DISPOSICIÓN EN TREN DE CUERPOS DE REVOLUCIÓN GIRATORIOS QUE DISMINUYE LA RESISTENCIA AL AVANCE DE LA MISMA DURANTE SU NAVEGACIÓN

DESCRIPCIÓN

La presente invención se refiere a una estructura flotante para transporte conformada por una disposición en tren de cuerpos de revolución giratorios, que disminuye la resistencia al avance de la misma durante su navegación.

Mediante la presente disposición se disminuye la resistencia al avance, constituida por la resistencia por fricción o viscosa, y por la resistencia por presión, también llamada residual o por formación de ola, con respecto a las estructuras flotantes conocidas, logrando ya sea una disminución en el consumo, o el aumento de la velocidad de avance de dicha estructura a consumo constante. Además está prevista la posibilidad de carga en el interior de dichos cuerpos de revolución giratorios.

ARTE PREVIO

El documento US2009/0266288A1 divulga un método para reducir la resistencia a la fricción entre el cuerpo de una embarcación y el agua mediante la emisión de gases en el agua, mediante el suministro de una pluralidad de salidas de gas dispuestas en posiciones predeterminadas debajo de un nivel de agua en la parte delantera o proa de un casco de barco, empujando el casco hacia arriba y así disminuir la densidad promedio del agua en contacto superficial con el casco. El documento JP2001 -1 14185 divulga un método para reducir la presión en el casco de un barco mediante hendiduras muy finas formadas a lo largo de la dirección del flujo del agua de mar en la superficie del enchapado externo de un barco, el cual está sometido a un tratamiento anti-abordaje, por lo cual disminuye la resistencia del casco y previene la adhesión de organismos marinos. El documento JP4959667 divulga un dispositivo para reducir la resistencia a la fricción en un casco de barco capaz de emitir chorros de aire parejos que generen burbujas desde una pluralidad de orificios formados en la parte inferior del barco en la cual se dispone de una cámara de aire.

El documento EP0926060A3 divulga un método para reducir la resistencia a la fricción de un barco con respecto al agua mediante la generación de burbujas inyectando gas al agua a partir de ubicaciones seleccionadas que están separadas a lo largo de la dirección longitudinal mediante distancias específicas.

El documento JP2009-24861 1 divulga un dispositivo para la reducción de resistencia a la fricción de un barco con respecto al agua capaz de cambiar adecuadamente el lugar de la producción de burbujas y la cantidad de las mismas de acuerdo al estado de navegación del barco o el estado del mismo, reduciendo efectivamente la resistencia a la fricción mediante el soplado preciso de burbujas aun cuando existe turbulencia. El documento JP2010-280342 divulga un aparato generador de burbujas finas en un casco para reducir la resistencia a la fricción del fluido formando capas gruesas de agua que incluyan las burbujas finas en la superficie sumergida del casco. Utiliza una bomba capaz de mezclar una gran cantidad de aire en el agua succionada.

El documento JP60-139586 divulga un generador de burbujas para reducir la resistencia a la fricción, interconectado a un cofre instalado en el casco frontal del enchapado inferior de un barco. El documento JP62-268793 divulga un dispositivo para reducir la resistencia a la fricción mediante la disposición de medios de soplado de aire dispuestos en tres capas respectivamente a ambos lados del bulbo de proa en donde la presión dinámica se hace negativa.

El documento US2764954 divulga un aparato para la propulsión de barcos mediante la utilización de una corriente a chorros de aire entremezclado con agua para producir una fuerza de tracción reactiva para propulsar el barco, reduciendo sustancialmente la resistencia a la fricción.

El documento US5575232 divulga un método y un dispositivo para reducir la resistencia a la fricción en un barco mediante la generación de micro burbujas.

El documento US3875885 divulga un sistema de inyección a gas para vehículos marinos en el cual un inyector de gas primario crea un flujo de gas axial por debajo del casco de la nave, un aireador primario se dispone por debajo del casco de la nave para generar un flujo aireado de agua y un segundo aireador, para refinar adicionalmente el flujo aireado, el cual incluye una superficie inclinada para suministrar el efecto de propulsión principal.

El documento US6789491 B2 divulga un método para reducir la resistencia a la fricción de un barco entre el enchapado externo del casco y el agua mediante la inyección de aire y generar, así, microburbujas sobre la superficie de dicho enchapado, debajo de la línea de flotación en el bulbo de proa.

El documento US6186085B1 divulga un método para reducir la resistencia a la fricción de un casco de un barco mediante la inyección de microburbujas de diámetro predeterminado en el agua desde una posición adyacente al punto de inicio de la línea de corriente del agua y desde la posición donde la presión estática sea baja, y las microburbujas son distribuidas por lo menos en una parte del área circunferencial de la porción sumergida del casco, reduciendo así la resistencia a la fricción del mismo mientras navega.

Finalmente, el documento EP0265382A1 del mismo Solicitante, divulga ruedas de flotación que permite el desplazamiento de vehículos acuáticos o lo similar, teniendo las ruedas una conformación esférica con múltiples aspas que se fijan con rotación libre a un eje conectado al casco de un barco, facilitando así el movimiento del mismo. Todos los objetos del arte previo arriba expuestos poseen muchas desventajas entre las cuales se pueden citar que no son eficientes y requieren de mucha energía para llegar a reducir la resistencia a la fricción de una estructura flotante mientras navega. Incluso, en muchos de los casos, la disminución de la resistencia a la fricción es mínima considerando la energía consumida a tal efecto, sin mencionar la complejidad de los dispositivos para provocar dicho efecto.

Esto ha llevado al Solicitante a desarrollar una estructura flotante para transporte conformada por una disposición en tren de cuerpos de revolución giratorios que disminuye la resistencia al avance de la misma durante su navegación, teniendo dichos cuerpos de revolución giratorios una velocidad de giro sincronizada con la velocidad de avance del conjunto, y estando sus ejes longitudinales de rotación dispuestos de manera perpendicular a la dirección de avance de la estructura flotante. Para la presente solicitud, dichos cuerpos de revolución giratorios son preferentemente cilindros de idéntica geometría y dimensiones. Los ejes longitudinales de rotación de dichos cilindros giratorios están vinculados a medios de soporte como por ejemplo horquillas, sobre los cuales se monta una plataforma, quedando dicha plataforma ubicada por encima de dicho tren de cilindros. A dichos cilindros se les otorga un impulso giratorio mediante medios de accionamiento como por ejemplo motores, que están vinculados a dichos ejes longitudinales de dichos cilindros giratorios mediante medios de transmisión como por ejemplo correas, cintas, cadenas o lo similar. Para lograr un efecto óptimo en cuanto a la reducción de la resistencia al avance durante el avance de la estructura flotante, el Solicitante ha descubierto que el calado de dichos cilindros deben ser del orden del 30% de su diámetro. Para lograr que se mantenga dicho calado del orden del 30% del diámetro se debe evaluar la carga total soportada por los cilindros, tanto dentro como fuera de los mismos.

CALADO

Durante la etapa de investigación, tras numerosos ensayos simulados por el sistema CFD con OpenFoam, el Solicitante ha comprobado, como se mencionó previamente, que el calado ideal de un cilindro es del orden del 30% de su diámetro, ya que dicho cilindro girando a velocidad de giro sincronizada con la velocidad de avance del conjunto comparado con el mismo cuerpo sin girar, con dicho calado, puede obtener una reducción de la resistencia al avance de hasta el 50% de la resistencia total, y siendo esta reducción de sólo un 5% cuando el calado es del 50% del diámetro.

SEPARACIÓN ENTRE DOS O MÁS CILINDROS Como se ha mencionado previamente, el Solicitante ha comprobado que la distancia óptima entre dos o más cilindros se obtiene cuando los cuerpos se acercan a aproximadamente un 5% o menos de su diámetro provocando un efecto hidrodinámico de interacción muy significativo, efecto que desaparece cuando se alejan los cuerpos giratorios. EMPUJE DEL CILINDRO DELANTERO DE UNA DISPOSICIÓN EN TREN DE CILINDROS

Con la separación óptima de alrededor del 5% o menos y un calado óptimo del orden del 30% del diámetro de los cilindros giratorios, el Solicitante ha comprobado que el cilindro delantero en una disposición en tren de cilindros giratorios, no solo contribuye a la disminución de la resistencia al avance de la estructura flotante, sino que aporta energía al sistema, lo que se entiende como empuje.

Este fenómeno se logra por efecto de una sobrepresión en dicho cilindro giratorio y el aumento de velocidad del flujo de agua por el perfil sumergido del cilindro. Al estar el cilindro sólo parcialmente sumergido y ya en movimiento rototraslatorio, la sección sumergida encuentra una presión ofrecida por un medio aproximadamente 1000 veces más denso que el aire en contacto con la sección fuera del agua. Dicha diferencia de presiones aporta al movimiento rototraslatorio un empuje coincidente con el sentido de avance del conjunto.

Según los resultados obtenidos del ensayo realizado, un cilindro de 6m de diámetro o eslora, con un calado de 2m de profundidad y 12m de longitud o manga, a la velocidad sincronizada de 3,162m/s (tanto de giro como de avance) aporta un empuje al sistema equivalente a 73,14 HP. GIRO SINCRONIZADO DE TRES CILINDROS, Y SOBREGIRO DESDE EL CILINDRO DELANTERO HACIA EL TRASERO EN UNA DISPOSICIÓN EN TREN DE CILINDROS El Solicitante ha evaluado distintos porcentajes de velocidad de giro en relación a la velocidad de avance del conjunto, observándose una disminución continua de la resistencia al generar un sobregiro en dichos cilindros, como se puede observar en la figura que se detalla a continuación.

Al analizar un conjunto de 3 cilindros giratorios con giro sincronizado también se analizó la variación de velocidad de giro o sobregiro en forma incremental desde el cilindro delantero hacia el trasero, obteniéndose los siguientes resultados:

A) Tres cilindros, giro sincronizado a la velocidad de 1 m/s, la reducción obtenida fue 43% de la resistencia total al avance del conjunto;

B) Tres cilindros, cilindro delantero sincronizado, cilindro intermedio sincronizado y cilindro trasero girando a 2 veces la velocidad sincronizada, la reducción obtenida fue 52% de la resistencia total al avance del conjunto;

C) Tres cilindros, cilindro delantero sincronizado, cilindro intermedio girando a 1 ,5 veces la velocidad sincronizada y cilindro trasero girando a 2 veces la velocidad sincronizada, la reducción obtenida fue del 56% de la resistencia total al avance del conjunto.

Como se puede apreciar, el sobregiro tiene un impacto importante en la resistencia total. Si bien desde el punto de vista del balance energético la elección óptima es la de giro sincronizado a la misma velocidad de avance de la estructura flotante, desde el punto de vista de la necesidad de conseguir un aumento de velocidad de la misma, las demás opciones son muy válidas.

Se ensayaron distintas configuraciones: A) Todos los cilindros girando de manera sincronizada;

B) Solo girando sincronizado el cilindro delantero;

C) Solo girando sincronizado el cilindro trasero; y

D) Todos los cilindros sin girar.

Se ha observado que siempre la mayor disminución, e inclusive el empuje en todos los casos, lo aporta el cilindro delantero.

Sin embargo, cuando se analizó girando únicamente el cilindro trasero e inclusive en el caso de sobregiro, dicho cilindro trasero aporta una reducción de la resistencia total del conjunto del orden del 5%. Como es de esperar, el beneficio de la rotación es progresivo con la escala utilizada. Por eso cada estructura flotante que aplique este método de reducción de energía en su proa y/o popa, deberá ensayar la mejor opción de escala para cada configuración. Una característica adicional de la invención es que cada uno de los cilindros giratorios puede transportar carga en su interior, pudiendo además incluir en su interior un cilindro estático y concéntrico de menor diámetro para transportar dicha carga, logrando entonces un aprovechamiento del volumen y mejorando la relación costo/tonelada transportada.

Los cilindros giratorios no tienen ningún tipo de alas o paletas, siendo su superficie lo más lisa posible.

El efecto de disminución de resistencia al avance es mucho mayor que la resistencia generada por los cilindros en el agua, puesto que se modifica la resistencia por presión, también llamada residual o por formación de ola. La resistencia por presión explica alrededor del 90% de la resistencia total de una estructura flotante, y aumenta de forma exponencial en función de la velocidad.

Más aún, los costos del transporte fluvial y marítimo incluyen tanto el consumo de combustible como todos aquellos costos relacionados al tiempo de transporte, como por ejemplo alquiler diario y tripulación, por lo que con la presente disposición se busca ya sea la disminución del consumo, o el aumento de la velocidad de avance de la estructura flotante a consumo constante. Esto deriva en estructuras flotantes menos contaminantes y más económicas, o bien con menores tiempos de ciclo con su respectivo ahorro de carácter logístico.

Se genera así una relación sumamente eficiente de energía consumida por tonelada de carga transportada y, además, un diseño sumamente estable.

Es entonces objeto de la presente invención una estructura flotante para transporte conformada por una disposición en tren de cuerpos de revolución giratorios que disminuye la resistencia al avance de la misma durante su navegación, caracterizada porque dicha disposición en tren de cuerpos de revolución giratorios está conformada por un cuerpo de revolución delantero, cuerpos de revolución intermedios y un cuerpo de revolución trasero los cuales poseen giro sincronizado con la velocidad de avance de dicha estructura, estando dichos cuerpos de revolución intermedios relacionados entre sí por sus ejes longitudinales de rotación mediante medios de vinculación fijos a una plataforma superior, a la vez que los ejes longitudinales de rotación de dichos cuerpos de revolución delantero y trasero están vinculados a los ejes de rotación de los cuerpos de revolución adyacentes a los mismos mediante medios de articulación, dichos medios de articulación vinculados de manera pivotante a uno de los extremos de medios de regulación de calado, los cuales se vinculan por el otro de sus extremos de manera pivotante a dicha plataforma superior, dichos ejes longitudinales de rotación dispuestos de manera perpendicular a la dirección de avance de dicha estructura y asociados a medios de accionamiento; y estando dichos cuerpos de revolución giratorios separados entre sí por una distancia de aproximadamente 5% o menos de sus diámetros máximos. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La Figura 1 ilustra una vista lateral de un tren de cilindros giratorios de giro sincronizado con la velocidad de avance de una estructura flotante sumergidos un 30% de su diámetro.

La Figura 2 ¡lustra una perspectiva de dicho tren de cilindros giratorios vinculados a medios de accionamiento individuales, en cuyo interior están dispuestos cilindros concéntricos y estáticos para transportar carga. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La Figura 1 ilustra una estructura flotante para transporte 1 conformada por una disposición en tren de cilindros giratorios 2 conformada por un cilindro delantero 6, cilindros intermedios 7 y un cilindro trasero 8, los cuales poseen giro sincronizado con la velocidad de avance del conjunto la estructura flotante. Dichos cilindros intermedios 7 están relacionados entre sí por sus ejes longitudinales de rotación 4 mediante medios de vinculación 5, como por ejemplo barras, fijos a una plataforma superior 12, a la vez que los ejes longitudinales de rotación de dichos cilindros delantero 6 y trasero 8 están vinculados a los ejes de rotación de los cilindros adyacentes a los mismos mediante medios de articulación 10, como por ejemplo brazos pivotantes. Dichos medios de articulación 10 están vinculados de manera pivotante a uno de los extremos de medios de regulación de calado 9, los cuales se vinculan por el otro de sus extremos de manera pivotante a dicha plataforma superior 12. Dichos ejes longitudinales de rotación 4 están dispuestos de manera perpendicular a la dirección de avance de dicha estructura y están asociados a medios de accionamiento (no ilustrados). Asimismo dichos cilindros giratorios están separados entre sí por una distancia de alrededor del 5% del diámetro.

Los medios de regulación de calado 9 mantienen a dichos cilindros giratorios delantero y trasero 6,8 sumergidos en el orden de un 30% de su diámetro durante la navegación y son, por ejemplo, pistones.

Por otro lado dichos medios de accionamiento (no ilustrados) impulsan de manera giratoria a dichos cilindros giratorios 2 y son, por ejemplo, motores, estando dichos medios de accionamiento (no ilustrados) vinculados a dichos ejes longitudinales de rotación 4 de dichos cilindros giratorios delantero, intermedios y trasero 6,7,8 mediante medios de transmisión (no ilustrados) que pueden ser correas, cintas, cadenas, engranajes o lo similar.

Cabe señalar que la superficie de dichos cilindros giratorios 2 es lisa.

La Figura 2 ¡lustra a dichos cilindros giratorios 2 vinculados a través de dichos medios de transmisión 14 a medios de accionamiento individuales 1 1 , en donde el interior de dichos cilindros giratorios 2 es hueco y puede transportar carga en su interior, o puede alojar cilindros concéntricos y estáticos 13 de menor diámetro para transportar dicha carga.

Finalmente, dichos cilindros giratorios 2 tienen capacidad de sobregiro suministrada por dichos medios de accionamiento 1 1.