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26 de abril de 2025

La evolución de los sistemas de propulsión naval ha influido significativamente en el diseño, la eficiencia y las capacidades operativas de los barcos modernos.

Este documento presenta un análisis exhaustivo de dos mecanismos de propulsión predominantes: el sistema tradicional de eje lineal y los sistemas de propulsión con pod. Al examinar los principios de diseño, los parámetros de rendimiento y los resultados operativos, este estudio aclara los factores que determinan la preferencia por uno u otro sistema según las aplicaciones marítimas. Datos científicos, literatura técnica y fórmulas pertinentes se integran para ofrecer una comprensión clara, accesible incluso para lectores sin formación especializada en arquitectura naval.

Introducción

Los sistemas de propulsión naval son fundamentales para el movimiento y la maniobrabilidad de las embarcaciones, influyendo directamente en la eficiencia, velocidad y rendimiento ambiental. Históricamente, el sistema de propulsión de eje lineal ha dominado las operaciones marítimas. Sin embargo, en las últimas décadas, los avances tecnológicos han introducido sistemas de propulsión con pod, una categoría que incluye soluciones como el Azipod® de ABB, el Mermaid de Rolls-Royce y los pod Seajet de GE. Aunque ambos sistemas tienen la función primaria de convertir la potencia del motor en empuje, adoptan filosofías de diseño diferentes. Este estudio compara ambos sistemas en términos de diseño mecánico, rendimiento y flexibilidad operativa, discutiendo las condiciones en las que una tecnología es preferible a la otra.

Sistema Tradicional de Eje Lineal

El sistema tradicional de eje lineal se basa en un motor de combustión interna o una turbina de gas alojada dentro del casco. Este motor transmite la potencia mecánica a la hélice mediante un eje de conexión. El principio de funcionamiento se puede expresar a través de la relación entre potencia, par y velocidad angular del eje. Una hélice fija, combinada con un timón ubicado en la popa, proporciona tanto la propulsión como el control direccional.

La simplicidad de este diseño se traduce en un rendimiento robusto y facilidad de mantenimiento, lo que representa ventajas clave. Sin embargo, también existen limitaciones: la orientación fija de la hélice limita los cambios rápidos de dirección y se producen pérdidas de energía debido al roce en la transmisión mecánica. Además, la ubicación interna del motor y los componentes relacionados ocupa un espacio valioso que podría destinarse a carga o espacios para los pasajeros.

La eficiencia en los sistemas de eje lineal está estrechamente relacionada con la interacción hidrodinámica entre la hélice y el casco. La eficiencia puede estimarse como la relación entre la potencia útil de salida y la potencia de entrada. Un desalineamiento o una colocación subóptima pueden aumentar la resistencia y reducir la eficiencia.

Sistemas de Propulsión con Pod

Los sistemas de propulsión con pod representan una evolución significativa respecto al sistema tradicional de eje lineal. En estos sistemas, la unidad de propulsión, que alberga un motor eléctrico, está contenida dentro de una góndola (pod) montada externamente al casco del barco. El pod puede rotar 360 grados, lo que ofrece una maniobrabilidad superior. Entre los diversos sistemas pod disponibles, el Azipod® de ABB es probablemente el más conocido, utilizado con éxito ya a mediados de los años 90 en rompehielos finlandeses como el MS Fennica y el MS Nordica. También el sistema Mermaid de Rolls-Royce merece atención, especialmente por su uso en grandes barcos de crucero como el RMS Queen Mary 2. Los primeros usuarios de estas tecnologías enfrentaron algunas dificultades iniciales, como problemas de durabilidad de los rodamientos de empuje en los sistemas Azipod®, pero mejoras de diseño posteriores han resuelto en gran parte estas dificultades.

Las ventajas operativas de los pods son significativas. La capacidad de orientar el empuje en cualquier dirección simplifica enormemente las maniobras en aguas restringidas. Desde un punto de vista matemático, la eficiencia de la propulsión pod puede analizarse considerando la reducción de las pérdidas de transmisión. Dado que el pod elimina el uso de un largo eje mecánico, las pérdidas por fricción, generalmente proporcionales a la superficie y el movimiento relativo de los componentes del eje, se reducen al mínimo. Además, dado que la hélice del pod opera en un flujo relativamente tranquilo, la incidencia del fenómeno de la cavitación es menor, lo que incrementa aún más la eficiencia general.

En la práctica, la mejora de la eficiencia de la propulsión pod se traduce en valores más bajos de consumo específico de combustible (sfoc). Los estudios han demostrado que los barcos equipados con sistemas pod pueden lograr una reducción del consumo de combustible de hasta un 20% en comparación con embarcaciones similares con eje lineal tradicional. Este ahorro de combustible es fundamental no solo desde el punto de vista económico, sino también para reducir el impacto ambiental de las operaciones marítimas. Esta conclusión está respaldada por numerosos estudios e informes del sector que han comparado embarcaciones similares equipadas con sistemas tradicionales y con sistemas pod. En particular, las investigaciones realizadas por ABB (y publicadas en su documentación técnica) han demostrado que el mecanismo de transmisión directa en la propulsión pod, al eliminar las pérdidas energéticas asociadas a los largos ejes mecánicos, puede generar mejoras de eficiencia del orden del 20%, considerando también la optimización hidrodinámica de las góndolas.

Esta mejora se debe no solo a la reducción de las pérdidas por fricción, sino también a la mayor flexibilidad operativa. El control continuo del vector de empuje permite que la hélice opere en un entorno hidrodinámico más favorable. En los sistemas tradicionales, en cambio, la hélice a menudo trabaja en un flujo turbulento, lo que aumenta la cavitación y reduce la eficiencia. Los modelos matemáticos vinculan el empuje efectivo y el consumo de combustible con la potencia y la eficiencia, mostrando cómo la reducción de las pérdidas se traduce en ahorro energético.

En conclusión, el ahorro del 20% está confirmado tanto por datos empíricos como por análisis teóricos, apoyando la adopción de la propulsión con pod en contextos donde la eficiencia y la maniobrabilidad son fundamentales. Sin embargo, dicho valor depende en gran medida del tipo y diseño del barco, variando considerablemente entre los portacontenedores y los barcos de crucero.

Análisis Comparativo

Las diferencias entre los dos sistemas de propulsión son evidentes si se analizan a través de los parámetros de flexibilidad operativa, eficiencia energética y uso del espacio. Los sistemas de eje lineal tradicional ofrecen una fiabilidad comprobada y un diseño sencillo, que muchas compañías navieras siguen prefiriendo para buques graneleros, petroleros y portacontenedores. Su simplicidad conlleva procedimientos de mantenimiento bien establecidos y fácil disponibilidad de repuestos. Sin embargo, la configuración fija de la hélice y el timón limita la maniobrabilidad, especialmente en condiciones portuarias restringidas.

En cambio, los sistemas de propulsión con pod ofrecen una gran maniobrabilidad gracias a la capacidad de rotación de 360 grados de los pods. Esta característica es particularmente ventajosa en puertos con accesos limitados o donde el amarre requiere un control extremadamente preciso. La eficiencia maniobrera puede entenderse mejor al considerar el radio de giro de una embarcación. Para un barco con eje lineal tradicional, dicho radio depende en gran medida del ángulo del timón y del flujo hidrodinámico alrededor del casco. En cambio, un barco con propulsión con pod puede generar empuje lateral directo, reduciendo significativamente el radio de giro y permitiendo un control de navegación mucho más preciso.

Desde un punto de vista matemático, si denotamos por F el empuje producido por la hélice, y asumimos que en los sistemas de eje lineal dicho vector de empuje es fijo respecto al casco, el momento torsional efectivo (τ) respecto al centro de gravedad del barco está limitado por la distancia del brazo de palanca (d). En los sistemas pod, donde el vector de empuje puede controlarse activamente, el momento maniobrero puede optimizarse continuamente, con un rendimiento superior en entornos dinámicos.

Además, el montaje externo de los pods libera espacio dentro del casco, que puede reasignarse para aumentar la capacidad de carga o mejorar los servicios a bordo. Esta ventaja es especialmente relevante para los barcos de crucero, donde la maximización del espacio disponible se traduce directamente en un mayor potencial de ingresos.

Aplicación en Barcos de Crucero y Entornos Portuarios

Los barcos de crucero han adoptado cada vez más los sistemas de propulsión pod debido a su superior maniobrabilidad y eficiencia en condiciones operativas diversas. El RMS Queen Mary 2, por ejemplo, utiliza los propulsores azimutales Mermaid de Rolls-Royce, lo que le permite navegar con precisión incluso en los puertos más complejos. Las primeras implementaciones de sistemas pod en el sector de los cruceros encontraron algunas dificultades iniciales, como problemas de vibración y desgaste de los rodamientos, pero las mejoras de ingeniería posteriores han resuelto en gran parte estas críticas.

Otro ejemplo significativo es el barco de crucero Elation de Carnival. Al convertir su sistema de una línea de eje tradicional a una configuración pod, Elation ganó aproximadamente 1.200 metros cuadrados adicionales de superficie cubierta, espacio previamente ocupado por propulsores de popa, líneas de ejes y motores de propulsión. Esta reorganización del espacio no solo mejoró la comodidad de los pasajeros, sino que también aumentó el potencial de ganancias al agregar cabinas y servicios. La reducción del consumo de combustible y la mayor maniobrabilidad también contribuyen a operaciones portuarias más eficientes.

Los puertos con restricciones de navegación complejas también se benefician de las embarcaciones equipadas con propulsión pod. El puerto de Marghera, en Venecia, por ejemplo, es conocido por sus canales estrechos y estrictas normativas medioambientales. En entornos como este, la capacidad de los sistemas pod de generar empuje en cualquier dirección simplifica las maniobras de amarre y desamarre, reduciendo el riesgo de encallamientos y minimizando el tiempo empleado por los barcos en maniobras en aguas restringidas. El control más preciso también ayuda a reducir el impacto ambiental de los movimientos de los barcos, ya que las maniobras más controladas generan menos oleaje y limitan la erosión de las estructuras portuarias.

Otros puertos de crucero, como los de las regiones caribeñas y mediterráneas, también han informado mejoras en la eficiencia operativa con barcos equipados con propulsión pod. En estos casos, la reducción del radio de giro y la optimización del consumo de combustible se traducen en tiempos de espera más cortos y menores costos operativos. Las autoridades portuarias han reconocido tales ventajas y, en algunos casos, incluso han introducido incentivos para los barcos que adoptan sistemas de propulsión eficientes y ecológicos.

Conclusión

En resumen, la elección entre la propulsión tradicional de eje lineal y los sistemas de propulsión con pod está influenciada por múltiples factores, incluidos la maniobrabilidad, la eficiencia en el consumo, el uso del espacio y las necesidades operativas. Aunque los sistemas tradicionales siguen siendo preferidos por su simplicidad mecánica y sus procedimientos de mantenimiento consolidados, especialmente en los barcos graneleros y petroleros, la propulsión con pod ofrece ventajas significativas para las embarcaciones que operan en entornos donde la maniobrabilidad y la optimización del espacio son esenciales. El análisis matemático del empuje y los momentos torsionales destaca las mejoras en el rendimiento garantizadas por los sistemas pod, y los ejemplos concretos del sector de los cruceros ilustran tanto los beneficios operativos como los desafíos enfrentados en las primeras implementaciones. Con el continuo progreso tecnológico, la brecha en términos de fiabilidad y mantenimiento entre los dos sistemas tiende a reducirse, lo que fortalece aún más la validez de la propulsión pod para una mayor cantidad de aplicaciones marítimas.

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Luca Paglia

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