أنظمة الدفع البحري Marine Propulsion System
أنظمة الدفع البحري Marine Propulsion System
الدفع البحري Marine propulsion
الدفع البحري هو الآلية أو النظام المستخدم لتوليد قوة الدفع لتحريك المركبة المائية عبر الماء. وبينما لا تزال المجاديف والأشرعة تُستخدم في بعض القوارب الصغيرة، فإن معظم السفن الحديثة تُدفع بواسطة أنظمة ميكانيكية تتكون من محرك كهربائي أو محرك احتراق داخلي يُحرك مروحة، في حالات نادرة، في المضخات النفاثة. الهندسة البحرية هي التخصص المعني بعملية التصميم الهندسي لأنظمة الدفع البحري.
كانت المجاديف التي تعمل بالطاقة البشرية، ولاحقًا الأشرعة، هي الأشكال الأولى للدفع البحري. لعبت القوادس ذات المجداف، وبعضها مُجهز بالشراع، دورًا مهمًا في بدايات الملاحة البحرية والحروب البشرية. كانت أول وسيلة ميكانيكية متقدمة للدفع البحري هي المحرك البخاري البحري، الذي طُرح في أوائل القرن التاسع عشر. وخلال القرن العشرين، استُبدل بمحركات ديزل ثنائية أو رباعية الأشواط، ومحركات خارجية، ومحركات توربينية غازية على السفن الأسرع. ظهرت المفاعلات النووية البحرية في خمسينيات القرن الماضي، وهي تُنتج البخار لدفع السفن الحربية وكاسحات الجليد؛ إلا أن التطبيقات التجارية التي بُذلت في أواخر ذلك العقد لم تحظَ بالاهتمام الكافي. استُخدمت المحركات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات لدفع الغواصات والقوارب الكهربائية، واقتُرح استخدامها لتوفير الطاقة.
يكتسب تطوير المحركات التي تعمل بالغاز الطبيعي المسال (LNG) شهرةً واسعةً بفضل انبعاثاتها المنخفضة ومزاياها من حيث التكلفة. تدفع محركات ستيرلينغ، التي تتميز بهدوء وسلاسة تشغيلها، عددًا من الغواصات الصغيرة لضمان تشغيلها بأقصى قدر ممكن من الهدوء. لا يُستخدم تصميمها في التطبيقات البحرية المدنية نظرًا لانخفاض كفاءتها الكلية مقارنةً بمحركات الاحتراق الداخلي أو توربينات الطاقة.
تاريخ History
ما قبل الميكنة Pre-mechanization
حتى استخدام محرك البخار الذي يعمل بالفحم في السفن في أوائل القرن التاسع عشر، كانت المجاديف أو الرياح الوسيلة الرئيسية لدفع السفن المائية. استخدمت السفن التجارية الشراع بشكل رئيسي، ولكن خلال الفترات التي اعتمدت فيها الحروب البحرية على السفن للاصطدام أو القتال المباشر، كانت القوادس مفضلة لقدرتها على المناورة وسرعتها. استخدمت القوات البحرية اليونانية التي خاضت الحرب البيلوبونيسية السفن ثلاثية المجاديف، وكذلك فعل الرومان في معركة أكتيوم. أدى تطور المدفعية البحرية من القرن السادس عشر فصاعدًا إلى تفضيل وزن السفينة على قدرتها على المناورة؛ مما أدى إلى هيمنة السفن الحربية التي تعمل بالشراع على مدى القرون الثلاثة التالية.
في العصر الحديث، يُستخدم الدفع البشري بشكل رئيسي في القوارب الصغيرة أو كدفع مساعد في المراكب الشراعية. يشمل الدفع البشري عمود الدفع والتجديف والدواسات.
يتألف الدفع بالشراع عادةً من شراع مرفوع على صارية منتصبة، مدعوم بدعامات ومُتحكم به بواسطة الحبال. كانت الأشرعة هي الشكل السائد للدفع التجاري حتى أواخر القرن التاسع عشر، واستمر استخدامها حتى أواخر القرن العشرين على الطرق التي كانت الرياح متوفرة فيها ولم يكن الفحم متوفرًا، كما هو الحال في تجارة النترات في أمريكا الجنوبية. تُستخدم الأشرعة الآن بشكل عام للترفيه والسباقات، على الرغم من استخدام تطبيقات مبتكرة للأشرعة التوربينية، والأشرعة الدوارة، والأشرعة المجنحة، وطواحين الهواء، ونظام عوامات الطائرات الورقية الخاص بشركة SkySails على السفن الحديثة الأكبر حجمًا لتوفير الوقود.
ميكانيكية Mechanized
في النصف الثاني من القرن العشرين، كاد ارتفاع تكاليف الوقود أن يؤدي إلى زوال التوربينات البخارية. صُنعت معظم السفن الجديدة منذ عام ١٩٦٠ تقريبًا بمحركات ديزل، رباعية الأشواط وثنائية الأشواط. وكانت سفينة فيرسكي، التي أُطلقت عام ١٩٨٤، آخر سفينة ركاب رئيسية بُنيت بتوربينات بخارية. وبالمثل، أُعيد تصميم محركات العديد من السفن البخارية لتحسين كفاءة استهلاك الوقود. ومن الأمثلة البارزة على ذلك سفينة الملكة إليزابيث ٢، التي بُنيت عام ١٩٦٨، والتي استُبدلت توربيناتها البخارية بوحدة دفع تعمل بالديزل والكهرباء عام ١٩٨٦.
معظم السفن الجديدة المبنية بالتوربينات البخارية هي سفن متخصصة، مثل السفن التي تعمل بالطاقة النووية، وبعض السفن التجارية (ولا سيما سفن الغاز الطبيعي المسال وناقلات الفحم)، حيث يمكن استخدام حمولتها كمزود للوقود.
المحركات Engines
البخار Steam
يُشغّل البخار نوعين من المحركات: ترددية (بمكابس بخارية متصلة بعمود مرفقي)، وتربينية (بشفرات بخارية متصلة شعاعيًا بعمود دوار). يمكن نقل طاقة العمود من كل نوع إما مباشرةً إلى الرفاص، أو مضخة الدفع، أو أي آلية أخرى، أو عبر آلية نقل حركة ميكانيكية أو كهربائية أو هيدروليكية. في النصف الأخير من القرن التاسع عشر، كان البخار أحد مصادر الطاقة الرئيسية للدفع البحري. في عام ١٨٦٩، شهد تدفقًا كبيرًا للسفن البخارية، حيث شهد المحرك البخاري تطورات كبيرة خلال تلك الفترة.
ترددية Reciprocating
كان تطوير السفن البخارية ذات المحركات المكبسية عملية معقدة. كانت السفن البخارية الأولى تعمل بالخشب، بينما كانت السفن اللاحقة تعمل بالفحم أو زيت الوقود. استخدمت السفن الأولى عجلات مجداف في المؤخرة أو على الجانب، مما أتاح المجال للمراوح اللولبية.
حققت سفينة روبرت فولتون البخارية “نورث ريفر” (التي تُعرف غالبًا باسم كليرمونت) أول نجاح تجاري في الولايات المتحدة عام 1807، تلتها في أوروبا سفينة “كوميت” بطول 45 قدمًا (14 مترًا) عام 1812. شهد الدفع البخاري تطورًا ملحوظًا خلال الفترة المتبقية من القرن التاسع عشر. ومن أبرز التطورات استخدام مكثف سطح البخار، الذي استغنى عن استخدام مياه البحر في غلايات السفينة. وقد سمح هذا، إلى جانب التحسينات في تكنولوجيا الغلايات، برفع ضغوط البخار، وبالتالي استخدام محركات تمدد متعددة (مركبة) عالية الكفاءة. وباعتبارها وسيلة لنقل طاقة المحرك، أفسحت العجلات المجدافية المجال للمراوح اللولبية الأكثر كفاءة.
انتشرت محركات البخار متعددة التمدد على نطاق واسع في أواخر القرن التاسع عشر. كانت هذه المحركات تستنفد البخار من أسطوانة عالية الضغط إلى أسطوانة منخفضة الضغط، مما أدى إلى زيادة كبيرة في الكفاءة.
التوربينات Turbines
كانت التوربينات البخارية تُدار بواسطة غلايات تحرق الفحم في البداية، ثم زيت الوقود. تستخدم بعض أنظمة التوربينات البخارية الطاقة النووية لتوليد البخار. وقد رفع التوربين البخاري البحري الذي طوره السير تشارلز ألجيرنون بارسونز نسبة القدرة إلى الوزن. وقد حقق شهرة واسعة من خلال عرضه بشكل غير رسمي في سفينة “توربينيا” التي يبلغ طولها 30 مترًا (100 قدم) في معرض سبيتهيد البحري عام 1897. وقد سهّل هذا ظهور جيل جديد من السفن عالية السرعة في النصف الأول من القرن العشرين، وجعل المحرك البخاري الترددي عتيقًا؛ أولًا في السفن الحربية، ثم في السفن التجارية.
في أوائل القرن العشرين، انتشر استخدام زيت الوقود الثقيل بشكل أوسع، وبدأ يحل محل الفحم كوقود مفضل في السفن البخارية. ومن أهم مزاياه سهولة الاستخدام، وتقليل القوى العاملة من خلال الاستغناء عن ماكينات التشذيب والوقود، وتقليل المساحة اللازمة لمستودعات الوقود.
سفن تعمل بالطاقة النووية Nuclear-powered
في هذه السفن يُسخّن المفاعل النووي الماء لتوليد البخار اللازم لتشغيل التوربينات. عند تطويره لأول مرة، حدّت أسعار الديزل المنخفضة جدًا من جاذبية الدفع النووي تجاريًا. ولم تُمكّن مزاياه المتمثلة في ضمان أسعار الوقود، والسلامة العالية، وانخفاض الانبعاثات، من التغلب على التكاليف الأولية المرتفعة لمحطة الطاقة النووية. في عام ٢٠١٩، أصبح الدفع النووي نادرًا باستثناء بعض السفن البحرية والسفن المتخصصة مثل كاسحات الجليد. في حاملات الطائرات الكبيرة، تُستخدم المساحة التي كانت تُستخدم سابقًا لتخزين وقود السفن لتخزين وقود الطائرات. أما في الغواصات، فتتمتع القدرة على العمل تحت الماء بسرعة عالية وفي هدوء نسبي لفترات طويلة بمزايا واضحة. كما استخدمت بعض الطرادات البحرية الطاقة النووية؛ واعتبارًا من عام ٢٠٠٦، لم يتبقَّ في الخدمة سوى طرادات فئة كيروف الروسية. ومن الأمثلة على السفن غير العسكرية المزودة بنظام دفع بحري نووي كاسحة الجليد من فئة أركتيكا بقوة ٧٥٠٠٠ حصان (٥٥٩٣٠ كيلوواط). في كاسحة الجليد، تكمن ميزة تأمين الوقود والسلامة في ظروف القطب الشمالي القاسية. انتهت التجربة التجارية لسفينة إن إس سافانا قبل الزيادات الكبيرة في أسعار الوقود في سبعينيات القرن الماضي. كما عانت سافانا من تصميم غير فعال، إذ كانت مخصصة جزئيًا للركاب وجزئيًا للبضائع.
في الآونة الأخيرة، تجدد الاهتمام بالشحن النووي التجاري. أسعار زيت الوقود الآن أعلى بكثير. يمكن لسفن الشحن التي تعمل بالطاقة النووية أن تخفض التكاليف المرتبطة بانبعاثات ثاني أكسيد الكربون وأن تبحر بسرعات إبحار أعلى من السفن التقليدية التي تعمل بالديزل.
ديزل Diesel
تستخدم معظم السفن الحديثة محرك ديزل ترددي كمحرك رئيسي، نظرًا لسهولة تشغيله ومتانته واقتصاده في استهلاك الوقود مقارنةً بمعظم آليات المحرك الرئيسي الأخرى. يمكن ربط عمود المرفق الدوار مباشرةً بالرفاص في المحركات بطيئة السرعة، أو عبر علبة تروس تخفيض السرعة للمحركات متوسطة وعالية السرعة، أو عبر مولد كهربائي ومحرك كهربائي في السفن التي تعمل بالديزل-الكهربائي. ويتصل دوران عمود المرفق بعمود الكامات أو بمضخة هيدروليكية في محرك ديزل ذكي.
بدأ استخدام محرك الديزل البحري الترددي لأول مرة عام ١٩٠٣ عندما دخلت ناقلة النفط النهرية الكهربائية فاندال الخدمة بواسطة شركة برانوبل. سرعان ما تفوقت محركات الديزل في كفاءتها على التوربينات البخارية، ولكن لسنوات عديدة كانت نسبة الطاقة إلى المساحة فيها أقل. إلا أن ظهور الشحن التوربيني سرّع من اعتمادها، إذ سمح بكثافة طاقة أكبر.
تُصنف محركات الديزل اليوم على نطاق واسع وفقًا لما يلي:
دورة تشغيلها: محرك ثنائي الشوط أو محرك رباعي الأشواط
تركيبها: محرك ذو مكبس متقاطع، أو مكبس جذعي، أو مكبس متعاكس
سرعتها
السرعة البطيئة: أي محرك تصل سرعته القصوى إلى 300 دورة في الدقيقة، مع أن معظم محركات الديزل الكبيرة ثنائية الشوط بطيئة السرعة تعمل بسرعة أقل من 120 دورة في الدقيقة. بعض محركات الأشواط الطويلة جدًا تصل سرعتها القصوى إلى حوالي 80 دورة في الدقيقة.
السرعة المتوسطة: أي محرك تتراوح سرعته القصوى بين 300 و1000 دورة في الدقيقة. العديد من محركات الديزل الحديثة رباعية الأشواط متوسطة السرعة تبلغ سرعتها القصوى حوالي 500 دورة في الدقيقة.
السرعة العالية: أي محرك تتجاوز سرعته القصوى 1000 دورة في الدقيقة.
تستخدم معظم السفن التجارية الكبيرة الحديثة إما محركات بطيئة السرعة ثنائية الشوط ذات مكبس متقاطع، أو محركات متوسطة السرعة رباعية الأشواط ذات مكبس جذعي. قد تستخدم بعض السفن الصغيرة محركات ديزل عالية السرعة. يُعد حجم أنواع المحركات المختلفة عاملاً هاماً في اختيار ما سيتم تركيبه في السفينة الجديدة. فالمحركات ثنائية الأشواط بطيئة السرعة أطول بكثير، لكن المساحة المطلوبة أصغر من تلك المطلوبة لمحركات الديزل متوسطة السرعة رباعية الأشواط المكافئة لها في التصنيف. ونظرًا لضيق المساحة فوق خط الماء في سفن الركاب والعبارات (خاصةً تلك التي تحتوي على سطح للسيارات)، تميل هذه السفن إلى استخدام محركات متعددة متوسطة السرعة، مما يؤدي إلى مساحة محرك أطول وأقل حجمًا من تلك اللازمة لمحركات الديزل ثنائية الأشواط. كما يوفر تركيب المحركات المتعددة احتياطيًا في حالة حدوث عطل ميكانيكي في محرك واحد أو أكثر، وإمكانية زيادة الكفاءة في نطاق أوسع من ظروف التشغيل.
نظرًا لأن رفاصات السفن الحديثة تكون في أعلى مستويات كفاءتها عند سرعة تشغيل معظم محركات الديزل بطيئة السرعة، فإن السفن المجهزة بهذه المحركات لا تحتاج عادةً إلى علب تروس. تتكون أنظمة الدفع هذه عادةً من عمود دفع واحد أو عمودين، لكل منهما محرك دفع مباشر خاص به. قد تحتوي السفن التي تعمل بمحركات ديزل متوسطة أو عالية السرعة على رفاص واحدة أو اثنين (وأحيانًا أكثر)، وعادةً ما يُشغّل محرك واحد أو أكثر كل عمود رفاص عبر علبة تروس. عند توصيل أكثر من محرك بعمود واحد، غالبًا ما يُشغّل كل محرك عبر قابض، مما يسمح بفصل المحركات غير المستخدمة عن علبة التروس بينما يستمر تشغيل المحركات الأخرى. يتيح هذا الترتيب إجراء الصيانة أثناء الرحلة، حتى بعيدًا عن الميناء.
توربينات الغاز Gas Turbines
استخدمت العديد من السفن الحربية التي بُنيت منذ ستينيات القرن الماضي توربينات الغاز للدفع، وكذلك بعض سفن الركاب، مثل السفن النفاثة. تُستخدم توربينات الغاز عادةً مع أنواع أخرى من المحركات. ومؤخرًا، تم تركيب توربينات غازية على سفينة RMS Queen Mary 2 بالإضافة إلى محركات الديزل. نظرًا لضعف كفاءتها الحرارية عند إنتاج طاقة منخفضة (في حالة الإبحار)، من الشائع أن تستخدم السفن محركات ديزل للإبحار، مع الاحتفاظ بتوربينات الغاز عند الحاجة إلى سرعات أعلى. ومع ذلك، في حالة سفن الركاب، يتمثل السبب الرئيسي لتركيب توربينات الغاز في الحد من الانبعاثات في المناطق البيئية الحساسة أو أثناء وجودها في الموانئ. كما استخدمت بعض السفن الحربية، وبعض سفن الرحلات البحرية الحديثة، توربينات البخار لتحسين كفاءة توربيناتها الغازية في الدورة المركبة، حيث تُستخدم الحرارة المهدرة من عادم توربين الغاز لغلي الماء وإنتاج البخار اللازم لتشغيل توربين بخاري. في هذه الدورات المركبة، يمكن أن تكون الكفاءة الحرارية مساوية أو أعلى بقليل من كفاءة محركات الديزل وحدها؛ ومع ذلك، فإن نوعية الوقود اللازمة لهذه التوربينات الغازية أعلى بكثير من تلك اللازمة لمحركات الديزل، وبالتالي تظل تكاليف التشغيل أعلى. تحتوي بعض اليخوت الخاصة، مثل Alamshar التابعة لآغا خان، أيضًا على دفع توربيني غازي (Pratt and Whitney ST40M)، مما يتيح سرعات قصوى تصل إلى 70 عقدة، وهو أمر فريد بالنسبة لليخت الذي يبلغ طوله 50 مترًا
الدفع البحري المشترك Combined marine propulsion
الدفع المشترك بالديزل أو الغاز (CODOG) Combined diesel or gas (CODOG)
الدفع المشترك بالديزل والغاز (CODAG) Combined diesel and gas (CODAG)
الدفع المشترك بالديزل والكهرباء والديزل (CODLAD) Combined diesel-electric and diesel (CODLAD)
الدفع المشترك بالديزل والكهرباء والغاز (CODLAG)Combined diesel–electric and gas (CODLAG)
الدفع المشترك بالديزل والديزل (CODAD) Combined diesel and diesel (CODAD)
الدفع المشترك بالبخار والغاز (COSAG)Combined steam and gas (COSAG)
الدفع المشترك بالغاز أو الغاز (COGOG) Combined gas or gas (COGOG)
الدفع المشترك بالغاز والغاز (COGAG) Combined gas and gas (COGAG)
الدفع المشترك بالغاز والبخار (COGAS) Combined gas and steam (COGAS)
الدفع المشترك بالنووي والبخاري (CONAS) Combined nuclear and steam prop (CONAS)
الدفع الكهربائي المتكامل (IEP أو IFEP) Integrated electric propulsion (IEP or IFEP)
محركات الغاز الطبيعي المسال LNG Engines
تُلزم شركات الشحن بالامتثال لقواعد المنظمة البحرية الدولية (IMO) والاتفاقية الدولية لمنع التلوث الناجم عن السفن بشأن الانبعاثات. تُزوّد محركات الوقود المزدوج إما بالديزل البحري، أو زيت الوقود الثقيل، أو الغاز الطبيعي المسال (LNG). يوفر محرك الغاز الطبيعي المسال البحري خيارات وقود متعددة، مما يسمح للسفن بالتنقل دون الاعتماد على نوع واحد من الوقود. تُظهر الدراسات أن الغاز الطبيعي المسال هو أكثر أنواع الوقود كفاءة، على الرغم من أن محدودية الوصول إلى محطات تزويد الغاز الطبيعي المسال تُحد من إنتاج هذه المحركات. وقد تم تحديث السفن التي تُقدم خدمات في قطاع الغاز الطبيعي المسال بمحركات تعمل بالوقود المزدوج، وقد أثبتت فعاليتها الفائقة. تشمل مزايا محركات الوقود المزدوج مرونة الوقود والتشغيل، والكفاءة العالية، وانخفاض الانبعاثات، ومزايا التكلفة التشغيلية.
تُوفر محركات الغاز الطبيعي المسال لقطاع النقل البحري بديلاً صديقًا للبيئة لتزويد السفن بالطاقة. في عام 2010، وقّعت شركة STX Finland وشركة Viking Line اتفاقية لبدء بناء ما سيكون أكبر عبارة سياحية صديقة للبيئة. اكتمل بناء السفينة NB 1376 في عام 2013. ووفقًا لشركة Viking Line، تم تُزوَّيد السفينة NB 1376 بالغاز الطبيعي المسال بشكل أساسي. وستكون انبعاثات أكسيد النيتروجين من السفينة NB 1376 شبه معدومة، وستكون انبعاثات أكسيد الكبريت أقل بنسبة 80% على الأقل من معايير المنظمة البحرية الدولية (IMO).
أدت أرباح الشركة من التخفيضات الضريبية ومزايا التكلفة التشغيلية إلى نمو تدريجي في استخدام وقود الغاز الطبيعي المسال في المحركات.
محركات غاز البترول المسال LPG Engines
مع تزايد أهمية الاستدامة البيئية، يستكشف قطاع النقل البحري تقنيات دفع أنظف. يُعد غاز البترول المسال (LPG) بديلاً آخر للوقود يحقق فوائد تشغيلية واقتصادية وبيئية. وقد أظهرت الدراسات أن استخدام غاز البترول المسال يقلل من انبعاثات أكسيد الكبريت بنسبة 97% والجسيمات العالقة بنسبة 90%. وكما هو الحال مع الغاز الطبيعي المسال، تم تزويد العديد من سفن غاز البترول المسال بمحركات ثنائية الوقود تتميز بفعاليتها العالية. كما يُسهّل استخدام غاز البترول المسال عملية نقل غاز البترول المسال. أولاً، تُملأ خزانات غاز البترول المسال على سطح السفينة مع خزانات شحن غاز البترول المسال باستخدام نظام الشحن أثناء التحميل. ثم يُسحب غاز البترول المسال من خزانات السطح إلى نظام إمداد غاز الوقود ويُضخ عبر الأنابيب إلى المحرك. وهذا يزيد من الكفاءة التشغيلية والاقتصادية، خاصةً أثناء الشحن لمسافات طويلة.
في عام ٢٠٢٠، كانت شركة BW LPG رائدة في تشغيل أول ناقلة غاز ضخمة جدًا (VLGC) في العالم، مُجهزة بتقنية الدفع ثنائي الوقود بغاز البترول المسال. وتمتلك الشركة أكبر أسطول من ناقلات الغاز الضخمة جدًا (VLGC) مُجهزة بتقنية الدفع ثنائي الوقود بغاز البترول المسال. تعمل هذه التقنية على خفض الانبعاثات، وتُعد خطوةً نحو تحقيق شحن خالٍ من الكربون.
ستيرلينغ Stirling
منذ أواخر ثمانينيات القرن الماضي، قامت شركة بناء السفن السويدية “كوكمز” ببناء عدد من الغواصات الناجحة العاملة بمحركات ستيرلينغ. تخزن الغواصات الأكسجين المضغوط للسماح باحتراق خارجي أكثر كفاءة ونظافة للوقود عند غمرها، مما يوفر الحرارة اللازمة لتشغيل محرك ستيرلينغ. تُستخدم هذه المحركات حاليًا في غواصات من فئتي “جوتلاند” و”سوديرمانلاند” والغواصة اليابانية من فئة “سوريو”. تُعد هذه الغواصات الأولى التي تتميز بنظام دفع ستيرلينغ المستقل عن الهواء (AIP)، والذي يُطيل مدة تحملها تحت الماء من بضعة أيام إلى عدة أسابيع.
عادةً ما تكون درجة حرارة الهواء المحيط هي مصدر الحرارة لمحرك ستيرلينغ. في حالة محركات ستيرلينغ متوسطة إلى عالية القدرة، يلزم عادةً استخدام مشعاع لنقل الحرارة من المحرك إلى الهواء المحيط. تتميز محركات ستيرلينغ البحرية باستخدام الماء ذي درجة الحرارة المحيطة. يسمح وضع قسم مشعاع التبريد في مياه البحر بدلاً من الهواء المحيط بتصغير حجم المشعاع. يمكن استخدام مياه تبريد المحرك، بشكل مباشر أو غير مباشر، لأغراض تدفئة وتبريد السفينة. يتميز محرك ستيرلينغ بإمكانية استخدامه في دفع السفن السطحية، إذ إن حجمه الأكبر لا يُشكل أهمية كبيرة.
الدفع الشمسي Solar propulsion
لقد أصبح الدفع الشمسي واقعًا ملموسًا في السنوات القليلة الماضية. ففي العديد من السفن، تُركّب ألواح شمسية بحرية لتوفير طاقة دفع وكهرباء إضافية.
هذا يعني أن السفن التي تعمل بالطاقة الشمسية مزودة أيضًا بوسائل دفع بديلة، عادةً ما تكون محرك ديزل للأيام التي لا تكفي فيها الطاقة الشمسية.
تحتوي السفن التي تعمل بالطاقة الشمسية على مكونات مثل الألواح الشمسية، ومجموعات البطاريات، ووحدات تحكم شحن MPPT، ونظام إدارة ومراقبة حاسوبي. وكما هو الحال مع أنظمة الطاقة الشمسية الأخرى، تُخزّن الطاقة المتراكمة من الألواح الشمسية في بطاريات وتُستخدم حسب الحاجة لتشغيل السفينة.
يمكن تركيب هذه الأنظمة على أنواع السفن مثل ناقلات النفط، وناقلات البضائع السائبة، وناقلات السيارات، وسفن الرحلات البحرية، والسفن الترفيهية، وعبارات الركاب، والقوارب النهرية، وسفن الشحن الساحلية.
الدفع باستخدام وقود الديزل الحيوي Biodiesel fuel propulsion
يمكن لوقود الديزل الحيوي، مثل FAME (أستر ميثيل الأحماض الدهنية)، وBTL (تحويل الكتلة الحيوية إلى سائل)، وHVO (الزيوت النباتية المعالجة بالهيدروجين)، تشغيل المحركات البحرية عند مزجه بزيت الديزل البحري.
هذه الأنواع من الوقود متجددة بالكامل، وهي خالية من الكربون بنسبة 100% تقريبًا. كما أن مناولتها ونقلها وتخزينها سهلة للغاية.
تكتسب هذه الأنواع من الوقود زخمًا متزايدًا في مجال الشحن التجاري لعدة أسباب، من أهمها مبادرة المنظمة البحرية الدولية (IMO) للحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. يتميز وقود الديزل الحيوي عمومًا بمحتوى منخفض من الكبريت، مما يسمح له بتلبية معايير المنظمة البحرية الدولية. إلا أن تلبية حدود أكاسيد النيتروجين قد يُمثل مشكلة نظرًا لارتفاع محتوى الأكسجين فيه.
في تطبيقات الشحن، يُستخدم وقود الديزل الحيوي في ناقلات النفط، وسفن الحاويات، وناقلات السيارات، وناقلات البضائع السائبة، والحفارات.
وقود الهيدروجين Hydrogen Fuel
على الرغم من عدم شيوع استخدامه حاليًا في الصناعة البحرية، إلا أن الهيدروجين، كبديل للوقود الأحفوري، مجالٌ يتطلب استثماراتٍ ضخمة. واعتبارًا من عام ٢٠١٨، تعهدت شركة الشحن “ميرسك” بأن تصبح خاليةً من الكربون بحلول عام ٢٠٥٠، وهو هدفٌ تُخطط لتحقيقه جزئيًا من خلال الاستثمار في تقنية وقود الهيدروجين. ورغم أن الهيدروجين وقودٌ واعد، إلا أن له بعض العيوب. فهو أكثر قابليةً للاشتعال بكثير من أنواع الوقود الأخرى مثل الديزل، لذا يجب اتخاذ الاحتياطات اللازمة. كما أنه ليس كثيف الطاقة، لذا يجب ضغطه بشدة لزيادة كثافته بما يكفي ليكون عمليًا، على غرار الميثان والغاز الطبيعي المسال. يمكن استخراج طاقة الهيدروجين إما باستخدام نظام خلايا الوقود أو حرقه في محرك احتراق داخلي، على غرار محركات الديزل المستخدمة حاليًا في الصناعة البحرية.
كهربائي Electric
ظهر الدفع الكهربائي بالبطارية لأول مرة في أواخر القرن التاسع عشر، مُشغّلاً قوارب البحيرات الصغيرة. اعتمدت هذه القوارب كلياً على بطاريات الرصاص الحمضية لتشغيل مراوحها. تطورت شركة إلكو (شركة الإطلاق الكهربائي) لتصبح رائدة في هذا المجال، ثم توسعت لاحقاً لتشمل أنواعاً أخرى من السفن، بما في ذلك قارب PT الشهير خلال الحرب العالمية الثانية.
في أوائل القرن العشرين، تم تكييف الدفع الكهربائي للاستخدام في الغواصات. ولأن الدفع تحت الماء الذي يعتمد حصرياً على البطاريات الثقيلة كان بطيئاً ومحدود المدى والمدة، فقد طُوّرت مجموعات بطاريات قابلة لإعادة الشحن. كانت الغواصات تعمل بشكل أساسي بأنظمة ديزل-كهرباء مدمجة على السطح، والتي كانت أسرع بكثير وسمحت بتوسيع نطاقها بشكل كبير، مع شحن أنظمة بطارياتها حسب الحاجة للعمل والمدة المحدودة تحت السطح. أدت غواصة هولاند 5 التجريبية إلى اعتماد البحرية الأمريكية لهذا النظام، ثم البحرية الملكية البريطانية.
لتوسيع مدى ومدة الغواصة خلال الحرب العالمية الثانية، طورت البحرية الألمانية (كريغسمارينه) نظام غطس يسمح باستخدام نظام الديزل والكهرباء بينما تكون الغواصة مغمورة بالكامل تقريبًا. وأخيرًا، في عام ١٩٥٢، أُطلقت الغواصة يو إس إس نوتيلوس، أول غواصة تعمل بالطاقة النووية في العالم، مما ألغى قيود كل من وقود الديزل ودفع البطاريات محدود المدة.
تُبنى العديد من السفن قصيرة المدى كسفن كهربائية بالكامل (أو تُحوّل إلى سفن كهربائية). ويشمل ذلك بعض السفن التي تعمل بالبطاريات التي تُشحن من الشاطئ، وبعضها الآخر يعمل بالطاقة الكهربائية من الشاطئ بواسطة كابلات كهربائية، إما علوية أو مغمورة (بدون بطاريات).
في ١٢ نوفمبر ٢٠١٧، أطلقت شركة قوانغتشو لبناء السفن الدولية (GSI) ما قد يكون أول ناقلة فحم برية تعمل بالبطاريات بالكامل في العالم. ستحمل السفينة، التي تبلغ حمولتها الساكنة ٢٠٠٠ طن، بضائع سائبة لمسافة تصل إلى ٤٠ ميلًا بحريًا لكل شحنة. تحمل السفينة بطاريات ليثيوم أيون بقدرة 2400 كيلووات في الساعة، وهو نفس المقدار تقريبًا الذي تحمله 30 سيارة سيدان كهربائية من طراز Tesla Model S
ديزل-كهرباء Diesel-electric
يوفر نقل الطاقة من المحرك إلى المروحة باستخدام الديزل-الكهرباء مرونة في توزيع الآلات داخل السفينة بتكلفة أولية أعلى من الدفع المباشر. وهو حل مفضل للسفن التي تستخدم مراوح مثبتة على كبسولات لتحديد المواقع بدقة أو تقليل الاهتزازات العامة من خلال وصلات مرنة للغاية. كما يوفر الديزل-الكهرباء مرونة في تخصيص الطاقة الناتجة لتطبيقات على متن السفينة، بخلاف الدفع. كانت أول سفينة تعمل بالديزل-الكهرباء هي الناقلة الروسية فاندال، التي أُطلقت عام ١٩٠٣.
تيربو -كهربائي Turbo-electric
يستخدم ناقل الحركة التوربيني الكهربائي مولدات كهربائية لتحويل الطاقة الميكانيكية للتوربين (البخاري أو الغازي) إلى طاقة كهربائية، ثم تقوم المحركات الكهربائية بتحويلها مرة أخرى إلى طاقة ميكانيكية لتشغيل أعمدة الإدارة. ومن مزايا ناقل الحركة التوربيني الكهربائي أنه يسمح بدمج التوربينات عالية السرعة مع المراوح أو العجلات بطيئة الدوران، دون الحاجة إلى علبة تروس. كما يوفر الكهرباء لأنظمة كهربائية أخرى، مثل الإضاءة وأجهزة الكمبيوتر والرادار ومعدات الاتصالات.
نقل الطاقة Transmission of power
لتحويل قوة دوران العمود إلى قوة دفع، تُستخدم المراوح(الرفاصات) بشكل شائع في السفن التجارية اليوم. يُنقل الدفع المُولّد من المروحة إلى الهيكل عبر محمل دفع.
أنواع الدفع Propulsion types
طُوِّرت أنواعٌ عديدةٌ من الدفع على مرّ الزمن، منها:
المجاديف Oars
تُعدّ المجاديف من أقدم وسائل الدفع البحري، حيث يعود تاريخها إلى 5000-4500 قبل الميلاد. تُستخدم المجاديف في رياضات التجديف، مثل التجديف بالكاياك والتجديف بالزوارق.
الرفاص Propeller
تُعرف الرفاصات البحرية أيضًا باسم “المسامير الحلزونية” Screw . هناك أنواع عديدة من أنظمة الرفاص البحرية، بما في ذلك الرفاص المزدوج، والمروحة ذات الدوران المعاكس، والرفاص ذو الميل القابل للتحكم، والرفاص ذو الفوهة. بينما تميل السفن الصغيرة إلى استخدام رفاص واحد، فإن السفن الكبيرة جدًا، مثل ناقلات النفط وسفن الحاويات وناقلات البضائع السائبة، قد تستخدم رفاص واحد لأسباب تتعلق بكفاءة الوقود. وقد تستخدم سفن أخرى رفاص مزدوج أو ثلاثي أو رباعي. تنتقل الطاقة من المحرك إلى الرفاص عبر عمود الرفاص، والذي قد يكون متصلًا بعلبة تروس. ثم يحرك الرفاص السفينة عن طريق توليد قوة دفع. عندما يدور الرفاص، يكون الضغط أمامها أقل من الضغط خلفها. تدفع قوة فرق الضغط الرفاص للأمام.
عجلة التجديف Paddle wheel
عجلة التجديف عجلة كبيرة، تُصنع عادةً من إطار فولاذي، تُثبت على حافتها الخارجية شفرات مجداف متعددة (تُسمى عوامات أو دلاء). يتحرك الربع السفلي منها تقريبًا تحت الماء. يُنتج دورانها قوة دفع، للأمام أو للخلف حسب الحاجة. تتميز تصاميم عجلات التجديف الأكثر تطورًا بتقنيات ريش تُبقي كل شفرة مجداف في وضع رأسي أثناء وجودها في الماء؛ مما يزيد من الكفاءة. عادةً ما يكون الجزء العلوي من عجلة التجديف مُحاطًا بصندوق مجداف لتقليل تناثر الماء.
استُبدلت عجلات التجديف بالمسامير ، وهي وسيلة دفع أكثر كفاءة. ومع ذلك، تتميز عجلات التجديف بميزتين على المسامير ، مما يجعلها مناسبة للسفن في الأنهار الضحلة والمياه الضحلة: أولًا، تقل احتمالية انسدادها بالعوائق والحطام؛ وثانيًا، عند دورانها المعاكس، تسمح للسفينة بالدوران حول محورها الرأسي. كانت بعض السفن تحتوي على مسمار واحد بالإضافة إلى عجلتين مجدافين، للحصول على مزايا كلا النوعين من الدفع.
مضخة نفاثة Pump jet
تستخدم المضخة النفاثة، أو المضخة المائية النفاثة، أو المضخة النفاثة المائية، أو المضخة النفاثة مروحةً أنبوبية (مضخة محورية التدفق)، أو مضخة طرد مركزي، أو مضخة تدفق مختلط، لتوليد نفاثة مائية للدفع.
تتضمن هذه المضخات مدخلاً لمياه المصدر وفوهة لتوجيه تدفقها للخارج، مما يُولّد زخماً، وفي معظم الحالات، يستخدم توجيه الدفع لتوجيه المركبة.
توجد المضخات النفاثة في المركبات المائية الشخصية، والعبارات عالية السرعة ذات الطوافات، والقوارب النهرية ذات الغاطس الضحل، والطوربيدات.
الشراع Sail
الغرض من الأشرعة هو استخدام طاقة الرياح لدفع السفينة، أو الزلاجة، أو اللوح، أو المركبة، أو الدوار. ويعتمد الفرق بين اتجاه القارب واتجاه الرياح على زاوية الشراع. استُخدم الداكرون بكثرة في صناعة الأشرعة نظرًا لقوته ومتانته وسهولة صيانته. إلا أنه كان يعاني من بعض نقاط الضعف عند نسجه. أما اليوم، فتُستخدم الأشرعة المصفحة لمنع ضعف الأشرعة عند نسجها.
مروحة فويث-شنايدر الدوارة Voith-Schneider cyclo-rotor
مروحة فويث-شنايدر A Voith Schneider Propeller (VSP) هي مروحة دوارة عملية توفر دفعًا فوريًا في أي اتجاه. لا حاجة لتدوير المروحة. معظم السفن المزودة بمراوح VSP لا تحتاج إلى دفة أو لا تملكها. تُستخدم هذه المروحة غالبًا في زوارق القطر وسفن الحفر وغيرها من المركبات المائية التي تتطلب قدرة مناورة فائقة. تم استخدام محركات فويث-شنايدر لأول مرة في ثلاثينيات القرن الماضي، وهي موثوقة ومتوفرة بأحجام كبيرة.
اليرقة Caterpillar
كانت اليرقة المائية من الوسائل المبكرة وغير الشائعة لدفع القوارب. كانت هذه اليرقة تُحرك سلسلة من المجاديف على سلاسل على طول قاع القارب لدفعه فوق الماء، وقد سبقت تطوير المركبات المجنزرة. طُوّر أول يرقة مائية على يد جوزيف فيليبيرت ديبلان عام ١٧٨٢، وكانت تُدفع بواسطة محرك بخاري. في الولايات المتحدة، سُجّلت براءة اختراع أول يرقة مائية عام ١٨٣٩ على يد ويليام ليفنوورث من نيويورك.
الزعانف المتذبذبة Oscillating flappers
في عام ١٩٩٧، حصل غريغوري إس. كيترمان على براءة اختراع لطريقة دفع تعتمد على حركات دوارة تعمل بواسطة الدواسات. تُسوّق شركة هوبي هذه الطريقة باسم “نظام دفع الدواسات MirageDrive” في قوارب الكاياك التي تنتجها.
الطفو Buoyancy
تحوّل الطائرات الشراعية تحت الماء الطفو إلى قوة دفع، باستخدام الأجنحة، أو مؤخرًا شكل الهيكل (طائرة سي إكسبلورر الشراعية). يُحوّل الطفو إلى قوة دفع سالبة وإيجابية بالتناوب، مما يُولّد أشكالًا تشبه منشار الأسنان.
محرك غشاء الزعانف (بدون رفاص) Fin membrane motor (without propeller)
محرك غشاء الزعانف هو تقنية جديدة مستوحاة من آلية دفع زعانف الأسماك دون استخدام مروحة عادية. طُوّرت هذه التقنية خصيصًا من قِبل شركة Finx الفرنسية الناشئة. ويُستخدم الآن بشكل رئيسي في الأنشطة البحرية الترفيهية.
أنظمة الدفع البحري Marine Propulsion System
أنظمة الدفع البحري Marine Propulsion System
أنظمة الدفع البحري Marine Propulsion System
أنظمة الدفع البحري Marine Propulsion System
أنظمة الدفع البحري Marine Propulsion System
أنظمة الدفع البحري Marine Propulsion System
أنظمة الدفع البحري Marine Propulsion System
أنظمة الدفع البحري Marine Propulsion System
المصادر:
