Seleccionar la propulsión de un velero oceánico no consiste simplemente en elegir un motor que tenga suficiente potencia. En un proyecto naval, debemos analizar el conjunto completo: hélice, línea de ejes, bocina, apoyos, reductora y motor, verificando que todos los componentes trabajen de manera compatible.
En este artículo continuamos con el diseño de nuestro velero oceánico de aproximadamente 15 metros de eslora y 20 toneladas de desplazamiento, analizando paso a paso la propulsión de un velero oceánico.
El objetivo es determinar qué potencia necesitamos, cuánto perdemos en la línea de ejes y, finalmente, qué características debe tener el motor propulsor.
Del cálculo de resistencia a la hélice
En capítulos anteriores determinamos la resistencia al avance de nuestro velero para diferentes velocidades.
Para la condición de diseño que estamos utilizando, correspondiente a una velocidad de 9 nudos, adoptamos aproximadamente:
| Parámetro | Valor |
| Velocidad de navegación | 9 kn |
| Resistencia al avance | ≈ 14 kN |
| Potencia absorbida por la hélice | ≈ 141,3 kW |
| Régimen de la hélice | 1200 rpm |
| Diámetro de hélice adoptado | 26″ |
| Número de palas | 4 |
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Esta potencia de 141,3 kW es la que debe absorber la hélice en las condiciones de funcionamiento consideradas.
Pero todavía no significa que el motor tenga que entregar exactamente 141,3 kW.
Entre el motor y la hélice existen diferentes componentes que producen pérdidas.
Por eso, debemos estudiar toda la línea de transmisión del sistema de propulsión de un velero oceánico.
La línea de ejes
Nuestro sistema de propulsión está compuesto, de manera simplificada, por:
MOTOR → REDUCTORA → EJE → APOYOS → BOCINA → PATA DE GALLO → HÉLICE
Cada uno de estos elementos debe cumplir una función específica y, al mismo tiempo, introducir la menor pérdida posible.
La pata de gallo
La pata de gallo sostiene y guía el eje en la zona próxima a la hélice de nuestro sistema de propulsión de un velero oceánico.
Aunque su función principal es estructural, también debemos considerar su influencia sobre el flujo de agua y las pérdidas asociadas.
Por eso, al realizar el balance de potencia, no podemos considerar que toda la potencia que sale de la reductora llegue íntegramente a la hélice.
La bocina
La bocina permite que el eje atraviese el casco manteniendo la estanqueidad.
En nuestro diseño consideramos un sistema con:
- tubo de bocina;
- cojinete de apoyo;
- lubricación adecuada;
- sistema de sellado;
- prensaestopas o sistema equivalente.
El cojinete debe permitir que el eje gire con seguridad durante largos períodos de funcionamiento, mientras que el sistema de sellado debe impedir la entrada de agua al interior de la embarcación.
También en esta zona existen pérdidas mecánicas que debemos incorporar al cálculo general.
Eje propulsor
Uno de los problemas que encontramos en nuestro sistema de propulsión de un velero oceánico es que tenemos una línea de ejes relativamente larga.
La distancia desde la bocina hasta el motor es aproximadamente de 5 metros.
Esto hace que no sea suficiente verificar solamente el diámetro del eje por resistencia a la torsión.
También debemos estudiar su comportamiento dinámico.
¿Por qué necesitamos apoyos intermedios?
Un eje largo puede comportarse como una viga giratoria.
Si su velocidad de rotación coincide o se aproxima a alguna de sus frecuencias naturales, pueden aparecer fenómenos de vibración importantes.
Por esta razón analizamos:
- rigidez del eje;
- momento de inercia;
- masa;
- frecuencia natural;
- velocidad de giro;
- ubicación de los apoyos.
Después de realizar este análisis adoptamos dos apoyos intermedios auto entrantes a rulemán, además de los apoyos propios de la instalación.
Estos apoyos permiten dividir la longitud libre del eje y mejorar considerablemente su comportamiento dinámico.
El diámetro del eje
Para nuestro diseño llegamos a un diámetro del orden de 65 mm, utilizando como referencia un acero inoxidable apropiado para ejes propulsores, como el AISI 316, sujeto a la posterior verificación con el material y las condiciones definitivas de fabricación.
El diámetro definitivo no debe establecerse únicamente por una fórmula de torsión.
En una instalación real también debemos verificar:
- resistencia mecánica;
- torsión;
- flexión;
- fatiga;
- velocidad crítica;
- corrosión;
- concentración de tensiones;
- condiciones de apoyo;
- características del acoplamiento y la hélice.
¿Cuánta potencia se pierde en la línea de ejes?
Esta es una de las preguntas más importantes de todo el cálculo.
La hélice necesita aproximadamente 141,3 kW, pero el motor debe entregar una potencia mayor porque existen pérdidas entre ambos.
Consideramos las pérdidas producidas por los distintos elementos de la instalación de nuestra propulsión de un velero oceánico:
| Componente | Pérdida considerada |
| Pata de gallo | ≈ 0,086 kW |
| Bocina y cojinete | ≈ 0,048 kW |
| Sistema de sellado | ≈ 0,044 kW |
| Apoyos intermedios | 0,15 kW |
| Línea de ejes | incluida en el balance |
| Reductora | incluida en el balance |
| Pérdida global estimada | ≈ 7,3 % |
Por lo tanto, para esta etapa preliminar podemos considerar una eficiencia global aproximada del: η ≈ 92,7 %
Si partimos de los 141,3 kW absorbidos por la hélice, la potencia necesaria aguas arriba de la transmisión resulta aproximadamente: P ≈ 141,3 / 0,927 ≈ 152,4 kW
Este valor es una estimación de ingeniería preliminar. Cuando se seleccionen componentes comerciales concretos, deberemos reemplazar las eficiencias estimadas por los datos proporcionados por sus fabricantes para nuestra propulsión de un velero oceánico.
Selección del motor propulsor para la propulsión de un velero oceánico
Aquí aparece una cuestión que considero especialmente importante desde el punto de vista del diseño naval para la propulsión de un velero oceánico.
Podríamos decir simplemente:
“Necesitamos aproximadamente 152 kW, por lo tanto, buscamos un motor de 152 kW.”
Pero ese procedimiento no sería suficiente.
Un motor marino no trabaja necesariamente de manera óptima cuando funciona permanentemente cerca de su potencia máxima.
Por eso adoptamos como criterio de diseño que la potencia requerida represente aproximadamente el 80 % de la potencia nominal del motor.
Tomando como referencia una potencia de aproximadamente 146 kW para la comparación de las curvas de los motores:
P nominal ≈ 146 / 0,80 = 182,5 kW
Esto equivale aproximadamente a:
182,5 kW × 1,341 ≈ 245 HP
Por lo tanto, estamos buscando motores de aproximadamente 245 HP o una potencia nominal próxima, aunque la selección definitiva dependerá de sus curvas de funcionamiento y de la transmisión disponible.
No alcanza con conocer los caballos de potencia
Para seleccionar correctamente el motor debemos observar sus curvas.
La pregunta que nos interesa responder es: ¿A qué régimen de revoluciones entrega cada motor la potencia que necesitamos?
Para ello trazamos una línea horizontal sobre la curva de potencia correspondiente a nuestra potencia de referencia.
Cuando esa línea corta la curva del motor, bajamos verticalmente hasta el eje de revoluciones.
De esta manera obtenemos el régimen del motor necesario para entregar nuestra potencia de diseño.
Motores seleccionados
| Yanmar 4LV250 | Hyundai S270S | Volvo Penta D4 | Cummins B4.5 |
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En nuestra comparación obtuvimos aproximadamente:
| Motor | Régimen | Consumo aproximado |
| Yanmar 4LV250 | ≈ 2450 rpm | ≈ 18 L/h |
| Volvo Penta D4 | ≈ 2600 rpm | ≈ 25 L/h |
| Hyundai S270S | ≈ 2450 rpm | ≈ 32 L/h |
| Cummins B4.5 | ≈ 3000 rpm | ≈ 36 L/h |
Estos valores corresponden a la lectura de las curvas utilizadas en nuestro análisis y deben verificarse posteriormente con la documentación técnica definitiva de cada fabricante.
El consumo de combustible también importa
Dos motores pueden entregar exactamente la misma potencia y, sin embargo, hacerlo a diferentes regímenes y con diferentes consumos de combustible.
Estos valores representan consumo horario de combustible, expresado en litros por hora, según las curvas que estamos utilizando.
No debemos confundirlos con el consumo específico de combustible, que normalmente se expresa en g/kWh.
El objetivo de esta comparación es mostrar algo fundamental: la potencia por sí sola no alcanza para seleccionar un motor.
También debemos conocer en qué régimen entrega esa potencia y cuál es su comportamiento económico en ese punto.
La reductora: unir el motor con la hélice
Nuestra hélice gira a aproximadamente: 1200 rpm
Pero los motores considerados trabajan a regímenes superiores.
Por lo tanto, necesitamos una caja reductora marina.
La relación de reducción se obtiene mediante:
i = n motor / n hélice
Por ejemplo, si un motor entrega la potencia requerida a 2450 rpm:
i = 2450 / 1200 ≈ 2,04 : 1
Para un motor que necesita girar a 3000 rpm:
i = 3000 / 1200 = 2,50 : 1
Esto demuestra por qué el motor y la reductora no deberían seleccionarse independientemente.
La elección del motor determina el régimen de entrada de la reductora, mientras que la relación de reducción debe llevar ese régimen hasta las aproximadamente 1200 rpm que necesita nuestra hélice.
El verdadero objetivo es observar cómo interactúan:
potencia + régimen + consumo + reductora + hélice
y comprobar que el conjunto sea compatible con las condiciones de navegación previstas.
El sistema debe analizarse como un conjunto
Después de todos estos cálculos podemos comprender mejor por qué el sistema de propulsión de un velero oceánico no debe diseñarse como una colección de componentes independientes.
Tenemos:
MOTOR
↓
REDUCTORA
↓
EJE PROPULSOR
↓
APOYOS INTERMEDIOS
↓
BOCINA Y SISTEMA DE SELLADO
↓
PATA DE GALLO
↓
HÉLICE
Cada elemento afecta al siguiente.
La hélice determina el régimen y la potencia que necesitamos.
La longitud del eje condiciona sus apoyos y su comportamiento dinámico.
La reductora debe adaptar las revoluciones del motor a las de la hélice.
Y el motor debe ser capaz de entregar la potencia requerida trabajando en un régimen adecuado.
¿Qué hemos conseguido con este cálculo?
Partimos de una necesidad concreta: propulsar nuestro velero oceánico a aproximadamente 9 nudos. A partir de allí:
- Determinamos la resistencia al avance.
- Calculamos el empuje necesario.
- Seleccionamos una hélice de aproximadamente 26 pulgadas.
- Determinamos la potencia absorbida por la hélice.
- Analizamos la línea de ejes.
- Dimensionamos el eje propulsor.
- Estudiamos la necesidad de apoyos intermedios.
- Analizamos la frecuencia natural del eje.
- Estimamos las pérdidas de potencia.
- Determinamos la potencia que debe entregar el motor.
- Comparamos diferentes motores comerciales.
- Analizamos sus regímenes de funcionamiento.
- Comparamos sus consumos.
- Calculamos las relaciones de reducción necesarias.
De esta manera pasamos de una necesidad de navegación a una instalación propulsora técnicamente coherente.
Una consideración importante sobre el diseño
Todos estos cálculos corresponden a una etapa de diseño preliminar.
En una ingeniería de detalle deberán verificarse los valores mediante la documentación definitiva de cada componente y, cuando corresponda, mediante cálculos estructurales, vibratorios y de clasificación.
También deberán considerarse las características definitivas del casco, la hélice, el motor, la reductora, los cojinetes, el sistema de sellado y las condiciones reales de instalación.
El objetivo de este proyecto no es simplemente encontrar un número de caballos de potencia.
Es aprender cómo se relacionan todos los componentes de una instalación propulsora naval.
Conclusión
Seleccionar el sistema de propulsión de un velero oceánico requiere mucho más que elegir un motor potente.
Debemos comenzar por la resistencia del casco y continuar hasta la hélice, pasando por toda la línea de transmisión.
En nuestro caso, para navegar a aproximadamente 9 nudos, llegamos a una hélice de 26 pulgadas que trabaja alrededor de 1200 rpm y absorbe aproximadamente 141,3 kW.
A partir de allí analizamos las pérdidas de la instalación y llegamos a una potencia de motor del orden de 146–152 kW según la etapa y el criterio de cálculo utilizado.
Finalmente, la comparación de las curvas de diferentes motores nos permite observar que una misma potencia puede obtenerse a diferentes regímenes y con diferentes consumos.
Por eso, el motor no se selecciona solamente por sus HP.
Se selecciona considerando todo el sistema de propulsión de un velero oceánico.
Y ese es, justamente, uno de los aspectos más interesantes del diseño naval: cada decisión que tomamos termina afectando a las siguientes.
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