المبدأ الميكانيكي لمراوح السفن

مروحة السفينة عبارة عن هيكل دوار يشبه كثيرا المروحة المستخدمة في التبريد، وتستخدم المراوح لدفع السفينة باستخدام الطاقة المولدة والمرسلة بواسطة المحرك الرئيسي للسفينة، حيث يتم تحويل الطاقة المرسلة من الحركة الدورانية لتقوم بتوليد قوة دفع تعطي زخمًا للماء، مما ينتج عنه قوة تعمل على دفع السفينة للأمام، حيث تندفع السفينة على أساس مبدأ برنولي و قانون نيوتن الثالث.

ويتم إنشاء فرق في الضغط على الجانب الأمامي والخلفي لشفرات المراوح ويتم تسريع المياه خلف الشفرات، حيث يتم الاندفاع من المروحة لتحريك السفينة من خلال نظام نقل يتكون من حركة دورانية ناتجة عن العمود المرفقي للمحرك الرئيسي، والعمود الوسيط وأخيراً بواسطة المروحة نفسها، ويمكن تزويد السفينة بمروحة واحدة واثنتين ونادرًا ثلاثة مراوح حسب السرعة ومتطلبات المناورة للسفينة.

مواد بناء المروحة

المراوح البحرية مصنوعة من مواد مقاومة للتآكل حيث يتم تشغيلها مباشرة في مياه البحر والتي تعتبر محفزة للتآكل، المواد المستخدمة في صنع المراوح البحرية عبارة عن سبيكة من الألومنيوم والفولاذ المقاوم للصدأ، والمواد الشائعة الأخرى المستخدمة هي سبائك النيكل والألمنيوم والبرونز والتي يكون وزنها أخف بنسبة 10 ~ 15٪ من المواد الأخرى ولها قوة أعلى.

وتتضمن عملية بناء المروحة إرفاق عدد من الشفرات بالمحور عن طريق لحام الشفرات أو باستخدام عملية الطرق (forging) في قطعة واحدة، تعتبر الشفرات المطروقة موثوقة للغاية ولديها قوة أكبر ولكنها غالية الثمن مقارنة بالشفرات الملحومة، ويتم إنشاء المروحة البحرية بواسطة أجزاء من القطع الحلزونية التي تعمل معًا لتدور عبر الماء بتأثير لولبي.

تصنيف المراوح حسب عدد الشفرات المرفقة

قد تختلف شفرات المروحة من 3 شفرات إلى 4 شفرات وأحيانًا حتى 5 شفرات ومع ذلك، فإن الأكثر استخدامًا هي 3 شفرات أو 4، وتكون كفاءة المروحة اعلى كلما قل عدد الشفرات، أي المروحة ذات الشفرتين هي الأعلى كفاءة، ولكن لتحقيق عامل القوة وبالنظر الى الأحمال الثقيلة التي تتعرض لها السفينة، لا تستخدم المراوح ذات الشفرتين في البحر.

خصائص المروحة ذات 3 شفرات

تكلفة التصنيع أقل من الأنواع الأخرى، و عادة ما تكون مصنوعة من سبائك الألومنيوم وتعطي أداء عالي السرعة، والتسارع أفضل من الأنواع الأخرى، لكن التعامل مع السرعة المنخفضة ليس فعالًا كثيرًا.

خصائص المروحة ذات 4 شفرات

تكلفة التصنيع أعلى من المراوح ذات الشفرات الثلاث وعادة ما تتكون من سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ، ولديها قوة ومتانة أفضل من ذات 3 شفرات، وتعطي معالجة وأداءً جيدًا عند السرعة المنخفضة، ولديه قوة تماسك أفضل في البحار الهائجة، وتوفر المروحة ذات الشفرات الأربع توفيرًا أفضل للوقود مقارنة بجميع الأنواع الأخرى.

خصائص المروحة ذات 5 شفرات

تكلفة التصنيع أعلى للجميع، والاهتزاز هو الحد الأدنى من جميع الأنواع الأخرى، وتوفر المروحة ذات 5 شفرات افضل تماسك للسفن في البحار الهائجة.

خصائص المروحة ذات 6 شفرات

تكلفة التصنيع عالية جدا والاهتزاز هو الحد الأدنى من جميع الأنواع الأخرى وتتمتع بقدرة أفضل على الإمساك في البحار الهائجة. وباستخدام مروحة ذات ست شفرات، ينخفض مجال الضغط المستحث فوق المروحة.

 التصنيف حسب درجة ميل الشفرات

يمكن تعريف ميل المروحة على أنه الإزاحة التي تقوم بها المروحة لكل دورة كاملة تبلغ 360 درجة، ويمكن تصنيف المراوح على أساس الميل على النحو التالي.

المروحة ذات الميل الثابت

يتم توصيل الشفرات الموجودة في المروحة ذات الميل الثابت بشكل دائم بالمحور، يتم تثبيت المراوح من نوع الميل الثابت ويتم تثبيت موضع الشفرات ومن ثم يتم تثبيت موضع الميل بشكل دائم ولا يمكن تغييره أثناء عملية الإبحار، عادة ما تكون مصنوعة من سبائك النحاس، وتعتبر مراوح الميل الثابت قوية وموثوقة لأن النظام لا يتضمن أي اتصال ميكانيكي وهيدروليكي كما هو الحال في المروحة ذات الميل المتحرك (CPP)، لكن تكاليف التصنيع والتركيب والتشغيل أقل من نوع المروحة ذات الميل المتحرك(CPP)، كما أن قدرة المروحة ذات الخطوة الثابتة على المناورة ليست جيدة مثل المروحة ذات الميل المتحرك(CPP).

المروحة ذات الميل المتحرك

هي المروحة من النوع الذي يتم التحكم فيه، من الممكن تغيير الميل عن طريق تدوير الشفرة حول محورها الرأسي عن طريق الترتيب الميكانيكي والهيدروليكي، ويساعد هذا في التحكم في آلية الدفع بحمل ثابت مع عدم الحاجة إلى آلية الرجوع حيث يمكن تغيير الدرجة لتتناسب مع ظروف التشغيل المطلوبة، وبالتالي تتحسن القدرة على المناورة وتزداد كفاءة المحرك أيضًا، لكن هناك عيب وهو إمكانية التلوث بالزيت حيث قد يتسرب الزيت الهيدروليكي والذي يستخدم للتحكم في الميل، هو نظام معقد ومكلف من حيث التثبيت والتشغيل، علاوة على ذلك  يمكن أن تتعطل المراوح في موضع معين، مما يجعل من الصعب مناورة المحرك.

أبعاد المراوح

كقاعدة عامة تكون المروحة ذات القطر الأكبر أكثر كفاءة لكن الابعاد الحقيقية للمراوح تعتمد على نوع السفينة التي سيتم استخدامها، والعوامل التالية وهي هيكل السفينة وتصميمها ومتطلبات الدقة بين طرف وجسم السفينة، وبالنسبة للصهاريج والسفن، سيكون حجم المروحة صغيرًا مقارنة بالحاويات الضخمة.

كيف تعمل مراوح السفينة

بالنسبة للسيارات التي تسير على الأرض يختلف نظام الدفع في هذه الأنظمة حيث يقوم المحرك بتشغيل العمود المرتبط بإطار السيارة للتحرك للأمام، ولكن بالنسبة للسفن التي يتم إزاحتها في الماء، لا توجد مثل هذه الإطارات أو الأسطح التي يمكن الاعتماد عليها، حيث يتم إزاحة السفينة في الماء ويتم استخدام المروحة لدفع السفينة للأمام أو للخلف، اعتمادًا على اتجاه دوران المروحة أو ميلها، حيث يتم توصيل محرك السفينة بمروحة السفينة عبر العمود.

عندما يقوم المحرك بتدوير المروحة فإن الشفرات التي يتم ضبطها عند درجة معينة تدور بشكل حلزوني، مشابهًا لحركة البراغي عندما يتم إدخالها في الخشب عن طريق دوران المفك، أثناء القيام بذلك فإنه يحول قوة الدوران إلى قوة دفع خطية، سيزداد هذا الدفع الخطي في الماء كلما زادت سرعة دوران المروحة، مما يخلق ضغطًا أمام وخلف المراوح ومن ثم فإن كتلة السائل تتسارع في اتجاه واحد مما يخلق قوة رد فعل تساعد الجسم المتصل بالمروحة (وهي السفينة) على التحرك للأمام.

لكي تتحرك السفينة في الاتجاه المعاكس، يتم تدوير المحرك ومن ثم المروحة في اتجاه عكس اتجاه عقارب الساعة، سيؤدي هذا إلى عكس الاتجاه وتتحرك السفينة إلى الخلف، ومع ذلك فإن محرك المروحة مصممه دائمًا للدوران في اتجاه عقارب الساعة عند الإبحار إلى الأمام، وبالتالي، فإن الدوران عكس عقارب الساعة ليس بكفاءة الدوران مع اتجاهها، وهناك مزود بمراوح من نوع خاص لا يتأثر باتجاه الدوران.