Ganancias de eficiencia al eliminar el vórtice del eje

Existe una solución hidrodinámica que ofrece múltiples beneficios a los propietarios de buques que enfrentan requisitos regulatorios cada vez más estrictos y costos operativos crecientes, escribe el Dr. Batuhan Aktas*

Un área de las operaciones navales que ha llamado mucho la atención en los últimos años por las posibilidades que representa para la reducción de emisiones es la de la cavitación. Durante las operaciones del barco, la cavitación se produce debido a los vórtices que se acumulan y hacen que las burbujas colapsen debajo de la hélice del barco. Los resultados de este proceso incluyen un aumento del ruido, la vibración y el uso de energía. Esto último es motivo de especial preocupación para los barcos que buscan optimizar su perfil energético.

Los diseños de ahorro de energía existentes para tapacubos de hélice o tapas de saliente incorporan aletas que actúan para mejorar la eficiencia de la embarcación al reducir la cavitación mientras los barcos están en el mar. Sin embargo, el diseño de aletas genera turbulencias y está relacionado con la cavitación cuando se forman burbujas bajo el agua.

En EcoMarine Innovations, una startup apoyada por la Universidad de Strathclyde, nos propusimos abordar estos problemas mientras trabajábamos en un proyecto con un importante fabricante europeo de hélices. Durante esta colaboración, aprendimos que la cavitación es una de las principales causas de las operaciones ineficientes de los buques y representa entre el 3 y el 8 % de la pérdida de eficiencia propulsiva.

Convencidos de que debe ser posible desarrollar una mejor manera de abordar este costo de eficiencia y los impactos ambientales relacionados, estudiamos el diseño de tapas de jefe comúnmente utilizadas en los barcos. En el curso de esta investigación, comenzamos a explorar la idea de diseñar una tapa de jefe que utilice agujeros en lugar de cualquier estructura que pueda causar turbulencias o riesgos operativos. El resultado es el Holy Boss Cap (HBC).

Holy Boss Cap en pruebas.
Imagen cortesía de EcoMarine Innovations

Holy Boss Cap en pruebas.
Imagen cortesía de EcoMarine Innovations

Probando la tecnología

El desarrollo del HBC demuestra la importancia del apoyo a la investigación como el que tenemos en la Universidad de Strathclyde. El producto, que se lanzó en febrero de 2024, elimina la cavitación del vórtice del eje de la hélice, la principal fuente de erosión del timón, y reduce las pérdidas asociadas de eficiencia de la hélice. Sin embargo, una primera versión del innovador diseño "sagrado" no logró ganar tracción porque no era hidrodinámicamente eficiente, ya que los agujeros reducían la eficiencia de la hélice.

El diseño revisado del HBC, que implementamos luego de extensos estudios en asociación con la Universidad, abordó estos problemas con agujeros cuidadosamente colocados y en ángulo perforados en un centro de forma cónica. Los orificios canalizados en el cubo afectan la alta presión en el vórtice del cubo al redirigir el flujo aguas abajo. El remolino de baja presión resultante fluye en dirección opuesta a los bujes convencionales, detrás de las palas de la hélice, lo que reduce la resistencia de propulsión, el consumo de combustible y los costos de mantenimiento.

Para evaluar la efectividad del nuevo diseño, llevamos a cabo pruebas de dinámica de fluidos computacional (CFD) en un típico buque de doble tornillo con soportes en V y un buque costero de carga general de 90 m. Utilizando estaciones de trabajo locales que ejecutan software de optimización paramétrica combinado con software CFD, estudiamos los efectos de variables como el volumen y el perfil de la cámara, el número de orificios y el ángulo de los orificios.

Cuando comparamos el HBC con tapas de jefe más avanzadas y energéticamente eficientes actualmente en funcionamiento, descubrimos que es al menos un 3 % más eficiente. En general, en comparación con las tapas de salientes de hélice estándar, el HBC mejoró la eficiencia de la hélice en un 3,1% y el empuje en un 1,1%, al tiempo que redujo el par en un 2%, la cavitación del timón en un 10% y el ruido inducido por la hélice en 1-3dB. Esperamos que el HBC sea capaz de ofrecer aumentos en la eficiencia de propulsión de hasta un 5%, en comparación con las tapas de los jefes de hélice convencionales.

Estos ahorros potenciales fueron confirmados aún más por una instalación de prueba de túnel de cavitación europea, donde se encontraron ahorros de más del 2,1% a pesar de los desafiantes efectos de escala.

Dados los apremiantes desafíos de reducción de emisiones que enfrenta el sector marítimo, creemos que no es suficiente desarrollar una solución sin garantizar que pueda ampliarse de manera significativa. Después de haber completado con éxito las pruebas de validación en un centro de investigación hidrodinámica en Suecia, el HBC está realizando pruebas de modelos de barcos en cuencas para verificar las ganancias de eficiencia en buques comerciales y navales más grandes. Mientras tanto, la patente del HBC está pendiente, con el apoyo de la Universidad de Strathclyde en el proceso de solicitud de patente.

Imagen cortesía de EcoMarine InnovationsUna solución más sencilla

Mientras desarrollamos el HBC, nos quedó claro que los métodos tradicionales para abordar el desperdicio de energía de los barcos no han logrado seguir el ritmo de las necesidades de la industria ni considerar los impactos más amplios del ruido y las vibraciones bajo el agua. La cavitación de vórtice del eje de la hélice cero puede ayudar a alcanzar los objetivos ESG, EEXI y CII, mejorar la eficiencia y reducir los costos asociados con la erosión del timón inducida por la cavitación. Impulsado por la investigación, el HBC satisface esta necesidad del mercado y contribuye a unas operaciones navales más sostenibles.

La base de nuestros esfuerzos para llevar este producto al mercado es el impulso de encontrar la forma más sencilla de abordar lo que en realidad es un problema muy simple. Lo hemos logrado mediante varios parámetros: la instalación del HBC toma solo de cinco a seis horas, y el producto puede adaptarse o instalarse fácilmente en embarcaciones nuevas. Una vez instalado, el producto se puede mantener durante las visitas rutinarias al dique seco. Además, HBC ofrece CAPEX reducido en comparación con los dispositivos existentes. Gracias a la facilidad de fundición y a la menor cantidad de material necesaria, su fabricación cuesta mucho menos que los actuales bujes de hélice convencionales.

El argumento comercial para los armadores es convincente. Tomando el ejemplo de un buque de 250 metros y un consumo de combustible de aproximadamente 35 toneladas por día, operando durante aproximadamente 240 días al año, y suponiendo un ahorro del 3%, el retorno de la inversión es de alrededor de cinco meses.

Ya hemos recibido un gran interés por parte de propietarios de barcos y fabricantes de hélices y estamos colaborando con socios potenciales para llevar el concepto al mercado.