Tünel iticiler: ileri hız, yeniden dolaşım ve kullanılabilir yanal kuvvet

İtki değerinden önce kuvvet sınırını seçmek

Pervane itkisinin, kurulu itici–gövde bileşiminin kuvvetinden ve rüzgâr, akıntı ile diğer sevk kuvvetleri eklendikten sonraki bütün gemi net kuvvetinden farkı vardır. Bunlar üç ayrı hesap sınırıdır. Üreticinin bileşen değeri veya sıfır hızlı deney sonucu; ancak ölçüm sınırı, güç ve kurulum koşulları belirtilince anlam kazanır.

İstenen yanal kuvvet yönü pozitif seçilsin. Yararlı bir hesap özdeşliği Ykurulum = Ypervane + Ytünel + Ygövde biçimindedir. Son iki terim, ayrı ıslak yüzeylerdeki ilgili basınç ve viskoz kuvvetleri kapsar. Aynı yüzey iki kez sayılmamalıdır. Bu eşitlik tek başına bir tahmin bağıntısı değildir; terimleri deney, doğrulanmış hesap veya kuruluma özgü veriler gerektirir. Sağlıklı görünen motor ve pervanenin neden istenen gemi kuvvetini kanıtlamadığını açıklar.

İleri hareket yanıtı neden değiştirir?

Durgun durumda itici bir açıklıktan su çeker, diğerinden jet boşaltır. İleri harekette boyuna akış her iki açıklığı keser ve enine jeti büker. Yerel basınç dağılımı, jetin ayrılması ve tünele giren akış değişir. Şaft gücü düşmediği hâlde yararlı kuvvet önemli ölçüde değişebilir. Knot başına sabit bir kayıp yüzdesi bu bağlı etkileri gizler.

İlgili hız yalnız yere göre hız değil, suya göre bağıl hızdır. Bağlı veya konumunu koruyan gemide akıntı nedeniyle çapraz akış bulunabilir; suyla birlikte yere göre hareket eden bir gemide giriş farklı olabilir. Sürüklenme açısı da akışın bağıl yönünü değiştirir. MARIN TT serisi programı, gemi hızını ve sürüklenme açısını kuruluma bağlı tahmin konuları olarak ele alır. Bu araştırma kapsamı veya genel bir makale, bütün tünel iticilerin etkisiz kaldığı ortak bir hız vermez.

Giriş emişi ile çıkıştaki yeniden dolaşım aynı kayıp değildir

MARIN’in yanal yanaşma çalışması, girişte yararlı olabilen gövde basıncı etkileriyle çıkışta verimi düşüren yeniden dolaşımı ayırır. Giriş ve çıkış, “her emiş itkiyi azaltır” gibi tek bir kuralla açıklanamaz. Basıncın gerçek gövde geometrisi üzerinde integrali, katkının işaretini belirler.

Çıkışta gövdeye yakın kalan veya yeniden dolaşan bölgeye yönelen jet, basınç alanını değiştirip yararlı kuvveti azaltabilir. Buradaki yeniden dolaşım, boşaltılan suyun bir geri dönüş akışına katılmasıdır; jetin tamamının gemiyi dolaşıp karşı açıklıktan tekrar emildiği anlamına gelmez. Başka bir itici veya ana pervaneyle etkileşim ek yollar oluşturabilir. Mühendislik görevi her kuvvet kaybına aynı adı vermek değil, gerçek akış yolunu belirlemektir.

Dalma derinliği farklı bir mekanizma getirir

Kavitasyon, sıvı basıncının yeterince düşmesiyle yerel buhar oluşumudur. Havalanma ise sıvı akışının dışından hava veya gazın içeri alınmasıdır. Serbest yüzeye yakın bir tünel; düşey hareket, baş-kıç vurma veya yerel su seviyesi değişimi sırasında hava çekebilir. Her iki mekanizma performansı düşürebilir fakat farklı kanıtlar gerektirir. Yalnız ses, aralarında ayrım yapmaz.

MARINTEK’in zorlanmış düşey hareket deneyleri, hem pervane hem bütün model yüklerini ölçerek havalanma sırasında kayıp ve toparlanmayı incelemiştir. Bu ayrım dalgada önemlidir: zaman ortalaması kuvvet, kısa süreli büyük itki kayıplarını gizleyebilir. Ortalama su çekimi tek başına yetmez; tüneldeki yerel dalma, dalga seviyesi, gemi hareketi, yükleme ve tünel geometrisi birlikte değerlendirilir. Bir asgari dalma kuralı, tasarım dayanağı bilinmeden başka bir kuruluma taşınamaz.

Sayısal örnek: işaretli kuvvet bütçesi

Hesap sınırını göstermek için varsayımsal kuvvetler kullanalım. Sıfır hızlı referans koşulunda pervane +108 kN, tünel yüzeyleri +8 kN ve çevredeki gövde +4 kN katkı versin. Kurulumun yanal kuvveti 120 kN olur. İkinci çalışma koşulunda karşılık gelen değerler +105, +6 ve −33 kN olsun. Kurulumun katkısı 78 kN değerine düşer. Bunlar eğitim için varsayılan girdilerdir; ölçüm verisi veya belirli bir gemi hızına ait deneysel bağıntı değildir.

Oran 78/120 = 0,65 olur. Pervane kuvveti yalnız 3 kN azalırken bütün kurulum 42 kN yararlı kuvvet kaybetmiştir. Farkın büyük bölümü, örnekte varsayılan çevre gövde katkısındadır. Bu nedenle bileşen itkisi doğrudan kurulu sistemin yanal kuvveti yerine konulamaz.

Bileşke kuvvetin ağırlık merkezinden 55 m baş tarafta etkidiği ve etkime noktasının değişmediği varsayılsın. Referans dönme momentinin büyüklüğü 120 × 55 = 6.600 kN·m = 6,60 MN·m olur. İkinci koşul 78 × 55 = 4.290 kN·m = 4,29 MN·m sağlar; azalma 2,31 MN·m değerindedir. Gerçek dağıtılmış basınçlar bileşkenin yerini de değiştirebilir; sabit moment kolu eğitim amaçlı sadeleştirmedir.

Yanal kuvvet ve dönme denetimi birlikte incelenir

Örneğe ters yönde 90 kN çevresel yanal kuvvet ekleyelim. İticinin 78 kN katkısından sonra, diğer etkiler eklenmeden seçilen yanal yönde −12 kN kalır. Rüzgâr ve akıntı bileşkesinin moment kolu farklı olabileceğinden bu kuvvet dengesi tek başına dönme dengesi hakkında sonuç vermez. Baş itici yararlı dönme momenti üretirken gemiyi çevresel kuvvete karşı bütünüyle yana kaydırmaya yine de yetmeyebilir.

Birden fazla düzenek için hem yanal kuvvetler hem momentler ortak referansa göre toplanır. Gerçek kuvvet yönleri ve konumları kullanılır; etiket kilowatt değerleri kilonewtonmuş gibi toplanmaz. İticiler etkileşiyorsa bağımsız deney kuvvetlerinin toplamı gerçek birleşik sonucu fazla gösterebilir. İtki dağıtım mantığı, belirli düzenin çalışma sınırlarına ve etkileşim kanıtına dayanmalıdır.

Rıhtım, deniz tabanı ve tünel açıklıkları modele dahildir

Yakın bir duvar suyun giriş ve çıkış yollarını kısıtlar; sığ su da akışa açık hacmi değiştirir. MARIN çalışmasında rıhtım kaynaklı hidrodinamik kuvvetlerin hareket yönüne göre manevraya yardım edebildiği veya karşı koyabildiği görülmüştür. Dolayısıyla bir liman deneyindeki olumlu sonuç, ayrılma ve yanaşmaya veya farklı omurga altı açıklığına aynı biçimde uygulanamaz.

Açıklık biçimi, ızgaralar, tünel uzunluğu ve komşu gövde eğriliği kayıpları ve basınç toparlanmasını etkiler. Ölçekli model yalnız nominal tünel çapını temsil etmekle yetinmemelidir: modele göre kalın kalan ızgara çubukları ve farklı viskoz davranış, tam ölçeğe geçişi etkileyebilir. Seyir direncini azaltmak için yapılan değişiklik, manevra kuvvetini de değiştirebilir. Sonuç yalnız görünüş veya motor akımıyla değil, amaçlanan çalışma profili boyunca değerlendirilmelidir.

Gücün varlığı ile hidrodinamik etkinlik ayrı konulardır

Akış alanı uygun olsa bile tahrik, elektriksel, ısıl ve mekanik sınırlar içinde kalmalıdır. Kısa süreli liman görevi ile sürekli konum koruma görevi eşdeğer değildir. Wärtsilä enine iticilerde yardımcı kullanım ve DP kullanım değerlerini ayırır. Nominal azami güç, bu gücün her soğutma veya jeneratör düzeninde sürekli sağlanabildiğinin kanıtı değildir.

Sabit geometri ve benzer giriş koşullarında yaklaşık olarak itkinin devir karesiyle, gücün devir küpüyle değişmesi bir eğilimi yorumlamaya yardımcı olabilir. Katsayılar havalanma, güçlü çapraz akış veya değişen hatve altında sabit kalmaz. Devir artırmanın kurulum kuvvetini doğrudan aynı oranda geri getireceği varsayılamaz; manevra açığı kapanmadan akım, kavitasyon veya sıcaklık sınırına ulaşılabilir.

Hangi kanıt bir kabiliyet iddiasını güvenilir kılar?

Güç veya şaft torku ve devir, varsa hatve, suya göre akış, su çekimi ve trim, tünel dalması, su derinliği, rıhtım mesafesi, çalışan diğer sevk araçları ve kuvvet/moment ölçüm sınırı kaydedilir. Sonucun kararlı, tepe, ortalama veya zaman geçmişi olduğu açıklanır. Ölçekli deneylerde ölçüm belirsizliği ve tam ölçeğe geçiş varsayımları da belirtilir.

Sonuç tek bir motor değerine bağlanan vaat değil, sınırları belirli bir kuvvet ve moment zarfı olmalıdır. Operasyonel kararlar geminin onaylı manevra bilgileri ve sınırlarıyla alınır. Mühendislik teşhisinde ise gücün iletilmesi, jetin oluşması ve gövdeye istenen net katkının aktarılması ayrı ayrı sorgulanır. Aynı tünel iticinin bir koşulda güçlü, diğerinde zayıf hissedilmesini bu ayrım açıklar.

Kaynaklar

1. MARIN — Bow thruster analysis by CFD calculations.
2. MARIN — Wageningen TT-series (Extension).
3. MARINTEK/SINTEF — Norwegian Marine, May 2011.
4. Wärtsilä — Transverse/tunnel thrusters WTT.