مقدمه
با توجه به رشد جوامع انسانی و نتیجهی آن نیاز بیشتر به مواد غذایی و منابع غذایی و همچنین ایجاد اشتغال و منابع درآمدی برای این جوامع انسانی رو به رشد، استفاده بیشتر از دریا و فرصتها و منابع موجود در آن (منابع غذایی، منابع نفتی، منابع معدنی و غیره) در دستور کار تمام کشورها و حاکمیتهای دنیا و به طور ویژه کشورهای مرتبط با دریا و منابع آبی قرار گرفت. توسعه صنایع دریایی در هر حوزهای نیازمند شناخت عمیقتر از دریا و فرصت و چالشهای آن میباشد. این شناخت عمیق انسان از دریا که منجر به استفاده از فرصتها و منابع آن میشود به وسیلهی کاوشها و بررسیهای دقیق در آن به دست میآید.
در کشور عزیزمان ایران هم در مرزهای شمالی و هم در مرزهای جنوبی و در برخی از نواحی غیر مرزی و حتی مرکزی کشور، منابع و فرصتهای دریایی قابل توجه و چشمگیری قرار دارد که دارای ظرفیتهای فوقالعادهای میباشند. بنا به تعبیری ایران یک کشور دریایی محسوب میشود و وجود انواع منابع غذایی، نفتی، معدنی و حتی فرصتهای بی بدیل گردشگری و تفریحی و همچنین وجود انواع کاربردهای تجاری و دریانوردی، فرصت بسیار بینظیری را برای افراد و شرکتهای مرتبط برای استفاده و بهرهبرداری از این منابع ایجاد نموده است.
لازم به ذکر است، استفاده از فرصتها و منابع اقتصادی و بعضاً استراتژیک یاد شده در بالا نیازمند بهره بردن از انواع تجهیزات و ادوات مربوطه در حوزههای تخصصی و عمومی مربوط به دریا و صنایع دریایی میباشد. یکی از تجهیزاتی که استفاده از آن در تمام صنایع دریایی از گذشته تا به امروز مرسوم بوده و برای انواع آن کاربردهای بیشماری وجود دارد، انواع و اقسام وسایل جابهجا شونده در آب(کشتی، قایق، لنج و غیره با کاربردهای مشابه) میباشد که هریک از آنها با تناژ وزنی متفاوت با هدف استفاده در کاربردهای متفاوت توسعه یافتهاند که این کاربردها از ماموریتهای نظامی، انتظامی، شناسایی و مرزبانی تا صیادی و تجاری، تفریحی و گردشگری، سرگرمی و غیره در انواع سرنشیندار و بدونسرنشین متفاوت میباشد.
تجهیزات نصب شده به روی این قایقها و ادوات جابهجا شونده در اغلب موارد به جهت کاهش هزینه، تعمیرات سادهتر و قابلیت اطمینان بیشتر، میبایست از نظر مکانیکی دارای عملکردی نسبتاً ساده و در اغلب موارد بدون پیچیدگیهای خاص مهندسی باشد. به بیان سادهتر این قایقها در بیشتر موارد برای حرکت در آب و جابهجا شدن در آن دارای یک موتور(معمولاً دو زمانه)، گیربکس(در اغلب موارد کاهنده) ویک پروانهی دریایی میباشد.
با توجه به پروژه صورت پذیرفته که گزارش آن در اینجا ارائه شده است و در ادامهی این مقدمه، در فصل اول به بررسی ادبیات پروانههای دریایی و مشخصات آنها پرداخته شده است، در ادامه در فصل دوم به بررسی و محاسبات توان و سرعت دورانی به عنوان پارامترهای اصلی در بررسی کارکرد مجموعهی پیشرانهای دریایی پرداخته شده است و در آخر و در فصل سوم مطالبی تحت عنوان انتقال توان(گشتاور) از مجموعه شافت و گیربکس به پروانه با استفاده از مکانیزمی به نام اسپلاین(هزارخاری) ارائه شده است.
1. فصل اول: ادبیات پروانههای دریایی و بررسی پروانه دریایی Yamaha-85
انواع پروانههای دریایی به عنوان شکافندهی آب و عامل حرکت و پیشبرنده،
در تمام تجهیزات جابهجا شونده و حمل و نقل کننده دریایی از جمله انواع قایقها،
کشتیها، زیردریاییها و غیره مورد استفاده قرار میگیرند. دستهبندیهای گوناگونی
با توجه به شکل، کارایی و موارد مصرف برای این پروانهها ارائه شده است و با توجه
به جهت چرخش موتور و گیربکس، تعداد پره از انواع مختلفی برخوردار میباشند. در
ابتدا لازم است تا یک معرفی کلی از پروانهی دریایی و شکل و مشخصات بخشهای مختلف آن
داشته باشیم:
لبه حمله پره: اولین بخش از پرهها که با آب برخورد میکند، لبه حمله نام دارد و دارای ضخامت بیشتری است زیرا میبایست با سرعت و شدت بالایی با آب برخورد نموده و آن را بشکافد بنابراین لازم است تا از استحکام بیشتری برخوردار باشد.
لبه فرار پره: آخرین بخش از پرهها که آب از روی آن جدا میشود، لبه فرار نام دارد و دارای ضخامت کمتری میباشد زیرا میبایست جریان سیال(آب) با کمترین میزان افت فشار و نوسان(WAKE) سطوح پره را ترک نماید.
پایه(هاب) داخلی پروانه: محل اتصال پروانه به بوش رابر(Bush Rubber) و اسپلاین پایه پروانه نام دارد، پرهها در محل اتصال به استوانهی بدنه(ریشه پره) دارای ضخامت و استحکام بیشتری میباشد.
پایه(هاب) خارجی پروانه: محل اتصال پرهها و ریشهی پرهها به پروانه، این سطح با آب در تماس میباشد.
ریشه پره: محل اتصال پره به پایه خارجی پروانه، ریشه پره نام دارد، پرهها در این محل دارای ضخامت و استحکام بیشتری میباشد.
ریب پروانه: این بخش از پروانه وظیفه اتصال پایه داخلی به پایه خارجی پروانه را بر عهده دارد و با حفظ استحکام پروانه، موجب کاهش وزن پروانه میگردد. همچنین لازم به ذکر است در برخی از پروانههای فضای بین ریبها محل عبور گازها و ترکیبات شیمیایی داغ خروجی از اگزاست موتور میباشد. بنابراین در این پروانهها استفاده از ریب علاوه بر اینکه سبب کاهش جرم پروانه(بدون کاهش استحکام آن) میگردد، محل عبور گازها و ترکیبات داغ خروجی از اگزاست نیز میباشد.
سطح فشار پروانه: در زمان چرخش پروانه با توجه به شکل هندسی آن، سرعت آب به روی این سطح کاهش مییابد و در نتیجه آن، فشار استاتیک روی آن افزایش مییابد و به همین دلیل به این سطح، سطح فشار پره میگویند.
دیفیوزر رینگ: این رینگ سبب کاهش فشار پشت پروانه میشود و از برگشت گازهای داغ به پرهها جلوگیری میکند.
تعداد پرههای پروانه دریایی: تعداد پرههای(Blades) نصب شده به روی پروانه دریایی متغییر است و یکی از پارامترهای تاثیر گذار به روی عملکرد آنها میباشد که تحقیقات و مطالعات زیادی به روی آن صورت گرفته است و مقالاتی نیز ارائه نتایج آن تحقیقات برای تعداد و نوع آن منتشر شده است.
پروانه دریایی Yamaha-85 که در طول این پروژه به آن پرداختهایم دارای 3 پره میباشد.
سطح مقطع(پروفیل) پرههای پروانه دریایی: با دقت در شکل پره پروانههای دریایی متوجه میشویم که سطح مقطع(Profile) آنها دارای شکل خاصی میباشد که شبیه به پروفیل بالهای هواپیما و ملخ بالگرد میباشد و دلیل این امر نیز وظیفهی تقریباً یکسان همهی آنها میباشد، که آن هم تولید نیروی پیشران(در شناورها) و برآ(در هواپیماها و بالگردها) با استفاده از ایجاد اختلاف فشار در دوسوی یک سطح(پروفیل) و در محیط یک سیال(هوا یا آب) میباشد.
تیغههای پروانه باید شکلی مشابه ایرفویل داشته باشند همراه با سطح مقطعی که دارای خمیدگی و پیچش باشد، زیرا این خمیدگی و پیچش سبب افزایش کارایی بیشتر نسبت به زمانی که از تیغههای صاف استفاده میشود، میگردد. یک تیغه مسطح کارآمدی و کارآیی یک تیغه با خمیدگی، انحنا و پیچش را ندارد.
زاویه ریک(Rake Angle): زاویه بین پره و خط عمود بر محور پره را زاویه ریک یا Rake Angle مینامند. این زاویه همانطور که در شکل2 نشان داده شده است میتواند صفر، ثابت(Flat Rake) یا متغییر(Progressive Rake) باشد. پرههای دارای زاویه ریک بیشتر معمولاً دارای سرعت و نیروی پیشران بیشتری میباشند. پروانههایی که دارای عملکرد بهتری هستند معمولاً زاویه ریک آنها بین 20 تا 30 درجه میباشد.
لازم به ذکر است پروانه دریایی Yamaha-85 مورد بررسی قرار گرفته است دارای زاویه ریک حدوداً 15 درجه میباشد.
زاویه اسکیو(Skew Angle): زاویه بین خط گذرنده از مرکز تمام مقاطع و محور مماس بر ریشه پره را زاویه اسکیو مینامند. نحوهی تولید زاویه اسکیو میتواند به صورتهای زیر باشد:
اسکیو صفر (No Skewed)
اگر خط گذرنده از مرکز تمام مقاطع، از نقطه شروع خط(در محل ریشه پروانه) تا انتهای خط(در نوک پروانه)، به صورت مستقیم الخط حرکت کند و در مسیر خود هیچ انحناء و تغییر جهتی نداشته باشد، به آن پروانه No Skewed میگویند:
اسکیو متعادل (Balanced Skew)
اگر خط گذرنده از مرکز تمام مقاطع، از نقطه شروع خط که در محل ریشه پروانه است تا انتهای آن که در نوک پروانه میباشد، در مسیر خود تغییر جهت داشته باشد (ابتدا متمایل به سمت جهت چرخش و سپس متمایل به سمت خلاف جهت چرخش باشد) به آن پروانهیBalanced Skew میگویند. در ادامه تصویری از این پروانه ارائه شده است:
در ابتدا خط گذرنده از مرکز تمام مقاطع، در جهت چرخش حرکت کرده و سپس از نقطه P به بعد تغییر جهت داده و به سوی خلاف جهت چرخش پروانه حرکت میکند.
اسکیو پایهای (Biased Skew) اگر خط گذرنده از مرکز تمام مقاطع، از نقطه شروع خط که در محل ریشه پروانه است تا انتهای آن که در نوک پروانه میباشد، در مسیر خود هیچ تغییر جهتی نداشته باشد (از ابتدا متمایل به سمت خلاف جهت چرخش باشد) به آن پروانهیBased Skew میگویند. در ادامه تصویری از این پروانه ارائه شده است:
به طور معمول اگر زاویه Skew Angle بیشتر از 25 درجه باشد به آن پروانه، High skew propeller میگویند. دستهبندی زیر در مورد مقادیر متفاوت زاویه اسکیو و تفاوت ایجاد کرده در شکل یک پروانه دریایی میباشد:
های High skewed برای از بین بردن تکانههای فشاری ناشی از کاویتاسیون طراحی شدهاند. با استفاده از این تکنیک ارتعاشات پروانه تا 30% نسبت به پروانهی No Skewed کاهش مییابد. البته لازم به ذکر است که Skew Angle تاثیری به روی بازدهی ندارد ولی همانطور که در بالا اشاره شد سبب کاهش ارتعاشات پروانه میگردد و به همین دلیل در زیردریاییهای نظامی و یا سایر شناورهای دریایی که به جهت عدم شناسایی در حین ماموریت نیازمند تولید کمترین میزان ارتعاشات و نویز میباشد، از این تکنیک به صورت عمده استفاده میگردد.
پروانه کاپد(Cupped Propeller): همانطور که در شکل3 مشخص است این پارامتر یک خمیدگی در نوک پروانه میباشد که به آن حالتی مشابه حالت فنجان میدهد و از همین رو آن را کاپد(Cupped) مینامند. پروانههای دارای کاپد در هنگام افزایش افزایش سرعت پروانه و همینطور دور زدن قایق به علت چسبندگی بیشتر آب به روی پروانه، قابلیت کنترل بهتری را ایجاد میکنند. همچنین ایجاد کاپد در پروانه سبب افزایش حد بالای سرعت پروانه میگردد. به طور کلی میتوان گفت ایجاد کاپد کارایی و عملکرد عمومی پروانه را افزایش میدهد.
لازم به ذکر است پروانه دریایی Yamaha-85 که در این پروژه مورد بررسی قرار گرفته است از نوع پروانه فاقد کاپد(No Cupped Propeller) میباشد.
جهت چرخش پروانه: جهت چرخش پروانه میتواند ساعتگرد(راستگرد) یا پادساعتگرد(چپگرد) باشد و نحوه تعیین آن بدین صورت است که میبایست از جهت1 یا همان صفحهی FACE به پروانه دریایی نگاه نمود ماننده شکل4 و با توجه به جهت چرخش آن، ساعتگرد(راستگرد) یا پادساعتگرد(چپگرد) بودن آن را تعیین نمود.
لازم به ذکر است پروانه دریایی Yamaha-85 که در این پروژه مورد بررسی قرار گرفته است از نوع ساعتگرد (راستگرد) میباشد.
در مورد شناورهایی که دارای دو پروانه هستن، در اغلب موارد پروانه سمت راست در جهت راستگرد(ساعتگرد) چرخش میکند و پروانه سمت چپ در جهت چپگرد(پادساعتگرد) چرخش دارد تا بدین صورت تعادل گشتاورها برای شناور حفظ شود.
لازم به ذکر است در برخی از شناورها قابلیت حرکت معکوس شناور(حرکت رو به عقب) به واسطه چرخش معکوس پروانه(البته با شرط قابلیت تولید نیروی پیشران معکوس) وجود دارد اما در اینجا به آن پرداخته نمیشود.
