بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحي و انتخاب سيستم رانش در شناورهاي تندرو
چکيده
نياز به افزايش سرعت و راندمان در شناورهاي تندرو با ابعاد متوسط و بزرگ همواره به عنوان يک مسئله مهم و اساسي براي طراحان و سازندگان شناورهاي تندرو مطرح بوده است ، در اين رابطه نوع و مشخصات فني سيستم رانش به عنوان المان واسط سيستم توليدکننده قدرت و انرژي در شناورو فرم بدنه ، را مي توان به عنوان يکي از المانهاي اصلي در اين مقوله در نظر گرفت و موفقيت طراحان به ميزان توانايي آنان در تطبيق کامل بين مشخصات فني سيستم رانش و ماموريت شناور وابسته است ، لذا در اين مقاله جهت ارائه راه حل مناسب جهت انتخاب سيستم رانش مناسب پس از تعيين پارامترهاي مناسب و کليدي در طراحي شناورهاي تندرو به انواع و اقسام اين سيستم ها مشروحاً اشاره شده و پارامترهاي انتخاب سيستم رانش به همراه آناليز رياضي و درصد وزني هر پارامتر معرفي شده است ، با توجه به پارامترهاي انتخاب شده آناليزو مقايسه گروه هاي اصلي رانش انجام و نهايتاً زمينه هاي کاربرد هر گروه از سيستم هاي رانش اصلي در شناورهاي تندرو بيان شده است .
کلمات کليدي :سيستم رانش ـ پروانه ـ راندمان
مقدمه
ماتريس طراحي براي هرنوع شناور يکسري نيازهاي و محدوديت هاي خاص را به طراح ديکته مي کندکه همواره راه حل خاص خود را مي طلبد، با توجه به کليه پارامترهاو محدوديت ها، انتخاب يک سيستم که بتوان آنرا بهترين نوع سيستم رانش در نظر گرفت عملاً غير ممکن است ، اما طراح مي بايست با در نظرگرفتن پارامترهاي مختلف و تعيين درصد وزني هر پارامترو تکيه به نتايج تئوري و نتايج تست و آزمايشگاهي سعي نمايد در انتخاب سيستم رانش ، اهميت هاو پارامترهاي اساسي را در نظر بگيردو سيستمي را انتخاب کندکه قابليت تطابق بهترو مناسبتري را با مشخصات فني و مأموريت هاي شناور داشته باشد.
عموماً در شناورهاي دريايي رانش با استفاده از چهار گروه عمدة سيستم رانش ذيل انجام مي شود.
Propulsion by propellers
Propulsion by impellers
Propulsion by puddle wheel
Hybrid Propulsion
در حقيقت مي توان رابطه ذيل را به عنوان مبناء اصلي انتخاب سيستمهاي رانش همواره مدنظر داشت :
< انتخاب اصولي سيستم رانش تطابق کامل با ماموريت شناور>
از نقطه نظر کلي همواره طراحان بين سه مجموعه اساسي رانش تحت عنوان ، شافت و پروانه مغروق - واترجت و سيستم هاي رانش سطحي در شناورهاي تندرو در حال انتخاب و مقايسه مي باشند، براساس اطلاعات آماري جمع آوري شده شکل ١- بصورت کلي شرايط کاربردو مقايسه اي سيستمهاي رانش را برحسب وزن و سرعت شناورها بصورت يک گراف مفيد در فاز اول طراحي را نشان مي دهد.
نکات کليدي طراحي شناورهاي تندرو از نقطه نظر راندمان و رانش
صرفنظر از تعاريف رياضي و پارامتري شناورهاي تندرو که در مراجع مختلف به آن اشاره شده است ، امروزه شرايط ذيل براي شناورهاي تندرو در نظر گرفته مي شود.
١- شناورهاي با شرايط عملکرد در محدودة تعيين شده ذيل با شاخص
٢-سرعت بالاي اين شناورهاو اهميت مقاومت اجزاء در سرعتهاي بالاخصوصاً مقاومت زوائد
٣- تغييرات حدي بارگذاري (ديناميک و استاتيک ) و اثرات مذکر ثقل
٤- محدوديتهاي طراحي و ابعاد (ابعاد کوچک و ميزان Payload بالا، فضابندي ، هندسه و تريم و ...)
٥- قابليت مانور بالا (در سرعتهاي پائين ، مياني و بالا)
٦- قابليت حرکت با سرعت بالا در درياي مواج (Seaworthiness and Seakeeping quality)
٧- تعادل (ديناميک، استاتيک ) بالا
٨- شرايط ساخت ، قيمت و موارد اقتصادي و تکنولوژيکي
٩- موارد خاص با توجه به مأموريت
از نقطه نظر راندمان لازم جهت رسيدن به سرعت بالا با عنايت به رابطه ذيل محدوديتهاو پارامترهاي تعيين کننده ديگري نيز به طراح ديکته مي شود.
با توجه به موارد فوق بصورت اوليه قابل فهم است که در طراحي شناورهاي تندرو در نظر گرفتن شناور رانش به عنوان يک مجموعه کامل و به هم پيوسته با در نظرگرفتن کليه پارامترها لازم و ضروري است ، خلاصه موارد فوق در اشکال شماره ٢و٣ آورده شده است .
متدهاي مختلف رانش و انواع و اقسام سيستمهاي رانش شناورهاي تندرو
الف - دسته بندي کلي سيستمهاي رانش
صرفنظر از تغييرات ساختاري سيستم هاي رانش مي توان پنج گروه عمده ذيل را به عنوان پنج گروه پايه اي سيستم هاي رانش در نظر گرفت .
شکل ٤ بصورت شماتيک انواع و اقسام سيستم هاي رانش ذکر شده را به عنوان گروه هاي اصلي سيستم هاي رانش نشان مي دهد.
ب : تشريح گروه هاي اصلي سيستمهاي رانش
Conventional Submerged Shaft -1
اين روش که در شکل ٤ بصورت شماتيک نشان داده شده است ، در حقيقت قديمي ترين و معروفترين روش رانش شناورها مي باشد، اين نوع سيستم رانش کاملاً ساده و با قابليت اطمينان مناسب مي باشدو تنها نکته قابل توجه در آن لزوم انجام نصب سيستم رانش و شافت با دقت مناسب و کنترل Alignment شافت و پروانه با موتورو گيربکس مي باشد. از نقطه نظر نصب اين نوع سيستم با شافت مغروق در شناورهاي تندرو مشکل اساسي بحث مقاومت زوائد (Appendage drag)مي باشد. در شرايطي که اين نوع سيستم براي سرعت بالاي ٣٥ نات نصب شود مقاومت زوائدتا٥٠%مقاومت بدنه افزايش مي يابد که باعث افزايش دراماتيک توان مصرفي مي شود.
Stem drive system -2
اين نوع سيستم رانش که باعنوان Z.Drive و Outdrive نيز معروف است ، شامل سيستم رانش ترکيب از گيربکس و پروانه مغروق است که بصورت Z روي ترانزم شناورها نصب شده و با ايجاد تراست باعث رانش شناور مي شود.
Waterjet System -3
اين نوع سيستم رانش ترکيبي از يک پمپ (Water Pump)مي باشد که در يک محفظه استوانه اي نصب شده و عموماً در انتهاي شناور نصب مي شود، قسمت جلوئي واترجت که مکش آن انجام مي دهد، با فرم خط جرياني در کف شناور بصورت فير شده نصب مي شود، نحوه رانش در اين نوع سيستم رانش توسط Impeller انجام مي شود که از طريق مکش آب و شتابدهي آن و خروج آن بصورت جت آب از انتها صورت مي گيرد.
Surface propulsion system -4
با توجه به مفهوم اين نوع سيستم رانش همانطور که از نامگذاري آن مشخص است ،و در شکل ٤ مشخص است اين سيستم ترکيب شافت و پروانه اي است که در سطح آب عمل مي کند، اين نوع سيستم رانش قابل کاربرد بصورت خاص در شناورهاي سريع السيرو تندرو (شناورهاي عملياتي و تفريحي يا شناورهاي مسابقه اي ) مي باشد ولي در بعضي از شرايط قابل کاربرد در شناورهاي با سرعت مياني و متوسط نيزمي باشد، محل نصب و قرارگيري بهينه پروانه به نحوي است که در نقطه طراحي نصف پروانه داخل آب ونصف ديگر آن در هوا قرار مي گيرد،و در نتيجه اين ساختار تراست ماکزيمم ايجاد شده و مقاومت زوائد نظير شافت و ... به کمترين مقدار خود مي رسد.
Air propulsion System -5
چون از نظر شرايط عملکرد با تغيير سيال تئوريهاي پروانه قابل کاربرد است از توضيح اضافي صرفنظرمي گردد.
با توجه به دسته بندي کلي فوق ، دسته بندي جزئي سيستمهاي رانش بصورت جزئي تر درشکل ٥ به تفصيل آورده شده است و انواع و اقسام اين سيستمها از نظر نوع و مدل ساخته شده جهت آشنايي مطالعه کنندگان اين مقاله ارائه شده است .
تعيين پارامترهاي مقايسه اي و انتخاب سيستمهاي رانش
تقسيم بندي ارائه شده در اين مقاله براساس نتايج تبادل نظر نويسنده مقاله با طراحان و سازندگان انواع سيستمهاي رانش در دنيا از يک طرف و اخذ نقطه نظرات مشتريان و کاربران سيستمهاي رانش در داخل و خارج کشورو نتايج محاسبات و مطالعات تئوري و تست ، ارائه شده است .بصورت خلاصه نتايج مطالعات انجام شده فوق درشکل شماره ٦ آمده است .و براساس اين پارامترهاو پارامترهاي تجربي ديگر در بخش بعد آناليزو مقايسه انواع سيستمهاي رانش انجام شده است .
مقايسه و انتخاب سيستمهاي رانش شناورهاي تندرو
پس از تعيين پارامترهاي مقايسه اي سيستمهاي رانش قدم آخر در اين مقاله آناليز رياضي و مقايسه انواع سيستمهاي رانش (گروه هاي اصلي ) با همديگر براساس اين پارامترهامي باشد .
نحوه انجام مقايسه به شرح فلوچارت زير مي باشد.
براساس فلوچارت ارائه شده به پيوست نتايج مقايسة چهار گروه سيستمهاي اصلي ارائه شده است و پس از انتخاب سيستمهاي رانش سطحي ، شرايط بهينه اين سيستمها در شکل ٧ ارائه شده است ، پس از اين مقايسه دو نوع سيستم رانش سطحي با زاويه شافت ثابت و متغير انجام و نهايتاً سيستم رانش سطحي با شافت زاويه متغير انتخاب شده است و مزاياي آن ذکر شده است .
جمع بندي و نتيجه گيري
با توجه به موارد ارائه شده در اين مقاله ابتدا سعي شده است که شناخت کل از پارامترهاي و مشخصات شناورهاي تندرو از نقطه نظر رانش ارائه شودو پس اجمالاً انواع و اقسام سيستمهاي رانش تشريح شده و با تعيين پارامترهاي مقايسه اي انجام شده است ، براساس اين موارد نتايج ارائه شده مي توان سيستم رانش بهينه براي شناورهاي تندرو انتخاب نمودو در حالت عمومي تر با تغيير پارامترهاي وزني براي هر شناور محاسبات را انجام و نتيجه گيري نمود.
