أنواع الرفاصات البحربة Types of Marine Propellers
أنواع الرفاصات البحرية Types of Marine Propellers
ماهو الرفاص؟مما تصنع الرفاصات البحرية ؟
ماهي أنواع الرفاصات البحرية Types of Marine Propellers ؟
أنواع الرفاصات البحرية Types of Marine Propellers
الرفاص هو هيكل دوار يشبه المروحة، يُستخدم لدفع السفينة باستخدام الطاقة التي يولدها وينقلها المحرك الرئيسي للسفينة.
تُحوّل الطاقة المنقولة من الحركة الدورانية إلى قوة دفع تُعطي زخمًا للماء، مما يُنتج قوة تؤثر على السفينة وتدفعها للأمام.
تتحرك السفينة وفقًا لمبدأ برنولي وقانون نيوتن الثالث. ينشأ فرق ضغط على الجانبين الأمامي والخلفي للشفرات، ويتسارع الماء خلفها.
ينتقل الدفع من المروحة لتحريك السفينة عبر نظام نقل يتكون من حركة دورانية تُولّدها عمود مرفق المحرك الرئيسي، والعمود الوسيط ومحامله، وعمود أنبوب المؤخرة ومحامله، وأخيرًا المروحة نفسها.
مادة وتركيب الرفاص Material and Construction of Propeller
تُصنع رفاصات السفن البحرية من مواد مقاومة للتآكل، لأن الرفاصات تعمل مباشرةً في مياه البحر فإنها أكثر عرضة لعملية التآكل. والمواد المستخدمة في تصنيعها هي سبائك الألومنيوم والفولاذ المقاوم للصدأ.
ومن المواد الشائعة الأخرى سبائك النيكل والألومنيوم والبرونز، وهي أخف وزنًا بنسبة 10-15% من المواد الأخرى وتتميز بمتانة أعلى.
تتضمن عملية تصنيع الرفاص ربط عدد من الشفرات بالمحور أو الرأس عن طريق اللحام أو التشكيل كقطعة واحدة. تتميز الشفرات المطروقة بموثوقية عالية وقوة أكبر، لكنها أغلى ثمنًا مقارنةً بالشفرات الملحومة.
يتكون الرفاص البحري من أجزاء من أسطح حلزونية تدور معًا عبر الماء بتأثير لولبي.
أنواع الرفاصات Types of Propeller
تُصنّف الرفاصات بناءً على عدة عوامل. يُوضّح أدناه تصنيف أنواع الرفاصات المختلفة:
أ) التصنيف حسب عدد الشفرات المُلحقة: A) Classification by Number of Blades Attached
تتراوح شفرات الرفاص بين مراوح ثلاثية ورباعية، وأحيانًا حتى سداسية. إلا أن الرفاصات ثلاثية ورباعية الشفرات هي الأكثر شيوعًا.
مع ذلك، فإن أكثر أنواع الرفاصات شيوعًا هي الرفاصات ذات الأربع أو الخمس شفرات.
تكون كفاءة الرفاصات أعلى ما يمكن عند استخدام مروحة ذات عدد أقل من الشفرات، أي مروحة ذات شفرتين. ولكن لتحقيق عامل القوة، ونظرًا للأحمال الثقيلة التي تتعرض لها السفينة والبحر والطقس، لا تُستخدم المراوح ذات الشفرتين في السفن التجارية.
رفاص ثلاثي الشفرات 3 Blade Propeller
تتميز المروحة ثلاثية الشفرات بالخصائص التالية:
تكلفة تصنيعها أقل من الأنواع الأخرى.
تُصنع عادةً من سبائك الألومنيوم.
تُقدم أداءً ممتازًا في السرعات العالية.
تسارعها أفضل من الأنواع الأخرى.
كفاءتها في التعامل مع السرعات المنخفضة ليست عالية.
رفاص ذو 4 شفرات 4Blade Propeller
يتميز الرفاص رباعي الشفرات بالخصائص التالية:
تكلفة تصنيعه أعلى من الرفاصات ثلاثية الشفرات.
يصنع الرفاص رباعي الشفرات عادةً من سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ.
يتميز بقوة ومتانة أفضل.
يوفر أداءً وتحكمًا ممتازين في السرعات المنخفضة.
يتمتع بقوة تماسك أفضل في البحار الهائجة.
يوفر الرفاص رباعي الشفرات استهلاكًا أفضل للوقود مقارنةً بالأنواع الأخرى.
رفاص خماسي الشفرات 5 blade propeller
يتميز الرفاص خماسي الشفرات بالخصائص التالية:
تكلفة تصنيعه أعلى.
اهتزازه أقل من جميع الأنواع الأخرى.
يتمتع الرفاص خماسي الشفرات بقوة تحمل أفضل في البحار الهائجة.
رفاصات بست شفرات 6 blade propeller
تكلفة تصنيعها مرتفعة
اهتزازها أقل من الأنواع الأخرى.
تتميز رفاصات الست شفرات بقدرة تحمل أفضل في البحار الهائجة.
مع رفاصات بست شفرات، ينخفض مجال الضغط المُستحث فوقها.
تُجهز سفن الحاويات الكبيرة عادةً بمراوح بخمس أو ست شفرات.
ب) التصنيف حسب درجة ميل الشفرة: B) Classification By pitch of the blade
يمكن تعريف خطوة المروحة بأنها الإزاحة التي تُحدثها في كل دورة كاملة مقدارها ٣٦٠ درجة. ويُصنف المراوح بناءً على الخطوة كما يلي.
رفاصات ذات خطوة ثابتة Fixed Pitch Propeller
تُثبّت شفرات هذه الرفاصات بشكل دائم بالمحور. تُصنع مراوح هذه الرفاصات من سبائك النحاس، وموقع الشفرات ثابت، وبالتالي يكون موضعها ثابتًا بشكل دائم ولا يمكن تغييره أثناء التشغيل.
تتميز مراوح هذه الرفاصات بالمتانة والموثوقية، إذ لا يتضمن نظامها أي توصيلات ميكانيكية وهيدروليكية كما هو الحال في رفاصات ذات خطوة مُتحكّم بها Controlled Pitch Propeller (CPP). كما أن تكاليف التصنيع والتركيب والتشغيل أقل من رفاصات ذات خطوة مُتحكّم بها (CPP). كما أن قدرة المناورة في الرفاصات ذات الخطوة الثابتة ليست بجودة رفاصات CPP.
تُركّب هذه الأنواع من الرفاصات في السفن التي لا تحتاج متطلبات مناورة جيدة.
رفاص ذو خطوة متحكم بها Controllable pitch propeller
في رفاصات ذات خطوة متحكم بها، يُمكن تغيير خطوة الدوران عن طريق تدوير الشفرة حول محورها الرأسي من خلال ترتيب ميكانيكي وهيدروليكي. يُساعد هذا على تشغيل آلات الدفع عند حمل ثابت دون الحاجة إلى آلية عكسية، حيث يُمكن تغيير خطوة الدوران لتتناسب مع ظروف التشغيل المطلوبة. وبالتالي، تتحسن القدرة على المناورة وتزداد كفاءة المحرك.
هنالك احتمالية التلوث النفطي، حيث قد يتسرب الزيت الهيدروليكي المُستخدم للتحكم في خطوة الدوران في الرأس. يُعد هذا النظام مُعقدًا ومكلفًا من حيث التركيب والتشغيل. علاوة على ذلك، قد تُعلق خطوة الدوران في موضع واحد، مما يُصعّب مناورة المحرك.
مع ذلك، فإن كفاءة مروحة رفاص CP أقل بقليل من رفاص FP من نفس الحجم، نظرًا لكبر حجم المحور لاستيعاب آلية خطوة دوران الشفرة والأنابيب.
أبعاد الرفاص : كقاعدة عامة، كلما كان قطر الرفاص أكبر، كانت كفاءته أعلى. إلا أن الأبعاد الفعلية للرفاص تعتمد على نوع السفينة المُستخدم فيها، بالإضافة إلى العوامل التالية:
-بناء وتصميم مؤخرة السفينة
-متطلبات الخلوص بين مقدمة السفينة وهيكلها
-الحالة العامة لتوازن السفينة. بالنسبة لناقلات النفط وناقلات البضائع السائبة، يكون حجم الرفاص أصغر مقارنةً بالحاويات
-الغاطس التصميمي للسفينة
رفاصات متغيرة الخطوة Variable-pitch propeller
قد تكون رفاصات متغيرة الخطوة إما قابلة للتحكم (رفاصات قابلة للتحكم) أو قابلة للطي تلقائيًا (رفاصات قابلة للطي). تتميز الرفاصات متغيرة الخطوة بمزايا كبيرة مقارنةً بالمراوح الثابتة الخطوة، وهي:
القدرة على اختيار زاوية الشفرات الأكثر فعالية لأي سرعة؛
عند الإبحار بمحرك، القدرة على تضييق زاوية الشفرات للحصول على الدفع الأمثل من الرياح والمحركات؛
القدرة على التحرك للخلف (عكس الاتجاه) بكفاءة أكبر (أداء المراوح الثابتة ضعيف جدًا في الاتجاه للخلف)؛
رفاصات مائلة للخلف Skewback propeller
تُسمى رفاصات مائلة للخلف نوعًا متطورًا من الرفاصات ، يُستخدم في الغواصات الأمريكية من فئة لوس أنجلوس، وكذلك في الغواصات الألمانية من طراز 212. وكما هو الحال في شفرات السيف المعقوف المستخدمة في بعض الطائرات، فإن أطراف شفرات الرفاصات المائلة للخلف تُسحب للخلف عكس اتجاه الدوران. بالإضافة إلى ذلك، تميل الشفرات للخلف على طول المحور الطولي، مما يُعطي الرفاصات مظهرًا مثل الكوب. يحافظ هذا التصميم على كفاءة الدفع مع تقليل التجويف، مما يُتيح تصميمًا هادئًا وخفيًا.
يستخدم عدد قليل من السفن رفاصات ذات جنيحات تشبه تلك الموجودة في أجنحة بعض الطائرات، مما يُقلل من دوامات الأطراف ويُحسّن الكفاءة.
رفاصات معيارية Modular propeller
تتيح الرفاصات المعيارية تحكمًا أكبر في أداء القارب. فلا حاجة لتغيير الرفاص بأكمله عندما يكون التغيير مقتصرًا على زاوية ميلها أو الشفرات التالفة . تتيح إمكانية تعديل زاوية ميلها للقوارب أداءً أفضل أثناء الرحلات البحرية على ارتفاعات مختلفة، أو ممارسة الرياضات المائية، أو الإبحار.
رفاصات فويث شنايدر Voith Schneider propeller
رفاصات فويث شنايدر (VSP) هي نظام دفع بحري متخصص (MPS) من إنتاج مجموعة فويث، مصمم على شكل دوار. تتميز بمرونة عالية في المناورة، حيث يمكنها تغيير اتجاه دفعها بشكل فوري تقريبًا. تُستخدم على نطاق واسع في القاطرات والعبارات.
رفاص بدون عمود Shaftless Propeller
يُدمج الدافع المُدار بحافة المحرك الكهربائي في رفاصات أنبوبية. تعمل القناة الأسطوانية كعضو ثابت، بينما تعمل أطراف الشفرات كعضو دوار. عادةً ما توفر هذه الشفرات عزم دوران عاليًا وتعمل بسرعات دوران منخفضة، مما يُصدر ضوضاء أقل. لا يتطلب النظام عمودًا، مما يُقلل الوزن. يمكن وضع الوحدات في مواقع مختلفة حول الهيكل وتشغيلها بشكل مستقل، على سبيل المثال، للمساعدة في المناورة. يتيح عدم وجود عمود تصميمات بديلة للهيكل الخلفي.
حلقية Toroidal
ابتكرت الرفاصات الحلقية الملتوية، التي استُخدمت لأول مرة منذ أكثر من 120 عامًا، لتحل محل الشفرات بحلقات دائرية. تتميز هذه الرفاصات بانخفاض صوتها بشكل ملحوظ (خاصةً عند الترددات المسموعة) وكفاءتها العالية مقارنةً بالرفاصات التقليدية، سواءً في الهواء أو الماء. يوزع تصميمها الدوامات الهوائية الناتجة عن الرفاص على كامل شكلها، مما يُسرّع من تبديدها في الغلاف الجوي.
القيمة التقريبية لأبعاد الرفاص Propeller dimension approximate value
لسفينة الحاويات، d/D = 0.74
لناقلات البضائع السائبة وناقلات النفط، d/D = 0.65
حيث d هو قطر الرفاص ، D هو الغاطس التصميمي
كيف يعمل رفاص السفينة؟
بالنسبة للمركبات التي تسير على اليابسة، يختلف نظام الدفع الذي يُحركها. ففي هذه الأنظمة، يُشغّل المحرك العمود المُتصل بإطار المركبة ليتحرك أمام جسمها. أما بالنسبة للسفن المُزاحة في الماء، فلا توجد مثل هذه الإطارات أو الأسطح التي يُمكنها الركوب عليها.
تُزاح السفينة في الماء، ويُستخدم الرفاص لدفعها للأمام أو للخلف، حسب اتجاه دورانها أو ميلها. يتصل محرك السفينة برفاصها عبر ترتيب العمود.
عندما يُدير المحرك الرفاص ، تُشكّل الشفرات المُشعّة، المُثبتة عند ميل مُحدد، حلزونيًا، يُشبه اللولب. أثناء ذلك، تُحوّل قوة الدوران إلى دفع خطي.
يؤثر هذا الدفع الخطي على الماء بحيث يُولّد ضغطًا بين السطحين الأمامي والخلفي عند دوران شفرات الرفاص. وبالتالي، يتم تسريع كتلة السائل في اتجاه واحد مما يخلق قوة رد فعل تساعد الجسم المرتبط بالرفاص (وهي السفينة) على التحرك للأمام.
لكي تتحرك السفينة في الاتجاه المعاكس، يدور المحرك، وبالتالي الرفاص، عكس اتجاه عقارب الساعة. سيؤدي هذا إلى عكس قوة الدفع، وستتحرك السفينة إلى الخلف. مع ذلك صُمم محرك رفاص FP دائمًا للدوران مع عقارب الساعة عند الإبحار للأمام، وبالتالي، فإن إطالة التشغيل في الاتجاه الخلفي غير فعال.
بالنسبة للسفن المجهزة برفاص CP، لا يتأثر اتجاه المحرك، وبالتالي تكون كفاءة السفينة في الاتجاه الخلفي أفضل من كفاءة الرفاصات ذات الخطوة الثابتة.
أنواع أعمدة الدفع Types of Propeller Shaft
يتصل محرك السفينة بالرفاص عبر أعمدة دفع مختلفة متصلة ببعضها، ويمكن تسميتها بـ:
عمود الدفع Thrust Shaft
العمود الوسيط Intermediate Shaft
عمود الذيل Tail Shaft
عمود الدفع: Thrust Shaft
يتصل عمود مرفق المحرك أولاً بعمود الدفع، الذي يمر عبر محمل الدفع، الذي تتمثل وظيفته الرئيسية في نقل الدفع إلى هيكل السفينة. يتشابه هيكل محمل الدفع في تركيبه مع هيكل صفيحة قاعدة المحرك الرئيسية، ويُشحم المحمل بزيت نظام تزييت المحرك الرئيسي. عادةً ما يكون عمود الدفع مصنوعًا من سبائك فولاذية صلبة مطروقة.
العمود الوسيط Intermediate Shaft
يُوصل عمود الدفع بعد ذلك بعمود وسيط طويل مُكوّن من أجزاء ويُربط باستخدام وصلات مطروقة صلبةو يعتمد طول وعدد الأعمدة الوسيطة المتصلة على موقع المحرك الرئيسي، فكلما كانت السفينة أكبر كانت المسافة بين المحرك الرئيسي والرفاص أكبر. عادةً ما تكون مادة العمود الوسيط من الفولاذ المصبوب الصلب المطروق.
عمود الذيل: Tail Shaft
يُعتبر عمود الذيل كما يوحي اسمه الجزءَ الأخيرَ من هيكل العمود وهو يحمل الرفاص. يُحمل عمود الذيل نفسه على محمل أنبوبي مُشَحَّم في مؤخرة السفينة، مزود بسدادات، حيث يتصل ويبرز من غرفة محركات السفينة إلى البحر المفتوح، حاملاً الرفاص.
يمكن أن يكون نظام التزييت زيتيًا أو مائيًا، ينقل عمود الذيل قوة المحرك وحركة الرفاص. عادةً ما تكون مادة عمود الذيل سبيكة فولاذ مقاوم للصدأ مزدوج عالي المتانة.
سبب التشغيل الثقيل للرفاص Reason for Heavy Running of Propeller
يزوَّد الرفاص بقوة محرك لتدوير السفينة ودفعها في الاتجاه المطلوب. إذا لم تُولِّد الطاقة المُزوَّدة للرفاص نفس معدل الدوران فإن الرفاص يعتبر في حالة تشغيل ثقيل، وقد يكون ذلك راجعًا للأسباب التالية:
تلف شفرات الرفاص Damage to propeller blades
زيادة مقاومة الهيكل نتيجةً لاتساخه، مما يؤدي إلى تغيير في مجال الموج Increase in hull resistance due to hull fouling resulting in a change in wakefield
أثناء البحار الهائجة During rough / heavy seas
إبحار السفينة عكس اتجاه التيار Ship sailing against the current
إبحار السفينة في حالة موازنة خفيفة Ship sailing in light ballast condition
إبحار السفينة في المياه الضحلة Ship Sailing In Shallow Water
سفينة ذات مؤخرة مسطحة Ship with a flat stern
فتحات إزالة الأعشاب الضارة وقواطع الحبال Weed hatches and rope cutters
بينما تُغمر رفاصات السفينة الكبيرة في المياه العميقة دون أي عوائق لكن غالبًا ما تتعرض اليخوت والبارجات والقوارب النهرية لاتساخ الرفاصات بسبب البقايا الطافيةمثل الأعشاب الضارة والحبال والكابلات والشباك والبلاستيك. ونادرًا ما تحتوي اليخوت والقوارب النهرية على فتحات لإزالة الأعشاب الضارة؛ وبدلاً من ذلك، قد تُركّب قاطعة حبال تُحيط بعمود الرفاص وتدور مع الرفاص. تُزيل هذه القواطع الحطام وتُغني عن الحاجة إلى تدخل الغواصين يدويًا لإزالة الأوساخ. تتوفر عدة أشكال من قواطع الحبال:
-قرص بسيط ذو حافة حادة يقطع مثل شفرة الحلاقة.
-دوار مزود بشفرتين بارزتين أو أكثر يقطع شفرة ثابتة ويقطع بمقص.
-دوار مسنن ذو حافة قطع معقدة مكونة من حواف حادة ونتوءات.
أنواع الرفاصات البحرية Types of Marine Propellers
المصادر:
