اقدامات موثر کاهش نویز های زیر آبی در کشتیرانی تجاری

۱۴۰۱/۱۰/۱۵ 23:58

در سالهای اخیر نگرانی های بسیاری در خصوص اینکه بخش قابل توجهی از نویز های زیر آب، توسط فعالیت های انسانی مانند کشتی رانی تجاری ایجاد می شود، مطرح شده است. جامعه بین المللی به این نتیجه رسیده است که سر و صدای منعکس شده زیر آب توسط کشتی های تجاری ممکن است پیامدهای منفی کوتاه مدت و بلندمدت بر آبزیان، به ویژه پستانداران دریایی داشته باشد.

با توجه به پیچیدگی های مرتبط با طراحی و ساخت کشتی ها، تمرکز این مقاله بر روی اصلی ترین منابع ایجاد نویز زیر آب خواهد بود که عموماً به پروانه ها، شکل بدنه، ماشین آلات کشتی و جنبه های عملیاتی شناورها، ارتباط دارد. بخش زیادی از نویزهای زیر آب، اگر نگوییم اکثریت قاطع آن، ناشی از کاویتاسیون پروانه است، اما ماشین آلات و مسائل عملیاتی نیز به نوعی در این قضیه دخیل هستند. بر این اساس در یک استراتژی بهینه کاهش نویز زیر آبی، بهتر است همه منابع تولید کننده نویز در نظر گرفته شود.

مدل‌های محاسباتی نویز زیر آب ممکن است هم برای کشتی‌های نوساز و هم برای کشتی‌های در حال خدمت (موجود)، در درک اینکه چه تغییرات خاصی در طراحی یا عملیات شناورها، می تواند منجر به کاهش مقدار نویز شود، مفید باشد. چنین مدل هایی ممکن است برای تجزیه و تحلیل منابع نویز در کشتی، مسیرهای انتقال نویز از طریق کشتی و برآورد کل سطوح نویز پیش بینی شده، استفاده شوند. این تجزیه و تحلیل می تواند به مالکان کشتی، کشتی سازان و طراحان کمک کند تا اقدامات کنترل نویز را که می تواند برای کاربرد های خاص در نظر گرفته شود، با احتساب شرایط عملیاتی مورد انتظار، شناسایی کنند. چنین اقداماتی ممکن است شامل موارد زیر باشد: پایه‌های جداکننده ارتعاش (پایه‌های ارتعاشی) برای ماشین‌آلات و سایر تجهیزات، مسائل تعادل دینامیکی، میرایی ارتعاشات سازه ای، عایق ها و جاذب های صوتی، ضمائم به بدنه و فاکتور های کاهش نویز در طراحی پروانه.

انواع مدل های محاسباتی که ممکن است به کاهش نویز زیر آب کمک کنند عبارتند از:

دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) می‌تواند برای پیش‌بینی و تجسم ویژگی‌های جریان در اطراف بدنه و ضمائم آن، ایجاد میدان آب شیار (Wake) محاط بر پروانه، استفاده شود.
از روش های تحلیل(آنالیز) پروانه مانند روش های سطوح بالابر (Lifting Surface) یا CFD، می توان برای پیش بینی کاویتاسیون استفاده کرد.
از تجزیه و تحلیل انرژی آماری (SEA) می توان برای تخمین سطوح نویز و ارتعاشات ارسالی با فرکانس بالا از ماشین آلات استفاده کرد.
استفاده از روشهای تجزیه و تحلیل المان محدود (FEM) و المان مرزی (BEM) ممکن است در تخمین سطوح نویز و ارتعاش فرکانس پایین از سازه کشتی که توسط فشار نوسانی پروانه و تحریک ماشین آلات ایجاد شده است، مفید باشد.

ملاحظات طراحی

بدیهی است که بهترین زمان برای کاهش صدای زیر آب در طول طراحی اولیه کشتی است. برای کشتی های موجود، بعید به نظر می رسد که عملکرد نویز زیر آب که با طراحی های جدید قابل دستیابی است، عملی باشد. بنابراین مسائل طراحی مشروح زیر در درجه اول برای کشتی های نوساز در نظر گرفته شده است. با این حال، در صورت منطقی و عملی بودن، می توان از این راه حل ها در کشتی های موجود نیز استفاده کرد. در حالی که نویز جریان در اطراف بدنه تأثیر ناچیزی بر نویز ساطع شده دارد، ولی شکل بدنه تأثیر زیادی بر جریان آب ورودی به پروانه دارد. برای کاهش موثر صدای زیر آب، طراحی بدنه و پروانه باید با یکدیگر مطابقت داشته باشند. این مسائل طراحی باید به طور کلی به عنوان بخشی از شاخصه های ایمنی و بازدهی انرژی کشتی ها در نظر گرفته شود.

پروانه شناور

پروانه ها باید به گونه ای انتخاب شوند که نهایتاً کاهش کاویتاسیون را در عملیات معمول آنها مشاهده نمائیم. کاویتاسیون منبع اصلی نویز ساطع شده (Radiated Noise) خواهد بود و ممکن است این مشکل را به مقدار قابل توجهی افزایش دهد.

کاویتاسیون را می توان تحت شرایط عملیاتی معمول از طریق طراحی خوب، بهینه سازی بار روی پروانه، اطمینان از جریان یکنواخت آب به سمت پره ها (که می تواند تحت تأثیر طراحی بدنه قرار گیرد) و انتخاب دقیق مشخصات پروانه مانند قطر، تعداد پره ها، گام(Pitch)، انحراف (Skew) و مقاطع (Sections)آن، کنترل نمود.

کشتی‌های مجهز به پروانه های گام متغیر (CPP) می‌توانند با مقداری تغییر در سرعت شفت، گام پروانه را به گونه ای تغییر دهند که منجر به ایجاد کاویتاسیون نامطلوب شود. ( در برخی طراحی ها، ممکن است بتوان تا دو سوم سرعت کامل شفت را کاهش داد.)

کشتی و پروانه آن را می توان در یک مرکز آزمایش کاویتاسیون مانند تونل کاویتاسیون برای بهینه سازی طراحی پروانه با توجه به پالس های فشار ناشی از کاویتاسیون و نویز ساطع شده، آزمایش کرد.

اگر بالاترین فشار نوسانی (peak fluctuating pressure) پیش بینی شده در بدنه بالای پروانه در طراحی اولیه کشتی هایی با ضریب بلوک (Cb) زیر 0.65، کمتر از 3 کیلو پاسکال (هارمونیک اول) و 2 کیلو پاسکال (هارمونیک دوم) و در کشتی‌هایی با ضریب بلوک بالای 0.65، 5 کیلو پاسکال (هارمونیک اول) و 3 کیلو پاسکال (هارمونیک دوم) باشد، می‌تواند نشان‌دهنده یک پروانه بالقوه با صدای کمتر باشد. مقادیر مذکور در شرایط بالاست احتمالاً 1 کیلو پاسکال بیشتر است.

در حال حاضر گزینه های طراحی برای کاهش نویز پروانه ها در بسیاری از کاربردها موجود بوده و باید در نظر گرفته شود. با این حال، نکته ای که توسط بسیاری ای از طراحان و سازندگان پذیرفته شده، این است که به دلیل محدودیت های فنی و مهندسی همواره استفاده از پروانه بهینه از این منظر با کمترین نویز، کاربردی نیست. (مانند پروانه های مقاوم سازی شده برای آبهای یخ زده)

همچنین بر مبنای اصول طراحی، کاهش کاویتاسیون (یعنی کاهش گام در نوک تیغه ها) می تواند باعث کاهش کارایی کلی پروانه نیز شود.

طراحی بدنه

میدان های آب شیار (Wake Fields) ناشی از حرکت کشتی ها در حالتهایی که ناهمگن یا غیر یکنواخت باشند، می توانند منجر به افزایش کاویتاسیون شوند. بنابراین، فرم بدنه کشتی و زائده های آن باید به گونه ای طراحی شود که آب شیار های (Wakes) ایجاد شده تا حد امکان همگن باشند. به دلیل کارکردن پروانه در میدان های آب شیار کشتی، رعایت این نکته مهم باعث کاهش کاویتاسیون خواهد شد.

در نتیجه می توان با بهینه سازی سازه ای کشتی و بدنه، به کاهش پاسخ تحریک و انتقال نویز ناشی از سازه دست یافت.

ماشین آلات روی شناور

در انتخاب ماشین آلات روی شناور ها، باید به تمامی اقدامات لازم مانند کنترل ارتعاشات، جانمایی مناسب و بهینه سازی نشیمن گاه های آنها که می تواند در کاهش انتشار صوت در زیر آب موثر باشد، توجه نمود.

طراحان، مالکان و کشتی سازی ها باید از سازندگان ماشین آلات درخواست کنند که اطلاعاتی در مورد شدت صدای تولید شده در هوا و ارتعاشات محصولات خود ارائه دهند تا امکان تجزیه و تحلیل با روش‌های مناسب فراهم شود. در نهایت روشهای نصب مناسب پیشنهادی نیز بر همین منوال توسط سازندگان محصولات، توصیه شود تا مقدار نویز زیر آب ناشی از آنها کاهش یابد.

پیشرانه های دیزلی-الکتریکی گزینه ای بسیار موثر برای کاهش نویز زیر آب شناخته می شود. در برخی حالتها، استفاده از این نوع ماشین آلات می تواند نسبت به پیشرانه های دیزلی بزرگ، کنترل ارتعاشات به مراتب بهتری را ایجاد کند. همچنین استفاده از موتور های الکتریکی با کیفیت نیز به کاهش ارتعاشات بدنه کمک خواهد کرد.

متداول ترین نوع پیشرانه در کشتی ها، موتور دیزل است. در اکثر موارد، امکان استفاده از نشیمن گاه های(فوندانسیون) انعطاف پذیر در موتورهای دو زمانه بزرگی که برای پیشرانه اصلی بیشتر کشتی ها استفاده می شوند، وجود ندارد. با این حال، برای برخی موتورهای چهار زمانه، می توان از کوپلینگ‌ها و پایه های انعطاف‌پذیر استفاده کرده که ممکن است سطح نویز زیر آب را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.

این نوع موتور ها، اغلب همراه با جعبه دنده (گیربکس) و پروانه گام متغیر (CPP) استفاده می شوند.

بنابراین، برای کاهش موثر نویز، باید به نصب موتور ها روی نشیمن گاه های (فوندانسیون) منعطف و احتمالاً کوپلینگ کشسان (الاستیک) بین موتور و جعبه دنده، نیز توجه نمود.

از عایق های ارتعاشی بیشتر در نشیمن گاه های (فوندانسیون) ژنراتور های دیزلی، استفاده می شود. استفاده مناسب از عایق های ارتعاشی و همچنین بهبود تعادل دینامیکی برای ماشین آلات رفت و برگشتی (reciprocating machinery) مانند دستگاه های تبریدی (refrigeration plants)، کمپرسورهای هوا و پمپ ها باید مورد توجه قرار گیرد. عایق بندی ارتعاشی دیگر اقلام و تجهیزات مانند سیستم های هیدرولیکی، پمپ های الکتریکی، لوله کشی ها (پایپینگ)، فن های بزرگ، هواکش ها و کانال های تهویه مطبوع، نیز می تواند در برخی اوقات مفید باشد. به ویژه به عنوان اقدامی کاهنده در زمانی که روشهای مستقیم تر برای یک کاربرد خاص مناسب نباشند.

دیگر فناوری های قابل استفاده در کشتی های در حال خدمت (موجود)

فناوری های زیر علاوه بر امکان استفاده در کشتی‌های نوساز، به کاهش نویز در کشتی‌های موجود نیز کمک می‌کنند:

طراحی و نصب پروانه های جدید و پیشرفته
نصب تجهیزات بهبود دهنده آب شیار (Wake)
نصب سیستم های تزریق هوا به پروانه (به عنوان مثال در شرایط بالاست)

ملاحظات عملیاتی و نگهداری

واضح است که اصلی ترین دلایل تولید نویز زیر آب از مسائل طراحی کشتی مانند شکل بدنه، پروانه، اندرکنش بدنه و پروانه و جانمایی ماشین آلات، نشأت می گیرد. با این وجود، اقدامات عملیاتی و نگهداری صحیح می تواند در کاهش نویز کشتی های نوساز و موجود، مفید باشد. نمونه هایی از این دست اقدامات به صورت زیر فهرست شده است:

تمیزکاری پروانه: تمیزکاری پروانه می تواند با از بین بردن موجودات دریایی چسبیده به آن، زبری سطح را کاهش داده و به کاهش کاویتاسیون پروانه کمک کند.
سطح بدنه زیرآبی: با حفظ صافی بدنه زیر آبی شناورها، مقاومت کشتی و بار روی پروانه کاهش و در نتیجه بازدهی انرژی کشتی بهبود یافته و به کاهش نویز زیرآبی کمک می کند. رنگ ها و پوشش های موثری برای کاهش مقاومت بدنه و تلاطم وجود دارد که می توانند در نهایت منجر به کاهش نویز زیر آب و بهبود بازدهی انرژی کشتی ها شوند.
انتخاب سرعت کشتی: عموماً، در کشتی های مجهز به پروانه گام ثابت، کاهش سرعت کشتی می تواند اقدامی موثر در کاهش نویز زیر آبی باشد، به ویژه زمانی که سرعتی کمتر از سرعت شروع کاویتاسیون انتخاب شود. در کشتی های با پروانه گام متغیر، ممکن است که تنها با کاهش سرعت، نویز کاهش نیابد. در این حالت، باید به ترکیب بهینه سرعت محور (شفت) و گام پروانه برای کاهش نویز، توجه نمود.
مسیریابی مجدد و تصمیمات عملیاتی: کاهش سرعت یا تغییر مسیر برای جلوگیری از ورود به مناطق حساس دریایی از جمله زیست گاه های شناخته شده یا مسیر های مهاجرت دریایی، می تواند به کاهش اثرات نامطلوب نویز بر زندگی آبزیان کمک کند.