مقدمه

در دنیای مهندسی دریایی، پروانه ها(Propellers) نقشی محوری در حرکت کشتی ها درون آب دارند که آنها را به سنگ بنای نیروی رانشی کشتی ها تبدیل کرده است. این مقاله فنی به نقش مهم پروانه ها در سیستم رانش کشتی می پردازد و اصول اساسی پروانه ها، انواع، مواد و ساختارشان بررسی می شود و در انتها، نگاهی اجمالی به آینده و برخی فناوری های نوآورانه می اندازد.

تاریخچه پروانه ها

جان اریکسون، مهندس اهل استان ورملند سوئد را می توان به عنوان مخترع پروانه کشتی معرفی کرد. این سیستم به عنوانی اختراعی نوآورانه در زمان جنگ های داخلی ایالات متحده، پس از طراحی کشتی افسانه ای Monitor، راه خود را پیدا نمود.

ورود آقای اریکسون به قلمروی مهندسی زمانی آغاز شد که وی ابتدا در طرح ریزی یک کانال سوئدی مشارکت کرد. در طول این پروژه، آموزش های ریاضیات و علوم را دریافت کرد و این موضوع به اشتیاق وی برای ابداعات جدید و نوآورانه، افزود. در سن 17 سالگی با فداکاری به عضویت ارتش سوئد درآمد و در آنجا به نقشه برداری پرداخت. 

در 1826 میلادی، اریکسون فصلی جدید از زندگی خود را در لندن آغاز کرد و گستردگی مهارت مهندسی خود را به نمایش گذاشت. دستاوردهای او شامل پیشرفت هایی در انتقال نیرو از طریق هوای فشرده، پیشگامی در طراحی دیگ های بخار جدید، معرفی کندانسور ها برای افزایش برد دریانوردی موتور های بخار دریایی، توسعه موتورهایی برای کشتی های جنگی که در زیر خط آبخور نصب می شدند و ارائه راه حل هایی برای مسأله حفاظت در برابر آتش سوزی، بودند.  کمک های او برای طراحی و ساخت موتور های بخار درونسوز، لوکوموتیو بخار، دستگاهی که قادر به استخراج نمک از آب بود، موتور های بخار سوپر هیت و موتورهای کالریک، ادامه یافت.

در میان اختراعات بیشمار اریکسون، بی شک ماندگارترین میراث، پروانه پیچشی (Screw Propeller) است. اختراعی که سنگ بنای مهندسی دریایی کنونی در حوزه سیستم های رانش کشتی ها به شمار می رود. در سال 1839، او پروانه هایی را معرفی نمود که برای استفاده در مسیر کانال ها و آبراه های داخلی به کار می رفتند و نقطه عطف بزرگی در فناوری دریایی بود.

پس از آن اریکسون با روحیه نوآورانه خویش، یک ناوچه بزرگ و مهیب برای نیروی دریایی ایالات متحده ساخت که نشان از تعهد وی برای گسترش و پیشرفت فناوری دریایی، داشت. موفقیت وی با طراحی و ساخت ناوچه Monitor به ثمر نشست. کشتی ای که در طول جنگ داخلی ایالات متحده، نقشی محوری در موفقیت ها و پیروزی ها ایفا کرد. این شاهکار تنها در عرض صد روز کاری ساخته شد و باعث گردید، اریکسون به عنوان چهره ای پیشگام در تاریخچه صنعت دریایی، ماندگار شود.

پروانه چیست؟

پروانه جزئی بسیار مهم از سیستم رانش کشتی هاست و در واقع، سیستمی چرخان با مجموعه ای از پره ها بوده که برای ایجاد نیروی رانش در سیال (آب یا هوا)، طراحی می شود. پروانه های کشتی معمولاً در قسمت عقب آن قرار می گیرند و عموماً در آب غوطه ور هستند.

اصلی ترین وظیفه پروانه تبدیل نیروی مکانیکی تولید شده توسط موتور های کشتی به نیروی رانش و حرکت رو به جلو یا عقب آن است. می توان گفت این عمل در واقع همان قانون سوم نیوتن بوده که نیروی واکنشی در جهت مقابل را در پی دارد.

مواد و ساخت پروانه

به دلیل محیط بسیار خوردنده دریایی، پروانه ها از مواد مقاوم در برابر خوردگی ساخته می شوند. آلیاژ آلومینیوم، فولاد مقاوم در برابر خوردگی، آلیاژ های نیکل، آلومینیوم، مس و برنز از متداول ترین مواد مورد استفاده برای ساخت پروانه ها هستند.

به عنوان مثال، بر اساس قوانین موسسات رده بندی، پروانه های کشتی های اقیانوس پیما، عموماً در چهار گرید زیر ساخته می شوند:

1. برنج ریخته گری شده استحکام بالا گرید 1 (CU1)
2. برنج ریخته گری شده استحکام بالا گرید 2 (CU2)
3. برنز آلومینیوم ریخته گری شده گرید 3 (CU3)
4. برنز آلومینیوم ریخته گری شده گرید 4 (CU4)

جدول 1 – ترکیبات شیمیایی گرید های مختلف مواد پروانه ها بر اساس قوانین موسسات رده بندی

جدول 2 – مشخصات مکانیکی گرید های مختلف مواد پروانه ها بر اساس قوانین موسسات رده بندی

 انواع پروانه ها

پروانه ها را می توان بر اساس عوامل متعددی دسته بندی کرد. در ادامه به برخی از این دسته ها اشاره می کنیم.

دسته بندی بر اساس تعداد پره ها

پروانه ها دارای پیکربندی های متفاوتی هستند. از سه پره تا چهار پره و گاهی حتی پنج پره هم ساخته می شوند. با این حال متداول ترین گزینه ها، پروانه های سه و چهار پره هستند. در ادامه به مشخصه های هر کدام از این نوع پروانه ها می پردازیم.

پروانه های سه پره

1. هزینه ساخت کمتر از دیگر پروانه ها
2. معمولاً از آلیاژ آلومینیوم ساخته می شوند
3. شتاب آن بهتر از انواع دیگر است
4. در سرعت های بالاتر، عملکرد به مراتب بهتری دارند
5. در مقایسه با دیگر انواع، شتاب بیشتری ارائه می دهند
6. مانورپذیری خوبی در سرعت های پایین ندارند

پروانه های چهار پره

1. هزینه ساخت بالاتری نسبت به انواع سه پره دارند
2. معمولاً از آلیاژ فولاد مقاوم در برابر خوردگی ساخته می شوند
3. در سرعت های پایین، مانورپذیری و بازدهی بسیار بهتری ارائه می دهند
4. پایداری بیشتری در دریاهای مواج از خود نشان می دهند
5. مصرف سوخت بهینه تری نسبت به دیگر انواع پروانه ها دارند

پروانه های پنج پره

1. هزینه ساخت بالاتر
2. ارتعاش کمتری نسبت به دیگر پیکر بندی های پروانه ها ایجاد می کنند
3. پایداری قابل توجهی در دریاهای ناآرام ارائه می دهند

در نهایت، پروانه های شش پره، دارای ویژگی های زیر هستند:

1. هزینه ساختشان بالاترین است
2. مشابه با طراحی پنج پره، کمترین ارتعاش را ایجاد می کنند
3. این پروانه ها به پایداری بسیار زیاد در دریاهای مواج مشهورند
4. میدان فشار القایی کاهش یافته روی پروانه تولید می نمایند
5. کشتی های کانتینربر بزرگ اغلب به پروانه های پنج یا شش پره مجهز می شوند تا عملکرد و بازدهی بالاتری در شرایط چالش برانگیز دریایی، داشته باشند

دسته بندی بر اساس گام پروانه (Pitch)

بر اساس تعاریف، گام پروانه به جابجایی نوک یک پره در هر دور کامل 360 درجه اطلاق می شود. بر این اساس پروانه ها به دو دسته مشهور، گام ثابت و گام متغیر تقسیم می گردند.

پروانه های گام ثابت (FPP)

پره های پروانه گام ثابت، به صورت دائمی به هاب یا توپی پروانه متصل می شوند و برای ساختشان از ریخته گری استفاده می شود. موقعیت پره ها در آنها ثابت بوده و از این روی گام ثابتی خواهند داشت. پروانه های گام ثابت، قوی و قابل اطمینان هستند زیرا هیچ گونه اتصال مکانیکی یا هیدرولیکی در آنها وجود ندارد در نتیجه هزینه های ساخت، نصب و نگهداری به مراتب پایین تری نسبت به انواع گام متغیر دارند. از مشخصه های این نوع پروانه ها، قابلیت مانور ضعیف ترشان است، که آنها را مناسب شناورهایی می کند که الزامات مانور ساده تری دارند.

پروانه های گام متغیر (CPP)

در پروانه های گام متغیر، می توان گام را با چرخاندن پره ها حول محور عمودی خود به وسیله تجهیزات مکانیکی و هیدرولیکی، تغییر داد. این مشخصه، امکان ایجاد نیروی رانشی معکوس را بدون تغییر جهت چرخش شفت پروانه، به وجود می آورد. اینکار با تغییر گام به راحتی انجام می شود و بنابراین مشخصه های مانورپذیری بهتر و بازدهی بیشتر موتور، نیز قابل دستیابی خواهد بود. با این وجود، به دلیل وجود ساختار هیدرولیک برای تغییر گام پروانه ها، احتمال نشتی روغن نیز وجود دارد. از سوی دیگر استفاده از سیستم های پیچیده تر، هزینه تولید، نصب و نگهداری بیشتری را می طلبد. مثلاً، گیر کردن پره در یک زاویه خاص و عدم امکان تغییر گام پروانه، می تواند منجر به دشواری در عملیات و مانور شناور گردد. به دلیل استفاده از مکانیزم های عملکردی تغییر گام، ما در اینگونه پروانه ها، عموماً هاب یا توپی بزرگتری نسبت به انواع گام ثابت، خواهیم داشت که باعث می شود در قطرهای برابر، به طور کلی بازدهی کمتری نیز به دست بیاید.

آزمایش های فنی لازم برای نصب پروانه در کشتی های نوساز

وقتی صحبت از نصب پروانه در کشتی های نوساز می شود، یک سری آزمایشات فنی و بازرسی های دقیق برای اطمینان از عملکرد و بازدهی آنها، لازم خواهد بود. در ادامه، به جزئیات بیشتری در این خصوص با توجه به قوانین موسسات رده بندی، اشاره می کنیم.

آزمون توازن (Balancing Tests)

یکی از مهمترین جنبه های نصب پروانه، بررسی دقیق توازن آن است. پره ها باید بر اساس شرایط زیر، ارزیابی های توازن ایستا(Static) و در صورت نیاز پویا(Dynamic) را انجام دهند.

1. آزمون توازن ایستا: از این آزمایش های فنی برای ارزیابی توازن پروانه در حالی که ثابت است، استفاده می شود. اطمینان از توازن در این حالت برای جلوگیری از ارتعاشات و فشار های بی مورد روی پیشرانه، بسیار حیاتی است، به گونه ای که وجود هرگونه عدم توازن کشف شده در حین آزمایش، به سرعت مورد بررسی قرار می گیرد تا از بروز مشکلات بعدی حین کار، جلوگیری شود.

1. آزمون توازن پویا: این آزمایش ها به ویژه برای پروانه های طراحی شده در سرعت های بالای 500 دور در دقیقه، به کار می روند. توازن پروانه در حالت حرکت با شبیه سازی واقعی، سنجیده می شود. شناسایی هرگونه عدم توازن در حین این آزمایش می تواند به ارتعاش زیاد و آسیب احتمالی به شناور منتهی گردد. بنابراین در صورت شناسایی، اقدامات اصلاحی برای رفع مشکل برنامه ریزی می شود.

آزمون سطح تماس (Contact Test)

در مواردی که پروانه به اجبار بر روی بخش مخروطی شفت پروانه قرار می گیرد، انجام آزمون سطح تماس ضروری است. تمرکز این آزمون بر روی هم ترازی دقیق و نقاط تماس بین پروانه و سطوح تماسی شفت، می باشد. نتایج این بررسی دقیق می تواند ایمنی اتصال پروانه را تضمین نموده و از مخاطراتی مانند لغزش (Slippage) یا ناترازی (Misalignment) جلوگیری کند. برای این آزمون می توان از روشهای مختلفی مانند Contact-Facing یا دیگر روشهای معادل، استفاده نمود.

اندازه گیری عمق جایگیری مناسب (Push Up Test)

در انواع پروانه هایی که بدون شیار بوده و روی شفت، نصب می شوند، یکی از مهمترین موارد، تأیید فاصله (عمق) جایگیری مناسب پروانه روی شفت است. بر این اساس، در واقع عمقی که پروانه بر روش شفت با ترکیبی از فشار های محوری و شعاعی، طی می کند، تعیین و تأیید می شود. موقعیت صحیح پروانه در افزایش کارآیی آن بسیار مهم است، به صورتی که هرگونه انحراف از عمق طی شده، می تواند به کاهش بازدهی، ارتعاش و حتی آسیب به پیشرانه، منتهی گردد. بنابراین، اندازه گیری دقیق و مستند سازی این مشخصه، جزء لاینفکی از فرآیند نصب پروانه می باشد.

نگاهی به آینده

انتظار می رود که تا سال 2030، صنعت دریایی شاهد پیشرفت های قابل توجهی در فناوری نیروی رانشی کشتی ها، باشد. یکی از زمینه های بسیار مهم در این خصوص، تمرکز بر کاهش انتشار گازهای گلخانه ای و افزایش بازدهی سوخت خواهد بود که احتمالاً منجر به توسعه سیستم های رانش هیبریدی می شود و پروانه های کاراتر با موتورهای الکتریکی و سوخت های جایگزین کم کربن، به کار خواهند رفت.

از دیگر زمینه های تمرکز آینده، بهبود مانور و سرعت شناورهاست. نکته ای که می تواند به توسعه انواع جدیدی از سیستم های رانش مانند پیشرانه های هیدرودینامیکی مغناطیسی یا سیستم های حباب ساز، منتهی شود.

پیشرفت در علم مواد نیز امکان تولید و ساخت پروانه های کارآمد تر و بادوام تر را ممکن می سازد. استفاده از مواد کامپوزیت یا فناوری چاپ سه بعدی نیز در ساخت پروانه ها، دور از ذهن نخواهد بود.

به طور کلی، آینده پروانه های کشتی احتمالاَ شاهد ترکیبی از فناوری های سنتی و نوآورانه خواهد بود که کارایی، پایداری و عملکرد پروانه در اولویت قرار خواهد گرفت. در ادامه به بررسی اجمالی دو نوع پروانه نوآورانه می پردازیم.

پروانه شارو (Sharrow Propeller)

پروانه شارو، یک فناوری نوآورانه نیروی رانش دریایی است که برای افزایش بازدهی و کاهش مصرف سوخت طراحی شده است. مخترع این پروانه آقای دکتر جیمز شارو بوده و طی هفت سال در Sharrow Marine توسعه یافته است. پروانه شارو دارای طراحی پره های منحصر به فردی بوده که نیروی درگ را کاهش داده، نیروی رانش را افزایش داده و می تواند تا 15 درصد نسبت به پروانه های متعارف سنتی، مصرف سوخت را کاهش دهد. فناوری نوآورانه به کار رفته در طراحی این پروانه ضمن بهبود عملکرد شناور، کاهش انتشار گازهای گلخانه ای را نیز به دنبال خواهد داشت. با این حال معایب احتمالی شامل هزینه بالای اولیه، محدودیت دسترسی، در حال بررسی بودن دوام و نگرانی های سازگاری با کشتی ها و موتورهای خاص، نیز وجود دارند.

پروانه شارو نشان دهنده پیشرفت قابل توجهی در فناوری نیروی رانش دریایی است و احتمالاً در آینده و کاربردهای مختلف دریایی، از آن بیشتر خواهیم شنید.

نحوه کارکرد

پروانه شارو، نشان دهنده پیشرفت بزرگی در فناوری سیستم های رانش دریایی است. بر خلاف پروانه های متدوال سنتی که جریان گردابی متمرکز در نوک پره در آنها عمومیت دارد و در نتیجه همواره اتلاف انرژی و خطر وقوع کاویتاسیون را خواهیم داشت، در پروانه های شارو این مسأله به کلی برطرف شده است و دلیل اصلی این موضوع را باید در حذف تیپ یا نوک پره در پروانه شارو جستجو نمود. این ویژگی متمایز را می توان به راحتی در تصاویر آزمایشی زیر آب در مقایسه با پروانه های متدوال، مشاهده کرد که نشان دهنده عملکرد بسیار بهتر اینگونه پروانه ها از منظر ذکر شده، می باشد.

در تصاویر زیرآبی جذاب، کاملاً تفاوت بین دو پروانه قابل مشاهده است. در پروانه های متداول حباب های ایجاد شده توسط هر پره با الگوهای مارپیچ همگرا همراه است که نشان دهنده وجود جریان گردابی در نوک پره هاست. لازم به ذکر است که وقوع این مسأله (TVC) تنها تابعی از سرعت پره ها نیست، بلکه بیشتر به بارگزاری آنها ارتباط دارد.

از سوی دیگر، در پروانه شارو فقدانی مسحور کننده از جریان گردابی نوک پره ها دیده می شود. نتایج این آزمایش بر توانایی بی نظیر پروانه شارو در کاهش اتلاف انرژی و کاویتاسیون، تأکید می کند و استاندارد جدیدی را در فناوری سیستم های رانش دریایی ایجاد کرده است. طراحی خلاقانه آن که با حذف نوک پره پروانه های سنتی همراه بوده است، منجر به حذف جریان گردابی نوک پره ها شده که جهشی دگرگون کننده و رو به جلو در دنیای مهندسی دریایی می باشد.

رانشگرهای الکترومغناطیسی (Electromagnetic Thrusters)

به طور بالقوه می توان از نیروهای الکترومغناطیسی برای حرکت کشتی بدون نیاز به پروانه یا پارو، استفاده نمود. قوانین حاکم بر نیروی الکترومغناطیس در قرن نوزدهم شناخته شده بودند. جدا از چند آزمایش جداگانه مانند تلاش فارادی برای اندازه گیری ولتاژ در طول رودخانه تایمز ناشی از حرکت آن در میدان مغناطیسی زمین و تلاش هارتمن بر روی پمپ های الکترومغناطیسی در سال 1918، استفاده واقعی از آن تا توسعه علم مهندسی در دهه 60 میلادی، امکان پذیر نشد.

ایده رانشگرهای الکترومغناطیسی برای اولین بار توسطی شخصی امریکایی به نام رایس(1961)، به ثبت رسید. پس از این اختراع، ایالات متحده نقش مهمی در مطالعات نظری و تجربی مرتبط با آن ایفا کرد که نهایتاً منجر به گزارش آزمایشگاه تحقیقاتی وستینگهاوس در سال 1966 گردید. بر اساس نتایج این گزارش، جایگزینی واقعی نیروی رانش کشتی با چنین رانشگر هایی نیازمند بالاترین چگالی میدان مغناطیسی بود. با ساخت سیم پیچ های ابر رسانا در دهه 70 میلادی، پیشرفت بیشتری در این حوزه ایجاد شد.

اصل اساسی پیشرانه های الکترومغناطیسی مبتنی بر برهم نهی یک میدان مغناطیسی القایی تعریف می شود. میدان B توسط یک سیم پیچ ثابت در داخل کشتی و جریان الکتریکی عبوری از الکترود های جانمایی شده در کف شناور یا مجرای عبور آب دریا، ایجاد می گردد. در شکل زیر، از آنجایی که جهت میدان مغناطیسی و جریان بر هم عمود هستند، نیروی لورنتس ایجاد شده به پمپاژ آب منتهی می گردد. مقدار نیروی لورنتس برابر است با حاصل ضرب میدان مغناطیسی (B) در چگالی جریان القایی (J).

 در این حالت می توان میدان الکتریکی را یا به صورت داخلی یا خارجی با قراردادن سیستمی از الکترودها در کف شناور، ایجاد نمود. با این وجود، این روش برای ایجاد نیروی رانش کشتی ها، نسبتاً ناکارآمد است. بیشترین تمرکز بر روی سیستم هایی بوده که از میدان های مغناطیسی داخلی استفاده می کنند و اساس این گونه سیستم ها در شکل زیر نمایش داده شده است. کانالی که آب دریا درون آن جریان می یابد توسط سیم پیچ های مغناطیسی ابررسانای غوطه ور در یک کرایواستیت، احاطه می شود. درون لوله دو الکترود وجود دارد که میدان الکتریکی لازم را برای برهم کنش با میدان مغناطیسی تولید کرده و نیروی لورنتس به وجود آمده، منجر به تولید نیروی رانش می گردد. این مسأله به دلیل رسانایی کم آب دریا، یکی از تلفات سیستم است. بازده کلی سیستم از نظر سرعت بار متناسب با مجذور شدت شار مغناطیسی و سرعت جریان (تابعی از سرعت شناور) می باشد.

نیروی رانش الکترومغناطیسی دارای مزایای بالقوه ای مانند استفاده در پیشرانه های هیدرودینامیکی بدون نویز و ارتعاش است. با این حال، مانعی بزرگ برای توسعه نیروی الکترومغناطیسی تا سال های اخیر وجود داشت بدین صورت که سیم پیچ ابررسانا، برای حفظ خاصیت مقاومت صفر خود باید در دمای هلیوم مایع یعنی منفی 268 درجه سلسیوس، نگهداری می شد. این مسأله به وضوح مستلزم استفاده از مخازن عایق حرارتی برای حفظ دمای مناسب سیم پیچ ابررسانا، بود. بحرانی بودن شرایط حرارتی برای سیم پیچ را می توان در شکل زیر مشاهده نمود که نشان می دهد چگونه مقاومت یک ابررسانا با دما تغییر می کند و در نهایت به دمای بحرانی می رسد. از سوی دیگر، ابررساناها به جریان و میدان مغناطیسی نیز حساس هستند و در صورت در معرض قرار گرفتن در مقادیر بالای این مولفه ها، ممکن است از بین بروند.

با تحقیقات Kamerlingh Onnes در دانشگاه لیدن (1911 میلادی) و کشف ابررسانایی جیوه در هلیوم مایع، دوران ابررسانایی آغاز شد. وی به همین دلیل برنده جایزه نوبل نیز گردید. پس از این تحقیقات بر روی ابررسانایی ادامه یافت، با این حال، پیشرفت به دلیل مسأله پیدا کردن فلزاتی که در دماهای بالاتر از منفی 196 درجه سلسیوس (نیتروژن مایع) بتوانند استفاده شوند، کند بود.

تا سال 1973، بهترین دمای قابل دسترسی 23 درجه کلوین بود. با این حال، در سال 1986 مولر و بدنورز زوریخ به اکسید های سرامیکی که تا آن زمان به عنوان عایق در نظر گرفته می شدند، توجه کردند. نتیجه این تغییر افزایش فوری دمای بحرانی به 35 درجه کلوین بود. اینکار با استفاده از ترکیبی از لانتانیم، باریم و اکسید مس به دست می آمد. برای این کشف، مولر و بدنورز نیز جایزه نوبل دریافت نمودند و بر این اساس، سرعت تحقیقاتی در ایالات متحده، چین، هند و ژاپن افزایش چشمگیری یافت.

در حالی که پیشرفت های صورت گرفته در این موضوع به دلیل آسان تر شدن استفاده از سیم پیچ های ابررسانا، به وضوح دلگرم کننده هستند، باید توجه داشت که تولید بسیاری از اکسید های سرامیکی نسبتاً دشوار است. اول اینکه اگر بخواهیم ساختار ملکولی درستی داشته باشیم، فرآیندی که در ساخت ابررسانا انتخاب می کنیم بسیار مهم خواهد بود. نکته دوم این است که ابررساناها شکننده هستند. در نتیجه در حالی که این نوع پیشرانه ها به وضوح دارای پتانسیل تجاری سازی هستند، برای نیل به این هدف نیاز به تحقیقات بسیار بیشتری، حس می شود.