SECTOR DE LA TÉCNICA. Tecnología marítima e instrumentación oceanográfica.

ESTADO DE LA TÉCNICA.

Los sistemas de fondeos oceanógraficos actuales permiten conocer, mediante sensores adecuados, los parámetros físicos y químicos del mar. En dichos fondeos, para mantener adecuadamente los dispositivos de medición y los equipos auxiliares del mismo, es necesaria la disposición de unas lineas de amarre adecuadas y una o varias boyas (flotadores) que proporcionen la flotabilidad deseada.

La gran mayoría de estos sistemas de fondeo tienen una configuración simple, con un único punto de anclaje al lecho marino, los cuales hacen que se reduzca su coste y sea más fácil la implantación.

Debido a la naturaleza del medio donde se encuentran inmersos estos equipos, existe por tanto un fenómeno que condicionará el éxito o no de dichos fondeos, el arrastre debido a la corriente. Las líneas de amarre se inclinarán en mayor o menor medida, en función de la magnitud de dicha corriente (entre otros factores), provocando errores en las mediciones temporales de las variables oceanográficas.

El diseño de dichos fondeos requiere el estudio de la flotabilidad mínima necesaria para mantener las líneas de amarre rectas en la vertical. Por ello, el grado de inclinación de las mismas es un factor crítico en el error de las mediciones de los instrumentos.

Cuando se alcanzan valores elevados de inclinación, algunos instrumentos comienzan a medir erróneamente o incluso aumentan la incertidumbre en la medición debido a las grandes variaciones verticales. Este efecto se manifiesta especialmente en el fondeo de medidores de corriente (Vidal. J., López, O., and Penagos, G. (2011). Study of a mooring line with a SSBO buoy. Instrumentation viewpoint, 11(69)]. Esta inclinación de las lineas, provocará en consecuencia un desplazamiento (tanto vertical como horizontal) de la boya, denominado "excursión". Dichas "excursiones" horizontales provocan una variación del punto inicial de medición, pudiendo ser ésta de varias decenas de metros. Un caso similar ocurre con las "excursiones" verticales, las cuales producen una variación en la profundidad de los dispositivos.

Las cargas dinámicas en las lineas de fondeo, también son un factor importante a tener en cuenta [Berteaux, H. O. (1976). Buoy Engineering. New York, Maryland: John Wiley & Sons]. Cuando las lineas no tienen gran envergadura, existen grandes cargas dinámicas debidas al oleaje y grandes tensiones estáticas debidas a la corriente. Cuando se incrementa la envergadura de las lineas, se reducen éstas cargas y tensiones, pero a costa de incrementar las "excursiones"'.

Tradicionalmente, los elementos de flotación presentan formas cilindricas o esféricas. El tamaño, la forma y el material de las boyas varian en función a los requerimientos del fondeo y la profundidad de instalación. Este problema de inclinación en las líneas de los fondeos oceanógraficos se ha intentado solventar en diferentes trabajos.

La solicitud de patente US14356794 describe un sistema de recogida de datos oceanográficos, e incorpora una boya principal, que puede flotar y hundirse fácilmente, con forma alargada y cilindrica cuya dirección longitudinal está dispuesta en la dirección del flujo (con el fin de permanecer paralela a la corriente). Esta disposición en la dirección del flujo reduce la presión (arrastre) ejercida por la corriente. Incorpora además aletas estabilizadoras en la zona de popa para facilitar la orientación con la corriente.

La patente US3S90635A utiliza una carcasa aerodinámica para reducir el arrastre, ubicando en el interior una serie de boyas esféricas, y acoplándola a la línea mediante una guia con rodillos. Incorpora una quilla para mantener el trimado horizontal. De manera similar la patente US5707265A, para reducir el arrastre instala cuerpos esféricos flotantes en el interior de una carcasa aerodinámica la cual se une a la línea de fondeo mediante una conexión pivotante, lo que permite a la boya permanecer horizontal cuando la línea de amarre está inclinada. Incorpora un estabilizador trasero para facilitar su correcto alineamiento. Por otro lado, la patente US5007285A describe un sistema de boya de deriva de bajo coste, que incluye una boya de superficie con forma de esfera achatada con el objeto de proporcionar bajo arrastre (minimizando el error en la medida).

La patente US881757482, para reducir el arrastre inducido por la boya sumergida, proporciona a la boya una forma alargada aerodinámica tipo "torpedo" o similar, con una o más aletas que proporcionan estabilidad direccionai. Cabe destacar la patente SU 663621 Al que introduce una forma de boya oceanográfica no convencional, la cual se asemeja a una forma de casco de buque con bulbo de proa.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN.

Los problemas técnicos que se presentan en los sistemas de fondeos oceanógraficos convencionales, vienen determinados por el arrastre de los cuerpos de mayor envergadura (boyas y flotadores) debido a la corriente.

Este arrastre provoca un desplazamiento tanto horizontal como vertical del flotador, con la consecuente inclinación de la linea de fondeo. Debido a que los instrumentos de medición se alojan en dicha línea, esta inclinación condiciona la validez o no de las mediciones, e incluso han provocado importantes errores en diferentes muéstreos, llegando a invalidar los resultados obtenidos.

Por lo tanto, para asegurar el éxito de los datos obtenidos por los dispositivos, existe la necesidad de reducir las inclinaciones de las líneas y los desplazamientos del flotador.

Las boyas tradicionalmente utilizadas en los fondeos oceanográficos, presentan formas cilindricas o esféricas; y su tamaño varia en función a los requerimientos del fondeo y la profundidad de instalación. Estas boyas presentan el inconveniente de que su coeficiente de arrastre es tal que afecta considerablemente en la inclinación y "excursión" de la boya. Con todo lo anterior, la solución ante este problema planteado radica en utilizar boyas con coeficientes de arrastre menores a las boyas tradicionales, las cuales deben aportar obviamente la flotabilidad requerida. La baya oceanógrafica objeto de esta invención, presenta una forma especial que reduce considerablemente la fuerza de arrastre que en ella se produce, en comparación con una boya esférica o cilindrica tradicional. Además, incorpora unos apéndices aerodinámicos, con el fin de aumentar la fuerza de sustentación (fuerza vertical extra), lo que añadido a la fuerza de flotación, hace que el rendimiento de la boya mejore. Estos apéndices incorporan un sistema de orientación con ajuste rápido y sencilla, lo que permite regular su ángulo de ataque en función de las condiciones oceanográficas. Éste ajuste asegura el mínimo arrastre y la máxima sustentación en cada caso.

Estas características hacen que esta boya oceanográfica presente unas ventajas respecto a las usadas tradicionalmente:

- Reducción del arrastre, con la consecuente reducción del desplazamiento vertical/horizontal de la boya.

- Reducción del ángulo de inclinación de las líneas, con la consecuente reducción del error de medición de los instrumentos. - Elimina la necesidad de utilizar grandes boyas esféricas para conseguir la flotabilidad necesaria, reduciendo así 'as grandes tensiones que éstas provocan en las líneas de fondeo.

Gracias a los apéndices aerodinámicos se consigue una fuerza vertical de sustentación que se suma a la fuerza de flotación de la propia boya.

La orientación de los apéndices optimiza el comportamiento de la boya en función de las condiciones oceanográficas.

DESCRIPCIÓN DEL CONTENIDO DE LAS FIGURAS.

Figura 1.- Despiece de la boya oceanográfica propuesta, donde pueden apreciarse los siguientes componentes: 1. Cuerpo central de la boya.

2. Apéndice aerodinámico orientable.

3. Eje.

4. Junta elástica.

5. Junta elástica (arandela). 6. Arandela metálica.

7. Tuerca de apriete metálica.

8. Contratuerca de apriete con argollas de fijación.

9. Agujero pasante.

10. Orificios estancos.

11. Vástagos

Figura 2. Esquema de la boya oceanográfica, donde puede apreciarse la forma de la boya con los apéndices montados.

MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN.

Esta boya oceanográfica está formada básicamente por tres elementos principales; el cuerpo central de la boya (1), los apéndices (2) y el eje (3); además de una serie de elementos secundarios. El cuerpo central de la boya (1), presenta una forma especial que reduce el coeficiente de arrastre. Esta forma, inspirada en el pez luna, puede asemejarse a la forma naval o forma de gota, inspirada en la forma del pez luna, estudiada en multitud de casos hidrodinámicos. El mínimo arrastre de la boya se consigue cuando el eje longitudinal es paralelo a la dirección del flujo y el extremo romo se orienta aguas arriba. La propia boya presenta una zona en el interior para albergar los dispositivos de medida, para no tener que colocar los dispositivos en ¡a linea de fondeo.

Los apéndices (2) son elementos aerodinámicos colocados estratégicamente con el fin de aportar sustentación al conjunto, con el mfnimo arrastre.

La unión del cuerpo central de la boya (1) y los apéndices (2) se realiza mediante una barra rígida (eje) (3), que además de unificar estos dos elementos (1) y (2), se encarga de ser el nexo de unión con la linea de fondeo mediante la argolla de la contratuerca (8), por lo que todos los esfuerzos y cargas transmitidos por la línea serán soportados por este eje (3).

El cuerpo central de la boya (1) presenta un agujero (9) que atraviesa totalmente de un costado a otro. Por este agujero (9) es por donde pasa el eje (3). Cercano a dicho agujero (9), se encuentran unos orificios estancos (10) más pequeños en cada castado. Estos orificios (10) sirven como ubicación del "testigo" (11) para la orientación del apéndice (2); y están claramente marcados con el ángulo de orientación correspondiente en cada caso.

Cada uno de los apéndices (2) presentan un agujero pasante que los atraviesan transversa Imente. Por este agujero es por donde pasa el eje (3). Cercano a dicho agujera en la cara interior, se encuentran dos vástagos (11) que sirven de "testigo" para la orientación del apéndice (2); los cuales se ubicaran en los orificios (10) anteriormente descritos.

El eje (3) presenta en sus extremos un mecanismo de apriete con tuerca (7), arandela metálica (6) y junta elástica (S); junto con un sistema de contratuerca (8) para evitar que el sistema se afloje y quede libre. Entre el cuerpo central de la boya (1) y los apéndices (2), se coloca una junta elástica (4), con la forma del apéndice. Una vez colocados el cuerpo central (1) y los apéndices (2) en su ubicación, apretando levemente cada extremo se consigue hacer firme el conjunto, pudiendo cambiar rápidamente de orientación los apéndices, simplemente aflojando y volviendo a apretar.

APLICACIÓN INDUSTRIAL.

El diseño de esta boya permite utilizarla en los sistemas de fondeos oceanógraficos, garantizando la disminución del arrastre del conjunto y aportando una fuerza vertical extra (sustentación). Gracias a su diseño, el usuario puede orientar de manera rápida y fácil los apéndices y adaptarlos a las condiciones oceanográficas presentes (simplemente aflojando las tuercas de los extremas, colocando los apéndices en el ángulo correspondiente y apretando nuevamente las tuercas). De esta manera, se reducen las "excursiones" y las inclinaciones de las iineas de fondea, disminuyendo considerablemente el error en las mediciones.