بخشی از مقاله
بررسی انواع موتورهای الکتریکی مورد استفاده در سیستم رانش شناورها
چکیده
سیستم رانش در هر سامانهی متحرکی به عنوان قلب تپنده سیستم است، چرا که بدون رانش عملا حرکتی وجود ندارد. شناورها نیز از این قاعده مستثنی نبوده و با توجه به راندمان پایین و محدودیتهای سیستم دیزل، همواره بحث جایگزینی آنها با سیستم های مناسبتر مطرح بوده است. یکی از بهترین این گزینهها الکتروموتورها هستند، چرا که استفاده از موتور الکتریکی به عنوان محرکه شناور دارای مزایای زیادی مانند روشن و خاموش شدن سریع، قابلیت تحمل اضافه گشتاور برای شتابدهی سریعتر در ماموریتهای نظامی ناوها، خاموش نمودن موتورها در حین استفاده از سلاحهای الکتریکی، قابلیت اعتماد بالای این موتورها، سادگی ساختار موتور الکتریکی بخصوص موتور القایی، تعمیر راحت آنها و ... میباشد. بههمین دلیل تئوری محرکه الکتریکی کشتیها از زمان اختراع موتور DC مطرح بوده است، لیکن موتور DC به دلیل استهلاک بالا و مشکلات عملکرد در محیطهای مرطوب (مانند سطح دریاها) دارای چالشهای اجراست. پس از ابداع روشهای کنترل دور موتورهای AC (که عمری کمتر از 40 سال داشته و هر روزه در حال پیشرفت و تکمیل هستند). بحث جایگزین شدن آنها در سامانههای رانش بطور جدی مطرح و در مراحل تحقیقات گوناگون قرار گرفته است. در این نوشتار ابتدا به بررسی انواع موتورهای رانش شناورها در دو دسته غیر الکتریکی و الکتریکی پرداخته شده است. سپس مزایای استفاده از موتورهای الکتریکی در سامانه رانش شناورها مورد تحلیل قرار گرفته و در ادامه انواع الکتروموتورهای مورد استفاده در رانش شناورها بحث شدهاند. در پایان بهترین موتور الکتریکی برای رانش شناور، بسته به کاربرد آن مطرح شده است.
کلید واژه: سامانه رانش، شناور، محرکه الکتریکی، موتور دیزل
مقدمه
از زمان اختراع ماشین بخار توسط توماس نیوکامن1 و بهخصوص پس از توسعه آن توسط جیمز وات2 در قرن 18 میلادی، بهکارگیری این محرکه بهعنوان آفریننده نیروی رانش در وسایل مختلف نظیر قطارها و کشتیهای بخار آغاز میشود. سپس با توسعه دانش، انواع دیگر محرکهها بهوجود میآیند که هرکدام نسبت به نمونه قبلی دارای مزایا و احتمالا محدودیتهای هستند. به جرات پرکاربردترین محرکه در دنیای امروز موتور دیزل است که فقط به دلیل ساختار ساده خود از چنین جایگاهی برخوردار است، اما نباید فراموش کرد که در سیستمهای با ارزش مانند وسایل نظامی کارآیی، قابلیت اعتماد و انعطافپذیری بر فاکتور سادگی ارجحیت دارند و از این رو است که کار بر روی محرکههای مختلف برای شناورها ادامه دارد. گذشته از این، انتخاب محرکه برای شناور به پارامترهای دیگری نظیر سرعتی یا قدرتی بودن شناور، مدت زمان ماموریت، شرایط محیطی و ... بستگی دارد. بحث محرکه الکتریکی کشتیها مطلب تازهای نیست چرا که از اوایل قرن 20ام هر دوی سیستمهای رانش AC و DC در کشتی ها به صورت تحقیقاتی استفاده شدهاند(1، (5، لیکن به دلیل مسائل اجرایی، راندمان، مشکلات تعمیر و نگهداری، پیادهسازی سیستم
کنترل و ... تا حدود 80 سال این قسم پروژهها مسکوت ماندند. از دهه 1980 بهصورت جدی کار بر روی تنوع و تولید کشتیهای دارای رانش الکتریکی اعم از کشتی های مسافرتی، شناورهای آبی، خاکی و نظامی آغاز شده است. در مرجع (5) یک الفبای خوب برای سیستم رانش الکتریکی کشتیهای تجاری ارائه شده و یک تاریچخه خیلیخوب برای سیستمهای رانش الکتریکی شناورهای نظامی نیز در مرجع (4) آمده است. موتورهای رانش شناورهای تجاری بهطور قریب به اتفاق از نوع القایی یا سنکرون دارای سیمبندی میباشند. برای کشتی های نظامی این تکنولوژی به دلیل داشتن چگالی پایین توان کارآیی لازم را ندارند لذا به سراغ موتورهای با توان به حجم و وزن بالاتر میروند. که انواع آنها شامل ماشینهای تکقطبی ابررسانایی و ماشینهای سنکرون ابررسانایی مغناطیس دائم است.
موتورهای رانش غیر الکتریکی
از آنجا که قدمت سیستم رانش غیر الکتریکی بسیار بیشتر از نوع الکتریکی است، لذا ابتدا به صورت کاملا خلاصه به بررسی انواع موتورهای رانش پرکاربرد غیرالکتریکی پرداخته میگردد.
توربین بخار[7 ,6]1
در نیمه اول قرن بیستم توربینهای بخار توسط سر پارسونز2 تکمیل و گسترش پیدا کرد و در نتیجهی بازده بالای این توربینها تعداد زیادی از کشتیهای بخار نسبت به تعداد کشتیهای بادبانی ساخته شد. در اوایل قرن بیستم با افزایش کاربری سوخت نفت سنگین این سوخت جایگزین زغال سنگ در کشتیهای بخار گشت. مزیت بزرگ این سوخت، کاهش نیروی انسانی و کاهش فضای لازم برای مخازن سوخت بود اما در نیمه دوم قرن بیستم افزایش قیمت سوخت باعث کنار گذاشته شدن توربینهای بخار از کشتیها شد. لازم به ذکر است که توربینهای بخار در مقایسه با موتورهای دیزل قیمت اولیه بالاتر و مصرف سوخت بیشتری دارند.فارغ از سوخت مصرفی اساس کار تمام توربینهای بخار به این ترتیب است که بخار آب با فشار بالا (که از دیگ بخار خارج شده است) وارد یک سری از پرهها میشود و باعث چرخیدن پرهها و شفت متصل به آنها میشود. سپس توان از طریق گیربکس به شفت پروانهها منتقل شده و باعث رانش میشود
توربین گازی[9 , 8]
این نوع توربینها بیشتر در کشتی های نظامی و شناورهای پرسرعت مثل شناورهای فری3 و همچنین شناورهای پیشرفته استفاده میشوند. امروزه با ظهور تکنولوژیهای پیشرفته در زمینه توربین گازی از آنها در کشتیهای تجاری هم استفاده می-شود. اساس عملکرد توربین گازی اینگونه است که ابتدا هوا وارد کمپرسور شده و فشار آن بالا میرود. هوا با فشار بالا وارد محفظه احتراق شده و در اثر تزریق گاز، احتراق صورت میگیرد. در اثر احتراق، گازهای داغ با فشار و سرعت بالا تولید و وارد توربین می-شود. این کار باعث چرخش توربین و محور آن میشود، سپس از طریق گیربکس سرعت و قدرت به هم تبدیل شده و توان مورد نیاز پروانه تامین میشود.
موتور دیزل[10]
موتور دیزل سادهترین و پرکاربردترین موتور ایجاد توان مکانیکی است، این موتور درونسوز بسیار ساده بوده و حتی نیاز به سیستم جرقهزنی برای احتراق نداشته بلکه بر اساس مکش و تراکم کار کرده، تعمیر و نگهداری آن راحت بوده و به همین دلیل
است که سازندگان موتور دیزل معتقدند که حداقل تا 50 سال آینده این موتورها در بخش قابل توجهی از سیستمهای رانش به عنوان محرکه هستند. موتور دیزل یک موتور قدرتی محسوب میشود یعنی دارای قدرت زیاد و سرعت کم است. و این موتور ها بدلیل محدودیت سرعت دورانی محور همواره از سیستم انتقال قدرت غیر مستقیم یعنی سیستم جعبه دنده (گیربکس) استفاده میکنند تا قدرت به سرعت تبدیل شده و جسم بتواند با سرعتهای بالاتر حرکت کند. موتور دیزل بدلیل قدرتی بودن اصولا در توان بالا ساخته میشود که دارای حجم و وزن زیاد است. شناورهای متوسط و بزرگ نظیر نفتکشهای اقیانوس پیما و کشتیهای جنگی بزرگ بیشتر دارای محرکه رانش دیزل میباشند، که البته کار بر روی جایگزینی موتور دیزل با موتور الکتریکی بخصوص در کشتیهای نظامی در حال گسترش است.
موتورهای رانش الکتریکی
زمان راهاندازی موتورهای الکتریکی از موتورهای دیگر بسیار کمتر است و این موتورها بهراحتی بدون نیاز به گیربکس می-توانند سرعتهای متغیر داشته و حتی در جهت مخالف بچرخند. به این دلایل است که مهندسان در پی استفاده از سیستم رانش الکتریکی رفتهاند. معمولا این سیستم از یک یا دو موتور برقی که به پروانههای کشتی به صورت مستقیم یا غیر مستقیم (توسط گیربکس) متصل هستند تشکیل شده است. توان الکتریکی مورد نیاز این موتورها از طریق ژنراتورهای دیزلی درون کشتی تامین میشود. این ژنراتورهای دیزلی نسبت به موتورهای دیزلی رانش، آزادی عمل در محل نصب را دارند چرا که نیازی نیست دقیقا در پشت پروانه قرار گیرند. بنابراین در طراحی محل نصب این مولدهای برق، میتوان آنها را در هر نقطه مناسبی در کشتی نصب نمود.
