un motor a bordo. Las alas van sumergidas a una profundidad mayor que la del casco, y van sujetas a la embarcación por medio de postes estructurales de sección transversal simétrica de perfil alar; a medida que la velocidad aumenta, las alas empiezan a sustentar y el casco empieza a salir del agua. Por encima de cierta velocidad, el casco está totalmente por fuera del agua y el peso de la embarcación recae sobre las alas. En estas condiciones las fuerzas de arrastre sobre la embarcación se minimizan notablemente.. Gracias a la disminución de fuerza de arrastre sobre la embarcación, el consumo de combustible y el requerimiento de potencia para el desplazamiento disminuyen, logrando velocidades más altas y cierto aislamiento del impacto con las olas.. La investigación sobre el tema de hidroalas se remonta a tiempos del siglo pasado, cuando científicos rusos estudiaban la operación de perfiles alares en el agua. Concretamente, a mediados aquel siglo, un ingeniero ruso llamado Rostislav Evgenievich Alekseev1 presentó el estudio “Planing Hydrofoil Boat” al departamento de Arquitectura Naval del Instituto Industrial de Gorky, para obtener su diploma como ingeniero, investigación con la que se sentaron las bases para el desarrollo de esta nueva tecnología. En 1943 fue construido el primer barco experimental con hidroalas, con el cual se llevaron a cabo estudios de estabilidad, maniobrabilidad, confiabilidad y seguridad, al mismo tiempo que se llevaron a cabo. 1. Disponible en: htttp://www.hydrofoils.com, http//:www.foils.com. ii.

(8) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. investigaciones estructurales e hidrodinámicas sobre las alas, operando bajo condiciones reales.. Para ese entonces, era considerada como imposible la construcción de este tipo de embarcaciones en el gremio industrial y gubernamental. Sin embargo, a mediados de los años 50 (siglo XX), el Ministry of River Fleet ordenó a Alekseev la construcción de una de estas embarcaciones para operar como medio de transporte a lo largo de las rutas fluviales de la antigua Unión Soviética. En agosto 25 de 1957 el primer barco con hidroalas, el Raketa #1, hizo su primer recorrido Gorka-Kazan a una velocidad de 60 km/h (tres veces más que la velocidad de cualquier barco convencional de la época).. Con este exitoso resultado, Alekseev inició la creación de una flota de alta velocidad para el transporte de pasajeros que produjo más de 8 modelos diferentes, evento que dio pie a la popularización de este tipo de embarcación, poniéndola a disposición de cualquier negocio de transporte acuático. Rostislav Evgenievich Alekseev fue también quien desarrolló el vehículo conocido como Ekranoplano.. Desde mediados del siglo pasado hasta la actualidad, se han venido haciendo investigaciones y proyectos de desarrollo de numerosas embarcaciones con hidroalas, especialmente para la industria militar en los Estados Unidos y para el transporte de pasajeros en Europa y Australia. Entre los diseños conocidos se encuentran desde barcos con capacidad hasta de 465 toneladas que operan a velocidades de 110 km/h (Sokol, barco de guerra construido en 1977) hasta pequeñas lanchas (Volga) que cargan hasta 2.6 toneladas a velocidades de 65 km/h. Aunque existen desarrollos en el área militar y de competición, la aplicación más típica de este tipo de vehículos es el transporte de pasajeros, cubriendo rutas entre islas en el mar Mediterráneo, operando en vías fluviales entre ciudades como Tallin y Helsinki, en Rusia e inclusive, como atracción turística en el lago Titicaca en Bolivia.. En la actualidad, la aplicación de hidroalas para mejorar las condiciones de operación de una embarcación se hace a pequeña escala con fines deportivos y de competencia, en donde los materiales y procesos de manufactura son de un costo excesivo y absolutamente fuera de contexto para competir en el mercado del transporte convencional, y a mayor escala, en el campo del transporte masivo de carga y pasajeros por ríos y mar.. iii.

(9) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. Hoy, la industria de los ferris rápidos es un negoció desarrollado y competitivo. Es posible encontrar grandes bases de datos como Fast Ferry Info,2 en las que se presenta un amplio listado de todo tipo de barcos con hidroalas (con la caracterización completa de las embarcaciones), poniendo a disposición de los usuarios o compradores, todos los enlaces necesarios para entrar en contacto con distribuidores, fabricantes e incluso con los diseñadores y compañías operadoras en el mundo. La existencia de asociaciones como la International Hydrofoil Society (organización sin ánimo de lucro), que buscan promover y difundir el conocimiento específico en el tema de hidroalas; de empresas como los Flying Dolphins (empresa griega de transporte marítimo entre islas en el mediterráneo) y muchas otras empresas que se sustentan en esta tecnología, es evidencia de la vigencia y la importancia del tema.. Sin lugar a duda, éste es un tema de gran potencial de desarrollo en el contexto nacional, ofreciéndose como oportunidad de formación de empresa y como material de investigación y experimentación a nivel de ingeniería. Con la debida atención por parte de las entidades educativas, este tema se podría desarrollar como tecnología local abriendo nuevos campos de acción de la economía nacional.. Ahora, haciendo referencia al alcance del proyecto, es pertinente tener en cuenta que “al emprender un diseño de una embarcación con hidroalas, los parámetros básicos como altura de vuelo, velocidad máxima de operación y medio de operación serán conocidos con anterioridad. El diseñador se enfrenta con el problema de producir, de este pequeño grupo de números, un diseño que cumpla con todos los requerimientos de velocidad, confiabilidad en el agua y estabilidad, pero que al mismo tiempo ostente la máxima eficiencia posible (máxima razón sustentación/arrastre del sistema)”…”Obtener un sistema que cumpla con los anteriores requerimientos puede parecer una tarea bastante difícil, sin embargo es posible optimizar aproximadamente en cada una de estas áreas, un sistema ya existente”3.. Frente a la tarea de concebir un diseño para solucionar un problema en cualquier área de la ingeniería, se podría decir que el 90% del trabajo se emplea en llegar a una solución que resuelve el problema, y el 10% restante se invierte en el refinamiento de esta solución. Depende de la habilidad del diseñador para asumir el proceso de diseño con practicidad e ingenio, que el 90% inicial llegue a feliz término sin esfuerzos exagerados, produciendo como resultado una solución 2. Disponible en: www.fastferryinfo.com HYDRODYNAMICS OF HYDROFOIL CRAFT SUBCAVITATING HYDROFOIL SYSTEMS. HYDRONAUTICS, Incorporated. Technical report 463-1 from the Bureau of ships, Department of the NAVY. página 2.5. 3. iv.

(10) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. sencilla pero competa de la totalidad del problema que por si misma funcione y sea útil. En términos de esfuerzo, tiempo y presupuesto, completar el 10% restante del trabajo podría ser bastante más complicado y posiblemente las mejorías sean pequeñas.. Por esta razón, en este proyecto se presenta una solución práctica pero muy completa, de cómo debe ser un sistema de hidroalas que reúna todas las características de estabilidad y confiabilidad necesarias en una embarcación de utilización marítima. Posteriormente, este diseño podrá ser optimizado en términos de la eficiencia de los perfiles utilizados para las alas y el correspondiente control sobre la ventilación de sus miembros sumergidos (postes y alas). El enfoque de este diseño es entonces, más que el de obtener una sistema altamente eficiente, el de producir una embarcación que reúna un mínimo de características esenciales para su correcto funcionamiento y confiabilidad, es decir que sea estable, estructuralmente robusta y someramente eficiente.. v.

(11) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. SIGNOS Y CLAVES. σ. Número de cavitación. P. Presión absoluta estática en el punto de interés. pc. Presión de vapor. ρ. Densidad del fluido. U. Velocidad de referencia. 1.

(12) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. 1. MARCO TEÓRICO. 1.1 CAVITACIÓN. “La cavitación se define como el proceso de formación de la fase de vapor de un líquido cuando éste es sometido a presiones reducidas a temperatura ambiente constante. En general, se dice que un fluido cavita cuando se observa la formación y el crecimiento de burbujas de vapor como consecuencia de una reducción en la presión.”4.. Durante la cavitación, el líquido se vaporiza en el momento en el que la presión se reduce por medios hidrodinámicos hasta alcanzar un valor igual al de la presión de vapor a la temperatura ambiente5. El fenómeno de vaporización ocurre también cuando a presión constante se adiciona energía térmica a un líquido, aumentando su temperatura hasta que su presión de vapor iguala la presión ambiente. El resultado por cualquiera de los dos caminos es el mismo (la transición de fase de líquido a sólido), con la diferencia que en el primero se utilizan principios hidrodinámicos y el segundo principios termodinámicos.. Para poder cuantificar el grado de cavitación presente en un fluido o su tendencia a cavitar, se utiliza el número de cavitación (ecuación 1.1) que es un caso especial del coeficiente de presión, y relaciona la presión del sistema cavitante (relativa a la presión de vapor), con la presión dinámica.. σ=. dónde. 4 5. P − pc 1 ρU 2 2. ecuación 1.1. P = presión absoluta estática en el punto de interés pc = presión de vapor. STREETER, Victor Lyle. Handbook of fluid dynamics. New York : McGraw-Hill. 1961. Pág 12-2 Cuando se obtiene una transición de fase como resultado de un cambio de presión por medios hidrodinámicos , un fluido de dos fases compuesto por un líquido y su vapor se denomina flujo cavitante.. 2.

(13) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. ρ = densidad del fluido U = velocidad de referencia La iniciación de la cavitación en un fluido como el agua, tiene lugar en pequeñas burbujas de aire de tamaño microscópico denominadas núcleos. Cuando el fluido es sometido a presiones bajas (como las que se desarrollan al someterlo a tensión), los núcleos empiezan a aumentar su tamaño, transformándose en pequeñas burbujas que al llegar a presiones cercanas a la de vapor, crecen incontroladamente hasta entrar en un estado de inestabilidad e implosionan6. La facilidad con la que un líquido cavita, depende en cierta medida de la cantidad de núcleos presentes en el fluido, que a su vez depende de la cantidad de aire disuelto y de las impurezas tanto sólidas como gaseosas que puedan variar la composición de la mezcla, y con ella su presión de vapor.. Después de la iniciación, los flujos cavitantes pueden estar compuestos de cavidades individuales de naturaleza transiente o de una única gran cavidad sujeta al cuerpo sobre el que se induce la cavitación. En el primer caso, la cavitación representa un problema serio en términos de integridad superficial del cuerpo cavitante (si es un álabe de una turbina o la hélice de un motor marino) pues las presiones locales que se desarrollan durante el colapso de la cavidad, son de tal magnitud que logran erosionar hasta el metal más duro. En el segundo caso, la cavidad es de mayor longitud que el cuerpo (en el caso de una hidroala la longitud de la cavidad puede ser de 3 a 4 veces la cuerda), suficiente como para que el colapso ocurra aguas abajo sin afectar el cuerpo cavitante. Este último tipo de flujo con cavidades cuasi-estáticas, que son largas con respecto al tamaño del cuerpo alrededor del cual se generan, se conoce como flujo supercavitatnte y es el tipo de flujo de interés en el funcionamiento de los sistemas de hidroalas.. 1.2 VENTILACIÓN. “En los flujos supercavitantes las cavidades pueden estar llenas de vapor del líquido que fluye, como en el caso de la cavidad de vapor que se forma cerca y se sujeta al aspa de una hélice que gira muy velozmente dentro del agua, o puede estar llenas de gas foráneo, como en el caso de la cavidad de aire que se forma detrás de un cuerpo romo como consecuencia de la excesiva separación del flujo en sus cambios de sección”7. 6. Para aplicaciones prácticas de ingeniería, se puede asumir que la cavitación ocurre tan pronto la presión del fluido alcance la presión de vapor. 7 STREETER, p 12-24.. 3.

(14) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. Este último tipo de flujo supercavitante se conoce como flujo ventilado y ocurre alrededor de casi todos los componentes sumergidos de un sistema de hidroalas, como el que se propone diseñar en este proyecto. Por tal motivo es de vital importancia profundizar en el tema de las condiciones necesarias para la iniciación de la ventilación sobre cuerpos parcialmente sumergidos, para esclarecer qué efecto tiene sobre sus propiedades. El número de cavitación se considera igual a cero para flujos ventilados.. 1.2.1 Causas de la ventilación “Existe un número de posibles causas que inician la ventilación. Estas causas se pueden dividir en tres grupos: las que producen la ventilación en los postes; las que producen la ventilación en hidroalas parcialmente sumergidas; las que producen la ventilación en hidroalas totalmente sumergidas. La principal causa de ventilación en los postes es el viraje. Cuando una embarcación con hidroalas ejecuta una maniobra de viraje, la nave, y por ende los postes, asumen un ángulo de incidencia con respecto a la dirección de movimiento (ángulo de deslizamiento lateral). El ángulo de ataque resultante del poste es suficiente para provocar la separación del flujo y la ventilación.. En las hidroalas parcialmente sumergidas, la ventilación también puede ser iniciada como consecuencia de las maniobras de viraje, sin embargo no es una causa común debido al ángulo de diedro (ver capítulo 3). La causa más frecuente de ventilación sobre las hidroalas parcialmente sumergidas, son los grandes ángulos de ataque que resultan durante o cerca de la maniobra de despegue, y como resultado de el cabeceo de la embarcación.. La ventilación en las hidroalas totalmente sumergidas, depende de una fuente de aire presente, necesitando la ventilación previa de una hidroala parcialmente sumergida o de un poste. La ventilación en este tipo de ala puede ocurrir también en las puntas del ala, cuando el panel se encuentra volando muy ceca a la superficie libre, tal y como ocurre durante el despegue de la embarcación”8.. 1.2.2 Efectos de la ventilación El efecto más relevante de la ventilación, es la repentina pérdida de sustentación experimentada por las alas cuando una porción o la totalidad de su envergadura se ventila. Cuando la ventilación abarca en su totalidad, una o más hidroalas del sistema, la embarcación puede cambiar de 8. ESTADOS UNIDOS. BUREAU OF SHIPS DEPARTAMENT OF THE NAVY. Hydrodynamics of hydrofoil craft. Subcavitating hydrofoil systems. Hydronautics, Incorporated. Technical report 463-1. Página 3.5. 4.

(15) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. comportamiento inesperadamente. Si la pérdida de sustentación ocurre en una de las alas delanteras de la embarcación, puede provocar que la nariz se clave bruscamente en el agua, o si el ala ventilada hace parte de una pareja de alas, puede provocar la pérdida de estabilidad sobre el eje longitudinal haciendo que la embarcación sea difícil de controlar.. Las cavidades pueden aparecer y colapsar de manera cíclica. Esto puede representar una molestia para los pasajeros y una amenaza para el sistema, por el riesgo de que la frecuencia de formación y colapso de las cavidades entre en resonancia con la frecuencia natural del sistema. El comportamiento cíclico de la vida de las cavidades, se debe entre otros factores, al continuo cambio en la profundidad de operación de las alas, derivado de la naturaleza ondulatoria de la superficie del mar.. A pesar de que la ventilación de un poste no conlleva consecuencias críticas sobre el comportamiento de la embarcación, como si lo hace la de un ala, es recomendable evitarla por todos los medios pues sirve de antesala para la ventilación del sistema completo.. 1.2.3. Mecanismos de iniciación de la ventilación La iniciación de la ventilación se define como “la condición dónde el flujo sobre una hidroala cambia de ser de perfil completamente mojado o parcialmente cavitante, a uno con una cavidad o región estable llena de aire sobre el perfil”9. Los mecanismos de iniciación de la ventilación obedecen tanto a factores geométricos como dinámicos, del flujo y de los cuerpos involucrados. Para que la ventilación se inicie y se mantenga sobre una hidroala, deben reunirse simultáneamente las siguientes cuatro condiciones: 1). Debe existir un área finita de flujo separado, debida a la separación de la capa límite o la formación de una región llena de vapor, que cubra continuamente la envergadura del ala.. 2). La región de separación o región de flujo cavitante, debe ser lo suficientemente amplia como para permitir el paso del aire entrante.. 3). Una vez ocurra la iniciación de la ventilación, las condiciones hidrodinámicas deben ser tales que logren mantener la región ventilada bajo condiciones de operación normal por un periodo finito de tiempo.. 9. Ibid. p 3.6. 5.

(16) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. 4). La presión del aire entrante, debe ser más alta que la de la zona ventilada.. No es claro de la anterior lista, qué parámetro, si geométrico o dinámico, del sistema de hidroalas debe ser controlado o modificado con el fin de impedir en lo posible la ventilación de las alas. Sin embargo a partir de lo que se dice en las condiciones 1 y 2, se puede intuir qué parámetro controlar.. Para reducir el tamaño de la zona de flujo separado de la primera condición, o por lo menos que su aparición esté restringida a condiciones extremas de operación (altas velocidades de desplazamiento y grandes ángulos de ataque), se debe controlar la geometría de los perfiles haciéndola más suave y menos proclive a la separación del flujo. Hay que evitar cambios de sección bruscos y aristas puntiagudas que obliguen a que la causa principal del la separación sea la geometría, o de lo contrario la separación dejará de ser función del número de Reynolds.. Al mejorar la geometría del perfil, se consigue una reducción tanto en el área seccional como en la extensión de la zona de desprendimiento del flujo sobre la envergadura del ala. Esto resulta en un entorpecimiento del flujo de aire entrante, pues se incrementa el diferencial de presión necesario para lograr succionarlo hasta la base del ala.. El control sobre la geometría del perfil consigue reducir el grado en el que se produce la ventilación sobre el sistema, por eso se debe extender a la geometría de los postes también. Con el control de este parámetro se logran mejorías incluso sobre las dos últimas condiciones de la lista de mecanismos de iniciación de la ventilación. Es cierto que una vez que se reúnan todas las condiciones para la iniciación y mantenimiento de la ventilación, la aparición de secciones ventiladas sobre la envergadura de las alas es inevitable, sin embargo, un perfil suave que logre poca separación del flujo, hace que sea más complicado que se genere el escenario adecuado para su iniciación.. En conclusión, con la correcta selección, manufactura e instalación de los perfiles adecuados, el problema de la ventilación se vuelve tema de condiciones de operación a altas velocidades, ampliando el rango de operación bajo la condición de perfil totalmente mojado.. 6.

(17) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. SIGNOS Y CLAVES. CL =. CD =. FL 1 AρV 2 2 FD 1 AρV 2 2. Coeficiente de sustentación. Coeficiente de arrastre. A. Área de sustentación del ala. ρ. Densidad del fluido. V. Velocidad de referencia. FL. Fuerza de sustentación. FD. Fuerza de arrastre. 7.

(18) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. 2. COMPORTAMIENTO DE UNA HIDROALA. Rieles. Base anclaje. Carro móvil. Alas. Figura 2.1. Esquema del montaje. Para poder entrar a diseñar acertadamente las alas para la lancha, es necesario conocer de antemano cuáles son las propiedades reales de una placa plana, volando dentro del agua, a diferentes velocidades y ángulos de ataque. Por eso, dentro del proceso de diseño se incluyó una etapa experimental, en donde a través de un modelo de alas con perfil plano, se midieron experimentalmente los coeficientes de sustentación y arrastre para diferentes condiciones de operación. 8.

(19) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. A falta de un canal de agua para poder llevar a cabo las pruebas, se construyó un montaje experimental (ver figura 2.1) que permitió hacer las mediciones directamente desde una embarcación en movimiento. Por tal motivo, a pesar de las inevitables imprecisiones, los datos obtenidos tienen como valor agregado, el de haber sido registrados bajo las condiciones más reales posibles. A continuación se describe detalladamente tanto la geometría como el funcionamiento de este montaje.. Barra de soporte. Pivote. Postes. 2.1 El MONTAJE Nivel de agua. El ala utilizada para las pruebas fue construida a Arrastre partir de dos platinas de acero estructural (1½ x Alas 3/16 pulgada) de 25 centímetros de largo cada Sustentación una, soldadas en un extremo, con un ángulo de diedro de 10°. Una vez unidas, se les dio un Figura 2.2. Ala de prueba borde de entrada parabólico y un borde de salida en forma de cuña, removiendo material, sólo en la cara superior del ala. El ala se unió, mediante dos postes hechos de la misma platina, (con el borde de entrada parabólico y el de salida cuadrado) a una barra de perfil rectangular de acero (1x2 calibre 16) que sirve como soporte y unión con el resto del montaje. Los dos postes salen ortogonales a cada mitad del ala, a media distancia entre los extremos y el centro de ésta, de tal manera que coinciden con el punto de aplicación de la fuerza de sustentación (ver Eje horizontal figura 2.2).. Figura 2.3. Carro deslizante. El ala va sujeta a un mecanismo que le permite un desplazamiento en el plano vertical, debido a la fuerza de sustentación. Este mecanismo cuenta con un eje o pivote horizontal contenido en un plano vertical, que le permite un movimiento rotacional debido al par generado por la fuerza de arrastre. 9.

(20) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. La figura 2.3 muestra el carro al que va anclada el ala. Un sistema de rieles le restringe el desplazamiento en todos los grados de libertad, excepto en la dirección vertical, permitiendo que la fuerza de sustentación afecte visiblemente el sistema. Un eje montado sobre el carro (pivote al que se fija el ala) restringe todos los grados de libertad salvo la rotación sobre él mismo, permitiendo que la fuerza de arrastre genere un par que produce una visible rotación del montaje de las alas, expuesto en la figura 2.1.. Para neutralizar el peso del carro más el del ala (7 Kg), se puso un resorte de extensión con una precarga que hace que el montaje sea sensible a la más mínima carga aplicada verticalmente (sustentación), haciendo nulo el efecto de las masas de estos elementos.. Los rieles, que son el soporte del carro móvil, van sujetos a la estructura de madera que se expone en la figura 2.1 como “base anclaje”. De esta estructura se sostiene también el resorte, mediante un anclaje móvil que permite ajustarlo a diferentes precargas. La estructura “base anclaje” no es más que un cuartón de madera de construcción, de 25x5x270, el cual es sujetado firmemente a la embarcación, mediante cuerdas. Esta estructura sirve igualmente para sostener el dinamómetro en posición y ubicar las poleas.. 2.2 FUNCIONAMIENTO. En la figura 2.4 se muestra cómo se aplican las fuerzas sobre el montaje para contrarrestar el efecto de las fuerzas de sustentación y arrastre, generadas sobre el ala.. Si el agua entra, como se indica en la figura 2.4, la fuerza de sustentación ejercida sobre el ala provocará un desplazamiento hacia arriba (en la dirección que indica la flecha vertical en la figura 2.3). Durante el vuelo, para lograr halar el conjunto ala-carro hacia abajo y llevarlos a su posición inicial (posición de no sustentación), habrá que aplicar una fuerza igual y en dirección opuesta a la de sustentación. Para llevar a cabo la medición de las fuerzas se utilizó un dinamómetro conectado a un sistema de poleas, que por método nulo (aplicación de una fuerza de magnitud conocida hasta lograr que el desplazamiento lineal o rotacional de un elemento sea nulo) permite calcular las fuerzas de sustentación y arrastre, para las diferentes velocidades y ángulos de ataque utilizados durante el experimento.. 10.

(21) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. TD. T T. FL. TL. Palanca. FD = Fuerza de arrastre TD = Tensión que contrarresta la fuerza de arrastre FL = Fuerza de sustentación TL = Tensión que contrarresta la fuerza de sustentación T = Fuerza aplicada en el extreme libre de la cuerda. V∞ FD. Figura 2.4. Funcionamiento del montaje. En la figura 2.4 las tensiones TD y TL son de magnitud proporcional a las fuerzas de arrastre y sustentación, respectivamente. La fuerza de sustentación se lee directamente en el dinamómetro, pues la relación entre la tensión en la cuerda y la fuerza de sustentación en la palanca es TL=0.5FL (por la relación 2:1 en la palanca), y el dinamómetro lee 2TL (por la configuración de las poleas), dando como resultado TL= Fdinamómetro. Para el caso de la fuerza de arrastre, la componente horizontal de la tensión en la cuerda (TD=Tcos(24°)) debe contrarrestar la fuerza de arrastre. Sin embargo, por una diferencia de brazos 11.

(22) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. entre los puntos de aplicación de la fuerza de arrastre y la tensión con respecto al pivote del ala, resulta que TD= (0.75/0.55)FD. Como resultado, gracias a que el dinamómetro lee 2TD, la relación ente la fuerza de arrastre y la lectura del F ⎛ 0.55 ⎞ dinamómetro queda FD = ⎜ ⎟ cos(24) Dinamometro . 2 ⎝ 0.75 ⎠. 2.3 RESULTADOS DE LAS PRUEBAS. El objetivo principal de las pruebas fue observar el comportamiento de un ala volando dentro del agua, entendiendo cuál es el efecto la ventilación y comparando, tanto cuantitativa como cualitativamente, lo que ocurre en la realidad con lo que se espera, de acuerdo a la teoría.. Dos datos fundamentales fueron obtenidos gracias al experimento: el coeficiente de sustentación y el coeficiente de arrastre para la placa plana a diferentes velocidades y ángulos de ataque. La forma en la que se obtuvieron estos valores fue reemplazando las fuerzas medidas de sustentación (FL) y de arrastre (FD) directamente en las ecuaciones 2.1 y 2.2, respectivamente.. CL =. CD =. FL. Ecuación 2.1. 1 Aρ V 2 2. FD. Ecuación 2.2. 1 AρV 2 2. El área utilizada en esta primera aproximación fue A=(0.0381*0.25)*2=0.019 m^2 que, debido al ángulo de diedro tan pequeño, es aproximadamente la proyección real del ala sobre el plano horizontal. Los coeficientes de sustentación y arrastre marcados como CL(experimental) y CD(experimental) en la tabla 2.1, fueron obtenidos al reemplazar en las ecuaciones 2.1 y 2.2 los datos de entrada ρ = 1000 kg 3 , la m velocidad de referencia (en m/s) y la correspondiente fuerza de sustentación o arrastre medida durante la prueba (Fdinamómetro).. 12.

(23) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. Grupo de datos # 1. Experim. Corregido. Experimental. CL/CD. Velocidad (m/s). 3.10. CL (experimental). 0.47. CL (corregido). 0.62. Angulo efectivo (grad). 4.5. CD(experimental). 0.07. CD(corregido). 0.09. Sustentación (N). 44.1. Arrastre (N). 6.57. C L = 2π sin(α ) 2.5 ° 6.5 °. CL(teórico). Grupo de datos # 2. 0.27 0.71 Experim. Corregido. Experimental. CL/CD. Velocidad (m/s). 3.25. CL (experimental). 0.57. CL (corregido). 0.76. Angulo efectivo (grad). 4.5. CD(experimental). 0.08. CD(corregido). 0.11. Sustentación (N). 58.8. Arrastre (N). 8.21. C L = 2π sin(α ) 2.5 ° 6.5 °. CL(teórico). Grupo de datos # 3 3.10. CL (experimental). Angulo efectivo (grad). 3.5. CD(experimental). Sustentación (N). 29.4. Arrastre (N). 4.10. CL(teórico). Experim. Corregido. CL/CD. 0.31. CL (corregido). 0.42. 0.04. CD(corregido). 0.06. C L = 2π sin(α ) 1.5 ° 5.5 °. 0.16 0.60. Tabla 2.1. Resumen de resultados de la prueba. Analizando lo que en realidad ocurre sobre el ala, se llegó a la conclusión de que por la moderada relación de aspecto l arg o 0.25 del ala r = = ≈ 6.6 cuerda 0.0381 (lejos de ser longitud infinita r → ∞ ), el efecto de la turbulencia generada por los vórtices en las puntas de las alas no es despreciable. En la figura 2.5 se presenta de forma gráfica este análisis.. Figura 2.5. Flujo sobre el ala. 13. 7.164892. 0.27 0.71. Experimental. Velocidad (m/s). 6.71708625. 7.164892.

(24) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. En el centro del ala, las líneas de flujo del agua al pasar sobre el perfil, son paralelas entre sí, dando como resultado, una sustentación uniforme; mientras que al acercarse a los extremos, gracias a la turbulencia y al cambio de la distribución de velocidades sobre el ala, las líneas de flujo se desordenan disminuyendo la sustentación que allí se puede generar. Como modelo aproximado a la distribución de la sustentación sobre media ala, se puede tomar el área roja en el plano perpendicular al ala como la distribución de la sustentación (figura 2.5). Esta distribución obedece al supuesto de que la sustentación está en su valor máximo sobre el ala a partir de tres cuerdas desde el extremo hacia el centro. Bajo este supuesto, es posible corregir el cálculo de los coeficientes CL(experimental) y CD(experimental), introduciendo un área efectiva de sustentación que resulta al remover 1.5 cuerdas de la longitud real del ala. En la figura 2.6 se ilustra el por qué de la sustracción de esta longitud. Con los coeficientes corregidos (CL (corregido) y CD(corregido) en la tabla 2.1) fue posible comparar, más acertadamente, la teoría con los resultados obtenidos en las pruebas.. A 1.5*cuerda. Distribución de sustentación. A. 3*cuerda Media ala Figura 2.6. Corrección de área efectiva. Como se dijo ya en el capítulo 1, las hidroalas, que operan con porciones de su envergadura por fuera del agua cortando la superficie y que van unidas a una embarcación por medio de postes verticales, presentan típicamente el fenómeno de ventilación sobre una porción o en la totalidad de la cara superior del perfil. Si la condición es la ventilación, la teoría convencional de aerodinámica de los perfiles alares no es aplicable directamente, y hay que recurrir a otras fuentes de información (también teóricas pero que consideran esta variación).. Los datos obtenidos durante el experimento fueron tomados bajo condiciones de perfil totalmente mojado y a pequeños ángulos de ataque, razón por la cual fueron comparados con el modelo teórico C L = 2π sin(α ) , que pronostica bajo esas condiciones, el comportamiento de un ala en términos de sustentación. El ángulo efectivo del ala durante las pruebas fue calculado con una incertidumbre de ± 2°, atribuida al pequeño pero existente cambio de inclinación de la embarcación con 14.

(25) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. la variación en la velocidad, y al error aleatorio de la medición con instrumentos convencionales. Con esta incertidumbre se calculó, alrededor del valor del ángulo de ataque calculado, un rango para CL(teórico) en cada grupo de datos (ver tabla 2.1). Se observó que en todos los casos, tanto los coeficientes experimentales como los corregidos, caen dentro del rango calculado.. El ángulo de ataque utilizado para hacer los cálculos teóricos fue el efectivo, el cual se obtiene de sumar al ángulo físico de inclinación de la placa, con el ángulo que forma la cuerda del perfil al trazarse, desde la punta del borde de ataque hasta la punta del borde de salida. Para el caso particular del ala probada, éste ángulo es 3.5° (ver figura 2.7).. Figura 2.7. Ángulo físico de inclinación. 2.4 ANÁLISIS Y CONCLUSIÓN DE LOS RESULTADOS DE LAS PRUEBAS. Durante el cálculo de los coeficientes de sustentación teóricos, se pudo observar una altísima sensibilidad con respecto al ángulo de ataque del ala. Se puede ver que el cambio porcentual es de más del 300% entre los coeficientes de sustentación obtenidos para diferencias de 4 gados. Este factor podría ser determinante en el momento en el que la embarcación esté volando.. Con respecto al comportamiento del ala dentro del agua es posible afirmar lo siguiente:. -. El ala es muy sensible a cambios de rumbo con respecto a la dirección de flujo. Cuando el ala rota sobre el eje normal al plano de la superficie del agua (por ejemplo en un viraje), los postes adoptan un ángulo de ataque con respecto al fluido que favorece notoriamente la iniciación de la ventilación sobre ellos y muy fácilmente, sobre la totalidad de las alas.. -. Los cambios en la profundidad de operación del ala son también iniciadores de la ventilación. Estos cambios pueden ser causados por oleaje o por 15.

(26) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. cabeceo de la embarcación, que por su naturaleza oscilatoria, hacen que la ventilación ocurra de forma intermitente con cavidades que aparecen y desaparecen cíclicamente.. -. La suavidad del perfil de la sección transversal de los postes estructurales que sujetan las alas a la embarcación, es bastante relevante en términos de la iniciación de la ventilación. Los postes fueron siempre los medios de iniciación de la ventilación. De hecho, ellos estuvieron ventilados en cierta porción de su longitud durante casi toda la prueba. Si la geometría del perfil favorece la separación del flujo en el borde de entrada o de salida, será mucho más difícil evitar la ventilación sobre las alas. El perfil de los postes debe ser tal que permita un flujo suave de las líneas de corriente alrededor de ellos y debe ser simétrico, para evitar la aparición de fuerzas de sustentación laterales.. -. La superficie de las alas debe ser lo menos rugosa y uniforme posible. Hay que evitar protuberancias sobre las superficies del ala, por ejemplo en las uniones de la misma con los postes. En el caso del montaje experimental, la soldadura entre los postes y las alas creó siempre una gran cavidad cuando había ventilación.. 16.

(27) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. SIGNOS Y CLAVES. Eslora. Longitud de la embarcación. Manga. Medida transversal de la parte más ancha de la embarcación. α. Ángulo de ataque del ala. CL. Coeficiente de sustentación. C L =. FL. Fuerza de sustentación. A. Área de proyección de las alas. ρ. Densidad del agua. V. Velocidad de desplazamiento de la lancha. La. Longitud de la proyección del ala principal. Lb. Ancho de la lancha a la altura del punto de fijación del ala principal. b. Ancho del ala principal. L fuera. Distancia entre la parte inferior del casco y la superficie del agua. FL 1 AρV 2 2. durante el vuelo. Lsumergida. Profundidad a la que se encuentra la parte inferior del casco con respecto a la superficie del agua cuando la lancha está quieta. dh. Ángulo de diedro del ala principal. σ. Número de cavitación. L D. Razón sustentación/arrastre para un ala. φ. Ángulo de inclinación hacia los costados de la embarcación 17.

(28) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. 3. EL MODELO. 3.1 LA LANCHA. Como objetivo de este proyecto se propuso la construcción de un modelo a escala de una embarcación de fabricación nacional, con un sistema de hidroalas implementado, en el que se incluyan todos los conocimientos adquiridos sobre el tema durante la etapa investigativa y experimental del diseño. Se escogió una lancha que reúne las siguientes características: utilización para trabajo o transporte de tamaño mediano (12 a 17 pies de eslora), liviana, con capacidad para 4 a 6 pasajeros aproximadamente.. Se encontró que lancha que mejor se acomoda a esta descripción es una fabricada en fibra de vidrio utilizada para diversión, transporte y pesca, en lagos, ríos y zonas costeras (no en altamar).. Durante la búsqueda del modelo a utilizar, y ante la necesidad de acceder a información técnica como planos a escala, distribución de peso, centro de flotación, nivel de la línea de aguas y en general, datos necesarios para su caracterización, se contactó directamente a un fabricante que generosamente otorgó esta información. La empresa Durabotes con sede en Bogotá, fabrica lanchas de duraluminio para trabajo y diversión, material que se adecua mucho mejor que la de fibra de vidrio, a las necesidades de este proyecto, pues por un lado, al ser más liviana (una lancha de fibra de vidrio de similares dimensiones es aproximadamente un 30% más pesada) representa una menor carga estructural sobre las alas, y por el otro, el hecho de ser soldable permite fijar firmemente las alas al casco, sin mayores complicaciones.. Durante una visita que se llevó a cabo a la planta, se hicieron mediciones que sirvieron como plantilla para hacer un modelo tridimensional en SolidEdge (figura 3.1). De este modelo se calculó la ubicación del centro de masa de la lancha y se produjeron los planos a escala que se muestran en la página siguiente.. 18.

(29) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. Figura 3.1. Modelo de lancha. 3.2 EL DISEÑO Como se señaló en el capítulo anterior, de la experimentación se pudo concluir que una placa plana, trabajando como ala dentro del agua, se comporta, casi todo el tiempo, como un álabe ideal, es decir, sustentando en cantidades proporcionales a 2π sin(α ) . Sin embargo, se vio también que la continuidad del flujo sobre el ala es muy sensible a cambios en la incidencia de la misma, con respecto al flujo y a cambios en la profundidad de operación, haciendo que con pequeñas variaciones del rumbo y profundidad, se alterne muy fácilmente entre perfil totalmente mojado y ventilado. Como no se puede restringir el funcionamiento del ala a las condiciones de flujo totalmente mojado porque la naturaleza misma del comportamiento de la embarcación lo impide, el diseño de las alas debe ser tal que garantice el rendimiento esperado, incluso al trabajar en condiciones desfavorables (ventilación).. Una vez comprendidas y evaluadas las propiedades de las hidroalas, es necesario incluir como datos de entrada para su diseño, las características dinámicas y estáticas de la embarcación a la cual se van a fijar, al igual que sus requerimientos de estabilidad y su disponibilidad de potencia para lograr así, una adecuada y exitosa implementación del sistema. Según la aplicación y las condiciones de uso de la nave, aparecen diferentes propuestas de diseño que difieren entre sí, no tanto por la forma, pues todas las alas son cuerpos esbeltos y planos, sino por su geometría y su disposición sobre el casco.. A continuación se presenta, como ejemplo, un diseño que además de ser sencillo, ha probado ser muy efectivo.. 19.

(30) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. 3.3 EL AQUAVION. Un diseño comercial de embarcación con hidroalas probado y producido es el de la compañía holandesa Aquavion10. Esta compañía produce una amplia gama de embarcaciones, todas con el mismo sistema de alas, que varía, adecuándose al tamaño y requerimientos de cada embarcación. El sistema consta de tres grupos de alas, cada uno con una tarea particular en el funcionamiento de la nave (ver figura 3.2).. Esquís delanteros (Grupo 2). Amortiguador / estabilizador (Grupo 3). Ala principal (Grupo 1) Figura 3.2. Disposición de las alas. El primer grupo lo constituye el ala principal, encargada de soportar la mayor parte del peso de la embarcación, una vez ésta levanta vuelo. Está ubicada justo atrás del centro de masa y sirve como pivote para la rotación de la embarcación sobre el eje transversal. El segundo grupo corresponde a los esquís delanteros, integrado por dos hidroalas, ubicadas a los costados de la popa, diseñadas para trabajar siempre en condiciones de ventilación. Su función es la de mantener la punta de la embarcación fuera del agua, en todo momento durante el vuelo, garantizando así, que el ala principal tenga siempre un ángulo de ataque positivo. El tercer grupo es el del amortiguador/estabilizador, conformado por un ala de menor dimensión que la principal y con ángulo de ataque cero en vuelo horizontal. Ésta es la encargada 10. Aquavion Holland N.V.. 20.

(31) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. de atenuar la amplitud de los movimientos repentinos de cabeceo producidos por el aumento de sustentación, cuando los esquís delanteros atraviesan una ola, al mismo tiempo que impiden el banqueo de la proa durante las maniobras de viraje.. Ésta es una de las tantas configuraciones posibles de hidroalas en una embarcación, y por ser de gran sencillez y comprobada efectividad, fue escogida como guía para el diseño que se lleva a cabo en este proyecto.. 3.4 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE ALAS. Utilizando el diseño del Aquavion como guía, fue posible dimensionar cada una de las alas, en coherencia con las exigencias particulares, estructurales y de desempeño, de la lancha seleccionada.. 3.4.1 Distribución de pesos y función detallada de las alas. 3.4.1.1 Grupo 1 (ala principal). Es el ala más grande del sistema y debe soportar entre el 80 y el 90% del peso total de la embarcación, una vez ésta levante vuelo. Se extiende de un extremo al otro de la manga por debajo de la embarcación, con un ángulo de diedro que puede variar entre 10 y 40 grados según el diseño. Gracias a su forma en V, el ala puede tener parte de su envergadura dentro del agua y parte de ella por fuera, sin dejar de sustentar (ver Figura 3.3). La porción del ala por encima Figura 3.3. Ala principal o por debajo del agua es regulada automáticamente en busca de un equilibrio de fuerzas en la dirección vertical. Inspeccionando la FL ecuación 2.1 ( C L = ), se ve que la fuerza de sustentación es proporcional 1 2 AρV 2 al área del ala y al cuadrado de la velocidad de referencia.. Si la fuerza de sustentación requerida no varía (es aproximadamente constante en vuelo estable pues es de igual magnitud y signo contrario al peso de la embarcación) y la densidad del agua se toma como constante, un aumento en la velocidad forzaría una reducción en el área, con el fin de mantener la igualdad entre la fuerza de sustentación y el peso. Es por eso que a velocidades bajas, el 21.

(32) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. ala se sumerge para aumentar su área de sustentación (área sumergida) y así, desarrollar la fuerza de sustentación requerida. En el caso opuesto, si la velocidad aumenta, el área sumergida disminuye hasta reducir la fuerza de sustentación, e igualarla al peso de la lancha. La distancia por encima de la superficie a la que llegue la lancha durante el vuelo, será función del tamaño del área sumergida del ala y de la velocidad de referencia de la lancha.. 3.4.1.2 Grupo 2 (Esquís delanteros). Son dos superficies planeadoras que van instaladas en la proa de la embarcación en los extremos del casco. Durante el vuelo, estas alas soportan entre el 10 y el 20% del peso de la embarcación, y su diseño está pensado para que opere en condiciones de ventilación (en este caso, planeando sobre la superficie del agua). Deben ser lo suficientemente robustas como para soportar cambios repentinos de carga, pues la sustentación que generan al planear (ventiladas) es aproximadamente el 20% de la que generan con perfil totalmente mojado, cuando atraviesan una ola a la misma velocidad. La función de estas alas, más que soportar el peso de la embarcación, es mantenerla nivelada y estable, tanto longitudinal como transversalmente. Más adelante se estudia el tema de la estabilidad transversal de la embarcación durante el vuelo y cómo se ven involucrados tanto los esquís delanteros como el ala principal.. 3.4.1.3 Grupo 3 (Amortiguador/estabilizador) Durante un vuelo estable, esta ala no debe soportar ninguna porción del peso de la lancha. Debe estar localizada lo más atrás posible de la embarcación y se debe encuentran sumergida al mismo nivel del ala principal, para evitar que su arrastre genere algún momento con respecto al ala principal. Su función es la de atenuar los movimientos repentinos de la embarcación al cabecear, girar, despegar y acuatizar. Durante un vuelo nivelado (con la embarcación desplazándose horizontalmente), esta ala de perfil simétrico debe tener ángulo de incidencia cero con respecto al flujo y no debe sustentar en ninguna dirección. En caso de que la lancha cabecee, el ala funciona de la siguiente manera: cuando la embarcación se clava de nariz, el ala desarrolla una fuerza de sustentación negativa, que por ser aplicada a cierta distancia por detrás del ala principal (durante el vuelo el ala principal es aproximadamente el centro de rotación de la lancha en el eje transversal), genera un momento en dirección tal, que obliga a que la embarcación levante la nariz. En el caso contrario, tal y como ocurre durante el despegue donde la embarcación levanta mucho la nariz, el ala estabilizadora desarrolla una sustentación positiva que levanta la popa, logrando que la lancha se nivele.. Adicionalmente a los tres grupos de alas anteriormente descritos, el sistema de hidroalas se completa con los postes que las sujetan al casco de la lancha. La función de estos postes es la de transmitir la fuerza de sustentación, desde las alas hacia el casco, manteniéndolas en posición y con una incidencia fija. Además 22.

(33) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. de las cargas axiales (fuerza de sustentación), los postes deben estar diseñados para resistir momentos flectores generados por las fuerzas de arrastre de las alas y de su propia sección, y fuerzas laterales durante los virajes. Por el simple hecho de ir sumergidos en el agua y tener un espesor, los postes ofrecen resistencia al movimiento dentro del agua y son responsables de un porcentaje del arrastre total del sistema11.. El perfil de los postes (la forma de su sección transversal) es simétrico para evitar fuerzas de sustentación laterales que desestabilizan la embarcación, y debe ser cuidadosamente seleccionado para evitar que ofrezca una resistencia excesiva con el agua.. 3.5 DESARROLLO DEL DISEÑO. Basado en la anterior descripción del sistema de hidroalas, se inició el diseño, parte por parte, de cada uno de los componentes del sistema de hidroalas que será instalado en la lancha seleccionada.. El diseño del sistema de alas se orientó hacia la obtención de un algoritmo que permite la implementación de hidroalas en pequeñas embarcaciones, es decir, establecer una secuencia de pasos reproducibles una y otra vez, utilizando como datos de entrada, mediciones simples como el peso de la lancha, la ubicación de su centro de masa y sus dimensiones básicas (puntal máximo, manga, eslora y ubicación del centro de masa).. La estructura del algoritmo es la siguiente: partiendo de unos ángulos de ataque predefinidos para cada uno de los grupos de alas del sistema, con la ayuda del 11. Durante las pruebas llevadas a cabo con el montaje descrito en el capítulo 3, fue posible hacer un estimativo de la fuerza de arrastre por unidad de longitud del perfil utilizado. Como la platina utilizada para la fabricación tanto de los postes como del ala fue la misma (3/8 x 1.5 pulgadas) y la sección transversal en ambos casos es aproximadamente igual, se puede llevado a cabo el siguiente cálculo: Longitud de ala sumergida = 0.5 m Longitud de postes sumergida = 0.1*2 = 0.2 m Longitud total de platina sumergida = 0.5 + 0.2 = 0.7 m Fuerza de arrastre medida durante una de las pruebas = 6.57 N Fuerza de arrastre por unidad de longitud = 6.57/0.7 = 9.38 N/m También de este análisis se puede deducir que los postes son responsables aproximadamente del (0.2/0.7)*100 = 28% del arrastre total sobre el ala principal.. 23.

(34) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. número adimensional para la fuerza de sustentación, se calculan las dimensiones de las superficies sustentadoras según el porcentaje de peso que deben soportar y la velocidad de despegue de la embarcación. La escogencia de los ángulos de ataque se hace bajo el criterio de la mayor razón sustentación/arrastre posible, la cual se obtiene con ángulos pequeños (2 a 10°).. 3.5.1 Ubicación de las alas. A partir de los datos de entrada resumidos en la tabla 3.1, es posible calcular la carga que debe soportar cada una de las alas y cuál debe ser su posición con respecto al centro de masa sobre el eje longitudinal de la embarcación. El 90% del peso bruto es 3531.6 N y el 10% es 392 N cargas que deben ser soportadas por el ala principal y los esquís delanteros respectivamente. Conociendo estas fuerzas es posible calcular las posiciones de las alas en la embarcación haciendo una sumatoria de momentos respecto al centro de masa (ver figura 3.4).. Queremos que. Tabla 3.1. Datos de entrada del problema Dimensiones de la lancha (m) Manga 4,44 Eslora 1,76 Puntal máximo 0,76 Peso de la lancha cargada (N) 3924 sobre el eje longitudinal con. W. R1 = 0.1W. x2. R2 = 0.9W. 1. 2. Haciendo sumatoria de momentos con respecto a 1. x1. ∑M. 1. = W ( x1 ) − 0.9W ( x1 + x 2 ) = 0. De donde se obtiene. x1 =. R1 Esquís. 0.9 x 2 0.1. R2 Ala principal. Figura 3.4. Relación de distancia entre las alas. Entre más alejados del centro de masa estén los esquís delanteros, es decir entré más grande sea x1 en la figura 3.4, más significativo será el momento sobre el centro de masa generado por su fuerza de sustentación y por consiguiente, más efectiva será la reacción del sistema estabilizador de la embarcación (las alas en sí son el sistema restaurador) en el momento de clavar la nariz o de tener que mantener estable la posición horizontal de vuelo. Como la función estabilizadora de los esquís delanteros no sólo actúa sobre el eje longitudinal sino también sobre 24.

(35) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. el transversal, es necesario que la separación entre ellos, a lo ancho de la proa, sea lo más amplia posible, cuidando que queden equidistantes del eje de simetría longitudinal. Por esta razón se limita x1 a una longitud de 1.95 m para garantizar que en el lugar donde se fijen los esquís, haya como mínimo, un ancho sólido de 80 cm que permita su fijación directamente al casco, sin necesidad de extensiones estructurales hacia los costados. Como resultado se obtiene que x 2 = 0.22 m. La ubicación del ala amortiguador/estabilizador debe ser la máxima posible hacia la popa (sin llegar a interferir con la pata del motor fuera de borda) y debe quedar centrada con respecto al eje de simetría longitudinal de la lancha. Para este caso esta distancia es 1.3 m.. Es posible, a esta altura de la discusión, ubicar cada una de las alas de la lancha sobre un plano horizontal, pues ya se conocen sus coordenadas longitudinales y transversales. Sin embargo, esto no es suficiente para caracterizar completamente el sistema, pues falta ubicarlas en dirección vertical, definiendo las profundidades de operación para cada una. Para esto es necesario dar un paso previo en la discusión sobre las dimensiones del ala principal y de su geometría. El área necesaria para lograr desarrollar una fuerza de sustentación igual en magnitud a las reacciones R1 y R2 (figura 3.4) sobre los esquís y el ala principal respectivamente, será función de la velocidad de desplazamiento y del ángulo de incidencia. Esta relación funcional está dada por el número adimensional del coeficiente de sustentación C L (ecuación 2.1).. CL =. FL. A=. 1 ρAV 2 2. FL. 1 ρ C LV 2 2. (En estas ecuaciones el ángulo de incidencia va implícito en el coeficiente de sustentación). Para el caso del ala principal, el área que se considera en los cálculos es la proyección sobre un plano horizontal de su porción sumergida, que como se explicó, es función de la velocidad de desplazamiento, y variará proporcionalmente de acuerdo a la fuerza de sustentación requerida. Como. Lb. b Ala principal. Figura 3.5. Longitud máxima del ala. 25. La.

(36) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. condición de diseño, se decidió que el área máxima de sustentación sea limitada en su longitud por el ancho de la lancha, en el punto de fijación del ala, es decir, si la longitud del ala es La y el ancho de la lancha es Lb , entonces La debe ser como máximo igual a Lb (figura 3.5). Con el fin de disponer de la mayor área sustentadora posible durante el vuelo, se espera que en el momento de despegue de la lancha, el ala principal se encuentre totalmente sumergida y que con cualquier incremento en la velocidad, se produzca una reducción en el área sustentadora por la correspondiente elevación de la embarcación.. La razón por la cual se limita la extensión del ala a una longitud similar a la del ancho del casco, es la necesidad de mantener la totalidad de su envergadura dentro de los límites de la embarcación, para evitar que sus extremos se choquen contra las columnas de los muelles o con otras embarcaciones que puedan estar a sus costados, limitando así la versatilidad de la lancha. Sabiendo que “b”, en la figura 3.5, es igual al ancho del ala principal y que la longitud del área de trabajo estará limitada por Lb , tenemos entonces que b ⋅ Lb = Area del ala y que la única forma de modificar su tamaño es cambiando el ancho. Según las condiciones de diseño definidas hasta el momento, cada embarcación tiene la envergadura de su ala principal definida por las dimensiones mismas del casco.. 3.5.2 Profundidad de operación de las alas. Indiferentemente del ángulo de diedro que se decida dar al ala principal, la restricción de longitud Lb sobre el área de proyección debe ser cumplida. En la figura 3.6 es posible ver cuál es el efecto del ángulo de diedro sobre la profundidad que alcanza el centro del ala con respecto a la superficie. Por ejemplo, entre escoger 10 o escoger 30 grados como ángulo de diedro, la diferencia de profundidades del centro del ala es de 16cm para un Lb de 1.76 m. Aunque a simple vista 16cm pueden parecer poco, éste valor sumado a la longitud de los postes estructurales, da como resultado la profundidad mínima necesaria para que la lancha flote sin tocar el fondo cuando esté quieta. En el caso en el que el lugar de operación sea un río, con seguridad 16cm de profundidad pueden marcar una gran diferencia en términos de navegabiliadad.. Todos los cálculos con respecto a la distribución de peso sobre las alas y la posición de las mismas sobre la embarcación, se hicieron con el fin de lograr que durante el vuelo la embarcación mantenga una posición horizontal estable. Es posible deducir de las condiciones mismas de trabajo de cada una de las alas, cuál debe ser su profundidad de trabajo con respecto a una referencia, si el objetivo es un vuelo horizontal a una altura determinada, sobre la superficie del agua. 26.

(37) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. Lb Lb Superficie Profundidad Area de proyección. b. Area = Lb ⋅. Centro del ala. Lb Figura 3.6. Área de proyección y diferentes ángulos de diedro (En la figura 3.6 el ángulo de diedro es el doble del acotado para cada uno de los casos). Cuando la lancha está quieta, flota porque parte del caso se sumerge y desplaza un volumen de agua proporcional a su peso, estableciendo así, un equilibrio estático de fuerzas (principio de flotación de Arquímedes). La porción que se sumerge del casco depende de su geometría y de su peso, por lo que siempre que la lancha esté quieta necesitará una profundidad mínima para poder flotar sin tocar el fondo. Cuando la lancha echa a andar le debe su flotación, no sólo al volumen de líquido que desplaza, sino también a una componente dinámica derivada del planeo del casco (antes de despegar), y de la sustentación de las hidroalas (durante el vuelo).. En la figura 3.7 se define, en la parte b), la altura de vuelo de la lancha L fuera como la distancia entre la parte inferior del casco y la superficie del agua. En la parte a) se define como Lsumergida , la profundidad a la que se encuentra la parte inferior del casco con respecto a la superficie del agua, cuando la lancha está quieta. La elevación total de la lancha durante el vuelo con respecto a su posición original es la suma de L fuera + Lsumergida , que es igual a la longitud de los postes estructurales de los esquís delanteros, pues en este momento ellos trabajan planeando sobre la superficie del agua.. Como el vuelo debe ser horizontal, la altura de vuelo de la embarcación no podrá ser nunca mayor que la longitud de los postes de los esquís, pues ellos nunca pierden el contacto con la superficie del agua. En el momento en el que la embarcación llega a su altura máxima de vuelo, el ala principal debe estar a una profundidad tal, que le permita proporcionar una fuerza de sustentación igual al 27.

(38) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. porcentaje del peso que le corresponde levantar. La fuerza de sustentación debe ser como máximo la requerida, pues si llega a ser mayor, ocurre como ya se señaló, que el ala se sale del agua para reducir la sustentación, provocando que la lancha se levante desde atrás y clave la nariz. En el caso en el que la fuerza llegue a ser menor, ocurre lo contrario, de tal manera que la lancha se inclina hacia atrás para hundir el ala y obtiene como resultado, un vuelo inclinado hacia atrás, pero sin el riesgo de clavarse violentamente en el agua.. L sumergida a). L. fuera. b). Figura 3.7. Altura de vuelo y profundidad mínima. Entonces, la profundidad a la que se deben fijar los esquís se define en el momento de decidir cuál va a ser la altura de vuelo de la lancha, y la profundidad a la que se fija el ala principal se calcula de tal forma, que garantice un área de sustentación adecuada (área sumergida) desde el momento mismo del despegue, hasta la velocidad máxima de vuelo. Como referencia, se usa la posición vertical del centro de gravedad de la lancha y con respecto a éste, con signo positivo hacia abajo (hacia el agua), se establecen las profundidades.. Para la lancha escogida, la altura del centro de masa con respecto a la parte inferior del casco es 24cm, medida que coincidencialmente es igual a Lsumergida . El diseño obtenido en este proyecto debe operar en ríos o en el mar, en aguas no muy profundas y en aguas dónde el tamaño de ola no supere los 30 cm. Se asignó a L fuera , la longitud del tamaño máximo de ola, para garantizar que, durante el vuelo, el casco de la lancha no entre en contacto con el agua. Vale la pena hacer un llamado de atención sobre la conveniencia de escoger un L fuera que guarde cierta proporción con respecto a las dimensiones de la lancha, pues si se llega a escoger una altura de vuelo muy grande con respecto a la envergadura del ala principal, muy seguramente surgirán problemas de estabilidad con los que no se podrá trabajar. Para el caso en cuestión, L fuera es aproximadamente el 30% de la envergadura del ala ( Lb ).. 28.

(39) DESARROLLO DE UN ALGORITMO PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÒN DE HIDROALAS EN EMBARCACIONES. De acuerdo a lo expuesto en el párrafo anterior, se pueden calcular las profundidades de operación tanto de los esquís delanteros, como del ala principal. La profundidad a la que se deben fijar los esquís delanteros con respecto al centro de masa de la lancha es 0.54 m, que es igual a la distancia desde el centro de masa hasta la superficie del agua durante el vuelo ( L fuera + Lsumergida ). Tan pronto despegue la lancha, la proyección de la porción sumergida del ala principal debe ser la máxima (de largo Lb ), por lo que, el debido al ángulo de diedro, el centro ala estará a una profundidad h con respecto a la superficie, la cual se calcula como L ⎛ dh ⎞ h = b tan⎜ ⎟ (donde dh es el ángulo de diedro). Esta profundidad h, es el punto 2 ⎝ 2 ⎠ de referencia para ubicar el centro del ala principal, y garantizar que durante el vuelo, la distancia desde el centro de masa de la lancha hasta la superficie del agua, será L fuera + Lsumergida a la altura del ala principal. Más adelante, cuando se decida cuál es el ángulo de diedro más adecuado, se calculará el valor definitivo de h.. 3.5.3 Cálculos dinámicos. En este punto es de vital importancia tener claro qué teoría es la más adecuada para el cálculo de los coeficientes de sustentación de una placa plana, moviéndose dentro del agua.. Durante las pruebas que se llevaron a cabo en la etapa experimental del proyecto, las cuales se discutieron en el capítulo 3, se pudo deducir que el comportamiento de una hidroala es bastante similar al expuesto por la teoría del álabe ideal ( C L = 2π sin(α ) ), en donde la separación del flujo ocurre muy cerca del borde de salida del ala, es decir, bajo condiciones de perfil totalmente mojado sin ventilación. Se podría afirmar que la condición de diseño para el sistema de alas es aquella en la que no ocurre ventilación y las alas proporcionan el máximo de sustentación obtenible. Sin embrago, como se observó en el análisis de resultados y conclusiones del capítulo 3, esta condición de perfil mojado es bastante sensible a cambios en el rumbo y la profundidad de operación del ala, razón por la cual, la ventilación debe ser considerada, más como una constante de diseño, que como una eventualidad durante la operación del sistema.. En este orden de ideas, la teoría más adecuada para el diseño de hidroalas es la de perfiles supercavitantes o ventilados. En la figura 3.8 se presentan dos curvas para placas planas supercavitantes, la primera relaciona C L vs. σ ,y la segunda. 29.