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sábado, 12 de octubre de 2024

Ciclo de un motor marino de dos tiempos diesel

Los motores lentos fabricados actualmente se caracterizan por operar en el ciclo de dos tiempos diésel, con barrido uniflujo con válvulas de escape en culata, turbosoplante y enfriador de aire de admisión.

El ciclo de dos tiempos se realiza en dos carreras, es decir cada ciclo dura una vuelta, 360º de giro de cigüeñal, cada vez que el pistón llega al PMS (punto muerto superior) se produce la inyección y combustión en el interior del cilindro, por tanto el árbol de levas que comanda las válvulas de escape y bomba de inyección debe girar a las mismas revoluciones que el cigüeñal.


 En los motores modernos la admisión de carga fresca (aire) es por medio de lumbreras localizadas en la parte baja del cilindro, mientras que la evacuación de los gases quemados es por medio de una única, pero de gran tamaño, válvula de escape de accionamiento hidráulico y situada en la culata de cada cilindro, el sistema se conoce como barrido uniflujo y proporciona una buena eficacia de barrido en motores con carreras del émbolo largas y ultra largas. El aire entra por la parte inferior del cilindro, atravesando las lumbreras con una orientación determinada, aplicando al aire una elevada velocidad tangencial que hace que ascienda describiendo una trayectoria helicoidal. De esta forma se llenan muy bien los espacios dentro del cilindro y se evita que queden restos de gases quemados. 
 
El ciclo de dos tiempos diésel en los motores lentos modernos se realiza de la siguiente forma; Comenzando el ciclo con el pistón en el PMI (punto muerto inferior), este inicia su carrera ascendente cerrando primero las lumbreras de admisión de la camisa del cilindro y posteriormente la válvula de escape en culata, empezando la fase de compresión, que se inicia en este punto con una sobrepresión de 2 bar (carga de las turbosoplantes) y finaliza la fase de compresión en las inmediaciones del PMS (punto muerto superior) con una presión de aproximadamente 100 bar (presión de compresión). El aire se calienta por efecto de la compresión desde aprox. 50º C (a la salida del intercooler) hasta 650º C (temperatura final de compresión). Justo antes del PMS comienza la inyección de combustible, que se introduce finamente pulverizado en el interior del cilindro y se inflama al contacto con el aire caliente. Durante la combustión la presión sube aproximadamente a 150 bar (presión máxima de combustión) y la temperatura sube hasta 1500º C (temperatura máxima de combustión). En el curso de la combustión se realiza la carrera de trabajo, y la presión dentro el cilindro empuja el pistón hacia abajo. La presión y temperatura bajan rápidamente conforme se van expansionando los gases dentro del cilindro. Cuando el pistón se aproxima al PMI se abre en primer lugar la válvula de escape, siendo en ese instante la presión dentro del cilindro de aproximadamente 4 bar y los gases han reducido su temperatura a unos 600ºC. Una vez abierta la válvula de escape la presión cae rápidamente empezando la evacuación de los gases de escape, la presión en el colector de escape es de aproximadamente 2 bar y la temperatura 375º C. Mientras tanto el pistón sigue su carrera descendente y descubre las lumbreras de admisión, que permiten que el aire de carga a presión penetre en el interior el cilindro desplazando a los gases quemados en un proceso conocido como barrido. Llegado el pistón al PMI se inicia un nievo ciclo.
 
El barrido uniflujo es el más eficiente para realizar la renovación de la carga en motores lentos de dos tiempos, minimizando las pérdidas por cortocircuito (short-circuit) y mezclado (mixing). El cortocircuito consiste en que parte de la carga de aire fresco es expulsada directamente al escape dejando volúmenes de gases quemados si barrer dentro del cilindro. El mezclado consiste en que hay una pequeña cantidad de gases de escape residuales que permanecen atrapados sin ser expulsados dentro del cilindro, los cuales se mezclan con parte de la carga de aire fresco. Actualmente, debido a la tendencia de utilizar relaciones carrera/diámetro cada vez más elevadas (valores superiores a 4), se hace indispensable utilizar el método de barrido uniflujo en motores de dos tiempos lentos.
 
Los motores convencionales con distribución por árbol de levas, como los tipos MAN B&W MC, Wärtsilä-Sulzer RTA y Mitsubishi UEC, cuentan con un diagrama de distribución asimétrico, lo cual se consigue al estar la fase de escape gobernada por una válvula situada en la culata y comandada por un árbol de levas, mientras que la fase de admisión se realiza por medio de las lumbreras de carga, que son gobernadas por el pistón al descubrirlas y cerrarlas, y también por la presencia de válvulas de láminas antirretorno en los conductos de aire de carga.


En motores modernos, del tipo MAN B&W ME y Wärtsilä-Sulzer RT-flex, denominados motores inteligentes o motores controlados electrónicamente, no llevan árbol de levas, ni para el gobierno de las válvulas de escape ni para el sistema de inyección de combustible, lo cual les permite variar tanto el diagrama de distribución como el de inyección de combustible, pudiendo ajustar los tiempos del ciclo de funcionamiento a los que resulten más convenientes para cada condición de funcionamiento. 

AUTORES: Carlos Rodríguez Vidal (Maquinista Naval y Doctor en Energía y Propulsión Marina) y María Isabel Lamas Galdo (Doctora Ingeniera Industrial)

 

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lunes, 23 de septiembre de 2024

Análisis CFD con OpenFOAM

El término CFD proviene de las siglas en inglés “computacional fluid dynamics”, lo cual se traduce al castellano como dinámica de fluidos computacional. Es una de las ramas de la mecánica de fluidos que utiliza métodos numéricos y algoritmos para resolver y analizar problemas sobre el flujo de fluidos. Los ordenadores son utilizados para realizar millones de cálculos requeridos para simular la interacción de los líquidos y los gases con superficies complejas proyectadas por la ingeniería. El sofware OpenFOAM es gratuito y de código abierto, permitiendo realizar análisis CFD en una amplia variedad de casos prácticos.


La metodología de cálculo CFD se basa en establecer una división del dominio de cálculo, que es considerado como continuo en la mecánica de fluidos clásica, pero que para el análisis CFD se transforma en elementos discretos, para los cuales se resuelven las ecuaciones gobernantes mediante métodos numéricos. Los resultados del análisis pueden posteriormente visualizarse en los diferentes parámetros objeto del cálculo, como por ejemplo; fracciónes másicas, velocidades, temperaturas, presiones, etc

 

EL SOFTWARE OPENFOAM

El software OpenFOAM (open field operation and manipulation), se trata de un software de CFD gratuito y de código abierto desarrollado por Henry Weller y Hrvoje Jasak en 1989 en el Imperial College de Londres, bajo el nombre de FOAM, y lanzado como software de código abierto en 2004 con el nombre de OpenFOAM.

 
Actualmente cuenta con una importante comunidad científica de usuarios y se actualiza periódicamente incluyendo contribuciones tanto del equipo desarrollador como de la comunidad científica de usuarios, lo cual lo hace muy competitivo en comparación con otros programas comerciales de CFD tales como Ansys Fluent, Star-CD, Flow 3D, etc. Los elevados precios de las licencias del software comercial para análisis CFD hacen que el software libre se convierta en una alternativa importante, siendo OpenFOAM sin duda el más conocido y empleado a día de hoy. Cabe destacar la continua expansión que ha experimentado este software, siendo cada vez más los usuarios, tanto a nivel profesional como académico, que lo utilizan.

OpenFOAM está organizado en un conjunto de módulos C++ que posibilitan la resolución de problemas de análisis CFD, tales como flujo compresible, reacciones químicas, combustión, turbulencia, transferencia de calor, turbomáquinas, sólidos, flujo supersónico, electromagnetismo, flujos multifásicos, etc.


El software OpenFOAM es, ante todo, código escrito en lenguaje C++. Aunque cuenta con una amplia gama de funcionalidades para hacer simulaciones de CFD, permite personalizar y ampliar sus funcionalidades para adaptarlas a cada estudio particular, característica que constituye el principal motivo de elección de este software en una amplia diversidad de casos.



ESTRUCTURA DE OPENFOAM

La Estructura del Software OpenFOAM está constituido por una gran biblioteca base, que ofrece las capacidades básicas del código:

  •     Tensor y operaciones de campo.
  •     Discretización de ecuaciones diferenciales parciales usando una sintaxis legible por humanos.
  •     Solución de sistemas lineales.
  •     Solución de ecuaciones diferenciales ordinarias.
  •     Paralelización automática de operaciones de alto nivel.
  •     Malla dinámica.
  •     Modelos físicos generales.
  •     Modelos de medios porosos.
  •     Modelos reológicos.
  •     Modelos de flujos compresibles / térmicos
  •     Modelos de reacción química y cinética.
  •     Métodos de seguimiento de partículas lagrangianas.
  •     Modelos de transferencia de calor radiactivo.
  •     Modelos de turbulencia.
  •     Simulación por medio de las Ecuaciones de Navier-Stokes.
  •    Simulación de grandes remolinos (LES) y de remolinos separados (DES, DDES, etc.).

 
Las capacidades proporcionadas por la biblioteca se usan luego para desarrollar aplicaciones. Las aplicaciones se escriben usando la sintaxis de alto nivel introducida por OpenFOAM, que tiene como objetivo reproducir la notación matemática convencional. Existen dos categorías de aplicaciones:
  •  Solvers: realizan el cálculo real para resolver un problema específico de mecánica continua.
  • Utilidades: se utilizan para preparar la malla, configurar la caja de simulación, procesar los resultados y realizar operaciones distintas a la solución del problema bajo examen.


Cada aplicación proporciona capacidades específicas: por ejemplo, la aplicación llamada BlockMesh se usa para generar mallas de un archivo de entrada proporcionado por el usuario, mientras que otra aplicación llamada IcoFoam resuelve las Ecuaciones de Navier-Stokes para un Flujo laminar incompresible.

Finalmente, un conjunto de paquetes de terceros se utilizan para proporcionar funcionalidad paralela (Open MPI) y post-procesamiento gráfico (ParaView). 

 
 

PROCEDIMIENTO DE SIMULACIÓN CFD CON OPENFOAM

Los pasos para realizar el análisis CFD con OpenFOAM sigue el mismo procedimiento habitual:

1- Preprocesado:
  • La geometría y los límites físicos del problema se pueden definir utilizando un diseño asistido por computadora (CAD). A partir de ahí, los datos pueden procesarse adecuadamente y se extrae el volumen de fluido (o dominio de fluido).
  •  El volumen ocupado por el fluido se divide en células discretas (la malla). La malla puede ser uniforme o no uniforme, estructurada o no estructurada, y consiste en una combinación de elementos hexaédricos, tetraédricos, prismáticos, piramidales o poliédricos.
  • Se define el modelado físico, por ejemplo, las ecuaciones de movimiento fluido + entalpía + radiación + conservación de especies.
  • Las condiciones de contorno están definidas. Esto implica especificar el comportamiento y las propiedades del fluido en todas las superficies limitantes del dominio del fluido. Para problemas transitorios, también se definen las condiciones iniciales.
2- Simulación: 
  • Las ecuaciones se resuelven iterativamente como un estado estacionario o transitorio.
3- Postprocesado:
  • En esta etapa final se realiza el análisis y la visualización de la solución resultante.
 

EJEMPLO DE LAS POSIBILIDADES DE ANÁLISIS CON OPENFOAM

Podemos usar OpenFOAM por ejemplo para simular un motor diésel de cuatro tiempos. La malla empleada para modelar el motor se muestra en la Fig. siguiente. 

Debido al movimiento del pistón y válvulas, la malla se actualiza en cada paso de tiempo. El número de elementos de la malla varía desde 32.000 en el PMS a 450.000 en el PMI. El tipo de elementos es hexaédrico. La cabeza del cilindro, especialmente alrededor de las válvulas, debe ser refinada para capturar las complejas características del fluido en esa zona.

En OpenFOAM se realizan los cálculos basándose en las ecuaciones RANS (Navier-Stokes con el promedio de Reynolds, del inglés “Reynolds averaged Navier-Stokes”) de conservación de la masa, momento y energía, respectivamente. Respecto a turbulencia, se recomienda usar el modelo k-e.

Respecto a las reacciones químicas que tienen lugar durante el proceso de combustión, varias ecuaciones adicionales deben de ser añadidas al modelo de cálculo.

Respecto a los modelos de combustión, OpenFOAM aporta una importante ventaja, ya que se pueden incorporar diversos esquemas cinéticos que han sido validados por medio de experimentación empírica en laboratorios, como modelo de combustión del diesel-oil está disponible el esquema cinético de Ra y Reitz (2008), basado en 131 reacciones y 41 especies. 

Como modelo de formación de NOx, se dispone del esquema cinético de Yang y col. (2003), basado en 43 reacciones y 20 especies. Como modelo de reducción de NOx, se puede usar el esquema cinético de Miller y Glarborg (1996), basado en 131 reacciones y 24 especies. En caso de querer analizar el uso del  amoniaco como combustible en un motor de combustión interna, se dispone del esquema cinético de Mathieu y Peterson (2015).


 
 
VENTAJAS E INCONVENIENTES DE OPENFOAM

Ventajas:

  •     Reducción sustancial en tiempo y costes en los nuevos diseños.
  •     Sintaxis amistosa para ecuaciones diferenciales parciales.
  •     Código fuente completamente documentado.
  •     Amplia gama de aplicaciones y modelos listos para usar.
  •     Sin costos de licencia.
  •     Software muy flexible con capacidad de ser ejecutado en paralelo.
  •     Posibilidad de analizar sistemas y condiciones muy difíciles de simular experimentalmente.

 Inconvenientes:

  • La comunidad de desarrollo sufre de fragmentación, dando lugar a numerosos proyectos bifurcados.
  • Ausencia de una interfaz gráfica de usuario integrada (están disponibles las opciones independientes de código abierto y de propiedad).
  • La guía del programador no proporciona suficientes detalles, lo que hace que la curva de aprendizaje sea muy pronunciada si necesita escribir nuevas aplicaciones o agregar funcionalidades.
  • Se precisa de un gran conocimiento de las ecuaciones que modelan ciertos fenómenos físicos, necesitando personal con grandes conocimientos en la materia.
  • Simplificación del fenómeno a estudiar para que el hardware y el software puedan abordarlo. El resultado será tanto más preciso cuanto más adecuadas hayan sido las hipótesis y simplificaciones realizadas.
  • La existencia de insuficientes e incompletos modelos para simular el efecto de la turbulencia, fenómenos multifásicos o la combustión, entre otros.
 
 
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ENLACES:
 
 

AUTORA: María Isabel Lamas Galdo (Doctora Ingeniera Industrial por La Universidad de La Coruña)

 

miércoles, 4 de septiembre de 2024

Crucero de batalla HMS Hood

El Hood fue el último crucero de batalla que fue construido para la Armada Británica. Su misión habría sido la de contrarrestar los cruceros de batalla alemanes de la clase Derfflinger y otros puestos en grada en 1916, pero que no fueron terminados. El proyecto inicial del Hood se realizó en 1915 durante la WWI. Debían tener un desplazamiento de 36.600 toneladas y una velocidad de 32-33 nudos, adoptando la teoría del almirante Fisher, entonces primer lord del Almirantazgo Británico, para el cual “la velocidad es la mayor protección”. Sin embargo el Hood no llegó a participar en la Primera Guerra Mundial, ya que entró en servicio el 5 de marzo de 1920.


El Hood pertenecía a la clase Admiral ordenada a mediados de 1916, su diseño, revisado a fondo tras la batalla de Jutlandia y mejorado durante la construcción, todavía tenía serias limitaciones, razón por la que fue el único construido de una clase que habría de estar compuesta por cuatro unidades. Recibió el nombre del almirante del siglo XVIII Samuel Hood. 

El buque realizó numerosas travesías de representación y participó en diversos ejercicios y maniobras entre 1920, año de su entrada en servicio, y 1939. Entre otros, realizó ejercicios de entrenamiento en el mar Mediterráneo y circunnavegó el mundo con el Escuadrón de Servicio Especial entre 1923 y 1924. Se unió a la Flota del Mediterráneo tras el inicio de la Segunda Guerra Ítalo-Etíope. Al estallido de la Guerra Civil Española el Hood fue oficialmente asignado a la Flota del Mediterráneo, y en ella permaneció hasta su regreso al Reino Unido en 1939 para una revisión. Para entonces la utilidad del viejo crucero de batalla se había deteriorado debido al avance de la artillería naval, razón por la que estaba prevista una importante reconstrucción para 1941 que corregiría gran parte de sus problemas, pero el inicio de la Segunda Guerra Mundial forzó su incorporación al servicio sin haber sido actualizado.

Cuando el Reino Unido declaró la guerra a Alemania en septiembre de 1939, el Hood estaba operando cerca de Islandia. Empleó los siguientes meses entre esta isla y el mar de Noruega en la caza de los navíos alemanes que asaltaban el comercio y bloqueaban las rutas de abastecimiento. Tras una revisión breve de su maquinaria propulsora, actuó como buque insignia de la Fuerza H y participó en la destrucción de la flota francesa durante la batalla de Mers el-Kebir. Relevado como buque insignia de esta fuerza, el Hood fue enviado a Scapa Flow, en el norte de Reino Unido, y operó en el área como escolta de convoy y defensa ante una posible flota de invasión alemana. En mayo de 1941 el Hood y el acorazado Prince of Wales (clase King George V) recibieron la orden de interceptar al acorazado alemán Bismarck, que había zarpado de Alemania para atacar los convoyes aliados en el Atlántico. El 24 de mayo de 1941 el Hood localizó y entabló combate con el poderoso y moderno buque alemán, pero fue alcanzado por varios proyectiles enemigos al inicio de la batalla del Estrecho de Dinamarca y explotó brutalmente. Su pérdida tuvo un efecto profundo en los británicos, y el primer ministro Winston Churchill ordenó a su Armada «hundir al Bismarck», cosa que consiguieron tres días después.

Características generales
El Hood era un elegante buque de esbeltas líneas clasificado como "Crucero de batalla" y en su tiempo fue el barco más grande del mundo. Fue puesto en grada el 1 de septiembre de 1916, botado el 22 e agosto de 1918, y entró en servicio el 5 de marzo de 1920. Posteriormente fue modernizado muy superficialmente en varias ocasiones, con una eslora de 262,20 m, 31,70 m de manga, 8,90 m de calado y 49.000 toneladas de desplazamiento.

Estaba armado con 8 cañones de 381 mm en 4 montajes dobles, dos tubos lanzatorpedos de 52,5 cm en ambas bandas, con un armamento secundario de 12 cañones de 140mm, en posiciones simples escudadas y 8 piezas dobles de 102 mm en manteletes abiertos. En 1940, se eliminaron los cañones de 140 mm y se sustituyeron por 8 cañones en montajes dobles de 102 mm.
 

Su dotación estaba constituida por 1.477 hombres y su principal debilidad, muy generalizada en las construcciones navales de la época, en especial, los llamados crucero de batalla en que se sacrificaba el blindaje en favor de la velocidad, era su escaso blindaje horizontal, con una cubierta principal de 37 mm (76 mm sobre los pañoles de municiones) y una cubierta de protección de 52 mm. La protección vertical era, por el contrario, bastante más completa, con una faja de 305 mm en la obra muerta, que se estrechaba hasta 152 mm en los extremos del buque y a 76 mm en su parte más baja. Esta coraza se inclinaba 12º, con el entrante en la parte inferior. Por encima de esta faja, el reducto, entre la cubierta de batería y la cubierta principal, tenía un blindaje de 178 mm. La protección submarina la constituía un doble casco integrado con mamparos longitudinales internos, diseñados para absorber explosiones submarinas. Finalmente, las barbetas de la artillería principal tenían un espesor de 305 mm, y el blindaje frontal de las torres era de 381 mm (el posterior era de 125 mm); la torre de mando tenía un espesor de 280 mm.


El aparato de propulsión consistía en 4 hélices accionadas por 4 grupos de turbinas de vapor con engranajes reductores, un grupo por eje, alimentados por 24 calderas, repartidas en cuatro salas, todas a proa de las salas de máquinas, con dos chimeneas: en conjunto, la potencia era de 144.000 CV a cuatro hélices, y la velocidad en pruebas, superior a los 32 nudos.

La última actuación del Hood
Estando el 24 de mayo de 1941 en Scapa Flow, recibe la orden de marchar a interceptar el Bismarck, pues sus cañones podían equipararse a los del enemigo. A la altura de la salida del estrecho de Dinamarca, interceptó a la formación alemana compuesta por el acorazado Bismarck y el crucero pesado Prinz Eugen dirigidas por el almirante Günther Lütjens.

Al mando del vicealmirante Lancelot Ernest Holland, el Hood y el Prince of Wales abrieron fuego con sus torres delanteras a una distancia de 22 km, empeñando desde larga distancia el combate, lo que se tradujo en la inmediata respuesta de los alemanes. Esto fue un error táctico fatal de parte de los ingleses, justamente porque atrajo antes de tiempo la respuesta alemana que Lutjens retenía y los fatales tiros en caída vertical. Holland intentó rápidamente cerrar distancias a la máxima velocidad para evitar los mortales tiros en caída vertical. El avance se hacía disparando las torres delanteras; se avanzaba a la mayor velocidad posible debido a la conocida debilidad del "Hood".

A las 6.00, a 7 min de comenzado el combate y cuando ya viraba para poder emplazar las torres de popa para hacer una salva artillera completa, una salva (la sexta) del "Bismarck" le alcanzó en algún lugar al lado del mástil de popa, penetrando profundamente hasta la barbeta, e hizo estallar los depósitos de cordita de las torres traseras. Una llamarada más alta que el mástil surgió por unos instantes, y a continuación el gran navío explotó violentamente, expulsando las torres traseras y partiéndose en dos. 

La popa se hundió rápidamente y la parte delantera lo hizo más lentamente, lo que pudo facilitar el disparo de las torres de proa como una postrer despedida antes de hundirse y que sobrevivieran algunos marinos. Estos últimos disparos tuvieron lugar a consecuencia de la explosión espontánea de las cargas de propulsión. Finalmente, sólo se salvaron tres marineros, Ted Briggs, William Dundas y Bill Tilburn.

La batalla del Estrecho de Dinamarca (Battle of the Denmark Strait)
Todo había comenzado cuando los alemanes habían decido pasar al Océano Atlántico al Acorazado Bismark y al crucero pesado Prinz Eugen, dentro de la denominada Operación Rheinübung, una incursión en el Atlántico destinada a causar estragos en las rutas de mercantes aliados. Posteriormente se unirían al crucero Admiral Hipper, y acorazados gemelos Scharnhorst y Gneisenau que durante la Operación Berlín habían irrumpido en el Atlántico, realizado acciones corsarias contra el tráfico aliado y hundiendo más de 66.000 toneladas en buques mercantes en dos meses. 
 

Para evitar el bloqueo de los británicos, tratarían de llegar al Océano Atlántico pasando el Estrecho de Dinamarca (entre Groenlandia e Islandia), sin embargo esta vez los Británicos tenían preparados al Crucero de batalla HMS Hood y al nuevísimo acorazado HMS Prince of Wales.

Al amanecer del 24 de mayo, el tiempo mejoró y la visibilidad aumentó. La agrupación alemana mantenía un rumbo de 220º y se desplazaba a 28 nudos, cuando a las 0515, los hidrófonos del Prinz Eugen detectaron el ruido de buques por babor. A las 0537, los alemanes avistaron lo que creyeron que era un crucero ligero a unas 19 millas (38.480 yardas - 35.190 metros) por babor. A las 0543, otra unidad sin identificar fue avistada por babor, y seguidamente en el Bismarck y el Prinz Eugen se tocó zafarrancho de combate. A bordo del Bismarck, la identificación de los buques enemigos era dudosa, y eran ahora tomados por cruceros pesados. No obstante, al irse reduciendo las distancias pronto surgió el temor de que fuesen acorazados. Sus sospechas se verían confirmadas en apenas unos minutos. Los buques británicos eran el crucero de batalla Hood y el acorazado Prince of Wales.
 

Los buques británicos avanzaban hacia los alemanes a una velocidad de 28 nudos y con rumbo 280º, evidentemente  buscando acortar distancias rápidamente, en una maniobra al estilo Nelson, la razón se debía más bien a que eran conscientes de la vulnerabilidad que tenía la protección acorazada del Hood en combate a larga distancia, donde es fundamental la protección horizontal y que en este buque se conocía que era deficiente después de las explosiones de los cruceros de batalla británicos en Jutlandia (Invincible, y Queen Mary), los cuales seguían un esquema de protección similar.

Esta audaz maniobra de los buques británicos los ponía en una situación en franca desventaja, ya que los buques alemanes les estaban cruzando la T. En esas condiciones los buques británicos podían usar únicamente sus baterías delanteras, mientras que el Bismarck y el Prinz Eugen disparaban andanadas desde todos sus cañones. Varios minutos después de abrir fuego Holland ordenó un giro de 20° a babor, lo que permitiría a sus barcos hacer uso de todas sus torretas. 
 
Balance de fuerzas
Buque:
Bismarck
Prinz Eugen
Hood
Prince of Wales
Desplazamiento:
50.900 Tm
19.042 Tm
48.360 Tm
43.700 Tm
Armamento:
- Principal:
- Secundario:

8 x 380 mm
12 x 150 mm

8 x 203 mm
-

8 x 381 mm
-

10 x 356 mm
16 x 133 mm
Blindaje:
- Cintura:
- Torres:
- Cubierta superior:
- Cubierta acorazada:

320 mm
130-360 mm
50-80 mm
80-120 mm

80 mm
160 mm
25 mm
30 mm

305 mm
127-381 mm
38 mm
75 mm

348-374 mm
150-324 mm
-
124-150 mm
Velocidad:
30,1 nudos
32,2 nudos
30-31 nudos
28 nudos


Debido a la gran similitud de las siluetas de los buques alemanes, a las 0549, Holland ordenó concentrar el fuego sobre el buque alemán que marchaba en cabeza (el Prinz Eugen) creyendo que era el Bismarck. En ese momento los buques británicos cayeron 20º a estribor en un nuevo rumbo de 300º para acelerar todavía más la aproximación. A las 0552, justo antes de abrir fuego, Holland identificó por fin al Bismarck y ordenó cambiar de blanco sobre el buque de la derecha, pero por alguna razón el Hood continuó apuntando al buque alemán en cabeza. A bordo del Prince of Wales sin embargo, concentraron su tiro correctamente sobre el Bismarck que marchaba detrás del Prinz Eugen. De repente, a las 0552, y con la distancia ya reducida a unas 12,5 millas (25.328 yardas - 23.150 metros), el Hood abrió fuego, seguido del Prince of Wales apenas 30 segundos después a las 0553. Ambos buques abrieron fuego con las torres proeles, ya que debido a su desfavorable ángulo de aproximación, las torres de popa todavía no podían orientarse hacia el blanco. La primera salva del Prince of Wales cayó a la derecha a popa del Bismarck, después el cañón número 1 de la torre "A" cuádruple de proa quedó temporalmente fuera de servicio debido a fallos mecánicos y no pudo tirar más. La segunda, tercera y cuarta salvas del Prince of Wales cayeron largas. Las primeras salvas del Hood cayeron cortas respecto al Prinz Eugen

Los dos buques alemanes concentraron sus salvas en el Hood, y un minuto después de iniciar sus cañonazos el Prinz Eugen le hizo impacto con un proyectil altamente explosivo de 203 mm; su explosión inició un gran incendio que fue prontamente extinguido. Tras disparar tres salvas de cuatro cañones, Schneider había calculado el rango exacto del Hood y ordenó inmediatamente una rápida salva de los ocho cañones de 380 mm del Bismarck. También ordenó a las baterías de 150 mm abrir fuego contra el Prince of Wales. Holland entonces ordenó un segundo giro de 20° a babor para poner sus barcos en un curso paralelo a los buques germanos. Lütjens mandó al Prinz Eugen cambiar de objetivo y atacar al Prince of Wales para así mantener a sus dos oponentes bajo fuego. A los pocos minutos el Prinz Eugen le hizo un par de impactos al acorazado británico e informó del inicio de un pequeño incendio.

Lütjens entonces ordenó a su crucero caer detrás del Bismarck para que pudiera seguir monitorizando la posición de los cruceros Norfolk y Suffolk, que estaban todavía a entre 19 y 22 km al este. 

A las 06:00 el Hood estaba completando su segundo giro a babor cuando el Bismarck disparó su quinta salva. Dos de los proyectiles se quedaron cortos, cayendo en el agua cerca del crucero, pero al menos uno de los proyectiles perforantes de 380 mm le hizo impacto y penetró su delgada armadura de cubierta. El proyectil llegó hasta la santabárbara e hizo detonar 112 toneladas de cordita. Una masiva explosión reventó la parte trasera del crucero, entre el mástil principal y la chimenea trasera; la sección delantera del buque avanzó brevemente antes de que la inundación de agua hiciera alzarse la proa en un pronunciado ángulo.Tras un intercambio de cañonazos de sólo ocho minutos, el Hood había volado por los aires junto a una tripulación de 1.419 hombres.
 

El Bismarck entonces pasó a disparar al Prince of Wales, y uno de los proyectiles de su primera salva atravesó el puente del buque británico sin explotar pero matando a todos los que se encontraban en el centro de mando menos al comandante de la nave John Leach y a otro hombre. El Prince of Wales consiguió hacer blanco al acorazado alemán con su sexta salva, pero los dos buques alemanes hicieron llover proyectiles sobre el acorazado inglés y le causaron severos daños. Los cañones del recientemente puesto en servicio Prince of Wales no funcionaron adecuadamente, y todavía tenía técnicos civiles a bordo. A pesar de su problemática batería principal, el acorazado consiguió hacerle blanco al Bismarck con tres proyectiles: el primero golpeó en el castillo de proa sobre la línea de flotación, pero demasiado bajo para que penetraran las olas en su casco, el segundo dio por debajo del cinturón blindado y explotó al chocar con el mamparo antitorpedos, infligiendo daños menores, y el tercer proyectil atravesó uno de los botes del acorazado y la plataforma de los hidroaviones sin detonar.

A las 06:13 Leach ordenó retirada, cuando sólo dos de sus diez cañones de 360 mm aún disparaban y su barco había recibido cuantiosos daños. El Prince of Wales hizo un viraje de 160° y tendió una pantalla de humo para cubrir su retirada. Los alemanes cesaron de disparar cuando aumentó la distancia.


 
Aunque Lindemann abogó por perseguir al navío inglés y destruirlo, Lütjens obedeció las órdenes de la operación sobre evitar el combate con fuerzas enemigas que no protegieran un convoy y rechazó firmemente la idea, ordenando en su lugar al Bismarck y al Prinz Eugen poner rumbo a las aguas abiertas del Atlántico Norte.

En el transcurso del combate el Bismarck había disparado 93 proyectiles perforantes y había encajado tres impactos. El proyectil del castillo de proa había provocado la entrada de entre 1000 y 2000 t de agua que contaminó el combustible almacenado en la proa. Lütjens se negó a permitir una reducción de la velocidad para que los equipos de control de daños repararan el agujero del proyectil, que se hizo aún más grande y dejó entrar más agua. El segundo impacto causó algunas inundaciones y su metralla dañó la línea de flotación en la sala del turbogenerador, aunque el Bismarck tenía suficientes reservas de generador y esto no fue problemático. La inundación causada por estos dos impactos provocó una escora de 9° a babor y de 3° en proa.


La persecución
Poco antes de la 10:00 Lütjens ordenó al Prinz Eugen ponerse a popa del Bismarck para averiguar la gravedad de las fugas de combustible del impacto de proa. Tras confirmar «grandes corrientes de combustible a ambos lados de la estela el Prinz Eugen volvió a la posición de vanguardia. Sobre una hora después un hidroavión Short S.25 Sunderland británico informó de la mancha de combustible al Suffolk y al Norfolk, que se habían unido al dañado Prince of Wales. El contralmirante Frederic Wake-Walker, comandante de los dos cruceros, ordenó al Prince of Wales permanecer detrás de sus naves.

La Real Armada británica hizo llamamientos a todas sus naves en el área para unirse a la persecución del Bismarck y el Prinz Eugen. La Home Fleet del almirante Tovey navegaba para interceptar a los buques alemanes, pero en la mañana del 24 de mayo estaba todavía a 650 km de distancia. El Almirantazgo británico envió a los cruceros ligeros HMS Manchester, Birmingham y Arethusa a patrullar el estrecho de Dinamarca en el caso de que Lütjens decidiera volver sobre sus pasos. Al acorazado HMS Rodney se le ordenó unirse a Tovey. Los viejos acorazados HMS Revenge y HMS Ramillies también recibieron la orden de unirse a la caza. En total, seis acorazados y cruceros de batalla, dos portaaviones, trece cruceros y veintiún destructores fueron convocados a la persecución.

Con el tiempo empeorando, Lütjens intentó separar al Prinz Eugen que se pudo llevar a cabo a las 18:14. El Bismarck viró para encarar a la formación de Wake-Walker, forzando al Suffolk a alejarse a gran velocidad. El Prince of Wales disparó doce salvas contra el acorazado alemán, que respondió con nueve andanadas, ninguna de las cuales hizo blanco. La acción distrajo la atención de los británicos y permitió al Prinz Eugen desaparecer. Después de que el Bismarck volviera a su punto anterior, los tres barcos de Wake-Walker se posicionaron a babor del acorazado.

A pesar de que el Bismarck había sido dañado en el combate con el Hood y el Prince of Wales y se vio obligado a reducir su velocidad, seguía siendo capaz de navegar a 27-28 nudos (50-52 km/h), la misma velocidad máxima que el King George V de John Tovey. A menos que fuera frenado, los británicos no serían capaces de evitar que llegara a Saint-Nazaire. Poco antes de las 16:00 del 25 de mayo, Tovey separó el portaaviones HMS Victorious y cuatro cruceros ligeros para realizar una ruta que podría posicionarlos para lanzar sus aviones torpederos.  A las 22:00 el Victorious lanzó su ataque, que comprendía seis cazas Fairey Fulmar y nueve torpederos Fairey Swordfish. Los aviadores inexpertos casi atacan al Norfolk, equivocación que alertó a los artilleros antiaéreos del Bismarck. El acorazado alemán incluso utilizó sus baterías principales y secundarias para disparar lo máximo posible y crear salpicaduras gigantes en el camino de los torpederos, aunque ninguno de los aviones atacantes fue derribado. El Bismarck evitó ocho de los nueve torpedos que le lanzaron, pero el noveno impactó hacia el centro del buque, en el cinturón blindado, y causó daños materiales menores. 

Poco después de que los Swordfish salieran de escena, el Bismarck y el Prince of Wales se enfrentaron en un breve duelo artillero, pero ambos fallaron sus disparos. Los equipos de control de daños del Bismarck retomaron su trabajo tras el breve cañoneo. El agua de mar que había inundado la caldera número dos de babor amenazó con penetrar en el turbogenerador número cuatro del sistema de suministro de agua, lo que habría permitido al agua salada llegar a los motores de la turbina. El agua salada habría destruido los álabes de la turbina y reducido considerablemente la velocidad del barco. Sin embargo, en la mañana del día 25 el peligro había pasado. El barco deceleró hasta los 12 nudos para permitir a los buzos bombear el fuel de los compartimentos delanteros hacia los tanques traseros; se conectaron con éxito dos mangueras que permitieron el trasvase de unos pocos cientos de toneladas de fuel.

Con la persecución adentrándose en las aguas abiertas del Atlántico Norte, los barcos de Wake-Walker se vieron obligados a navegar en zigzag para evitar a los submarinos alemanes que podían estar en la zona. Esto requería que los buques navegaran diez minutos a babor y otros diez a estribor para así mantener un mismo curso. Hacia los últimos minutos del viraje a babor, el Bismarck desapareció del radar del Suffolk. A las 03:00 de la madrugada del 25 de mayo Lütjens ordenó incrementar la velocidad al máximo, que en ese momento era 28 nudos, tras lo que mandó que el acorazado girara en círculo, primero hacia el oeste y después hacia el norte. Esta maniobra se realizó en el momento en que el navío alemán estaba fuera de los radares británicos, por lo que consiguió girar y colocarse tras ellos. El capitán del Suffolk asumió que el Bismarck se había perdido en dirección oeste, por lo que tomó esa derrota con el fin de localizarlo. Después de media hora informó a Wake-Walker de la situación, quien mandó a los tres barcos dispersarse tan pronto asomaran las primeras luces del día con objeto de hacer una búsqueda visual de la nave enemiga.

La Real Armada británica se embarcó en una búsqueda frenética del Bismarck. El portaaviones Victorious y sus cruceros de escolta fueron enviados al oeste, los buques de Wake-Walker continuaron al sur y al oeste y al almirante Tovey navegó hacia el centro del Atlántico. La situación se fue complicando puesto que muchos de los barcos ingleses estaban agotando su combustible. 

La Fuerza H, centrada en el portaaviones HMS Ark Royal y procedente de Gibraltar, estaba todavía a un día de navegación de la zona de búsqueda. Sin saber que Wake-Walker los había perdido, Lütjens envió largos mensajes de radio al Grupo Naval Oeste, con base en París. Estas señales fueron interceptadas por los británicos, que determinaron su rumbo, pero éste fue erróneamente trazado y mantuvo a los barcos de Tovey en un curso equivocado durante siete horas. Para cuando el error fue advertido, el Bismarck había abandonado el área.

Un escuadrón de comando costero de hidroaviones Consolidated PBY Catalina con base en Irlanda del Norte fue convocado a la búsqueda para cubrir las áreas por las que se podría dirigir el Bismarck hacia la costa. A las 10:10 del 26 de mayo, un Catalina pilotado por el alférez de la Armada Norteamericana Leonard B. Smith localizó al Bismarck a unos 1280 km al noroeste de Brest. Su velocidad actual era lo bastante alta como para llegar bajo la protección de los U-boots y las Luftwaffe en menos de un día, y no había fuerzas británicas lo suficientemente cerca para detenerlo

La única posibilidad que tenía la Marina Real británica era el Ark Royal con la Fuerza H, bajo mando del almirante James Somerville. El Victorious, el Prince of Wales, el Suffolk y el Repulse se vieron obligados a interrumpir la búsqueda por sus bajas reservas de fuel, por lo que los únicos barcos pesados restantes, además de la Fuerza H, eran el King George V y el Rodney, pero estaban muy lejos para interceptar al Bismarck. Los Swordfish del Ark Royal ya estaban buscando en el área en que el Catalina había avistado al acorazado alemán, y varios torpederos también lo localizaron a unos 110 km del Ark Royal. Somerville ordenó un ataque de los Swordfish en cuanto regresaron, y fueron armados con torpedos. Separó al HMS Sheffield (C24) para seguir al Bismarck, aunque los aviadores de los torpederos no fueron informados de ello. Como resultado, los Swordfish, que iban armados con torpedos equipados con nuevos detonadores magnéticos, atacaron accidentalmente al Sheffield. Los detonadores magnéticos no funcionaron y el Sheffield salió indemne.

A su regreso al portaaviones los Swordfish fueron rearmados con torpedos de detonadores de contacto. Quince aviones llevaron a cabo el segundo ataque, que fue lanzado a las 19:10. A las 20:47 los torpederos iniciaron su ataque descendiendo a través de las nubes. Mientras se aproximaban al Bismarck, éste disparó su batería principal contra el Sheffield, impactándole con su segunda salva y matando a tres hombres e hiriendo a varios más. El barco británico se retiró rápidamente tendiendo una pantalla de humo. Fue entonces cuando los Swordfish lanzaron su ataque; el Bismarck comenzó a virar violentamente mientras todas sus baterías antiaéreas intentaban derribar a los torpederos. Consiguió evitar casi todos los torpedos que éstos dejaron caer, pero dos le impactaron. Uno acertó hacia el centro del buque en el lado de babor, justo debajo del cinturón acorazado principal. La fuerza de su explosión fue contenida por el sistema de protección submarina, pero se produjeron algunos daños estructurales y pequeñas inundaciones.

El segundo torpedo hizo blanco a babor de popa, cerca del eje del timón de babor. Su explosión causó graves daños en el ensamblaje del timón de babor, pues el acoplamiento fue destrozado y el timón no pudo ser desenganchado; éste se quedó virado 12° a babor. La explosión también causó importantes daños en la nave. El equipo de control de daños intentó repetidamente retomar el control del timón, y con el tiempo consiguieron arreglar el timón de estribor, pero el de babor permaneció atascado. Se sugirió arrancar este timón con explosivos, pero Lütjens no lo permitió afirmando que «No podemos poner en peligro la nave con medidas de este tipo». Consideró que había un serio peligro de dañar las hélices, lo que habría dejado al acorazado completamente indefenso. A las 21:15, Lütjens informó que el Bismarck no era maniobrable.

El Hundimiento del Bismarck
Con el timón de babor atascado, el Bismarck navegaba en amplios círculos, incapaz de huir de los barcos de Tovey. A pesar de que la escasez de combustible había reducido el número de barcos británicos, los acorazados King George V y Rodney estaban aún disponibles, junto con los cruceros pesados Dorsetshire y Norfolk. Lütjens informó al cuartel general a las 21:40 del día 26: «Barco imposible de maniobrar. Lucharemos hasta el último proyectil. Larga vida al Führer.» 

Después del amanecer del 27 de mayo, Tovey, a bordo del King George V, dirigió el ataque contra el paralizado Bismarck. El Rodney siguió la aleta de babor, Tovey pretendía navegar directamente hacia el Bismarck hasta que estuviera a unos 15 km de distancia. Hacia las 10:00 los dos acorazados de Tovey habían disparado unos 700 proyectiles con sus baterías principales, la mayoría a muy poca distancia. El Bismarck había quedado reducido a escombros, en llamas de proa a popa. Escoraba 20° a babor y se hundía por proa. El Rodney se aproximó hasta los 2700 m, lo que para sus cañones equivalía a disparar a quemarropa, y continuó arrasando el maltrecho casco del acorazado alemán. Tovey no debía cesar el fuego hasta que los alemanes arriaran sus banderas o estuviera claro que abandonaban el barco. El Rodney le lanzó dos torpedos desde sus tubos de babor —un obús del Bismarck había estallado a veinte metros de su proa y había dejado inservibles sus tubos de estribor, en lo que había sido el disparo alemán que más cerca le acertó— y reclamó un impacto, algo que, de acuerdo a Ludovic Kennedy, «Si fuera cierto, [es] la única ocasión en la historia en que un acorazado torpedea a otro».

Hans Oels, primer oficial del acorazado alemán, ordenó a los hombres bajo la cubierta abandonar el barco. También instruyó a la tripulación de la sala de máquinas para abrir los compartimentos estancos del buque y preparar cargas para echarlo a pique.
  
Sobre las 10:35 el Bismarck volcó hacia la castigada banda de babor y se hundió por popa, desapareciendo de la superficie a las 10:40. 



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