Fairbanks Morse 38D8-1/8 (1937)

El motor diesel de dos tiempos Fairbanks-Morse 38D8-1/8 es uno de los motores de émbolos opuestos con más éxito de la historia. Fue desarrollado a mediados de los años 30 del siglo XX, entrando en producción regular en el año 1937. Se empleó en tracción ferroviaria, pero fue en el sector naval donde tuvo más éxito, principalmente como propulsor de submarinos, se utilizó en prácticamente todas las clases de submarinos norteamericanos durante la II Guerra Mundial, tales como los de la clase Tambor (1939-1941), Gato (1940-1944), Balao (1942-1946), Tech (1944-1951) y el más reciente de la clase Tang (1949-1952). Posteriormente, el 38D8-1/8 también fue utilizado como generador auxiliar en todas las clases de submarinos nucleares hasta los submarinos de la clase Virginia.

Motor diesel Fairbanks-Morse 38D8-1/8 de 12 cilindros y 24 pistones

Además de su aplicación inicial en buques de guerra, el 38D8-1/8 se empleó posteriormente en multitud de buques civiles tales como remolcadores, pesqueros, grandes yates, y barcos de pequeño y mediano porte en general. En menor medida, otras aplicaciones fueron la propulsión ferroviaria y la producción de energía eléctrica. Su éxito se ha consolidado después de muchas décadas de fabricación y miles de unidades producidas. Increíblemente, más de 80 años después desde la aparición de los primeros prototipos, el 38D8-1/8 todavía continúa en producción en la actualidad como generador diesel dual fuel (gas natural-gasoil).

Motor FM 38D8-1/8 moderno equipado con turbocompresor y quemando GNL.

El diseño del Fairbanks-Morse 38D8-1/8 fue inspirado en el motor diesel alemán de aviación Junkers Jumo 204, un diseño muy avanzado para la época y que entró en producción en 1932. Sin embargo el motor Fairbanks-Morse era más grande y pesado que el Junkers, sobre todo debido a que estaba destinado a la propulsión de buques y a tracción ferroviaria, no obstante conservaba las características de alta potencia específica, bajo consumo específico y elevada densidad de potencia, características que en el ambito de los buques militares lo convertían en un candidato muy adecuado para la propulsión de submarinos. 

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

El motor diesel Fairbanks-Morse 38D8-1/8 se caracteriza por se un motor de dos tiempos de émbolos opuestos, esto significa que la cámara de combustión está conformada por las paredes del cilindro y los dos pistones, uno superior y otro inferior, careciendo de la culata que caracteriza a la mayoría de los motores convencionales. Ambos cigueñales se encuentran conectados mecánicamente por medio de una transmisión vertical, el cigueñal superior es el encargado de accionar el compresor espiral de lóbulos tipo Roots, que insufla aire fresco a las lumbreras superiores de admisión. Las lumbreras inferiores son las de escape, el cigueñal inferior es el encargado de transmitir la potencia al exterior.

Sección del motor Fairbanks-Morse 38D8-1/8

Sus principales ventajas son el empleo de barrido uniflujo y diagrama de distribución asimétrico, lo cual mejora considerablemente la eficacia del barrido y el rendimiento debido a la optimización de los tiempos de apertura y cierre de las lumbreras. Estas características de los motores de émbolos opuestos hacen que alcancen una eficiencia en consumos de combustible equiparable a la obtenida por los mejores motores diesel de cuatro tiempos, pero con la ventaja de menor complejidad mecánica y menor peso.

Cilindros de motor de émbolos opuestos. Fairbanks-Morse 38D8-1/8 [1].

El sistema de barrido uniflujo es, sin lugar a dudas, el mejor sistema para un motor de dos tiempos, permitiendo utilizar relaciones carrera/diámetro muy elevadas sin problemas para la obtención de un barrido eficiente (el 3808-1/8 tiene una relación carrera/diámetro de 2,45). En este sistema, el aire de barrido entra por las lumbreras de admisión y se desplaza en línea recta sin cambios de dirección, empujando como si fuera un pistón a los gases quemados fuera del cilindro a través de las lumbreras de escape, y quedando el cilindro lleno con carga de aire fresco. A pesar de que la máxima eficacia nunca se alcanza, se pueden alcanzar valores muy cercanos al óptimo. 

Secuencia del ciclo de un motor de embolos opuestos.

La secuencia del barrido y renovación de la carga es la siguiente. Una el vez completada la inyección e iniciada la combustión, los pistones se separan en su carrera de trabajo. El pistón inferior (que tiene un adelanto de 12°) aprovecha la mayor parte de la energía de los gases y, en su desplazamiento hacia abajo, descubre las lumbreras de escape. Esto provoca una caída brusca de la presión residual dentro del cilindro. A continuación, el pistón superior descubre las lumbreras de admisión. Cada cilindro posee 10 lumbreras de escape y 16 lumbreras de admisión. Estas últimas tienen una orientación en sentido randial para forzar al flujo de aire a girar dentro del cilindro en forma de es remolino (fenómeno conocido como swirling). A pesar de la velocidad axial que posee el aire de barrido cuando entra en el cilindro, a medida que la masa de aire fresco va descendiendo en dirección al escape, se va disipando progresivamente su velocidad y se va concentrando cada vez más hacia el centro del cilindro, pudiendo quedar pequeñas porciones de gases residuales en las inmediaciones de las paredes, haciendo que el barrido nunca sea perfecto. Sin embargo, se han hecho muchos esfuerzos para reducir en lo posible este fenómeno. En motores modernos se ha minimizado gracias a los enormes caudales de aire de barrido que producen las turbosoplantes modernas, y que en estos motores con compresor mecánicos no se podrían utilizar debido a la elevada potencia que consumiría el compresor.

Modelo 3D del cilindro del Fairbanks-Morse 38D8-1/8

Para comprobar el buen funcionamiento de este motor se ha simulado el proceso de barrido mediante CFD con el Software OpenFoam, uno de los mejores programas del mundo para la simulación numérica de mecanica de fluidos computacional. Los resultados se pueden ver en el siguiente vídeo, que representa el rojo aire y en azul gases frescos. En el instante inicial de la simulación el cilindro está lleno de gases (color azul), y al abrirse las lumbreras de admisión (situadas en la parte superior del cilindro) entra aire (color rojo) en el cilindro que expulsa los gases al exterior por medio de las lumbreras de escape.

La extremada rapidez en que se efectua el ciclo hace que sea prácticamente imposible, (manteniendo una precisión razonable) realizar los cálculos por otros métodos. Un ciclo completo se realiza en menos de 0,083 segundos, lo cual da lugar a velocidades en los gases desplazados muy elevadas.

Mediante la técnica de análisis CFD se puede cuantificar con precisión la cantidad de flujo de gases que pasa por las lumbreras de admisión y escape, diferenciando además las cantidades de cada especie, lo cual permite calcular, entre otras cosas, la eficiencia de barrido, que en esta simulación nos da un resultado de 89,2%. Este valor concuerda satisfactoriamente con el 90% calculado por Schweitzer para este mismo motor y en las mismas condiciones de funcionamiento. Esto demuestra las ventajas del análisis CFD en el estudio de la fluidodinámica interna de motores, representando un ahorro muy significativo frente al estudio experimental.

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.

 

	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).

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LINKS:

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