21 Ekim 2010 | TEKNÄ°K MAKALE 22. Sayı (Eylül-Ekim 2010)

Bu çalışmada, podlu gemi pervanelerinin hidrodinamik performansları ve karakteristikleri yazarlar tarafından daha önce geliştirilen sayısal iteratif bir yöntemle incelenmiştir. Şakir Bal / İTÜ Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi Mesut Güner / YTÜ Gemi İnşaatı ve Denizcilik Fakültesi
Bu çalışmada, podlu gemi pervanelerinin hidrodinamik performansları ve karakteristikleri yazarlar tarafından daha önce geliştirilen sayısal iteratif bir yöntemle incelenmiştir.

Şakir Bal / İTÜ Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi
Mesut Güner / YTÜ Gemi İnşaatı ve Denizcilik Fakültesi
Bu çalışmada, podlu gemi pervanelerinin hidrodinamik performansları ve karakteristikleri yazarlar tarafından daha önce geliştirilen sayısal iteratif bir yöntemle incelenmiştir. Kavitasyon yapmasına da izin verilen pervane kanatlarının yüzeyi girdap ve kaynak tekillikleri ile pod birimi (eksenel simetrik pod + taşıyıcı eleman) ise sabit şiddetli dipol ve kaynak panelleriyle temsil edilmiştir. Pervane kanatları üzerindeki kavitasyon yüzeyi için de benzer şekilde girdap ve kaynak tekillikleri hesaplara dahil edilmiş ve verilen kavitasyon sayısı kullanılarak, kavitasyon karakteristikleri (şekli, hacmi, boyu vs) hesaplanmıştır. Bu çalışmada kullanılan yöntem, deneysel ve literatürde diğer ilgili sayısal sonuçları verilen değişik podlu gemi pervanelerine uygulanmıştır. Pervanenin, podlu ve podsuz  durumdaki itme, tork ve verim değerleri karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Podun pervane kanatları üzerindeki akımı hızlandırdığı, dolayısıyla basıncın düştüğü, itme ve tork değerlerinin arttığı saptanmıştır. Pervane geometrisinin yanında, pod geometrisinin ve pervanenin pod üzerindeki yerinin de podlu pervanenin itme, tork ve verimi üzerinde çok etken parametreler olduğu saptanmıştır. Bu çalışmada kullanılan yöntemlerin ve buna uygun olarak geliştirilen programın ilgili mühendisler ve tasarımcılar için tatmin edici sonuçlar verdiği söylenebilir.

1. Giriş
Özellikler son yıllarda, podlu pervane sevk sistemleri, Ro-Ro tipi teknelerden yolcu gemilerine, romorkörlerden özel amaçlı araştırma gemilerine kadar geniş bir yelpazede uygulama alanı bulabilmekte ve konu üzerine yapılan bilimsel araştırmalar büyük bir hızla artmaktadır. Podlu gemi pervanesi sevk sistemi, temel olarak, eksenel simetrik bir pod, kesitleri hidrofoiller olan taşıyıcı (bağlayıcı) bir eleman (strut), varsa poda bağlı finler, kanatçıklar vs. ve pervane (kanatları) kısmından oluşur. Pod içerisinde doğrudan pervane kanatlarına bağlı bir elektrik motoru mevcuttur. Dolayısıyla, gemi makinasına ihtiyaç yoktur. Ancak gemi içerisinde jeneratör bulunur. Pod, taşıyıcı eleman (strut) sayesinde kendi ekseni etrafında 360° dönebilir. Halen uygulanmakta ve kullanılmakta olan çok değişik türleri mevcuttur. Pod önden çekişli (pull type-tractor type), arkadan itişli (push type) veya karma (hem önden çekişli hem arkadan itişli) olabilir. İhtiyaca bağlı olarak iki veya daha fazla sayıda pod kullanılabilir. Pod üzerinde akımı düzenlemek ve stabiliteyi iyileştirmek açısından finler, kanatçıklar vs. yerleştirilebilir. Resim 1’de model ölçeğinde önden çekişli bir podlu pervane gösterilmiştir. Podun altında, pod boyunca akımı düzenleyen ve podun stabilitesini iyileştiren bir fin mevcuttur. Resim 2’ de tam ölçekli gemiye takılmış, yine önden çekişli bir podlu gemi pervanesi gösterilmiştir. Resim 3’de ise tam ölçekli, ikiz pervaneli ve yan kanatçıklı podlu bir pervane görülmektedir.
Bu tür sevk sistemlerinin, konvansiyonel sevk sistemlerine göre verimleri daha yüksektir. Dolayısıyla, yakıt tüketiminde  % 10-15 arasında bir azalma sağlarlar. Aynı zamanda, tekneye daha yüksek manevra yeteneği kazandırırlar. Bu tür sevk sistemlerinin kullanıldığı gemilerde dümene (hatta baş iticilere vs.) gerek kalmaz. Yine, bu tür sevk sistemleri uygulandıkları gemilerde daha düşük titreşim ve gürültü özellikleri (düşük akustik basınç genlikleri) gösterirler.
Gerek üniversitelerde, gerekse de araştırma merkezleri ve tersanelerde çok sayıda araştırmacı ve mühendis podlu pervane sevk sistemleri üzerine çalışmalarını hem deneysel hem de sayısal olarak artarak sürdürmektedir. İlk olarak 2004 yılında, İngiltere’de Newcastle Üniversitesi’nde ve daha sonra 2006 yılında Fransa’da Denizcilik Araştırma Enstitüsü’nde sadece bu konuyla ilgili uluslararası iki adet konferans düzenlenmiştir [1,2]. Yakın bir zamanda bir üçüncüsünün düzenlenmesi gündemdedir. Çok farklı podlu sevk sistemleri etrafındaki akımın karakteristiklerini inceleyen hem sayısal hem de deneysel yöntemler ve bunların bazı sonuçları [3-9] numaralı  çalışmalarda mevcuttur. Podlu pervane model deneyleri esnasında gözönüne alınması gereken ölçek etkisi de [10]’da belirtilmiştir. Makalede, bu konudaki deneysel çalışmaların henüz yeterli sayıda olmadığı ve sürmesi gerektiği belirtilmekte ve Uluslararası Çekme Tankları Konferansı (International Towing Tank Conference - ITTC) organizasyonunun daha aktif olarak işin içine dahil olması gerektiği bildirilmektedir. Dolayısıyla, bununla ilgili olarak, Uluslararası Çekme Tankları Konferansı bünyesinde “Podlu Sevk Sistemi” alt komitesi kurulmuştur. Bu komiteden, dünyada konuyla ilgili yapılan çalışmalarda ortak bir dil yaratılması (özellikle model deneyleri ve bu deneylerin sonuçlarının tam ölçekli aslına taşınmasında uyulması gereken kurallar konusunda) istenmiştir [1,2]. Bu konudaki çalışmalar tüm dünyada ilgili çevrelerde yoğun olarak sürmektedir. Bu çalışmada ise, podlu pervane sevk sistemleri etrafındaki akım karakteristikleri (pod, taşıyıcı eleman ve kanatlar üzerindeki basınç dağılımı, itme, tork ve verim değerleri vs.) ve podlu birimin performansları iteratif sayısal bir yaklaşımla hesaplanmaktadır. Aşağıda önce sayısal yöntem kısaca anlatılacak, daha sonra sayısal bulgular verilecektir.

2. Sayısal yöntem
Problemin matematik formülasyonu ve sayısal çözüm tekniği ayrıntılı olarak [8,9,11,12] numaralı kaynaklarda verilmiştir. Burada, çalışmanın bütünselliğini korumak açısından kısaca özetlenmiştir. Podlu pervane etrafındaki akımın sıkıştırılamaz, viskoz olmayan ve döngüsüz (irrotational) olduğu kabul edilmiştir. Yine, Şekil 1’ de, seçilen ve pervane ile hareket eden (dönen) koordinat sistemi (Oxpypzp) ile poda bağlı sabit (Oxyz) koordinat sistemi gösterilmiştir. Dolayısıyla, Ê pertürbasyon hız potansiyeli olmak üzere, podlu pervane etrafındaki akıma ait toplam hız alanı, q, şu şekilde ifade edilebilir:
Burada, U pervane üzerine gelen düzgün olmayan akımın hızını ve  Ê, pertürbasyon potansiyelini göstermektedir. Pertürbasyon potansiyeli, süreklilik denklemi olan Laplace eşitliğini sağlamalıdır:
Pervane kanatlarının kavitasyon yapmasına da izin verilmektedir. Düzgün olmayan (non-uniform) akım içindeki pervane, kanat kirişi (chord) ve izi (trailing wake) boyunca ayrıklaştırılmış girdap ve kaynaklarla (discretized vortices and sources) temsil edilmektedir. Ayrıklaştırılmış girdaplar, kanatlar üzerindeki yüklemeyi (itmeyi), kaynaklar ise kanat ve kavitasyon yüzeyinin kalınlıklarını hesaplara dahil eder. Bu tekilliklerin (girdap ve kaynakların) bilinmeyen şiddetleri, kanatlar üzerinde seçilen kontrol noktalarında kinematik ve dinamik sınır koşullarının uygulanması ile bulunabilir. Pervane kanatları üzerinde aşağıdaki ifade sağlanmalıdır:
Burada, n seçilen kontrol noktalarında pervaneye dik birim normal vektörü göstermektedir. Ayrıca, ^ ayrıklaştırılmış girdapların şiddetlerini, QB ve QC, kanat kalınlıklarını ve kavitasyon yüzeyini temsil eden kaynakların şiddetlerini , v^ ve vQ ise girdap ve kaynak tekillikleri tarafından indüklenen hızları göstermektedirler. Pervane üzerindeki basınç dağılımı ise Bernoulli denklemi ile aşağıdaki gibi verilebilir:
Burada, p, kontrol noktalarındaki basıncı, pshaft, pervane şaft ekseni hizasında ve pervaneden uzaktaki basıncı, Ú suyun yoğunluğunu, ∂Ê/∂t, tekillikler tarafından indüklenen potansiyelin zamana göre türevini, Vr, pervane koordinat sistemine göre bozunuma uğramamış hızı, CLE pervane önder kenar (leading edge) düzeltme faktörünü ve ys ise su yüzeyinden pervane şaft ekseni derinliğini göstermektedir. Boyutsuz basınç katsayısı ve kavitasyon sayısı ise aşağıdaki gibi tanımlanmıştır: Dolayısıyla, pervane üzerindeki basınç r, suyun buharlaşma basıncından pv, daha küçük olduğunda kavitasyon oluşur, yani; Cp≤s/2 olduğunda kavitasyon hesaplara dahil edilir. Bu da dinamik sınır koşulu olarak tanımlanmıştır. Kavitasyon boyu ve şekli her bir zaman adımında bu koşulun uygulanması ile tespit edilir. Dinamik koşulun sağlanması için yeni kavitasyon kaynakları ilave edilir veya çıkarılır. Çözüm, pervane kanatlarının konumlarını açısal olarak 6 derecelik artımlarla değiştirerek, her bir zaman adımında işlemleri tekrarlayarak gerçekleştirilir. Bir tam dönüşten sonra periyodik hareketin karakteristikleri elde edilir.

3. Bulgular ve tartışma
Öncelikle, yöntemin doğruluğunun test edilmesi için, literatürde deneysel ve diğer sayısal yöntemlerin ilgili sonuçları verilen Szantyr’ın podlu pervanesi seçilmiştir [13,14]. Taşıyıcı eleman, ilk olarak hesaplara dahil edilmemiştir. Bütün hesaplarda pervane (anahtar) kanadı, kiriş uzunluğu boyunca (chordwise direction) 20, açıklık boyunca (spanwise direction) 18 olmak üzere toplam 20x18=360 elemana ayrıklaştırılmıştır. Pod yüzeyi ise x ekseni boyunca 60, çevresel yönde 20 olmak üzere toplam 60x20=1200 elemana bölünmüştür. Pervane ve pod geometrisi ile ilgili detaylı bilgiler [4, 13] numaralı kaynaklarda bulunabilir. Pervane 3 kanatlı ve sola dönüşlüdür. Dolayısıyla, aşağıdaki şekillerde gösterilen sirkülasyon dağılımları negatif değerdedirler. İlk olarak, kavitasyon sayısı s=100 seçilerek, pervanenin kavitasyon yapması önlenmiş ve deneyle karşılaştırma mümkün olabilmiştir. İlerleme katsayısı (advance coefficient) J=0.5 olarak alınmıştır. Şekil 2’de, bu durumda, pervane kanadının sırt (face) ve yüzünde (back) boyutsuz basınç dağılımı (-cp), pod olmaksızın verilmiştir. Şekil 3’de, bu çalışmada tanımlanan (dışarıdan programa verilen) pod geometrisi (Szantyr’ın podu) ile beraber program çalıştırılarak elde edilen basınç dağılımları gösterilmiştir. Şekil 3’ de, özellikle pervane yüz tarafında ve poda yakın bölgede basınç değerlerinin arttığı (dolayısıyla akımın bu bölgede hızlandığı) görülebilir. Yani, pod geometrisinin varlığı pervane üzerinde poda yakın bölgelerde akımı hızlandırmakta ve basıncı düşürmektedir. Şekil 4’de ise bu iki durumdaki (podlu ve podsuz) pervane kanadı üzerindeki boyutsuz sirkülasyon ° dağılımı verilmiştir. Dikkat edilirse, podlu durumda daha büyük sirkülasyon değerlerine ulaşıldığı gözlenebilir. Bu da, podlu durumda pervaneden daha fazla itme ve tork değerlerinin elde edilebileceğini göstermektedir. Ayrıca, bu, yukarıdaki pervane kanadı üzerindeki basınç dağılımı için yapılan tesbitlerle de bir tutarlılık göstermektedir. Şekil 5’de ise, kavitasyon sayısı Û=1.0’e düşürülerek, değişik dönme açılarında pervane kanadı üzerinde elde edilen kavitasyon şekli gösterilmiştir.
Daha sonra, farklı bir pod seçilmiş ve taşıyıcı eleman (strut) da hesaplara dahil edilmişitir. İlgili pod ve pervane karakteristiklerinin ayrıntıları [15] numaralı kaynakta bulunabilir. Bu durumda, pod üzerinde, pod giriş ucu ile taşıyıcı eleman giriş ucu arasında, x boyunca 10 adet, taşıyıcı eleman kirişi boyunca 25 adet ve taşıyıcı eleman çıkış ucu ile pod çıkış ucu arasında da 10 adet olmak üzere toplam (45*30)=1350 adet panel (30 adet teğetsel yönde olmak üzere) ve taşıyıcı eleman üzerinde de toplam (25*42)=1050 adet panel (25 adet kiriş boyunca, 42 adet açıklık boyunca) kullanılmıştır. Pervane kanatlarında ise kiriş boyunca 12 adet ve açıklık boyunca 9 adet olmak üzere toplam 108 adet eleman kullanılmıştır. Şekil 6’da J=0.5 için pod etkili ve pod etkisiz pervane kanadı üzerindeki boyutsuz basınç dağılımı r/R=0.6’ da verilmiştir. Şekil 7’de J=0.2 için pod ve taşıyıcı eleman üzerindeki boyutsuz eş basınç eğrileri pervane etkili olarak verilmiştir. Şekil 7’de pervanenin baskın etkisi (pod ve taşıyıcı eleman üzerinde hızları arttırma oranı) çok açıktır. Yine, Şekil 8’de, deneysel sonuçlarla karşılaştırmalı olarak pervanenin boyutsuz itme, tork ve verim ifadeleri verilmiştir. Sonuçların pratik uygulamalar açısından deneysel sonuçlarla yeterli bir uyum içinde olduğu söylenebilir.

4. Sonuçlar
Bu çalışmada, son yıllarda gemilerde çok sık olarak kullanılmaya başlayan podlu pervane sevk sistemi performans analizi için sayısal bir yaklaşım sunulmuştur. Elde edilen sonuçlar, açık literatürdeki deneysel ve diğer sayısal sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Deneysel sonuçlarla ve diğer sayısal yöntemlerle pratik uygulamalar açısından yeterli bir uyum elde edilmiştir. Elde edilen sonuçları şu şekilde özetlemek mümkündür:

1. Podlu durumda pervane kanatları  üzerindeki akım hızlanmakta (podun varlığından dolayı), dolayısıyla pervane kanadı üzerindeki basınç değerleri düşmekte ve itme ve tork değerleri artmaktadır.
2. Kavitasyon sayısı düştükçe pervane kavitasyonu artmakta, özellikle  pervane uç ve önder kenar (giriş ucu) civarında bu oluşumun başladığı gözlenmektedir.
3. Mevcut sayısal yöntem, pratik uygulamalar açısından podlu bir pervanenin itme, tork ve verim         değerlerini yeterli bir hassasiyette hesaplayabilir.
4. Pervane kanadının pod üzerindeki konumu itme, tork ve verim açısından çok önemli bir parametredir.         Dizayn aşamasında pervanenin konumu, geminin de ihtiyaçlarına cevap verebilecek şekilde,         hesaplanmalıdır. Bu açıdan bir genelleme yapabilmek için, daha çok sayıda örnek için bu sayısal teknik     uygulanmalıdır. Bu da, şu anda gerçekleştirilme aşamasındadır.
5. Mevcut yöntem arkadan itişli (push type), ikiz pervaneli, finli, yan kanatçıklı vs. türündeki değişik podlu pervane birimlerine de rahatlıkla  uygulanabilir.

Kaynaklar

1. Atlar, M., (ed.), ‘First International Conference on Technological Advances in Podded Propulsion’, University of Newcastle, UK, 2004.
2. Billard, J.Y. ve Atlar, M. (Eds.), Second International Conference on Technological Advances in Podded Propulsion’, Institut de Recherche de l’Ecole Navale (IRENav), Brest, France, 2006.
3. Gupta, A., ‘Numerical Prediction of şows around Podded Propulsors’, Ocean Engineering Group Report No: 04-6, The University of Texas at Austin, USA, 2004.
4. Mishra, B., ‘Prediction of performance of podded propulsors via coupling of a vortex?lattice method with an Euler or a RANS solver’, Ocean Engineering Group Report No: 05-1, The University of Texas at Austin, USA, 2005.
5. Kinnas, S.A., (Ed.), ‘University/navy/industry consortium on cavitation performance of high speed propulsors - presentations and progress reports’, 23rd Steering Committee Meeting, The University of Texas at Austin, USA, 2005.
6. Bal, S., ‘Podlu pervane analizi için sayısal bir yöntem’, Deniz Harp Okulu Bülteni, 42, s. 43-59, Nisan 2006.
7. Bal, S., Akyildiz, H., Güner, M., ‘Preliminary results of a numerical method for podded propulsors’, Proceedings of 2nd International Conferece on Podded Propulsion, Brest, France, 2006.
8. Bal, S., Güner, M. ‘Performance Analysis of Podded Propulsors’, İTÜ Dergisi, 8, s.3-16, 2009.
9. Bal, S., Güner, M. ‘Performance Analysis of Podded Propulsors’, Ocean Engineering, 36, p.556-563, 2009.
10. Veikonheimo, T., ‘Solving problems of propeller model scaling’, The Naval Architect, RINA,         p.51-53, July/August 2006.
11. Lee, H., Kinnas, S.A., ‘MPUF-3A (Version 1.2) User’s Manuel’, Ocean Engineering Group Report 01-2, UT Austin, TX, USA, 2001.
12. Kinnas, S.A., Choi, J.K., Lee, H., Young, Y.L., Gu, H., Kakar, K., Natarajan, S., ‘Predicition of cavitation performance of Single/Multi Component Propulsors and Their Interaction with the Hull’, Transaction of SNAME, USA, 2002.
13. Szantyr, J.A., ‘Hydrodynamic model experiments with pod propulsors’, Oceanic Engineering International, 5, p.95–103, 2001.
14. Szantyr, J.A., ‘A Method for analysis of cavitating marine propellers in non-uniform şow’, International Shipbuilding Progress, 41, p.223-242, 1994.
15. Islam, M.F., Molloy, S., He, M., Veitch, B., Bose, N., Liu, P., ‘Hydrodynamic study of podded propulsors with systematically varied geometry’, Proceedings of 2nd International Conference on Podded Propulsors, Brest, France, 2006.

 

---

R E K L A M