سیستم رانش کشتی - روباتیک
شنبه, ۱۲ آذر ۱۳۹۰، ۰۶:۵۲ ب.ظ
سیستم
رانش کشتی بخشی از مهندسی دریایی است که به طراحی یا انتخاب تجهیزات و
ماشین آلات موتورخانه می پردازد. نقش اصلی این نیروگاه تولید نیروی کافی
برای غلبه بر نیروی مقاومت وارد بر کشتی و تولید نیروی الکتریکی مورد نیاز
برای مصارف مختلف کشتی است.(روشنایی-کنترل سیستم ها و پمپ ها و تجهیزات
دریانوردی و ...)
سیستم رانش کشتی شامل سه بخش است:
* سسیتم نیروی محرکه (موتور) (Power Plant)
* سیستم انتقال قدرت (Power of Transmission)
* سیستم جلوبرنده (Propulsor)
در بحث سیستم رانش دو نیروی اصلی مطرح است. یکی نیروی Resistance که نیروی
مقاومت آب در برابر حرکت کشتی است و دیگری نیروی Thrust که نیروی جلوبرنده
کشتی است که توسط پروانه تولید می شود.
بطور خلاصه می توان انواع نیروی محرکه کشتی را به ۳ دسته کلی تقسیم کرد:
* نیروی محرکه انسانی
* نیروی محرکه بادی
* نیروی محرکه مکانیکی
نیروی محرکه انسانی:
رانش انسانی بر روی قایق های کوچک و یا به عنوان رانش کمکی در قایق های
بادبانی کاربرد دارد. این نوع رانش امروزه جنبه تفریحی و ورزشی پیدا کرده
است.
نیروی محرکه بادی:
در این نوع رانش بادبان بر روی یک دکل واقع بر عرشه کشتی نصب می شود و با طناب ها و مهارها و تیر دکل کنترل و حفاظت می شود.
لازم به ذکر است که تا قرن نوزدهم سیستم های بادبانی فرم مسلط و غالب
برای رانش کشتی ها بودند اما با روی کار آمدن موتور بخار استفاده از آن ها
کم شد.
نیروی مکانیکی:
این سیستم ها شامل یک موتور هستند که بوسیله یک محور پروانه (شفت) پروانه را می چرخاند.
موتورهای بخار و پس از آن موتور های دیزلی و توربینی گازی و... نمونه هایی از این سیستم نیرو هستند.
نیروی محرکه مکانیکی را می توان به صورت زیر تقسیم بندی کرد:
**توربین بخار
**توربین گازی
**موتور دیزل
**موتورهای با سوخت هسته ای
**موتورهای دیزل ـ الکتریکی
**سیستم های ترکیبی
توربین بخار:
در نیمه اول قرن بیستم توربین های بخار توسط Sir Charles Algernon
Parsons تکمیل و گسترش پیدا کرد و در نتیجه ی بازده بالاتر این توربین ها
خطوط پرسرعتی از کشتی ها نسبت به کشتی های بادبانی ایجاد شد.
در اوایل قرن بیستم با افزایش کاربری سوخت نفت سنگین این سوخت جایگزین
زغال سنگ در کشتی های بخار شد. مزیت بزرگ این سوخت مناسب بودن - کاهش
نیروی انسانی و کاهش فضای لازم برای مخازن سوخت بود اما در نیمه دوم قرن
بیستم افزایش قیمت سوخت باعث کنار گذاشته شدن توربین های بخار از کشتی ها
شد.
توربین های بخار در مقایسه با موتورهای دیزل قیمت اولیه بالاتر و مصرف سوخت بیشتری دارند.
توربین های بخار مورد استفاده برای مصارف دریایی را می توان برحسب سوخت مصرفی به دودسته تقسیم کرد:
* توربین های بخار با سوخت فسیلی :
این توربین ها تنها در شناورهای نظامی مسطح و شناورهای LNG یافت می شوند.
* توربین های بخار با سوخت هسته ای :
زیردریایی ها و ناوهای هواپیمابر از این سوخت استفاده می کنند. برخی از
کشتی های تجاری یخ شکن که در مناطق سردسیر روسیه تردد می کنند هم به دلیل
این که ماهها در دریا هستند از سوخت هسته ای استفاده می کنند.
توربین گازی :
این نوع توربین ها بیشتر در کشتی های نظامی و شناورهای پرسرعت (مثل
شناورهای ferry) و همچنین شناورهای پیشرفته استفاده دارند. امروزه با ظهور
تکنولوژی های پیشرفته در زمینه توربین گازی از آنها در کشتی های تجاری هم
استفاده می شود.
توربین گازی از اجزای چرخنده تشکیل شده است بنابراین می تواند به عنوان یک ماشین چرخشی شناخته شود.
در این توربین ها نسبت نیروی تولیدی به وزن در مقایسه با موتورهای دیزلی
افزایش یافته و در نتیجه بازده بالاتر و سرعت بیشتری حاصل می شود. (گستره
توان تولیدی توربین گازی از ۴ تا ۳۰ مگا وات است.)
در ابتدا توربین گازی به علت مزایای زیر در کشتی های نظامی جایگزین توربین بخار شد:
** بازدهی بیشتر نسبت به توربین بخار
** زمان راه اندازی کوتاهتر
** قابلیت کنترل خودکار آسان
** قابلیت بالای نگهداری و مورد اعتماد بودن
در مقایسه توربین گازی با موتور دیزل توربین گازی چگالی نیروی زیادی دارد و قطعه کوچک و کم وزنی در بین ماشین آلات به حساب می آید.
برخی از معایب این موتور به شرح زیر است:
** مصرف سوخت بالاتر و بازدهی کمتر
** نسبت به موتورهای دیزلی به سوخت های با کیفیت بالاتری احتیاج دارد
**تعمیر آن بسیار مشکل است به این دلیل که برای تعمیر بوسیله ی جایگزینی قطعات طراحی شده است
برای استفاده از توربین های گازی در شناورهایی که وزن و فضا اهمیت دارد باید بر اساس مزایا و معایب این توربین ها تصمیم گرفته شود.
در قسمت بعد به انواع دیگر نیروی مکانیکی می پردازیم
سری ۱: سیستم رانش و نیروی محرکه کشتی
قسمت۲
موتور دیزل:
در نیمه دوم قرن بیستم با کنار گذاشته شدن توربین های بخار موتورهای دیزلی به عنوان جایگزینی برای آنها در نظر گرفته شدند.
در آن زمان بسیاری از کشتی های بخار موتور خود را عوض کردند که به
عنوان نمونه بارزی از آن می توان کشتی Queen Elizabet 2 را نام برد که در
سال ۱۹۶۸ توربین های بخار خود را با سیستم دیزل- الکتریکی جایگزین کرد.
هنوز هم طیف وسیعی از کشتی های تجاری از موتورهای دیزلی به عنوان نیروی محرکه اصلی خود استفاده می کنند.
مزایای موتورهای دیزلی :
** سازگاری با هر نوع سوخت اعم از سوخت سبک یا سنگین
** قابل اعتماد بودن
** قابلیت نگهداری با ساده ترین تکنولوژی ها
** بازدهی بالا (گاهی بیشتر از ۵۰٪)
** قیمت پایین
معایب موتورهای دیزلی :
* ایجاد لرزش و صدا
* آلوده کردن محیط
* در ترکیب با موتورهای گازی نسبت نیرو به وزن کاهش می یابد
به طور خلاصه موتورهای دیزل را می توان به صورت های زیر طبقه بندی کرد:
** سرعت Speed
** ساختمان Construction
** نحوه پیکربندی Configuration
**نحوه تنفس(مکش هوا) Aspiration
** خنک سازی Cooling
تقسیم بندی موتورهای دیزلی برحسب سرعت :
** موتورهای دیزلی با سرعت کم (کمتر از ۲۵۰ دور در دقیقه)
** موتورهای دیزلی با سرعت متوسط (بین ۲۵۰ تا۱۰۰۰ دور در دقیقه)
** موتورهای دیزلی با سرعت بالا (بیش از ۱۰۰۰ دور در دقیقه)
تقسیم بندی موتورهای دیزلی برحسب ساختمان :
* موتورهای دوزمانه:
این موتورها غالباً سرعت کم و تعداد کمی از آنها سرعت متوسط دارند.
* موتورهای چهار زمانه:
این موتورها سرعت متوسط یا بالا دارند.
پیکربندی موتورهای دیزلی:
بعضی ازموتورها به صورت خطی هستند یعنی همه سیلندرها در یک خط قرار
گرفته اند. موتورهای چهارزمانه می توانند به صورت V شکل یا ستاره شکل هم
ساخته شوند.
تنفس موتورهای دیزلی:
تنفس موتورهای دیزلی به معنی وارد شدن هوا به موتور است. که این امر می تواند به صورت طبیعی یا توسط دستگاه هایی صورت گیرد.
موتورهایی با تنفس طبیعی هوا را در مرحله مکش بدون هیچ کمکی به درون خود
می مکند در حالی موتورهای گروه دوم با هوایی که بوسیله کمپرسور به فشاری
بالاتر از فشار اتمسفر رسیده است تغذیه می شوند.
نحوه خنک سازی موتور دیزلی :
همچنین موتورهای دیزلی را می توان برحسب روش خنک شدنشان دسته بندی کرد که این خنک سازی توسط آب یا هوا صورت می گیرد.
در قسمت بعد انواع دیگر نیروی محرکه ( هسته ای - الکتریکی و سیستم های ترکیبی ) و همچنین سیستم انتقال قدرت را بررسی می کنیم
سری ۱ : سیستم های رانش و نیروی محرکه کشتی
قسمت۳ :
موتورهای با سوخت هسته ای:
همانطور که پیش ترهم ذکر شد یک توربین بخار می تواند با نیروی هسته ای
نیز کار کند. مزیت استفاده از توربین هایی با نیروی هسته ای در شناورهایی
مثل زیردریایی ها این است که به هوا برای استفاده در دیگ های بخار و یا
موتورهای احتراقی نیاز ندارند و به همین دلیل می توانند ماهها زیر سطح دریا
باقی بمانند. البته فقط زیردریایی ها نیستند که از این نیروی محرکه
استفاده می کنند. کشتی های تجاری و یخ شکن ها و کشتی های حمل بار و مسافر
نیز از موتور با سوخت هسته ای استفاده می کنند.
موتورهای الکتریکی:
واضح است که موتورهای دیزلی بسیار حجیم و سنگین هستند. هرچقدر این
موتورها بزرگتر باشند به استحکام بدنه بیشتری نیاز است. قطعات یدکی این
موتورها نیز بسیار بزرگ هستند ولی برای احتیاط همیشه باید داخل کشتی باشند.
این موضوع مهندسان را به فکر استفاده از سیستم رانش برقی انداخت.
این سیستم از یک یا دو موتور برقی که به پروانه (ها) کشتی متصل هستند
تشکیل شده است. برق مورد نیاز این موتورها از طریق موتورهای دیزلی تامین می
شود. این موتورهای دیزلی به نسبت کوچکتر هستند. بنابراین در طراحی محل نصب
این مولدهای برق می توان آنها را در هر نقطه مناسبی در کشتی نصب نمود. از
جمله مزیت ها ی این سیستم امکان جابجا کردن موتورخانه به هر جای ممکن در
کشتی به دلیل عدم وجود ارتباط مستقیم بین موتور و سیستم جلوبرنده است.
سیستم های ترکیبی:
گاهی اوقات بسته به عملکرد کشتی ممکن است تنها استفاده از یک نیروی محرکه
برای راندن کشتی مناسب و یا کافی نباشد به همین خاطر از چند نیروی محرکه
استفاده می کنند. در این سیستم های ترکیبی دو نوع محرک یا بیشتر بوسیله
سیستم انتقال قدرت به پروانه متصل می شوند. بنابراین امکان استفاده از
قابلیت های برتر هر کدام از نیرو های محرکه فراهم می شود.
انواع سیستم های ترکیبی:
*** ترکیب دیزل و گاز(CODAG)
*** ترکیب دیزل یا گاز(CODOG)
*** ترکیب گاز و بخار(COGAS)
*** ترکیب سیستم دیزل - الکتریکی و گاز(CODEAG)
*** ترکیب دیزل و دیزل(CODAD)
*** ترکیب گاز یا گاز(COGOG)
*** ترکیب گاز و گاز(COGAG)
و ...
لازم به ذکر است هنگامی که از حرف "و" بین دو نیروی محرکه استفاده می
کنیم منظور این است که سیستم ها همگام با هم پروانه را می چرخانند. در
حالیکه وقتی از کلمه "یا" استفاده می کنیم یعنی بسته به شرایط یکی از
سیستم ها نیرو تولید می کند.
سیستم انتقال قدرت (Transmission system):
سیستم انتقال قدرت بین بخش تولید کننده نیروی محرکه و بخش جلوبرنده قرار
دارد و وظیفه اصلی آن تبدیل و یا انتقال انرژی مکانیکی است.
سیستم انتقال قدرت گشتاور تولید شده توسط بخش مولد نیروی محرکه را به
پروانه و نیروی تراست (جلوبرنده) تولید شده توسط پروانه را به بدنه انتقال
می دهد.
** یک یا چند شافت پروانه (line shaft) گشتاور تولیدی موتور را منتقل می
کنند. همچنین اگر در پشت یاتاقانها (thrust bearing) قرار گرفته باشند
نیروی تراست را هم منتقل می کنند.
** قطعات شافت بوسیله یکسری اتصالات برجسته (flange coupling) به هم متصل می شوند.
** thrust bearing - thrust shaft وthrust collar نیروی تراست تولید شده توسط پروانه را به بدنه انتقال می دهند.
** یاتاقان محور پروانه (shaft bearing) وزن شفت ها را تحمل می کند.
** محور پروانه (propeller shaft) سیستم محور رانش کشتی (shafting system) را واقع در داخل کشتی به پروانه متصل می کند.
** محل عبور محور پروانه از بدنه کشتی (stern tube) محور پروانه را از
میان بدنه هدایت می کند. در این محل شافت بوسیله یک یا دو یاتاقان روغن
کاری شده نگه داشته می شود:
یاتاقان جلویی و عقبی (aft & forward bearing)
این یاتاقان ها وزن شافت و پروانه و همچنین نیروی هیدرودینامیکی عرضی اعمال شده بر پروانه را تحمل می کنند.
** آب بند جلویی محل عبور محور پروانه از بدنه کشتی (forward stern tube seel) جلوی خروج روغن موجود در این محفظه را می گیرند.
** آب بند عقبی محل عبور محور پروانه از بدنه کشتی (aft stern tube seel)
علاوه براینکه جلوی خروج روغن را می گیرد مانع از ورود آب دریا به درون
محفظه هم می شود.
** جایی که شافت پروانه از میان تیغه کشتی (bulk head) عبور می کند یک آب
بند تیغه (bulk head stuffing box) به منظور اطمینان از آب بند باقی ماندن
تیغه استفاده می شود.
در برخی موارد پیچیده تر اجزای دیگری هم می تواند وجود داشته باشد که به دو مورد از آنها اشاره می شود:
** گیربکس (جعبه دنده) به منظور کم کردن سرعت موتور به سرعت مورد نیاز برا
ی عملکرد موثر پروانه استفاده می شود. این کاهش سرعت می تواند در یک یا دو
مرحله حاصل شود:
* در یک مرحله برای موتورهای دیزل با سرعت متوسط یا بالا (از 1:2 تا 1:6 )
* در دو مرحله برای توربین های گازی و موتورهای دیزل با سرعت بالا (از1:10 تا 1:35)
** از کلاج (clutch) برای اتصال و یا قطع اتصال موتور(ها) به محور پروانه استفاده می شود. کلاج غالباً در داخل گیربکس قرار می گیرد.
