Comparativa del motor para submarinos FM 38-D8-1/8 frente sus principales rivales

El motor diesel de émbolos opuestos Fairbanks-Morse 38D8-1/8 fue inspirado en el avanzado motor diesel alemán de aviación Junkers Jumo 204, el cual entró en producción en 1932. A pesar de que el Fairbanks-Morse era más grande y pesado que el Junkers, y que además estaba destinado a la propulsión de buques y tracción ferroviaria, conservaba las características de alta potencia específica, bajo consumo específico y elevada densidad de potencia en comparación con los motores existentes para submarinos de esa época.

Fairbanks-Morse 38D8-1/8

Sección del motor Fairbanks-Morse 38D8-1/8 [1].

Junkers Jumo 204, motor diesel del bombardero Ju 86

A mediados de los años 30, cuando comenzó la producción del Fairbanks-Morse 38D8-1/8, el panorama era el siguiente. La marina de los Estados Unidos estaba interesada en construir grandes submarinos oceánicos de muy largo rango de acción con el fin de realizar largas patrullas por el Océano Pacífico. En ese momento, Estados Unidos poseía los grandes submarinos de flota Argonaut, Nautilus y Narwhal, el primero submarino minador y los dos siguientes submarinos cruceros. Éstos llevaban la clásica propulsión directa típica de los submarinos de esas fechas, con el motor diesel acoplado directamente al eje de salida, a continuación un embrague, después el motor/generador eléctrico, otro embrague, la reductora y finalmente el eje de la hélice. El USS Narwhall llevaba dos grandes motores principales BuEng (licencia MAN), 10 cilindros, 4 tiempos y 1750 kW, los cuales no demostraron un buen resultado, por lo cual se reemplazaron posteriormente por 4 Winton a principios de la guerra.

El gran submarino-crucero USS Narwhal (SS-167), one of the "V-boats"submarines.

USS Cuttlefish (SC-5/SS-171), a Cachalot-class submarine, ("V-boats")

Esta disposición de la máquina con propulsión directa tenía algunos inconvenientes en cuanto a la propulsión de grandes submarinos oceánicos cuando se trataba de buscar una velocidad más elevada. El problema era que los motores diesel disponibles en esa época, con un tamaño y peso compatibles con el reducido espacio existente en submarinos, tenían una potencia bastante limitada para que esos grandes submarinos alcanzaran las velocidades requeridas, que eran del orden de 18 nudos o más. Una manera de aumentar la potencia de los motores era que crecieran en longitud aumentando el nº de cilindros, pero por encima de 10 cilindros en línea la fiabilidad se comprometía debido a las vibraciones. Otra solución era aumentar el número de motores, pero el problema era cómo transmitir la potencia de estos motores adicionales hasta las hélices, ya que no se podía utilizar la solución de cuatro hélices debido a la escasa manga de los submarinos.

Propulsión clásica en los submarinos alemanes, como la que llevaba el U-Boat type IX

Los submarinos Type XXI seguían una disposición similar en la planta propulsora, pero con motores eléctricos mucho más potentes

La opción que se adoptó en los submarinos norteamericanos a partir de la clase Tambor fue la utilización de propulsión eléctrica permanente (tanto navegando en superficie como en inmersión) con motores de corriente continua alimentados por cuatro diesel-generadores con elevada densidad de potencia. Esta configuración se puede apreciar en la Fig. siguiente, la cual ilustra la planta propulsora de los submarinos de la clase Balao. La Fig.(b) representa un esquema con los motores eléctricos acoplados a reductoras y la Fig.(a) el sistema más moderno, con motores eléctricos de corriente continua directamente acoplados, los cuales giraban mucho más lentos y eran de mayor tamaño. Esta disposición aportó múltiples ventajas: aumento de la potencia instalada, posibilidad de ubicar los motores en la posición más conveniente, eliminación de embragues, flexibilidad en la producción de energía en caso de avería o mantenimiento en algún motor diesel, mejora del control de daños (damage control) aumentando su capacidad de supervivencia y, sobretodo, mejora en la utilización de la energía según las necesidades operativas (por ejemplo, desarrollo de la máxima potencia para recargar baterías, para propulsión, o múltiples combinaciones entre ambas). Los inconvenientes eran el coste y una ligera disminución de rendimiento global de la planta debido a la necesidad de realizar una doble conversión de la potencia mecánica-eléctrica y eléctrica-mecánica, así como por utilizar motores diesel más rápidos (los cuales generalmente tienen menor rendimiento térmico). Con el fin de mejorar en lo posible la eficiencia de la propulsión, en unidades posteriores se sustituyeron los motores eléctricos acoplados por medio de reductora por motores eléctricos acoplados directamente a la línea de ejes. Éstos se disponían en tandem, con dos unidades por eje y sin necesidad de reductora entre el motor eléctrico y el eje de cola, lo cual reducía las pérdidas en la transmisión de potencia, bajaba el ruido generado y mejoraba la fiabilidad del conjunto, U. S. Navy.

Planta propulsora de los submarinos de la case Balao, con propulsión eléctrica permanente. Con dos disposiciones para los motores electricos (a) Transmisión directa; (b) transmisión con reductora. http://www.maritime.org/fleetsub/elect/foldout/fig2-01.htm

USS Gurnard (SS-254), perteneciente a la clase Gato, 1944.

Los diesel generadores con alta densidad de potencia destinados a la propulsión de la nueva generación de submarinos norteamericanos inicialmente se reducían a tres fabricantes, cada uno de los cuales presentaba motores de concepto distinto y además con diseños muy audaces y avanzados para la época. Éstos eran Hooven-Owens-Rentschler, GM Cleveland Division (originalmente Winton) y Fairbanks-Morse.

Botadura del USS Lamprey (SS-372), a Balao-class submarine, el 18 de Junio de 1944

Hooven-Owens-Rentschler fabricó el H.O.R Modelo 99 DA, que era un motor de dos tiempos y doble efecto (con combustión por ambas caras del pistón) fabricado con licencia MAN. Había sido el motor utilizado en los cruceros alemanes de la clase de Leipzig, conocido como MAN 30/44. Este motor fue un completo fracaso debido a constantes problemas de falta de fiabilidad, por lo que pronto fue abandonado y los submarinos que los llevaban fueron remotorizados principalmente con los Winton, U. S. Navy.

Motores de dos tiempos y doble efecto producidos por la firma alemana MAN, y fabricados bajo licencia por la empresa Norteamericana Hooven-Owens-Rentschler.

USS Salmon fue uno de los Submarinos que incorporaron los nefastos H.O.R Modelo 99 DA, motores diesel de dos tiempos y doble efecto.

El motor original Winton fue el 201. Sus sucesores fueron el GM Cleveland 248, 258 y 278. Todos ellos eran motores diesel de dos tiempos y simple efecto, barrido uniflujo, con válvulas de escape en la culata y compresor de lóbulos tipo Roots. Estos motores eran de mayor velocidad (750 rpm) y mucho más ligeros que los motores diesel usados en los submarinos de esa época. El GM 16-278 dio bastante buen resultado, utilizándose con profusión en prácticamente todas las clases de submarinos norteamericanos durante la II Guerra Mundial, U. S. Navy.

USS Tarpon , Porpoise-class diesel-electric submarine

USS Balao, submarinos que incorporaban tanto motores FM o GM.

Sala de máquinas del submarino USS Cod, submarino Clase Gato, que llevaba  4 × General Motors Model 16-248 V16 

El motor Fairbanks-Morse 38D8-1/8 en el que se basa este artículo era de dos tiempos con barrido uniflujo, émbolos (o pistones) opuestos y compresor espiral de lóbulos tipo Roots. Existían las versiones de 9 y 10 cilindros, siendo esta última la preferida. Era un motor muy apreciado por su capacidad de soportar  el trato duro, mantenía bien las temperaturas y difícilmente entraba en sobrecarga, siendo además muy fiable y fácil de reparar, por lo que era el preferido de las tripulaciones que lo manejaban, U. S. Navy.

Fig.5. Sala de máquinas de un submarino de la clase Balao, equipada con 2 motores FM 38D8-1/8 cada una.

El Krupp-GW F46a6pu era producido por la fábrica Krupp-Germaniawerft de Kiel. Los incorporaban los submarinos U-Boote del tipo VII. Las primeras versiones generaban 1400 CV a 470 rpm (versiones posteriores 1500 CV). Tenían una sola válvula de admisión y de escape, bombas de inyección individuales de la firma Bosch y eran reversibles (la “u” significa reversible, “umsteuerung”).

 

El MAN M9V40/46 era producido en la fábrica MAN de Augsburg para el nuevo U-Boot del tipo IX, del que a finales de 1943 ya se habían ordenado 450 unidades. Eran motores de 9 cilindros sobrealimentados con turbo, que desarrollaban 2.200 CV a 470 rpm. El turbocompresor era un diseño independiente desarrollado a partir de una licencia de la casa Büchi de Mannheim en la fábrica de la marca Suiza Brown Boveri Company (BBC),.

El MAN M6V40/46 KBB fue desarrollado para los U-Boote del tipo XXI. Éstos eran una nueva versión de los existentes M6V40/46 (equivalentes de MAN a los Krupp-GW F46a6pu), modificados para incrementar considerablemente sus prestaciones. Un sistema de turbocompresor BBC con refrigeración por agua aumentaba la potencia hasta los 2.000 CV a 520 rpm. El M6V40/46 pasaría a denominarse M6V40/46KBB (Kreiselpumpe). La entrega de estos motores se retrasó debido al rediseño de algunas piezas para soportar el incremento de potencia (del 40% sobre el M6V40/46 original). Este motor no disponía de sistema de reversión de la marcha, para lo cual se empleaban los motores eléctricos.

A modo ilustrativo, en la tabla siguiente se compara el Fairbanks-Morse 38D8-1/8 con otros motores empleados con éxito en submarinos norteamericanos y alemanes en la II Guerra mundial, los cuales ya en aquella época contaban con un reconocido prestigio internacional.

 

	FM 38D8-1/8	GM 16-278A	GM 16-248	MAN M9V 40/46	MAN M6V 40/46	Krupp-GW F46a6pu
Tipo de motor	2 tiempos, uniflujo	2 tiempos, uniflujo	2 tiempos, uniflujo	4 tiempos	4 tiempos	4 tiempos
Nº de cilindros	10	16	16	9	6	6
Sistema de barrido	Compresor Mecánico	Compresor Mecánico	Compresor Mecánico	Turbo-compresor	Turbo-compresor	Compresor Mecánico
Presión de barrido (bar)	0,22	0,2		0,264
Diámetro (mm)	206,375	222,25	215,9	400	400	400
Carrera (mm)	254	266,7	266,7	460	460	460
Cilindrada unitaria (l)	16,99	10,35	9,76	57,81	57,81	57,81
Cilindrada total (l)	169,93	165,55	156,22	520,25	346,83	346,83
Potencia efectiva (kW)	1194	1194	1194	1617	1470	1103
Velocidad (r.p.m.)	720	750	756	470	520	480
P.m.e. (bar)	5,86	5,77	6,07	7,94	9,78	7,95
Peso del motor (Kg)	13314,0	13266,7		25446,5		19300
Velocidad media del pistón (m/s)	6,1	6,7	6,7	7,2	8,0	7,4
Consumo específico a 100% MCR* (g/kw.h)	224,8			226,1	228,48	240
Potencia especifica (kW/l)	7,03	7,21	7,64	3,11	4,24	3,18
Densidad de potencia (kW/t)	89,68	88,9		63,55		57,15
Rendimiento efectivo (100% MCR)	0,375			0,373	0,369	0,351

     *MCR: Maximum continuous rating (máxima potencia capaz de producir continuamente en condiciones normales).

En la Tabla se comparan estos motores utilizando datos objetivos. Llama la atención que, a pesar de ser motores que emplean técnicas muy diferentes, alcanzan cifras de rendimiento bastante igualadas, como es el caso del MAN M9V40/46 y el Fairbanks-Morse 38D8-1/8, los cuales superan el 37% a plena carga. Sin embargo, es importante mencionar que el motor alemán cuenta con la ventaja del turbocompresor y de operar con el ciclo de 4 tiempos. El rendimiento del GW F46a6pu, que lleva compresor mecánico, es sensiblemente inferior.

Otra cualidad interesante de los motores norteamericanos es que a pesar de girar a más revoluciones la velocidad media del pistón es todavía más reducida que en los motores alemanes, esto da idea de lo conservador de su diseño para la obtención de una buena fiabilidad y resistencia al desgaste.

Un apartado importante para los submarinos es el dato de la densidad de potencia (kW/t), en el cual se imponen claramente los motores nortemericanos. El hecho de trabajar con el ciclo de dos tiempos, operar a más altas revoluciones y poseer menores cilindradas les otorga una considerable ventaja.

Por tanto, según los datos recogidos en la Tabla se puede concluir que los motores norteamericanos demuestran, al menos sobre el papel, superioridad técnica frente a los motores alemanes, los igualan en consumo específico de combustible y los mejoran claramente en densidad de potencia y compacidad. En el apartado de fiabilidad, los indicadores de velocidad media de pistón, presión media efectiva, presión de barrido y cilindrada unitaria también otorgan algunos datos favorables a los motores norteamericanos. La eficacia de su diseño también se confirmó a partir de los informes de sus tripulaciones y la evidencia de su amplio programa de producción.

La disposición de la maquinaria de los submarinos de la USS Navy, con los generadores de diesel independientes y motores eléctricos de propulsión, se convirtió en el estándar de la posguerra para submarinos convencionales (no nucleares) en otras marinas de guerra, y todavía se usa en la actualidad mientras no se imponga otra alternativa como podría ser la propulsión con pila de combustible.

Submarino clase Daphne, con los generadores diesel independientes de la propulsión que es siempre con motores eléctricos.

VIDEOS:

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ENLACES RELACIONADOS:

1- Motor de émbolos opuestos Fairbanks Morse 38D8-1/8. Análisis CFD del proceso de barrido

2- Motores diesel en los Uboote

3- Revista Ingeniería Naval, nº 905, julio/agosto 2012:
"Descripción técnica y análisis CFD del motor marino  de émbolos opuestos Fairbanks-Morse 3808-1/8", por C. Rodríguez Vidal y M.I. Lamas Galdo.

4- U.S. NAVY. The FleetType Submarine, 1946, ISBN 1411677536.

5- RODRIGUEZ VIDAL, Carlos; ANTELO GONZÁLEZ Felipe. Sistemas de distribución en motores lentos de dos tiempos con barrido uniflujo, en lazo y transversal. Ingeniería de Mantenimiento Marítimo. 2009, pp. 46-51.

6- Wikipedia, USS Narwhal, USS Cod, USS Lamprey, Type VI, IX, XXI, etc