ازآنجاکه آلیاژ برنز - آلومینیوم - نیکل مقاومت خوبی در برابر خوردگی داشته و از استحکام بالایی برخوردار است، درگذشته پروانه کشتی‌ها و زیردریایی‌ها با استفاده از آلیاژ مذکور تولید می‌شده است. استفاده از آلیاژ برنز - آلومینیوم - نیکل چالش‌هایی را به همراه دارد. به‌عنوان‌مثال ماشین‌کاری آلیاژ مذکور به‌صورت اشکال پیچیده نظیر پره‌های پروانه، هزینه‌بر است. پروانه‌های آلیاژ برنز - آلومینیوم - نیکل در اثر خستگی ترک برداشته و از خواص عایق صوتی پایینی برخوردار است. به همین علت ارتعاش این پروانه‌ها سروصدای زیادی را ایجاد می‌کند. 

مشکلاتی ازاین‌دست سبب شده تا مهندسین معماری کشتی که وظیفه طراحی، تولید و تعمیر ناوگان دریایی را بر عهده‌دارند، تولید پره‌های پروانه با استفاده از موادی غیر از آلیاژ مذکور را امکان‌سنجی کنند. در این امکان‌سنجی مشخص شد که فولاد ضدزنگ، آلیاژ تیتانیوم و کامپوزیت‌ها بهترین جایگزین آلیاژ برنز – آلومینیوم – نیکل هستند.

در پره‌های کامپوزیتی، الیاف طوری قرار می‌گیرند که در مقابل بارهای هیدرودینامیک و بارهای محوری از پروانه محافظت کنند. ازآنجاکه الیاف در کامپوزیت‌ها بارهای وارده را تحمل می‌کنند، استفاده از پروانه‌های کامپوزیتی از این مزیت برخوردار است که می‌توان در سرتاسر پره، الیاف را در جهت‌های مختلفی قرار داده و میزان کرنش پروانه را به حداقل رساند. درنتیجه با رعایت جهت و آرایش الیاف می‌توان عملکرد پره پروانه را ارتقا بخشید.

آقایان ایچ.جی لین و جی.جی لین مقاله‌ای تحت عنوان "تأثیر آرایش الیاف بر رفتار هیدروالاستیک پره پروانه کامپوزیتی" را ارائه داده‌اند. توضیح اینکه هیدروالاستیک شاخه‌ای از مکانیک سیالات است که سیالات ساکن و متحرک، اثر متقابل آن‌ها بر یکدیگر و تأثیر سیالات مذکور بر اجسام ساکن یا متحرک داخل یا پیرامون آن‌ها را بررسی می‌کند. 

در این مقاله آمده است که هم‌جهت بودن الیاف بر نیروی رانش، نسبت گام به قطر پروانه و زاویه خمیدگی پره پروانه (خمیدگی پره به سمت عقب است) تأثیر می‌گذارد. لازم به ذکر است که گام پروانه مسافتی است که یک پروانه به‌طور تئوری در هر دور گردش خود طی می‌کند. البته میزان پیشروی پروانه در عمل کمتر از مقداری است که در محاسبات نظری به دست می‌آید. این اختلاف را "لغزش" می‌نامند. مقدار گام پروانه به قطر پروانه بستگی دارد. هرچه قطر پروانه بزرگ‌تر باشد، گام پروانه نیز بزرگ‌تر است. لذا گام پروانه برحسب نسبت گام به قطر تعریف می‌شود. 

با توضیحاتی که ارائه شد مشخص می‌شود که برای ارتقا عملکرد پروانه‌های کامپوزیتی باید در طراحی و تولید پره‌ها دقت کافی مبذول شود. پره‌های کامپوزیتی از چندلایه الیاف شیشه و کربن تولید می‌شوند و به همین علت دارای ساختاری صلب می‌شوند یا آن‌ها را با استفاده از کامپوزیت‌های ساندویچی تولید می‌کنند. 

برای جلوگیری از ضربه دیدن نوک پره‌ها، آن‌ها را با لایه‌نازکی از فوم پلی اورتان، آلیاژ برنز - آلومینیم - نیکل یا فولاد ضدزنگ روکش می‌کنند. معمولاً با استفاده از چسب یا پیچ و مهره پره‌های کامپوزیتی را به توپی پروانه متصل می‌کنند. امروزه توپی پروانه‌ها نیز با استفاده از کامپوزیت‌ها تولید می‌شوند. 

اتحاد جماهیر شوروی آزمایش‌های زیادی را انجام داده و طی آن‌ها عملکرد پروانه‌های کامپوزیتی و نمونه‌های فلزی که شکل هندسی یکسانی داشتند را با یکدیگر مقایسه کرد. طی بررسی‌های انجام‌شده مشخص شد کشتی‌هایی که پروانه کامپوزیتی داشتند ازلحاظ سرعت، مصرف سوخت، قدرت موتور به ازای هر واحد وزن یا حجم موتور، توان ازدست‌رفته و طول عمر، با کشتی‌هایی که پروانه آن‌ها فلزی بود تفاوتی نداشتند. 

توضیح اینکه به فضایی که هر پیستون در سیلندر بالا و پایین می‌رود، حجم موتور می‌گویند. 

واحد اندازه‌گیری حجم موتور سانتی‌متر مکعب است. ضمناً توان ازدست‌رفته (جذب توان) عبارت است از بخشی از نیروی موتور که توسط اجزای دیگر به مصرف می‌رسد یا در اثر اصطکاک تلف می‌شود. 

استفاده از پروانه‌های کامپوزیتی باعث می‌شود که در موتور و محور پروانه، ارتعاشات ناشی از پدیده تشدید (رزنانس) حدود 25 درصد کاهش یابد. به‌این‌ترتیب ارتعاش کاسه کشتی (بدنه بدون ابرسازه) کاهش‌یافته و هنگام حرکت، کشتی، سروصدای کمتری ایجاد می‌شود. 

لازم به ذکر است که تشدید (رزنانس) عبارت است از تمایل یک جسم به نوسان با دامنه بزرگ‌تر و در فرکانس‌های خاصی که از فرکانس نوسان طبیعی جسم بالاتر هستند.

مزایای پروانه‌های کامپوزیتی

با تولید تعداد زیادی پروانه کامپوزیتی ، هزینه تولید پایین می‌آید، هزینه تعمیر و نگهداری طی دوره سرویس کاهش می‌یابد، میزان ساییدگی در جعبه‌دنده و محور پروانه کاهش می‌یابد و پروانه‌های کامپوزیتی سبک هستند، در پروانه‌های کامپوزیتی خاصیت میراکنندگی ارتعاشات بالا است

پروانه‌های کامپوزیتی در مقابل خستگی به‌خوبی مقاومت می‌کنند و کمتر دچار خوردگی می‌شوند با استفاده از تیغه‌های ضخیم و انعطاف‌پذیر می‌توان پدیده کاویتاسیون را در پروانه کامپوزیتی کاهش داد همچنین پروانه‌های کامپوزیتی امواج الکتریکی و الکترومغناطیسی کمتری را منعکس می‌کنند و سروصدای کمتری تولید می‌کنند گفتنی است برخی از این خواص به اثبات نرسیده‌اند. بالاتر بودن هزینه تولید، شکستگی‌های بزرگ‌تر در نوک پره‌ها و استحکام کمتر در برابر ضربه ازجمله مشکلاتی هستند که پروانه‌های کامپوزیتی بیشتر از پروانه‌های برنز- آلومینیوم- نیکل با آن‌ها روبرو هستند.

پروانه‌های کشتی با پدیده کاویتاسیون روبرو هستند. به‌عبارت‌دیگر با چرخش پروانه، سرعت آب در نزدیکی آن افزایش‌یافته و فشار آن تا حد فشار بخارآب کاهش می‌یابد. با کاهش فشار، حباب‌های آب ظاهر می‌گردند. درنتیجه پره‌ها در مخلوطی از آب و حباب‌های حاوی بخارآب می‌چرخند. به‌این‌ترتیب نیروی رانش وارد بر پره‌ها، توان و بازدهی پروانه و سرعت کشتی به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌یابد زیرا چگالی بخارآب بسیار کمتر از چگالی آب است. به‌علاوه در نقاطی که فشار بیشتر است، انرژی حاصل از فروپاشی حباب‌ها به سطح پره آسیب می‌رساند. ضمناً در اثر پدیده کاویتاسیون، ارتعاش و سروصداهای مزاحم ایجاد می‌شود.

پیشرانه‌های کامپوزیتی

پیشرانه‌های کامپوزیتی نسبت به انواع فلزی خود از مزایای بیشتری برخوردار است. به‌عنوان‌مثال هزینه تعمیر و نگهداری آن‌ها پایین‌تر بوده، سبک‌تر هستند، امواج الکترومغناطیسی کمتری را منعکس می‌کنند، از انتشار صداهای موتور جلوگیری کرده و در برابر خوردگی و خستگی از مقاومت بیشتری برخوردارند. 

در مورد تولید پیشرانه‌های کامپوزیتی برای شناورهای نیروهای دریایی اطلاعات زیادی در دست نیست. فقط می‌دانیم که پروانه‌های کامپوزیتی در حال تولید هستند که طول پره آن‌ها به چندین متر می‌رسد. از جزئیات طراحی و عملکرد پروانه‌های مذکور به‌صورت اطلاعات طبقه‌بندی‌شده محافظت می‌شود. نیروی دریایی فرانسه قصد دارد در زیردریایی تریامفنت خود بر روی پره‌هایی که 2/7 متر قطر دارند، روکش کامپوزیتی نصب می‌کنند.

محور پروانه و محور موتور کامپوزیتی

پس از پیشرفت‌هایی که در تولید پروانه‌ها و پیشرانه‌های (موتورهای) کامپوزیتی حاصل شد، در سال‌های اخیر برای کشتی‌های جنگی و زیردریایی‌ها محور پروانه و محور موتور کامپوزیتی نیز تولیدشده است. درصد وزن ناوهای محافظ و ناوشکن‌ها که حدود 100 تا 200 تن می‌شود، به خاطر سنگینی محورهای فولادی پیشرانه‌های آن‌هاست.

محورهای کامپوزیتی الیاف کربن/رزین اپوکسی و الیاف شیشه/رزین اپوکسی، 25 الی80 درصد سبک‌تر از محورهای فولادی هستند که در اندازه‌های مشابه تولید می‌گردند. به‌علاوه طراحان کشتی معتقدند خاصیت میراکنندگی در محورهای کامپوزیتی سبب می‌گردد که با به حداقل رسیدن ضربات ارتعاشات، از انتقال سروصدای تجهیزات و پروانه‌ها به خارج آر آن جلوگیری شود. به‌این‌ترتیب امواج صوتی کمتری از کشتی منعکس می‌گردد. ازآنجاکه محورهای کامپوزیتی خاصیت مغناطیسی ندارند، امواج الکترومغناطیسی کمتری از کشتی منعکس می‌گردد. محورهای کامپوزیتی دچار خوردگی نمی‌شوند، در برابر بارهای وارده و خستگی از خود مقاومت بالایی نشان می‌دهند و هزینه تعمیر و نگهداری آن‌ها کمتر از محورهای فولادی است.

*امیرحسین صفر قلی دبیر گروه مطالعات و برنامه‌ریزی راهبردی ستاد توسعه فناوری ستاد توسعه فناوری و صنایع دانش‌بنیان دریایی معاونت علمی

پایان پیام/32