بخشی از مقاله
چکیده
در یک قرن اخیر با پیشرفت تکنولوژی و با توجه به لزوم افزایش سرعت در جابجاییها و حمل و نقل دریایی، توجه به شناورهای تندرو افزایش چشم گیری داشته است. نکته ی حایز اهمیت آن است که در این راستا، مباحث مرتبط با افزایش تراست به منظور افزایش سرعت، همواره مورد نظر بوده است. یکی از روش های مرتبط، طراحی و انتخاب سیستم پیشرانش1 مناسب و درکنار آن انتخاب پروانه ای با بازدهی قابل توجه می باشد. از میان سیستم رانش های پروانه ای، پروانه های نیمه مغروق به دلیل بعضی ویژگی های مطلوباخیراً، در شناورهای سبک و تندرو کاربرد زیادی پیدا کرده است. در حال حاضر برخلاف پروانه های مغروق، روش های تئوری به دلیل مشکلات مربوط به مدلسازی این پروانهها کاربرد قابل ملاحظهای ندارند و طراحی پروانه های نیمهمغروق عمدتاً براساس مطالعات تجربی صورت می گیرد.
یکی از مراحل مهم الگوریتم انتخاب پروانه، تعیین ضرایب هیدرودینامیکی تراست و گشتاور می باشد؛ اما به دلیل کارکرد پروانه های نیمه مغروق در مرز مشترک مایع و هوا و پیچیدگی های مربوطه، مقیاس بندی برای آزمایش های مدل به سادگی پروانه های معمولی نیست. در این مطالعه سعی شده است با استفاده از داده های تجربی، الگوریتم طراحی و انتخاب این نوع پروانه توسعه داده شده، بر اساس الگوریتم توسعه یافته، پروانه ی مناسب برای یک شناور تندرو - شناور بشیر - انتخاب شود. پس از بدستآمدن نتایج برای شناور نمونه، تغییرات بازدهی پروانه انتخابی در این مطالعه در مقایسه با مطالعات قبلی دیده میشود.
کلمات کلیدی: پروانه نیمه مغروق، الگوریتم طراحی، ضرایب هیدرودینامیکی، روابط رگرسیونی
مقدمه
طراحی پروانه یک سیکل تکرارپذیر است که هدف اصلی آن بهینه نمودن راندمان پروانه با توجه به محدودیت های موجود طراحی است. این محدودیت طراحی بسته به نوع شناور متفاوت میباشد .[1] بازده سیستم رانش وابسته به عملکرد پروانه است. سیستم رانش یک شناور که در طراحی پروانه و انتخاب موتور خلاصه میشود با انجام یک الگوریتم مشخص جهت تولید تراست و افزایش راندمان و عدم یا کاهش کاویتاسیون انجام میشود.پروانه، بدنه و موتور هر کدام دیگری را تحت تأثیر قرار می دهند و عملکردهای متفاوت آن ها در حضور همدیگر، یک مجموعه سیستم رانشی مجزا به وجود میآورد. به همین علت این سه جزء در کنار یکدیگر، باید شرایط زیر را ارضا کنند:
·گشتاور لازم برای دوران پروانه با گشتاوری که از طریق موتور به انتهای شافت میرسد، باید برابر باشد.
·تعداد دور پروانه باید با تعداد دور موتور برابر باشد.
·مقدار تراست ایجاد شده در پروانه با احتساب مقدار کاهش تراست باید با مقدار مقاومت شناور در همان سرعت برابر باشد.
بررسی نیروی تراست و گشتاور ایجاد شده توسط پروانه و راندمان آن برای طراحی مهم است. بطورکلی برای طراحی و انتخاب سیستم پیشرانش باید همهی جوانب - از لحاظ هیدرودینامیکی، سازه ای، اقتصادی و ... - را در نظر گرفت تا در نهایت بهترین بازده فراهم گردد. پروانههای نیمهمغروق نوع ویژ ه ای از پروانههای سوپر کاویتاسیونی هستند که در شرایط نیمه مغروق عمل می کنند. این نوع پروانه ها طوری طراحی گردیدهاند که بهترین عملکرد و بیشترین راندمان را در بالاترین سرعت دارند. به دلیل برخی ویژگیهای مطلوب، استفاده از پروانههای نیمهمغروق در شناورهای سبک و تندرو کاربرد زیادی پیدا کرده است. در پروانههای نیمهمغروق به دلیل شکل خاص طراحی آن در هنگام دوران، با مکش همزمان آب و هوای اطراف، ایجاد تراست کرده و از آن مهمتر، چون عملاً با هوا سروکار دارد از وقوع کاویتاسیون جلوگیری میکند.
نخستین پژوهش ها در این حیطه در سال 1968 توسط هادلر2 و هکر[ 2] 3 انجام شده است که توانسته پایهی مناسبی ارائه کند تا در اغلب متون تحقیقاتی، به خصوص برای اعتبارسنجی با کار تئوری، از آن استفاده شود. آنها در مطالعهی خود گزارش گستردهای از نتایج آزمونهای حوضچهی کشش برای یک پروانه دو پرهای و سه پروانه سه پرهای با مقطع سوپرکاویتاسیون ارائه کردند.روس4 و کروپا 5 در سال 1991 و 1993، با انجام تست مدل پروانه ی نیمه مغروق، ضرایب هیدرودینامیکی تراست و گشتاور - KT و KQ - ، نیروهای افقی و عمودی و همچنین ممانها را اندازهگیری کردند .[3] بررسی عدد کاویتاسیون و تاثیرات آن بر KT و KQ تنها در این تست انجام شده است.
در سال 1996 اولفسون[ 4] 6 در سوئد، با انجام تست بر روی پروانههای 4 پره ای در تونل کاویتاسیون، به بررسی تأثیر عدد فرود پرداخت. براساس مطالعات وی در اعداد فرود بالاتر از 4، میتوان از تاثیرات این عدد چشمپوشی کرد. از میان نتایج، آن چه توجه اولفسون را به خود جلب کرد، اثرات میزان انحراف زاویه یاو7 بوده است.معماریان و همکاران[5] و همچنین قاسمی و همکاران [6] درکارهای جداگانه ای پارامترهای مؤثر در انتخاب پروانه را بیان کردند؛ این پارامترها شامل ویژگیهای هندسی و نیز ویژگیهای فیزیکی پروانه بوده است.پیتر کوین دیسون[ 7] 8 در سال 2000 در تز دکتری خود در دانشگاه آتلانتای آمریکا، نتایج تستهای 4 مدل مختلف از پروانههای نیمهمغروق و تاثیر پارامتر اسکیو را ارائه کرده است.
در این مطالعه به معرفی این نوع پروانهها، دلایل انتخاب آنها، عملکرد، معرفی مطالعات انجام شده، چه به صورت عملی و چه تئوری، پرداخته شده است.نوزاوا9 و تاکایاما10 در سال 2002 در ژاپن [ 8] ، نوسانات تراست و گشتاورپروانه، نوسانات تنش های پره، موقعیت زاویهای پروانه را در نسبت مغروقیتهای گوناگون اندازهگیری کردهاند.فرراندو11 و همکاران از سال 1996 تا 2007 در ایتالیا [ 13-9] با انجام تست تجربی بر روی یک سری از پروانههای نیمهمغروق با تعداد 5 پره و نسبت گام متفاوت 0/8 - ، 1/0 و - 1/2 اثرات پارامترهای عمق غوطه وری و زاویهی شفت را بررسی نمودند. آنها پس از ارائهی نتایج برای مقادیر مختلف این پارامتر ها، به کمک حل رگرسیون رابطه ای برای توصیف ارتباط بین ضرایب گشتاور و تراست با ضرایب پیشروی بالاتر از مقدار بحرانی ارائه نمودند.
لوریو12 در سال 2011 در دانشگاه آتلانتیک فلوریدا آمریکا [14] همانند دیسون دو پارامتر زاویه ی یاو13 و زاویهی اسکیو14 را از پارامترهای مؤثر بر عملکرد پروانهی نیمهمغروق معرفی کرد.میسرا15 و همکاران در سال [15] 2012 در کشور هند، 4 نوع پروانهی نیمه مغروق را در شرایط مختلف مورد بررسی و تست قرار داده و نتایج حاصل از تست توسط روش شبکهی عصبی فرمولبندی شده است.با توجه به عدم وجود الگوریتم واحدی برای انتخاب و طراحی پروانه نیمه مغروق، در این پژوهش سعی شده است با بررسی تستهای تجربی، الگوریتمی توسعه یافته برای انتخاب پروانهی مناسب ارائه شود، آگاهی از عدم دستیابی به طراحی مطلوب با استفاده از مطالعات گذشته و همچنین براساس برخی از مراحل این طراحی، سبب شد تا صحت تمامی مراحل این الگوریتم و همچنین نتایج سایر محققین، مورد ارزیابی قرار گیرد.
یکی از مراحل مهم الگوریتم انتخاب پروانه، تعیین ضرایب هیدرودینامیکی تراست و گشتاور می باشد. برای بدست آوردن ضرایب هیدرودینامیکی از دادههای تستهای تجربی انجام شده استفاده شده است. بنابراین در تحقیقی جامع، سعی شد تمامی تستهای تجربی گردآوری و دادههای آن مورد تحلیل و آنالیز قرار گرفته است. در این مقاله جهت طراحی پروانه بطور محض از نقاط و دادههای تجربی استفاده میشود. در این طراحی به جای استفاده از روابط هیدرودینامیکی که سعی در رسیدن به همین نقطه ها را دارند، از مجموعه اطلاعات موجود در هر نقطه استفاده میگردد.
طراحی پروانه نیمهمغروق برای یک شناور تندرو
در طراحی و انتخاب پروانه، مهم ترین مرحله ، تعیین مقادیر حداقل تراست و حداکثر گشتاور مجاز پروانه، از طریق روابط ارائه شده برای ضرایب هیدرودینامیکی تراست KT و گشتاور KQ میباشد. در تعیین ضرایب هیدرودینامیکی، پارامترهای مختلفی دخیل هستند. این پارامتر ها شامل ویژگی های هندسی مانند تعداد پره - Z - ، نسبت گام به قطر - D P - ، نسبت سطح گسترشیافته - EAR - ، زاویهی ریک - 16 - ، مقطع پره و نیز ویژگیهای فیزیکی، مانند زاویهی محور شافت، ضریب پیشروی - J - ، نسبت مغروقیت - - IT و اعداد بیبعد رینولدز - Re - ، کاویتاسیون - - ، وبر - - We و فرود - - Fr میباشند.
در دو مطالعه ی تجربی، توسط دیسون [7] و لوریو [14]، علاوه بر پارامترهای بیان شده، دو پارامتر زاویهی عرضی شفت و زاویه اسکیو نیز به عنوان پارامترهای موثر بر عملکرد پروانه ی نیمه مغروق مورد بررسی قرار گرفته است. برخی از پارامترها، مانند تعداد پرهها، نسبت گام، نسبت سطح توسعه یافته، ضریب پیشروی پروانه، عدد ینولدزر و عدد کاویتاسیون، معمولاً تأثیرات مشابه پروانه های مغروق دارند؛ اما به دلیل عملکرد پروانه های نیمهمغروق در محیط آب و هوا، پارامترهای دیگری نیز در تحلیل و طراحی این نوع از پروانهها، از اهمیتخاصی برخوردار می باشند. به طور کلی پارامترهای موثر در تعیین ضرایب هیدرودینامیکی KT وKQ در پروانههای نیمهمغروق، به صورت یک تابع - رابطهی - - 1 - ، بیان میشود:[16]
در خصوص طراحی پروانه های نیمه مغروق از روش های مختلفی استفاده می شود که از میان حلهای عددی و تستهای تجربی، نتایج تجربی منطقیتر بوده و دلیل اصلی آن عملکرد این پروانه و پیچیدگی مدل کردن رفتار پروانهی نیمه مغروق میباشد.با توجه به اهمیت بالای تعیین ضرایب هیدرودینامیکی تراست KT و گشتاور KQ در روند الگوریتم طراحی پروانهی نیمه مغروق، لذا در برخی از مطالعات جهت سهولت روند طراحی و انتخاب، روابطی با استفاده از اطلاعات تستهای تجربی مختلف جهت تعیین ضرایب هیدرودینامیکی ارائه شده است. دو رابطه ی رگرسیونی بیان شد: رابطه ی ارائه شده توسط فرراندو [9] و رابطه ی ارائه شده توسط منتظری .[ 6 ]
به دلیل برخی از ضعف ها و کاستی های موجود در این روابط و صرفنظر کردن از برخی پارامترهای مهم همانند زاویه ریک و یا شکل مقطع پروانه، در این پژوهش سعی شد تمامی تستهای تجربی گردآوری و دادههای آن مورد تحلیل و آنالیز قرار گیرد و سرانجام جهت طراحی پروانه بطور محض از نقاط و دادههای تجربی و مقادیر ضرایب هیدرودینامیکی در این نقاط استفاده میشود .[17]شکل - 1 - مجموعهای از منحنی های ضریب تراست بر روی ضریب پیشروی دادههای تست تجربی فرراندو را نشان می دهد. کاربرد روابط رگرسیونی پوشش دادن این نقاط جهت طراحی است. لذا در این طراحی بهجای استفاده از روابط هیدرودینامیکی که سعی در رسیدن به همین نقطهها را دارند، از مجموعه اطلاعات موجود در هر نقطه استفاده میگردد.
