بخشی از مقاله
چکیده
میزان مصرف سوخت شناورهای دریایی همواره یکی از مهمترین نگرانیهای شرکتهای حمل و نقلی بوده است. با افزایش روزافزون قیمت سوخت شناورها، تلاش این شرکتها بر این بوده که با به کارگیری ابزاری به کاهش این میزان، بپردازند. در عصر حاضر، راهکارهای بسیاری در راستای کاهش مصرف سوخت، ارائه شده است. این راهکارها شامل نصب ملحقاتی بر شناور یا اعمال تغییرات در طراحی سیستم رانش آن است.
یکی از این راهکارها افزایش بازدهی پروانه بوده که با تغییراتی در طراحی آن، امکانپذیر است. در این مقاله راهکاری نوین به منظور افزایش بازدهی پروانه ارائه خواهد شد. با در نظر گرفتن مدل مشخصی از پروانه، ریک شعاعی به سمت فشار و مکش در شعاعهای انتهایی پره و با زوایای مختلف، در نوک پره پروانه، اعمال خواهد شد و با مدلسازی آن، تغییرات عملکردی پروانه به روش عددی تحلیل شده و در نهایت تغییرات بازدهی آن، تغییرات توزیع فشار، توزیع سرعت و نمودارهای عملکردی آن در مقایسه با پروانه بدون ریک در نوک پره، ارائه خواهد شد.
مقدمه
در عصر حاضر، با افزایش روزافزون قیمت سوخت شناورهای دریایی، همواره تلاش مالکان و کارفرمایان کشتیها بر این بوده که در میزان مصرف سوخت شناورهای خود صرفهجویی نمایند. راهکارهای صرفهجویی در مصرف سوخت شناورها متفاوت بوده و همواره تلاش بر این است راهکاری نوین و کمهزینه بدین منظور، ارائه گردد. این راهکارها شامل اعمال تمهیداتی در مسیر حرکت کشتی، نصب ملحقات اضافی به بدنه یا سیستم رانش کشتی و همچنین استفاده از قطعات با بازدهی بالا در مرحله طراحی کشتی است.
سیستم رانش کشتی مهمترین بخش یک کشتی در تأثیرگذاری بر میزان مصرف سوخت آن است. چنانچه این سیستم از بازده بالایی برخوردار باشد، تأثیر مثبتی بر مصرف سوخت کشتی و همچنین عملکرد آن خواهد داشت. اکثر کشتیهای باری از سیستم رانش پروانه سکان استفاده میکنند. پروانه کشتی، رکن بسیار مهمی در این نوع سیستم رانش است. عملکرد پروانه متأثر از نوع پروانه طراحی شده، مشخصات هندسی پره آن، مشخصات عملکردی پروانه از قبیل سرعت دورانی، ضرایب هیدرودینامیکی و ... است. بهینهسازی پروانه، راهکاری کم هزینه به منظور افزایش بازدهی آن و بالطبع افزایش بازدهی شناور و کاهش مصرف سوخت آن است. تاکنون روشهای متعددی برای بهینهسازی پروانه و سکان شناورها ارائه شده است.
این روشها شامل تغییرات در اتصالات این دو جزء، افزودن ملحقات به پروانه کشتی از قبیل نازلهای واگرا و همگرا، تغییرات در ساختار پروانهها از قبیل حذف هاب در پروانههای رانش از نوک و... بوده است. یکی از روشهای بهینهسازی، اعمال ریک به پروانه است. مفهوم ریک در مهندسی دریا در نگاه اول، اعمال زاویهای به پروانه در ریشه آن است؛ ولی ریک میتواند در شعاعهای مختلف به پره پروانه اعمال گردد.
ایده این طرح از اعمال تغییرات در نوک بال هواپیما توسط کان و همکارانش در سال 1962 الهام گرفته شد.[1] آنها در گزارشی که زیر نظر سازمان فضایی ایالات متحده آمریکا منتشر شد، نشان دادند که بازده آیرودینامیکی سطوح بالابر نظیر بالهای هواپیما، به توزیع فضایی ورتکس در اطراف آن بستگی دارد. هدف از این گزارش، ارائه راهکاری به منظور کاهش درگ القایی تولید شده در نوک بالهای هواپیما بود که بدین منظور صفحات دایروی، شبه بیضوی و بیضوی مورد بررسی قرار دادند.
با الهام از این تحول، محققان بسیاری این تغییرات را بر پروانه کشتی اعمال نمودند. [3] [2] کاپل1 و همکارانش[3] در سال 2005 اولین محققانی بودند که این تحول را بر پروانه های دریایی اعمال نمودند که در نهایت منجر به طراحی پروانه کاپل گردید. در این مدل پروانه، نوک پروانه به سمت مکش2 خمیده شده است. همچنین در تحقیق حاضر، اندرسون و همکاران پروانه طراحی شده را با پروانه معمولی یک شناور کانتینربر مقایسه نمودند و با طراحی 9 مدل پروانه کاپل، کاویتاسیون، عملکرد هیدرودینامیکی آن در آب آزاد3 و حالت پشت شناور، تحلیل و بررسی گردید.
همچنین آنها به توسعه روشهای ریختهگری و فرآیندهای اندازهگیری و تحلیل تنش بر روی این نوع پروانه پرداختند و در نهایت توانستند مدل تجربی این پروانه را ساخته و با استفاده از تست دریا و مقایسه آن با پروانه های معمولی، به 4 درصد افزایش بازدهی دست یابند. همانطور که بیان گردید کاپل و همکاران پره را به سمت مکش خمیده نمودند، این در حالی است که اینوکای4 با در نظر گرفتن پروانه کاپل، به بررسی آن با ریک نوک به سمت فشار5 پرداخت و نتیجه گرفت که این عمل به متعادل کردن فشار منفی در سمت مکش کمک خواهد کرد.
بر اساس این امر میتوان بدون ضرری در کاویتاسیون و از طرفی با افزایش بازدهی، سطح پره را کاهش داد.[4] اعمال طرح خمیده نمودن نوک پره پروانه، تنها به پروانه های کاپل محدود نشده است. همانطوری که اینوکای در تحقیقی به بررسی این تغییر بر پروانه های مختلفالجهت6 پرداخته است.[5] وی در این تحقیق با استفاده از محاسبات تئوری پتانسیل، ضرایب هیدرودینامیکی این نوع پروانه را استخراج نمود. همچنین محققانی نیز به بررسی کاویتاسیون این نوع پروانه در مقایسه با سایر پروانهها پرداختند و دریافتند که این نوع پروانه کاویتاسیون کمتری تولید خواهد کرد.
[7][6] چنگ7 و همکارانش در سال 2010 پروانه کاپل را با پروانههای معمولی به روش عددی مورد تحلیل قرار دادند و دریافتند که پروانه کاپل اثر مقیاس بالاتری نسبت به پروانه معمولی دارد و همچنین با تحلیل سازهای این نوع پروانه، تنش قویتری در نوک پره پروانه کاپل مشاهده شد.[8] به طور کلی اعمال ریک در نوک پره موجب افزایش بازدهی خواهد شد، البته محققان دیگری نیز این سیستم را با انواع بهینه سیستم-های رانش ترکیب نمودند.
نیلسن و همکارانش به بررسی و محاسبه EEDI8 سیستم رانش ترکیبی پروانه کاپل و سکان حبابی، پرداختند.[9] با بررسیهای انجام شده در صورتی که از سیستم سکان حبابی با استفاده از پروانه کاپل استفاده شود، در مقایسه با پروانه معمولی بدون سکان حبابی، میزان انرژی کاسته شده حدود 9 درصد نتیجه شده است. این مقاله با در نظر گرفتن پروانه DTNSRDC 4382 به عنوان پروانه مرجع، در شعاعهای نهایی پره آن، در دو زاویه متفاوت و دو جهت متفاوت، ریک اعمال میگردد و نتایج حاصل از تحلیل عددی مدلها با نتایج تجربی و نتایج حاصل از تحلیل عددی پروانه مرجع مقایسه خواهد شد. درنتیجه این امر تأثیر زاویه ریک در نوک پره بر عملکرد پروانه معین خواهد شد.
مشخصات هندسی پروانه ها
پروانه مورد بررسی، همانطور که ذکر گردید، پروانه DTNSRDC 4382 بوده که مشخصات هندسی آن به صورت جدول 1 میباشد[10] ؛ همچنین توزیع اسکیو، ضخامت، کمبر و سایر مشخصات هندسی آن به تفکیک شعاع در جدول 2 ارائه شده است. در نهایت با استفاده از اطلاعات فوق مدل سه بعدی پروانه طراحی گردید و توزیع ریکی از شعاع 0/9 تا 1/0 به صورت ارائه شده در جدول شماره 3، بر مدل اعمال شده و سایر شعاعها ثابت و بدون تغییر باقیمانده است. با اعمال توزیع ریک ذکر شده در جهات مکش و فشار پروانه، 5 مدل از پروانه 4382 به صورت شکل 1 نشان داده می شود. همانطور که در جدول 3 مشاهده میشود، بر پروانه مفروض، در دو زاویه 6 و 10 درجه و در سه شعاع آخر، ریک اعمال گردیده است. این ریک در دو جهت به سمت فشار و سمت مکش پروانه اعمال گردیده و تفاوت آنها در این مقاله مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
شکل 1 نمای سه بعدی مدلهای پروانه با ریک به سمت الف - 6 درجه فشار ب - 6 درجه مکش ج - 10 درجه مکش د - 10 درجه فشار روابط حاکم بر تحلیل هیدرودینامیکی پروانه و فرآیند تحلیل مشخصات هندسی و عملکردی پروانه، شامل مواردی بوده که تأثیر بسزایی در عملکرد هیدرودینامیکی پروانه دارد. ضرایب هیدرودینامیکی پروانه دریایی شامل و و بوده که به ترتیب ضریب گشتاور، ضریب تراست و بازده پروانه نام دارند و به صورت زیر تعریف میگردند:
که در آن n سرعت دورانی پروانه بر حسب دور بر ثانیه، D قطر پروانه و سرعت پیشروی پروانه - - m/s، وابسته به سرعت کشتی است.
