Fragata Tipo 26: Sistema de propulsión
La fragata Tipo 26 es ampliamente considerada como el mejor buque de guerra antisubmarina actualmente disponible en el mundo, y un componente clave de su capacidad de detección de submarinos es su sistema de propulsión silencioso.
Cada fragata Tipo 26 cuesta más de mil millones de libras, y gran parte de ese coste se debe a la necesidad de sigilo. La reducción del ruido se logra mediante una combinación de soluciones de ingeniería que incluyen la forma del casco, el diseño de las tuberías y el montaje de equipos en todo el buque sobre soportes resistentes a impactos y vibraciones. Pero, sin duda, el mayor reto es garantizar el funcionamiento silencioso de los motores y la caja de engranajes principal. Las industrias estadounidense y británica ya están construyendo la fragata Tipo 1, que ha marcado un nuevo estándar en buques de guerra furtivos desde su introducción a principios de la década de 23. (En comparación, el Tipo 1990 costaba 23 millones de libras a precios de 130).
El sistema de propulsión preferido para las fragatas Tipo 23, los destructores Tipo 45, los portaaviones Queen Elizabeth y posiblemente otros buques de guerra de todo el mundo es una combinación de turbinas de gas para alta velocidad y generadores diésel que impulsan motores de propulsión eléctricos, aunque la configuración de dicho sistema de propulsión puede variar significativamente.
Se optó por la opción CODELOG (turbina combinada diésel-eléctrica o de gas) para el Tipo 26. En esencia, este sistema solo tiene dos modos de funcionamiento principales. Para alcanzar altas velocidades, la turbina de gas Rolls Royce MT30 transmite la rotación a las hélices directamente a través de cajas de engranajes.
Para velocidades de crucero y inferiores, se utilizarán dos motores de propulsión eléctricos, alimentados por hasta cuatro generadores diésel, mientras que la turbina de gas estará apagada.
En comparación, las fragatas Tipo 23 tienen un sistema de propulsión CODELAG (turbina combinada diésel-eléctrica y de gas) y para alcanzar la velocidad máxima requieren el funcionamiento simultáneo de los cuatro generadores diésel, dos motores de propulsión de 3000 kW y dos turbinas de gas Rolls-Royce Marine Spey con una capacidad de 19500 kW cada una.
De hecho, la planta motriz de las fragatas Tipo 23 era compleja y, en mi opinión, poco práctica de operar. Cuatro generadores diésel producían 600 V con una frecuencia de 61-65 Hz, que luego se dirigían a rectificadores de tiristores controlados, y de estos a los motores de propulsión de CC. Los rectificadores, naturalmente, introducían fuertes interferencias en la red eléctrica. Al parecer, para no preocuparse demasiado por filtrar las interferencias, para abastecer a los consumidores comunes, armas y otras cosas, había dos convertidores de máquinas eléctricas: un motor eléctrico de 600 V hacía girar un generador de 900 kW, que ya producía una tensión normal de 440 V 60 Hz.
Al parecer, después de la experiencia no del todo exitosa con el sistema de energía eléctrica unificado de los destructores Tipo 45, flota Decidí no ser astuto. Al menos con las fragatas.
Imagen digital de las salas de máquinas de la fragata Tipo 26. Los paralelepípedos a cuadros amarillos son generadores diésel, con una turbina de gas entre ellos. El compartimento central es la sala de la caja de cambios, y a la derecha se encuentran los motores eléctricos de propulsión. Hay cuatro generadores diésel, y dos más ocultos en otra parte del barco.
Como los barcos aún están en construcción, no fue posible encontrar fotografías "en vivo".
Turbina Rolls-Royce MT30
La turbina de gas marina MT30 se basa en aviación El motor Rolls-Royce Trent 800, creado para el avión B-777, entró en producción en 1996. Su característica única es su capacidad para operar a plena potencia en un amplio rango de temperaturas del aire de entrada: de -40 a +38 grados. Su potencia permite que una sola unidad acelere un buque con un desplazamiento de 6900 toneladas a al menos 28 nudos.
El MT30 comparte casi el 80% de su diseño con la turbina aerodinámica, lo que lo convierte en la turbina marina más potente del mundo y en un caso de éxito de la ingeniería y la fabricación británicas. El ejemplar número 50 salió de la línea de producción este mes (artículo de septiembre de 2019). El motor es utilizado por las armadas estadounidense, japonesa, coreana e italiana, así como por los clientes de las fragatas Tipo 26 (Australia, Malasia, Nueva Zelanda y posiblemente Turquía han mostrado interés en los buques desde 2019). Las turbinas ya están en servicio en los portaaviones de la clase Queen Elizabeth, y para cuando las fragatas T26 entren en servicio, la Royal Navy contará con una amplia experiencia en su operación.
El MT30 tiene una potencia nominal de 40 MW, pero para las fragatas esta se ha limitado a 36 MW, aunque puede incrementarse fácilmente en un 10 % adicional para adaptarse a posibles aumentos futuros del desplazamiento de los buques con la incorporación de nuevos equipos. El núcleo de la turbina, fabricado con componentes probados que utilizan la última tecnología de refrigeración de álabes, cuenta con un revestimiento protector para evitar la corrosión causada por el aire marino cargado de sal.
Nota: Núcleo de la turbina. Núcleo: según tengo entendido, es la parte principal de la turbina, que incluye el compresor, la cámara de combustión y la propia turbina. Si me equivoco, corríjanme.
La MT30 es una robusta turbina de cuatro etapas que cumple con todas las normas de emisiones vigentes. Ha sido sometida a rigurosas pruebas durante 1500 horas de funcionamiento continuo a una temperatura ambiente de 38 °C. Está alojada en una carcasa acústica para minimizar las vibraciones y el ruido radiado. La carcasa cuenta con protección contra incendios integrada y es fácilmente accesible para el personal de servicio. La operación se realiza de forma remota mediante un sistema digital integrado de control y monitorización, y el mantenimiento rutinario no requiere más de dos horas de trabajo semanales.
El peso de la turbina es de 6500 kg.
Nota: Por supuesto, no se puede instalar una turbina en un barco con esta forma. Debe cubrirse con una carcasa aislante térmica y acústica, tener una entrada de aire y un colector de salida de gases calientes, colocarse sobre una base y añadirle dispositivos auxiliares. De esta forma, se convertirá en un motor de turbina de gas.
El eje de toma de fuerza de salida pasa a través del colector de escape.
Se trata de un motor de turbina de gas en funcionamiento basado en la turbina MT30 del portaaviones HMS Prince of Wales. La turbina incluye el casco y los equipos auxiliares, y pesa aproximadamente 30 toneladas una vez ensamblada. Al ser una unidad con su base de soporte, se puede instalar mediante un solo polipasto (riel amarillo arriba).
Generadores diésel
Para alcanzar la velocidad de crucero (es decir, la velocidad que proporciona mayor autonomía) y a velocidades más bajas, la fragata utilizará dos motores de propulsión eléctricos, alimentados por cuatro generadores diésel. Cada generador diésel consta de un motor MTU 20 M4000B de 53 cilindros y un alternador (no se especifica el voltaje, pero probablemente no sea de 440 V, sino mucho mayor, lo que se denomina media tensión) con una capacidad de aproximadamente 3 MW. La marca MTU forma parte de Rolls-Royce Power Systems y los motores se fabrican en Alemania.
Los generadores diésel también proporcionan la "carga de hotel", que es la energía para todo lo no relacionado con la propulsión eléctrica: los sistemas generales y el armamento del buque. Dado que probablemente se añadirán sensores más potentes y armas de energía dirigida en el futuro, la necesidad de electricidad aumentará, por lo que la planta motriz del buque está sobredimensionada.
El sistema de propulsión diésel-eléctrico ofrece un consumo de combustible muy eficiente. Los cuatro generadores diésel no necesariamente funcionan simultáneamente a plena potencia, sino según sea necesario, lo que garantiza su óptimo funcionamiento. Esto reduce el desgaste del motor y ahorra combustible. Además, proporciona redundancia en caso de avería y la posibilidad de realizar tareas de mantenimiento en alta mar. Los motores diésel marinos modernos son conocidos por su simplicidad y fiabilidad, y según MTU, la serie 4000 solo requiere una revisión general tras cinco años de funcionamiento. Con una potente y de alto consumo de gas, un buque suele pasar mucho más tiempo en modo crucero que en modo sprint.
Al igual que la turbina de gas, los generadores diésel están completamente protegidos por carcasas acústicas. Los motores diésel están montados sobre sus propios soportes elásticos dentro de la carcasa, y el conjunto también está montado sobre fijaciones especiales que lo aíslan del casco del barco. Así es como se ve:
Es especialmente importante que los generadores diésel sean silenciosos, ya que la mayor parte de la pesca submarina se realiza con motores eléctricos a velocidades bajas o medias. Al igual que en el Tipo 23, el par de generadores diésel de popa del Tipo 26 se ubica por encima de la línea de flotación para reducir aún más el ruido transmitido por el agua.
Todos los nuevos buques de guerra de la Marina Real deben construirse desde el principio conforme a las directivas sobre emisiones de la Organización Marítima Internacional (OMI). Los motores diésel estarán equipados con postratamiento de gases de escape de reducción catalítica selectiva (SCR) para neutralizar las emisiones de NO₂. Es probable que se instalen sistemas de refrigeración de gases de escape para reducir las emisiones infrarrojas del buque.
Generador diésel en carcasa acústica y con paneles de acceso retirados en DSEI 2019. Diésel a la izquierda, generador visible a la derecha.
Esta es una imagen colorida de un motor diésel.
Y este es él en la vida real.
El mismo motor, pero con un diseño de 12 cilindros, se instala actualmente en las fragatas T23 durante su modernización, por lo que para cuando las T26 entren en servicio, los mecánicos del buque habrán adquirido suficiente experiencia. El sitio web de MTU indica que el motor cuenta con un sistema de combustible common rail, una potencia nominal de 3015 kW a 1800 rpm, un diámetro de cilindro de 170 mm, una carrera de pistón de 210 mm, un consumo de combustible a potencia nominal de 580 l/hora y un peso de 18 toneladas con generador. La letra V en el marcado indica que tiene forma de V.
Motores eléctricos de propulsión
Son fabricados por GE Marine y llaman a estos motores motores de inducción avanzados.
Nota. El sitio web de GE Marine indica que se trata de motores eléctricos asíncronos de baja velocidad y alta potencia (hasta 40 MW), diseñados específicamente para las necesidades de la Armada. No se explica qué es exactamente "Advance". Entre sus características se incluyen un funcionamiento silencioso, ausencia de vibraciones, capacidad para soportar cargas de impacto y un sistema inversor multicanal integrado Power Conversion VDM25000. Cuentan con un sistema de ventilación cerrado con refrigeración por agua intermedia.
Los motores eléctricos se fabrican con el máximo cuidado y precisión en fábricas especializadas. Hasta hace poco, la fábrica de Rugby (una ciudad de Warwickshire, a 20 km al este de Coventry) corría peligro de cierre, lo que ponía en peligro la seguridad del suministro a todos los clientes del Tipo 26. Una campaña de diputados, sindicatos y otros interesados resultó en que el Ministerio de Defensa realizara un pedido anticipado a la fábrica de los 10 motores restantes para las últimas 5 fragatas. Esto salvó la vital fábrica, que ahora se especializará en la producción de motores eléctricos para la Armada. Se necesitarán 9 motores más para los 15 buques australianos y los 48 canadienses, por lo que la fábrica tiene un futuro prometedor.
Los motores eléctricos de baja velocidad se instalan directamente en línea con el eje y se desconectan de la caja de engranajes y la turbina de gas mediante embragues síncronos. Este embrague automático se desacopla cuando la velocidad del eje principal, impulsado por el motor eléctrico, supera la velocidad del eje de entrada, impulsado por la turbina. Al desacoplar la caja de engranajes en este momento, se reduce aún más el nivel de ruido emitido por el buque.
La velocidad de rotación de los motores eléctricos se regula mediante el convertidor MV3000 fabricado por GE. La tensión de corriente alterna de magnitud y frecuencia constantes procedente de los generadores se rectifica primero y luego se convierte de nuevo en corriente alterna, pero de magnitud y frecuencia variables.
Nota: En principio, se utiliza una tecnología similar, pero sin las complicaciones navales, en rompehielos, gaseros y cruceros modernos, es decir, en buques de propulsión eléctrica. Es cierto que en estos casos pueden utilizar la conversión directa de corriente alterna (CA) a corriente alterna (CA), sin un enlace de CC intermedio.
El MV300 se utiliza ampliamente en la industria, pero se ha mejorado para cumplir con los requisitos de la Armada (no se explican cuáles son). Se basa en tecnologías empleadas por primera vez en los destructores Tipo 45 (la principal causa de los problemas de propulsión del Tipo 45 fueron las turbinas de gas WR21, no el sistema eléctrico).
Nota: ¿Cuáles fueron estos problemas por los cuales toda la flota de T-45 se encontró amarrada al muelle? Quizás lo cuente más adelante.
Caja de engranajes
Así luce su modelo, realizado por David Brown Santasalo, fabricante de cajas de cambios.
La etapa principal transmite la rotación del GTE a dos cajas de engranajes independientes, que transmiten la rotación a los ejes de las hélices. El eje de salida de estribor de la etapa principal está ligeramente descentrado, ya que se requería una transmisión adicional, lo que garantizaba diferentes direcciones de rotación de las hélices de estribor y babor. Si ambas hélices giraran en la misma dirección, se produciría un momento de deflexión, desviando constantemente el rumbo del barco. ¡Matices!
Nota: David Brown Santasalo se posiciona como el fabricante líder mundial de sistemas de transmisión de potencia mecánica, con 300 años de experiencia en este campo. Diseña, fabrica y presta servicio técnico, y cuenta con sucursales en 25 países. La empresa se fundó en 2016 tras la fusión de David Brown y Santasalo.
Las cajas de engranajes se han desarrollado específicamente para la fragata Tipo 26. La compañía las denomina "las cajas de engranajes marinas más silenciosas del mundo" y aprovecha décadas de experiencia y la tecnología de reducción de ruido de las cajas de engranajes submarinas. Todo se fabrica con los más altos estándares para minimizar las imprecisiones que causan vibraciones. Los engranajes más grandes tienen un diámetro aproximado de 3 m, pero los dientes están mecanizados con tolerancias medidas en micras. El resultado es que, incluso a altas velocidades, con la turbina de gas en funcionamiento, la fragata seguirá siendo un buque silencioso, capaz de acercarse rápidamente a un submarino sin ser detectado.
DBS ha construido una instalación dedicada al ensamblaje y prueba de cajas de engranajes marinos en su planta de Huddersfield. El banco de pruebas es capaz de operar las cajas de engranajes a plena capacidad y con carga completa. Cada kit completo se probará antes de su entrega.
Y, finalmente, hélices, es decir, lo que empuja directamente el barco.
Hasta el momento, solo está disponible una imagen computacional de las hélices de la fragata T26.
Así se veían las hélices reales de la fragata T23 HMS Iron Duke cuando estaba en dique seco en 2007
En principio, no hay nada especial que ver aquí. Las fragatas T26 deberían tener algo similar: una hélice de 5 palas, de paso constante, fabricada en aleación de bronce y optimizada para RPM relativamente bajas (no se proporcionan detalles como diámetro, peso, paso de la hélice ni RPM). En realidad, debería ser algo así:
Dado que el sistema de propulsión se instalará en el casco en las primeras etapas de la construcción, muchos de los componentes ya están instalados. Llevan muchos años en desarrollo, y en 2015 se recibieron pedidos de piezas largas para los tres primeros buques. Parte del equipo ya se ha entregado al astillero y se está instalando en el buque líder, el HMS Glasgow. El armamento y los sensores instalados en los buques australianos y canadienses serán significativamente diferentes, pero todos compartirán el mismo sistema de propulsión. El proyecto Tipo 26 consolida la posición del Reino Unido como líder mundial, atrayendo nuevas oportunidades de exportación.
Bueno, así es. Nos saltaremos las diversas explosiones de palabras inspiradas en la publicidad.
Para concluir, aquí se muestran algunos ejemplos de debates sobre el artículo por parte de los lectores, muchos de los cuales parecen tener alguna idea de lo que es servir en un barco:
Me alegra mucho leerlo, me alegra ver que el T1, como plataforma, apoyará la experiencia en guerra antisubmarina (ASW) de la Marina Real. Ahora solo falta un arma antisubmarina (ASROC) que permita a la fragata perseguir objetivos por sí sola.
Respuesta: Sí, sería bastante vergonzoso que se descubriera un submarino 15 minutos después de que al único helicóptero le hubieran quitado el motor para realizarle mantenimiento.
2. Gracias por el artículo, tengo un par de preguntas.
Una de las fotos muestra al HMS Westminster con una hélice nueva y palas de sable. ¿Por qué las hélices siguen siendo de paso fijo y no de paso variable?
Los buques LCS de la Armada de los EE. UU. utilizan hidrojets Rolls Royce. En particular, permiten a los trimaranes alcanzar velocidades superiores a 40 nudos. ¿Cuánto más ruidosos son los hidrojets a baja velocidad en comparación con una hélice?
- Con la posibilidad de que el radar T45 se actualice en un futuro cercano y que el Dragonfire pueda instalarse como parte del sistema CIWS, ¿no sería una buena oportunidad para reemplazar el WR21 con el MT30 al mismo tiempo?
Nota: Dragonfire es un sistema de armas láser desarrollado en Gran Bretaña.
CISW – arma de combate cuerpo a cuerpo.
WR21 – turbinas de gas instaladas en fragatas T23.
Respuesta: Los motores T23 y T26 no requieren una caja de cambios reversible (CPP), ya que modifican su velocidad al variar el voltaje que se les suministra. Además, pueden funcionar en reversa, lo que elimina la necesidad de una caja de cambios reversible o CPP.
- No puedo decir con certeza las características de los chorros de agua, pero no son efectivos en todos los rangos de velocidad.
El WR21 no se puede retirar, ya que sería una tarea de ingeniería compleja. Los problemas del T45 se están solucionando con tres nuevos generadores diésel más potentes.
Respuesta: Una hélice de paso constante puede ser extremadamente silenciosa en un rango de RPM determinado, pero al superarlo, se vuelve mucho más ruidosa que una hélice de paso variable. Se puede afirmar que tanto el T23 como el T26 son muy silenciosos al buscar submarinos, pero muy perceptibles a velocidades más altas.
3. En mi experiencia, las CPP generan mucha vibración debido a la cavitación que se produce con cualquier cambio significativo de paso. Las bombas hidráulicas necesarias para cambiar el paso de la hélice también tienen una molesta tendencia a "silbar" constantemente, lo que amplifica cualquier ruido. Además, existe la posibilidad de fugas en el sello del cubo, lo que requerirá llevar la embarcación a dique seco, lo que implica tiempo y dinero (esto se ve agravado por la exigencia de usar aceites ecológicos y costosos en todas las embarcaciones).
Además, las bombas de aceite de paso (tanto mecánicas como eléctricas) pueden ser bastante ruidosas. Al encender cualquier bomba hidráulica de respaldo, se produce un pico inicial de ruido debido a la acumulación de aire, bombas frías, etc. Con el paso del tiempo, la situación empeora. Todo el sistema necesita refrigeración, ocupa mucho espacio y, por cierto, suele estar por debajo de la línea de flotación.
Sí, los sistemas diésel-eléctricos son un avance. Los motores con convertidor de frecuencia son muy eficientes y se pueden desmontar fácilmente para su mantenimiento. La desventaja es la posibilidad de interferencias de pulsos y el hecho de que los convertidores no consumen potencia reactiva. Algunos generadores ahora requieren protección contra baja potencia reactiva, así como protección contra potencia inversa. (Los expertos en electricidad lo entenderán).
Los variadores de frecuencia existen desde hace más de 20 años y Rolls Royce es líder mundial en este campo.
De hecho, estuve en Leanders y estaban sorprendentemente tranquilos para esa época.
Respuesta: La interferencia de frecuencia armónica es un problema que puede solucionarse con un diseño cuidadoso, pero aun así existen matices. El LPD presentaba problemas de armónicos de frecuencia muy extremos. Esto limitó la potencia disponible para los sistemas de armas que requieren una frecuencia estable durante un tiempo hasta que se implementó una solución de diseño.
Nota: LPD – aparentemente se refiere a un muelle de desembarco y transporte. Se encuentran en las armadas británica, estadounidense y de otras partes del mundo. No está claro a qué buques se refiere.
4. Gracias por un artículo bien investigado y (tengo) varios comentarios:
Una sola turbina [MT30] puede proporcionar a un buque de 6900 toneladas una velocidad de al menos 28 nudos, aunque BAE no afirma que 6900 toneladas sea un desplazamiento ligero, y los australianos afirman que el Hunter tendrá 8000 toneladas a plena carga y 8800 toneladas al final de su vida útil, lo que representa el aumento típico del 10 % en el desplazamiento a lo largo de la vida útil del buque. El único requisito de BAE es una velocidad superior a 26 nudos, pero esto depende del desplazamiento real en ese momento.
No se mencionó en ningún momento la potencia de los motores eléctricos del T26. Las fragatas alemanas F7200 de 125 toneladas utilizan dos motores eléctricos Siemens de 4,7 MW cada uno, mientras que los buques FREMM italianos de 6700 toneladas utilizan dos motores eléctricos de 2,1 MW cada uno. Esto proporciona velocidades de unos 20 y 16 nudos respectivamente, lo que parece una regla general: por cada 4 nudos de aumento de velocidad, se necesita el doble de potencia. Hasta que no se especifique la potencia de los motores eléctricos, no se comprenderá la velocidad que alcanzará el T26 en modo eléctrico.
Nota
1. El desplazamiento en "ligero" es el peso de un buque completamente vacío, con todo el equipo y los mecanismos, pero sin combustible, agua, municiones ni tripulación; sin nada en absoluto. De hecho, Wikipedia, hablando de la fragata líder T26 "HMS Glasgow", da una cifra de 6900 toneladas, sin especificar cuál es, y 8000 toneladas como desplazamiento completo.
2. "Hunter" - fragatas australianas construidas sobre la base del proyecto T26.
3. FLD y EOL: desplazamiento en diferentes condiciones. FLD = Desplazamiento a Plena Carga, es decir, lo que podríamos llamar «desplazamiento completo». El barco con todo lo necesario para realizar sus tareas, incluso con el equipaje de la tripulación. EOL: No estoy seguro, pero probablemente significa «Fin de Vida», a juzgar por el contexto.
4. En cuanto a la potencia de los motores eléctricos de propulsión, podría calcularse aproximadamente utilizando la misma fórmula empírica si se especificara la velocidad de crucero. Sin embargo, esta no se encuentra en ninguna parte.
Y así sucesivamente. Hay varias páginas de debates; son interesantes en sí mismas, pero te cansarás de traducirlo todo.
Gracias por su atención.
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