LEE- Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği-Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Son Başvurular
1 - 5 / 6
-
ÖgeSeyir emniyetinde insan hatası risk analizi ve insan faktörleri temelinde köprüüstü dizaynına yönelik kural önerileri(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021-09-14)Bugünün küresel konjonktüründe Türkiye Cumhuriyeti'nin Karadeniz, Ege ve Doğu Akdeniz'deki Deniz Yetki Alanları'nda deniz ticaretinden, hidrokarbon kaynaklarına erişim ve kullanım çalışmalarına, Afrika kıyılarından Hürmüz ve Doğu Hint Denizine kadar uzanan deniz alaka ve menfaatleri ve bunlara bağlı olarak artan deniz güvenliği ihtiyaçları çerçevesinde Türk Donanmasının temposu giderek artmaktadır Bu artan tempo, Milli Gemi İnşa Sanayisi'nin yeni yüzyılın Türk Donanmasını olduğu kadar araştırma, ulaşım ve taşımacılık amaçlı Türk Ticari Bahriyesinin de milli olarak inşası çalışmalarına güç ve rüzgar vermektedir. Ulusal deniz alaka ve menfaatlerimiz çerçevesinde; ülkemizin güvenliğinin sağlanması ve ekonomik gücünün geliştirilmesi için milli kaynaklarımızın korunması maksadıyla Deniz Kuvvetlerinin operasyonel emniyetini ve güvenliğini artırabilecek, savaşçı yeteneklerini destekleyecek deniz platformlarının tasarlanabilmesi, bu konularda zaafiyete yol açabilecek boşlukların platform dizaynından itibaren tespit edilerek gereken önlemlerin bu aşamadan itibaren alınabilmesi oldukça önemli görülmektedir. Son 10 yılda hızlanan küresel ve yerel konjonktürdeki değişikliklere bağlı olarak Deniz Kuvvetleri gemilerinin seyir saatlerinin misliyle arttığı görülmektedir. Yeni operasyon ortamı ve artan seyir saatleriyle birlikte yükselen ihtiyaçlar beraberinde nitelikli personel ihtiyacını, teknolojik odaklı kontrol ve otomasyon ihtiyaçlarını ve bunların doğal sonucu olarak da bütçe kısıtlarını getirmiştir. Artan bu operasyonel tempo yüksek oranda teknoloji kullanımıyla birlikte daha kısıtlı insan kaynağı kullanımını beraberinde getirmektedir. Bu durum seyir ve operasyonel emniyet açısından olumsuz sonuçlara neden olan kazaların ve istenmeyen olayların etkisini de artırmakta ve bunların önlenebilmesi kritik önem arz etmektedir. Tüm ticari ve askeri deniz kazalarının yaklaşık %80'inin insan hatasından kaynaklandığı görülmektedir. Ticari gemiler, savaş gemilerine nazaran daha küçük ekiplerle ve genellikle insan gücüne kıyasla otomatik kontrol ve otomasyona daha fazla güvenerek çalışmaktadır. Yeni nesil savaş gemilerinin dizaynında da personel sayılarını azaltma ve teknolojiden yararlanma yönündeki eğilim göz önüne alındığında, ticari gemi kazalarının ve nedenlerinin incelenmesi dizayn ve organizasyonel gelişim açısından önemli bir kaynak olarak görülmektedir. Önümüzdeki dönemde deniz yetki alanlarımızdaki hidrokarbon kaynaklarımızı arama, bulma, araştırma, çıkarma, taşıma ve kullanma açısından ihtiyaç duyulacak sivil deniz platformlarında olduğu kadar deniz alaka ve menfaatlerimizi içeren deniz ilgi ve etki sahalarımızda faaliyet gösterecek Milli olarak inşa edilmiş Dinamik Konumlandırma Sistemli (DKS) askeri gemi ve platformlara da ihtiyaç duyacağımız değerlendirilmektedir. Ulusal düzeyde DKS'li sivil ya da askeri platform/vasıtalarının geliştirme ve faaliyet süreçleri içerisinde yaşanan kaza ve olaylara ilişkin inceleme ve araştırmaya uygun istatistiki verileri içeren bir Milli Veri Tabanının henüz var olmadığı görülmektedir. Bu nedenle; konu hakkında yayınlanan ve kaynakçada yer verilen üniversite tezleri, makaleler, inceleme ve araştırma raporları üzerinde bir literatür araştırması icra edilmiştir. Bu araştırmaya istinaden; Ticari ve Araştırma maksatlı Açık Deniz Platformlarının ve Açık Deniz Platformları Destek Gemileri DK Sistemlerinin Konum Kaybı olayları konusunda Kuzey Avrupa'nın en iyi uygulamalara ev sahipliği yapan coğrafyalardan biri olarak tespit edilmiştir. Bu uygulama araştırmalarında IMCA (International Marine Contractors Association) Kaza/Olay Raporları ve bu raporlardan elde edilen verileri temel alındığı tespit edilmiştir. DKS kaza/olayları ile ilgili daha geniş kapsamlı ilave bir veri tabanı tespit edilememesi nedeniyle yine kaynakçada verilen IMCA Dokümanları ve 2000-2017 yılları IMCA Raporlarından bir DKS Kaza/Olay Araştırma Veri Tabanı oluşturulmuştur. DKS'ne sahip gemilerin Konum Kaybı Olaylarına ilişkin IMCA Kaza/Olay Raporları (461'i kaza toplam 1262 Olay) üzerinde; Sistem Emniyet Standartı ve İnsan Faktörleri Analiz ve Sınıflandırma Sistemi (HFACS) Taksonomisini temel alan bir metodolojiyle; Tehlike Analizi, Risk Analizi, İnsan Faktörleri temelli Risk Değerlendirmesi yapılmıştır. DK sisteminin incelenmesi ve Risk Analizi neticesinde; Konum Kaybıyla sonuçlanan Terminal Olaylar; Operasyon İptali (%24,32), Sürüklenme (%17,12), Sapma (%11,26), Zaman Kaybı (%14,87) olarak sıralanmıştır. Terminal Olaylara neden olan 6 Temel Olay kategorisi oluşma olasılıklarına göre; DK Referans Sistemi (%20,74), İnsan Hatası (%18,29), DK Yazılım/Donanım (%15,61), Güç Kaynakları Yönetimi (%14,88), İtki ve Sevk Sistemi (%13,90), Çevresel Etki (%9,51), Bileşen Arızası (%5,12) olarak sınıflandırılmıştır. Analiz edilen olayların %90'ından fazlasının bu kategorilerden en az biriyle ilişkili olduğu görülmüştür. İnsan Faktörleri Temelli Risk Değerlendirmesi kapsamında; HFACS-Seviye 1 Aktif Hatalar'ın incelenmesiyle tespit edilen İnsan Hatası kalıpları, kaza raporlarında yaygın olarak öne çıkan HFACS-Gizli koşullar ve alt kategorileriyle nedensel olarak ilişkilendirilerek sınıflandırılmıştır. Bu Kategorik Sınıflandırmaya uygun Nedensel İlişki Ağı oluşturularak çalışmada yer verilmiştir. HFACS-Aktif Sorunlar ve bu sorunlara yol açan baskın Gizli Sorunlar'ın sıklıkları ve yaygınlıkları esas alınarak olasılık tabanlı bir Risk Değerlendirme Metodolojisi olan Bayes Ağları Metodu (BBN) ile Risk Analizine tabi tutulmuş ve bu maksatla GeNIe yazılım aracı kullanılmıştır. Risk Analizi neticesinde HFACS Taksonomisine uygun olarak kategorilendirilen ve öncelikli olarak tespit edilen İnsan Faktörleri Temelli Hata Kalıpları (Temalar) sınıflandırılarak tanımlanmıştır. Riski Yüksek bulunan Hata Kalıpları'nın DKS Operatörlerinin karar verme süreçleriyle nasıl ilişkili olduğunu anlamak üzere İnsan Faktörleri temelli hazırlanan Kod Rehberi ve Kritik Karar Metodu kullanılarak DK Köprüüstünde Kritik Olay (Tehlike) Esnasında DK Kontrol Konsolu üzerinde Kritik Karar Verme Süreç Analizi yapılmıştır. Bu Analiz'de Riski Yüksek Hata Kalıpları'nı yansıtan 28 Olay üzerinde 14 DK Operatörünün Kritik Olaylar ve Kritik Karar Verme Süreci'ne ilişkin değerlendirmeleri Yazılı Mülakat Tekniği ile alınmıştır. Risk Analizinde sınıflandırılan İnsan Faktörleri ve Konum Kaybı Kazaları arasındaki Risk İlişki Derecelerinin belirlenebilmesi için Ki-Kare ve Simetrik Ölçümler Analizi ((χ2 = 43.510, df = 15, p < .001); Risk Analizi üzerindeki Değerlendirici Uzman Görüşlerinin birbirleri arasındaki ilişkisel doğrulama için ise Cohen Kappa Analizleri (Cohen Kappa Katsayısı =.645, p< .0019), Sosyal Bilimler için İstatistik Programı (SPSS) yazılım aracı kullanılarak yapılmıştır. Etkiler, risk ve düzeltici önlemler açısından IMO, ISO, IEC, Klas Kuruluşları (IACS, ABS, DNV) mevcut Köprüüstü ve Gemi Kontrol Konsolu Dizayn standart kuralları çerçevesinde yapılan değerlendirmeden elde edilen sonuçlar; Uluslararası İnsan Merkezli Dizayn ve Kullanılabilirlik Standartları çerçevesinde milli olarak inşa edilecek DK'lı Gemilerin Milli Dizayn ve Yerleştirme kurallarının geliştirilmesine yardımcı olmaya yönelik öneriler olarak sunulmuştur.
-
ÖgeGemilerde organik rankine çevrimine dayalı atık ısı geri kazanım sistemlerinin ileri termal analizleri ve termo-ekonomik optimizasyonu(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021-05-21)Deniz ticaret hacminin yıllara göre büyüme eğilimi, denizcilik alanında birtakım gelişmeleri ve değişiklikleri de beraberinde getirmiştir. Bu büyümeye paralel olarak fosil kaynaklı yakıt tüketiminde ve yakıt fiyatlarında önemli miktarlarda artış gözlenmiştir. Artan yakıt tüketimi ise, gemi kaynaklı sera gazlarının ve diğer emisyonların artmasına neden olmuş, bunun sonucunda hava kirliliği, asit yağmurları, ozon tabakasında incelme ve küresel ısınma gibi canlı yaşamını ve çevreyi tehdit eden olaylar meydana gelmiştir. Daha açık ifadelerle, Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO) tarafından deniz yolu ile taşımacılık kaynaklı sera gazı emisyonlarının küresel toplam sera gazı içerisindeki payının 2012 yılında hesaplanan %2.76'dan 2018 yılında %2.89'a çıktığı bildirilmiştir. Bu gelişmelere istinaden, Uluslararası Denizcilik Örgütü sıkı tedbirler almış ve küresel bazda gemi kaynaklı emisyonların azaltılması ve enerji verimliliğinin artırılmasına yönelik düzenlemeler yürürlüğe koymuştur. Halen Uluslararası Denizcilik Örgütü, kademeli olarak 2050 yılına kadar gemi kaynaklı sera gazı emisyonlarını yarı yarıya azaltma vizyonuna yönelik gemilerde enerji verimliliğinin artırılması ve kontrol edilmesi için, hesaplanması ve hazırlanmasını zorunlu kıldığı Enerji Verimliliği Dizayn İndeksi (EEDI), Gemi Enerji Verimliliği Yönetim Planı (SEEMP) ve Enerji Verimliliği Operasyon İndeksi (EEOI) parametrelerini geliştirmektedir. Bu kapsamda IMO, gemilerde enerji verimliliği kontrolünün artırılması ve karbon salınımının daha etkin izlenmesi amaçlarıyla, Mevcut Gemi Enerji Verimliliği İndeksi (EEXI) ve Karbon Yoğunluğu İndikatörü (CII) gibi göstergeleri de ilerleyen dönemlerde yürürlüğe koyacağını bildirmiştir. Aynı amaçlara ilişkin mevcut uygulamalar ve yapılan çalışmalar değerlendirildiğinde, gemilerde yeni işletme tedbirlerinin alındığı, yeni nesil sistemlerin ve yenilenebilir enerjinin gemilerde kullanılmasının yaygınlaştırılmaya çalışıldığı görülmektedir. Özellikle ticari gemiler için denizcilik şirketleri, hız kesme, rota optimizasyonu, balast ve trim optimizasyonu ve zamanında operasyon gibi birtakım işletme ağırlıklı uygulamalara gitmekte, makine üreticileri ve araştırmacılar ise mevcut sistemlerin performansının iyileştirilmesi, hibrit sevk sistemlerinin, çift yakıtlı makinelerin, gaz motorlarının ve alternatif sevk sistemlerinin geliştirilmesine yönelik çalışmalar yürütmektedir. Mevcut gemilerin ana sevk sistemleri incelendiğinde, halen dizel motorların, küçük teknelerden dev ticaret gemilerine kadar her türlü gemide yaygın olarak kullanıldığı görülür. Köklü geçmişi, yüksek ısıl verimleri ve torkları sebebiyle dizel motorlar, gemilerde alternatif sevk sistemleri yerine tercih edilmektedir. Verimliliklerine rağmen dizel motorlardaki yakıtın ısıl enerjisi, büyük oranda egzoz gazı ve soğutma süreçlerinde kaybedilmektedir. Öte yandan, gemi dizel motorlarında yakılan ağır ya da deniz tipi dizel yakıtlar ise kimyasal içerikleri ve yanma karakteristikleri sebepleriyle azot oksit (NOX), kükürt oksit (SOX), partikül maddeler (PM), karbon dioksit (CO2), karbon monoksit (CO) ve uçucu organik bileşikler (VOCs) gibi çevre ve canlı yaşamına tehdit oluşturan emisyonların oluşumuna neden olmaktadır. Bu bağlamda, emisyonların etkilerini azaltmak amacıyla çift yakıt yakabilen motorlar geliştirilmekte, özellikle emisyon kontrol bölgelerinde (ECA) bu makinelerle çalışan gemilerin sayıları artırılmaktadır. Çift yakıtlı makineler, pilot yakıt olarak kullanılan dizel yakıtla beraber LNG, LPG, metanol gibi gazları başlıca yakıt olarak kullanırlar. Dizel makinelerde olduğu gibi bu makinelerde de soğutma ve egzoz ısıl yükü benzer seviyelerde olup, atık ısı geri kazanımı hususu, gemilerde enerjinin etkin kullanılması açısından büyük öneme sahiptir. Dizel motorlarda olduğu gibi, çift yakıtlı makinelerde başlıca atık ısı kaynakları, yağlama yağı, ceket soğutma suyu, süpürme havası ve egzoz gazıdır. Bu tür içten yanmalı makinelerdeki atık ısı kaynaklarının düşük ve orta kalitede olmalarından dolayı, enerji geri kazanımı konusunda organik Rankine çevrimi önemli avantajlar sunmaktadır. Klasik Rankine çevrimine kıyasla bu sistemde, düşük sıcaklıklarda gaz fazında çalışabilen organik yapıda iş akışkanları kullanılmaktadır. Düşük kalitedeki atık ısı kaynaklarından enerji geri kazanımıyla, yakıt tasarrufunun sağlanması, emisyon azaltımı, mekanik enerji geri kazanımı dolayısıyla da güç üretim sistemindeki ısıl verim artışı ORC sisteminin sunduğu en önemli avantajlardan olup, bu sistemlerin son dönemde gemilerde de kullanılmaya başlanması denizcilik alanındaki önemli gelişmelerdendir. Konunun önemi ve son gelişmelere istinaden hazırlanan bu tez çalışmasında, uluslararası isterlerin karşılanması, emisyon salınımının azaltılması ve yakıt tasarrufunun sağlanması ihtiyaçlarını karşılayacak düzeyde, 18.2 MW gücünde çift yakıtlı (LNG+MDO) bir makinenin yağlama yağı, ceket soğutma suyu, süpürme havası ve egzoz gazı atık ısılarını nitelikli işe çevirmek üzere tasarlanan ve organik Rankine çevrimi prensibine göre çalışan, iki atık ısı geri kazanım sistemi modellenmiş ve sistemlerin performansları incelenmiştir. İlk sistem, atık ısı kaynaklarının tamamının kullanıldığı birleşik organik Rankine çevrimi (BORC), ikinci sistem ise, çevrim içi enerji etkinliğinin artırıldığı Rejeneratörlü-birleşik organik Rankine çevrimi (RBORC)'dir. Sistemlerin, enerji, ekserji, ekonomik, ekolojik ve elverişlilik yani "5E" analizleri yapılmış, termo-ekonomik performansları çok amaçlı genetik algoritma aracılığıyla optimize edilmiştir. Analizler için MATLAB Script bölümünde kodlar oluşturulmuş, Refprop 9.0 veritabanı kullanılarak termodinamik değerler kodlara entegre edilmiş ve ORC sistemlerinin 5E analizi ile bu analizler kapsamındaki optimizasyon işlemlerinde kullanılmak üzere yeni bir bilgisayar programı geliştirilmiştir. Sistemlerde iş akışkanı olarak ise, düşük küresel ısınma potansiyeli ve ozon tahribat potansiyeline sahip doğal hidrokarbonlar, hidroflorokarbonlar ve yeni nesil hidrofloroolefinler kullanılmıştır. Çevrimlerde kullanılan R601 ile R601a doğal hidrokarbon, R245fa ile R236ea hidroflorokarbon ve R1234ze ile R1234yf de hidrofloroolefin türünden iş akışkanlarıdır. Yapılan termal analizler, kaynak sıcaklığına ve ana makinenin yüküne bağlı olarak değişken sıcaklık, basınç ve kütle debisi altındaki parametrik çalışmaları içermektedir. Yeni nesil güç üretim sistemlerinin performanslarının araştırıldığı çalışmada, çift yakıtlı makinenin Tier II ve Tier III çalışma modlarının ORC sistemlerin performanslarına etkileri de incelenmiştir. Ek olarak, yapılan çalışmada termo-ekonomik performansların değerlendirilmesinde geminin türü de dikkate alınmıştır. Nitekim, atık ısı potansiyelleri aynı olsa dahi gemilerin türü, operasyonel profillerinin farklı olmasından dolayı sonuçları etkilemekte ve sistemlerin gemiler için doğru bir yatırım olup olmadığı konusunda şüphelere neden olmaktadır. Öte yandan, mevcut gemilerde makine dairesinin hacmi ve çalışma ortamı dikkate alındığında, tasarlanacak sistemler makine dairesine boyutsal açıdan uygun olmalı ve bu sistemlerde kullanılan iş akışkanlarının olası yangın ya da patlama riskleri minimum seviyede olmalıdır. Bu bağlamda, yeni bir yaklaşımla, atık ısı geri kazanım sisteminin gemiye uygulanabilirliği hususu elverişlilik analizi altında araştırılmış, sistemlerin güç yoğunlukları hesaplanarak kütle ve hacim değerleri tahmin edilmiş ve sistemlerin emniyet değerlendirmesi için iş akışkanlarının emniyet faktörleri hesaplanmıştır. Çift yakıtlı makinenin atık ısı analizi sonuçlarına göre, makine yükünün ve emisyon kontrol modlarının (Tier II-Tier III) atık ısının kalitesini ve miktarını önemli derecede değiştirdiği tespit edilmiştir. Güç üretim sisteminde bulunan egzoz gazı devridaim (EGR) ünitesi Tier III modda devreye girmekte ve bu süreçte gerçekleşen egzoz gazının bir miktarının emme havası ile karıştırılması ve silindire gönderilmeden önce soğutulması işlemi, süpürme havası soğutucusunun ısıl yükünü önemli derecede artırmaktadır. Tier III çalışma moduna geçildiğinde süpürme havası soğutma yükünün, EGR sistemi pasif durumda bulunan Tier II modundaki soğutma yüküne kıyasla yaklaşık %70 oranında arttığı görülmüştür. Bu nedenle, Tier III çalışma modunda sisteme birim zamanda daha fazla atık ısı girdisine istinaden Tier II moduna kıyasla daha fazla güç elde edilmiştir. ORC AIGK sistemlerinden Tier III çalışma modu altında elde edilen net güçler Tier II çalışma modundaki değerlere göre yaklaşık %35-%45 oranında daha fazladır. Aynı şekilde, Tier III çalışma modunda, Tier II'ye kıyasla iş akışkanlarının kütle debilerinin ve pompa güçlerinin yaklaşık %40 oranında arttığı belirlenmiştir. Ek olarak, EGR sisteminin devreye girmesiyle birlikte Tier III çalışma modunda silindir içerisinde azalan alev sıcaklığı neticesinde oluşan NOX miktarı, Tier II moddakine kıyasla %71.6 oranında daha azdır. Bu azalmaya ek olarak, yüksek performanslı RBORC AIGK sisteminin gemilere entegrasyonuyla, Tier III çalışma modu altında ve %85 MCR'de yaklaşık 4000 ton CO2 ve 40 ton NOX emisyonunun atmosfere salınımının engellenebileceği hesaplanmıştır. ORC sistemlerinin çift yakıtlı ana makineye entegre edilmesiyle ana güç üretim sisteminin ısıl veriminin %10'a kadar artırılabileceği belirlenmiştir. Yağlama yağı, ceket soğutma suyu, süpürme havası ve egzoz gazı atık ısılarının ORC sistemlerinde beraber değerlendirilmesiyle daha fazla ısı girdisine binaen daha fazla güç üretilmiştir. Atık ısı kalitelerinin, çevrim performansı üzerinde çok etkili olduğu, kaynak sıcaklıklarının yükselmesiyle çevrim içi yüksek sıcaklık ve basınçlara çıkılması sonucunda daha fazla güç üretildiği ve ısıl verimlerin arttığı tespit edilmiştir. Umulduğu gibi, rejeneratörlü birleşik çevrimin, birleşik çevrime kıyasla termodinamik performansı daha yüksektir. Aynı çalışma koşulları altında RBORC sisteminin ısıl veriminin BORC sisteminin ısıl veriminden yaklaşık %11 daha fazla olduğu görülmüştür. Ayrıca, rejeneratörlü birleşik çevrimde gerçekleştirilen çevrim içi ısı transferi ile ön ısıtma işlemi, ekserji yıkımlarını azalttığı için çevrimin ekserji verimi birleşik çevrime kıyasla daha yüksektir. Bu çevrimde aynı birim ısı girdisinde daha fazla güç üretildiği için sistemin ekolojik performansı da daha iyidir. Öte yandan rejeneratörlü birleşik çevrimin özgül yatırım maliyeti birleşik çevrime kıyasla bir miktar yüksek olsa da üretilen güç ve enerji verimliliği bakımından rejeneratörlü çevrim tercih sebebidir. Elverişlilik analizine göre, ORC AIGK sistemlerinin tahmini hacimlerinin eşdeğer 5 TEU ile 15 TEU arasında değişebileceği öngörülmektedir. Bu veriler, mevcut gemilerin makine dairelerinde önemli değişiklikler gerekebileceğini göstermektedir. Öte yandan, yüksek performanslı RBORC AIGK sisteminin tahmini kütlesinin analizlerde kullanılan çift yakıtlı makinenin kütlesinin yaklaşık% 10 -%15'ine karşılık geldiği hesaplanmıştır. ORC sistemleri için hesaplanan kütle değerleri, bu güçte bir ana makine ile sevk edilen gemilerin ağırlığı düşünüldüğünde önemsiz gibi görünse de sistemlerin kurulu bulunacağı bölgede lokal mukavemetin iyileştirlmesi gerekebilir ve gemi stabilitesi revize edilebilir. Öte yandan emniyet değerlendirmeleri, doğal hidrokarbonların yüksek derecede yanıcılıkları sebebiyle deniz tipi ORC sistemleri için uygun olmadığını göstermektedir. En düşük emniyet faktörüne sahip olan R236ea, iş akışkanları arasında deniz tipi bir ORC sistemi için en uygun iş akışkanıdır. Ayrıca R236ea ile aynı türden olan R245fa, yüksek derecede toksik olsa da tatmin edici bir termodinamik performansa sahip olduğundan gerekli emniyet tedbirleri altında gemilerde ORC sistemlerinde iş akışkanı olarak kullanılabilir. Hidrofloroolefinlerin ise, düşük yanıcılıkları ve toksisiteleri ile emniyet açısından gemilerde kullanımının uygun olduğu değerlendirilmektedir. Termal analiz ve termo-ekonomik optimizasyon sonuçlarına göre, doğal hidrokarbonların, hidroflorokarbon ve hidrofloroolefinlere kıyasla termodinamik ve termo-ekonomik performanslarının daha iyi olduğu tespit edilmiştir. Hidroflorokarbonlardan R245fa'nın performansının doğal hidrokarbonların performanslarına yakın olduğu, R236ea'nın da düşük emniyet faktörü ve toplam maliyeti göz önüne alındığında gemiler için uygun bir iş akışkanı olabileceği sonucuna varılmıştır. Hidrofloroolefinler emniyet açısından gemiler için uygun görünse de termo-ekonomik performansları oldukça düşüktür. Ayrıca, ana makinenin çalışma profilinin sisteminin geri ödeme süresini önemli derecede etkilediği, gemilerde kullanılacak ORC sisteminin, entegre edilecek gemi türünün operasyonel profili dikkate alınarak tasarlanması gerektiği sonucuna varılmıştır. Sonuçlara göre tankerlerin, ortalama makine yüklerinin kuru yük ve konteyner gemilerine göre daha fazla olmasından dolayı ORC sistemleri için termo-ekonomik olarak en uygun gemi türü olduğu görülmüştür. Özellikleri verilen çift yakıtlı ana makineye sahip gemilere RBORC AIGK sistemi entegre edildiğinde, sistemin geri ödeme süresinin tanker için ortalama 7 yıl, kuru yük gemisi için ortalama 9 yıl, konteyner gemisi için ise ortalama 12 yıl olacağı tahmin edilmektedir. Sonuç olarak, analiz edilen sistemlerle organik Rankine çevrimi tabanlı atık ısı geri kazanım sistemlerinin, son dönem emisyon ve enerji düzenlemeleri göz önünde bulundurulduğunda, denizcilik alanında kullanımının yaygınlaştırılması gerektiği değerlendirilmektedir. Çünkü bu sistemlerle, yağlama yağı gibi oldukça düşük sıcaklıklardaki ısı kaynaklarından bile enerji geri kazanımı sağlanabilmektedir. Deniz taşımacılığı kaynaklı hava kirliliğinin azaltılması, gemilerin enerji verimliliğinin artırılması, gemi sahiplerinin ve denizcilik şirketlerinin bu sistemlerden istifade etmeleri dolayısıyla uluslararası düzenlemelere uyulması ve sağlanacak yakıt tasarrufuyla da denizcilik ekonomisine katkıda bulunulması hedefleri için ORC esaslı sistemler, gemiler için umut vermektedir.
-
ÖgeModelling and simulation of diesel ship propulsion and ship towing at sea for the prediction of the total ship resistance(Graduate School, 2021-03-15)Humans have been using different types of boats since their early existence on the planet Earth, and for the propulsion of those boats, they have used different means starting with paddles and sails, passing through steam engines, and finishing today by diesel engines, turbines, electric propulsion and nuclear propulsion. Nowadays, it is very clear that the marine industry has reached a very high level of development, but given the insatiable appetite of the human race for improvement and optimization, only GOD knows what means will be used, in the future, for the propulsion of our ships. However, up to the early 1860s, few facts about ship resistance were known and many of the mainstream conceptions of ship powering at that era were false. Consequently, the process of the propeller design was based on the trial and error method, and the propulsion power installed on ships was, most of the time, wrongly estimated. From that time onwards, it became very clear that a methodology, for the estimation of the propulsive power necessary for reaching a given ship speed, is strongly needed. In 1870, W. Froude launched ship models testing for the prediction of the resistance of full-scale ships, and from that time, naval architects have started gaining profit from the potential of ship models towing tanks. Later in the early 1980s, computational fluid dynamics (CFD) came into force and until today it has remained a very reliable tool used in the ship industry for modelling the flow around the hull, the derivation of the ship resistance, and for the design of the ship propeller. Nevertheless, each one of the previously cited techniques for the prediction of the ship resistance has very serious drawbacks. For example, the cost of the ship models and of the experiments in the towing tank can be exorbitant especially when the study of different designs of the same ship is needed to optimize the final design. For CFD packages, the main problem faced is that their user must have a high level of expertise to be able, to simulate a particular situation with the suitable assumptions, and to interpret the generated results correctly. Within this framework, this doctoral thesis intends to introduce a new research line consisting in the estimation of any given ship total hull resistance through the sole modelling and simulation of a two ships towing system in which the towed ship is the ship with the unknown total hull resistance to be estimated. More precisely, this doctoral research is taking the first tentative steps to initiate this research line. It is a doctoral research, which is aimed at verifying the well-known equality between the towline tension, at the stern of the tow ship, and the total hull resistance of the towed ship through the complete modelling and simulation of a Diesel ship propulsion plant and a ship towing system formed by two ships. By proceeding in this direction, this doctoral research is paving the way for the next big step that can be carried out in other subsequent researches. This could be the use of a two ships towing system simulation model to predict, accurately and quickly, the total hull resistance of any ship only by the execution of a simulation on any computer with a normal performance configuration. The main particularity of this new way of investigating the total hull resistance of a ship is that it lends a mechanical engineering perspective to this problem, which is a problem of hydrodynamics by nature. This means that the problem is tackled, mainly, by the use of the theories of mechanics rather than the theories of fluid mechanics usually used to analyze cases involving ship behavior at sea. Namely, the whole approach proposed in this doctoral thesis is based on the modelling and the simulation of the dynamics of the main elements forming a towing system formed by two large sister container ships. So following this line of thinking, the work involved in this doctoral thesis has been subdivided into many separate tasks. These are, the mathematical modelling of the dynamics of the tow container ship, the mathematical modelling of the marine two-stroke diesel engine equipping the tow container ship, the mathematical modelling of the dynamics of the towed container ship, and the mathematical modelling of the dynamics of the towline connecting these two ships. Subsequently, all mathematical models were implemented in the MATLAB Simulink computational environment. Using the necessary input data characterizing all the elements included in the two ships towing system, this system was simulated and then the towline tension, at the stern of the tow container ship, was evaluated and the total hull resistance of the towed container ship was compared to it. The results that have been generated in the different parts of this thesis have different degrees of accuracy, and this is heavily depending on each component included in the simulated two ships towing system, but generally, these results are acceptable. The role of the input data of the simulation model was decisive and the uncertainty about the real values of a considerable portion of the necessary input data feeding the final simulation model has affected the behavior of the final simulation model and reduced the accuracy of the generated results. Furthermore, the relative simplicity of the final simulation model, developed in this doctoral thesis research, allows qualifying this simulation model as very affordable in terms of the needed computational power and very fast in terms of the necessary execution time. In this first attempt to adopt the approach introduced in this thesis, these two features can compensate for the lack of the accuracy visible in some of the results generated by this simulation model. For the results about the comparison between the towline tension, at the stern of the tow ship, and the total hull resistance of the towed ship, they are very promising. However, additional tests and modifications need to be carried out in the final two ships towing system simulation model. These modifications will enable the model to become more robust and will increase the accuracy level of its predictions. This way the model will illustrate more clearly the equality between the towline tension, at the stern of the tow ship, and the total hull resistance of the towed ship, when the wake effect of the tow ship is avoided. In future works, in order to maximize the accuracy of the simulation models developed in the present study, one major supplementary step should be taken. Namely, it is recommended to include additional mathematical models representing some other practical phenomena that have not been considered in this doctoral research, which can strongly affect the behavior of the two ships towing system. These kinds of modifications will make the simulation model sound more realistic and will maximize the reliability of the final simulation model.
-
ÖgeA novel energy-saving device for ships- gate rudder system(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022)Intelligent use of energy is one of the most important issues today. The increasing need for energy and the decreasing traditional energy resources have long ago shown us that the use of renewable clean energy sources is essential. On the basis of countries, it is obvious that the countries that dominate energy have a higher potential to exist and preserve their power in the future compared to other countries. On the other hand, we have only one planet where we can live for now, and it has already signalled global climate change. Considering all these, the importance of the management and efficiency of clean energy resources can be understood. However, it is still not possible to use renewable energy completely in most areas. Ship transportation, for example, continues its way using fossil fuels. In this case, our duty as engineers should be to use it most efficiently in the systems we design, whether the energy source is fossil or renewable. Reducing fuel consumption on ships is possible by various methods. These can be generalized as optimizing the hull design, decision of the main and auxiliary machinery used in ships following technological developments, not disrupting the routine maintenance and repair works on ships and planning them correctly, route optimization and installing systems to improve ship propulsion efficiency. The use of systems to improve ship propulsion efficiency, which is the subject of this thesis (energy saving devices-ESD), has been seen as a very interesting saving method in recent years due to the rules on the restriction of international emissions and due to the increase in cost when fuel prices are considered. In addition, the fact that the energy efficiency index (EEXI) of existing ships of the International Maritime Organization (IMO) will enter into force in 2023 has made the retrofit applications of energy-saving systems quite up to date. Energy conservation systems are appendages mostly static systems, positioned in front of the ship's propeller, in the same frame as/on the propeller, or after the propeller. According to the working principles: • Preventing the flow separation/improving wake field quality • Reducing or compensating rotational losses • Reducing hub vortex losses can be grouped as systems. In this thesis, three different ESDs on two different ships were investigated. The first ship is a 7000 DWT chemical tanker that has been studied in the STREAMLINE (European Union) project. In this ship (λ=16.5), a duct positioned in front of the propeller and improving the inflow to the propeller and a stator positioned at the same location, reducing rotational losses, are studied separately. In this study, the parametrically investigated duct was generated using the MARIN19A geometry and the location, diameter, chord length are the parameters investigated. Due to the restrictions imposed by the ship's stern form, it was decided that the position of the duct should be 0.3Dp (Dp: propeller diameter) ahead of the propeller plane. Nine different ducts were obtained by changing the diameter of the duct to 0.7, 0.8 and 0.9Dp and the chord length to 0.3, 0.4 and 0.5Dp. Numerical studies were carried out in StarCCM+ using the Computational Fluid Dynamics (CFD) method. In the calculations, the free surface effect is ignored and the calculation cost is minimised by using the "double body" method. In the CFD study, the RANS equations are solved using the SST k-ω turbulence model. Open water propeller analyses and bare hull resistance analyses were validated with the test results, and then the propulsion analyses with and without ducts were performed using the MRF method. As a result of the study, the duct with a diameter of 0.9Dp and a chord length of 0.4Dp increased the general propulsive efficiency the most compared to the case without a duct. The ESD, which was reviewed second on the same tanker vessel, is the pre-swirl stator (PSS). The analyses were carried out using the RANS method and the SST k-ω turbulence model, without taking into account the free surface effects. A stator with a diameter of 0.9Dp, a chord length of 0.25Dp and a cross-section of NACA0012, which is also positioned 0.3Dp forward of the propeller, has been developed. This stator is designed as four blades in its initial state, and the stator blades are named port upper, port central, port lower and starboard central. Their angular positions are 315°, 270°, 225° and 90°, respectively (when viewed forward from the stern, 0° represents the upper blade tip of the propeller). Position-2 and 3 are obtained by rotating 15° and 30° clockwise from this starting position, 15° counterclockwise to obtain Position-4. Firstly, the stator was investigated with 4 blades, without starboard blade, starboard blade with the half-length, and port without upper blade in Position-1, and the general propulsive efficiency of the stator design without starboard blade was found to give the best results compared to the no stator case based on ηD. The study continued with the stator design without the starboard blade and analyzes were also carried out for other angular blade positions (positions 2, 3 and 4). After it was seen that Positions 1 and 2 gave the best results, work was continued with Position 1, which is the initial position, and this time the stator designs were obtained by changing the pitch angles of the blades from 0° to 4°, -4° and -8° were examined. As a result, it has been seen that the stator with a pitch angle of -8° gives the best result in terms of efficiency compared to the case without a stator. The second ship type is a 2400 GT cargo ship. The full-scale vessel is available and is in service in Japanese inland waters. A new energy conservation system called the "Gate Rudder" system has been studied on this ship. The Gate Rudder System (GRS) is a propulsion unit consisting of twin rudders and rudder blades located aside propeller. In this system, the rudder blades regulate the flow to the propeller, like a large nozzle covering the propeller, while providing additional thrust to the thrust produced by the propeller. In addition, the rudder blades can be controlled separately, which increases the manoeuvrability of the ship. In this study, the GRS was compared with the sister ship equipped with a conventional rudder system (CRS). The two vessels operate on similar routes in Japan and sea trial measurement results are available for both. The results of numerical and experimental studies were compared with the results of this trial. The scale effect is a phenomenon that should be considered when determining the performance of ESDs. Efficiency and power values obtained from model scale tests or analyzes of ESDs may differ on the full-scale ship. For this reason, in this study, two different model scales (λ1=50.95 and λ2=21.75) and full-scale ship were studied. The resistance and propulsion tests of the model with λ1=50.95 were carried out in Japan. However, the model at this scale is small, and another larger model was needed to examine the performance of the GRS and to investigate the scale effect. In this case, the model with λ2=21.75 was produced and the resistance, nominal wake, propulsion and flow visualisation experiments were carried out in Ata Nutku Ship Model Testing Laboratory of Istanbul Technical University. Resistance tests were carried out with the bare hull model and the model with the conventional rudder. The self-propulsion experiments were carried out with the GRS and CRS. The same model propeller was used in both rudder systems. In addition to these two model scales, numerical analyzes of the full-scale ship were also carried out. In CFD studies, RANS equations are solved by taking into account the free surface effects and using the SST k-ω turbulence model. Since the effect of scale effect on GRS performance will be examined, the same mesh structure was used in all three scales. Since a large number of cells would be required to provide y+<5 on a full-scale ship and the cost of the solution would increase, the mesh was generated with y+>30 for all three scales. In the model scales, resistance analyzes were performed for both y+ values, but self-propulsion analyses were performed only for y+>30. Propeller open-water curves are used to calculate propulsion efficiencies and hence power requirements. Experimental open-water curves are used for CRS, while results from CFD are used for GRS. For this, the GRS system was analyzed as an open-water propeller and the efficiency and power values of the GRS were calculated with the help of the curves obtained from here. To compare the results in different scales and to examine the effect of the scale on the results, the results in the model scale were converted to full scale. For this, the 1978 ITTC performance prediction procedure was used. Corrections were made in the extrapolation to full scale by considering factors such as the boundary layer thickness being relatively larger than the full scale, differences in friction resistances, and surface roughness in the model scale. The full-scale results obtained were compared with the sea trial measurement results of the ships and λ2=21.75 model test results and the full-scale CFD results were compatible.
-
ÖgeNumerical modeling and experimental analysis on coupled torsional-longitudinal and lateral vibrations of propulsion shaft system(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021)Ships are the most leading option for the development and progress of water transportation. The main engine, which is one of the main components of the propulsion system, is to produce more power than ever with oversizing the ship because of increased tonnage demands. As an inevitable result of this fact, the number of failures increases due to the increased drive power of ships because of the complex running conditions under harmonic and impact loads. The propulsion shaft system is the heart of the ship. When the operating conditions cannot be predicted correctly and the impact loads miscalculated, the reliability of the propulsion systems will be reduced. The main purpose of this thesis is to develop a multi-purpose computer code to investigate the behavior of a conventional propulsion shaft system in where three different coupled vibration case occurs and to observe how the vibration responses vary. Simultane vibration responses are in different directions. Excitation frequency and ultimate amplitudes that may occur with the coupled vibration are generally ignorable and so done. Whenever the vibration forms are considered separately instead of coupled, the numerical results can be quite different from the actual measurements. Ignoring the coupled vibration approach or pure uncoupled vibration calculations is not realistic since the harmonic forces do not excite only the power transmission shaft in the propulsion chain but also the bearings and ship hull, and causes a significant raising at noise level. Similarly, it negatively affects the running performance of the shaft system and leads to loss of durability, breakage, tribological problems, and finally failures. For this reason, it always needs to examine the coupled vibration modes for the cruising reliability of each ship. It is noticed that the unwanted vibration reactions generally occur in the longitudinal, torsional, and lateral modes and their coupled forms. Even if the numerical error margin will increase during the coupled vibration modeling (i.e. torsional, longitudinal, and lateral), the interaction of two axes is inevitably taken into account. Common studied forms about the coupled vibration are coupled torsional-longitudinal vibration, coupled torsional-lateral, and coupled longitudinal-lateral vibration. In this research, taking advantage of the small-scaled model of a propulsion shaft system at the Wuhan University of Technology, the experimental results are compared with the results of numerical simulation codes about the coupled vibration cases such as the torsional-longitudinal, the torsional-lateral, and the longitudinal-lateral. Numerical outcomes were validated by examining the time-based displacement values at different shaft speeds and comparing them with test results. The theoretical approach is based on a mass-spring system for coupled torsional-longitudinal vibrations. The theoretical model for coupled torsional-longitudinal vibration is sufficiently compatible that it can respond quickly to changes in values such as the stiffness coefficient, damping coefficient, and rotational speed. External forces and forced vibration responses, including torque and longitudinal forces with different amplitudes, were taken into account. Besides, since the propeller is not included in the experimental mechanism, the numerical model is created using the coupled vibration coefficient in the literature. A theoretical solution has been obtained to verify the proposed mass-spring model. Depending on the change of rotational speed and loading condition, the change of frequency response and maximum ultimate amplitude.were presented. Coupled vibration effect is also investigated by comparing maximum displacement values for coupled and uncoupled vibration. The effect of the parameters such as the shaft length, shaft diameter, stiffness coefficient, and damping coefficient, etc., for coupled torsional-longitudinal vibrations were also examined. The vibration stress that occurs in the system was further compared with the allowable stress required by DNV. Coupled torsional-lateral vibrations of the propulsion shaft system are caused by the rotation of the propeller, the mass of shaft components, the external and internal forces affecting the bearings, axial displacement caused by the transmission of the force of the gears to each other. As a result of the structural properties of the shaft and the imbalances that occur during the rotation process, axial displacements occur between the center of the mass and the center of the cross-section of the shaft. The movement of the shaft always results in axial displacement horizontally when not intervened externally in real operating conditions. This eccentric effect of the shaft causes the vibration response to be more complex and intense. In addition to vibration control techniques that reduce the wrong alignment of the bearing and shaft, the dissertation has focused mainly on theoretical and practical methods that support the prediction of shaft vibrations. Therefore, minimizing the vibration density of the propeller shaft on the horizontal and vertical axis is of great interest. The majority of the studies about coupled lateral-torsional vibration in literature are belong to aerospace engineering. In those studies, the shaft system is modeled according to the torsional-lateral vibrations with a disk of mass m located at the midpoint of a massless shaft called with the Jefcott Rotor model. Taking advantage of these studies, the Jefcott Rotor model has been revised and applied to the propeller-shaft system in this doctoral research work. Thus, a numeric model was obtained considering sufficiently suitable and responsive to influencing factors such as the eccentricity of the cross-section, the damping coefficient, stiffness coefficient, and the shaft length-diameter ratio. This method is suitable for predicting dynamic performance and numerical solutions with the above impact factors. The experiment was repeated at different shaft speed values to validate the proposed numerical model, and time-dependent displacement values were compared for validation. Based on the proposed model, the effect of the change of impact factors such as the eccentricity of the cross-section, the damping coefficient, the coefficient of stiffness, and the length-diameter ratio of the shaft were discussed. Additionally, a new coupling coefficient value has been proposed, and the importance of accurately defining the coupling coefficient value was shown. At the final step of this doctoral work, the coupled longitudinal-lateral vibrations were investigated due to axial forces that occur in the propeller and cause misalignment of the shaft. The numerical model for the coupled longitudinal-lateral vibrations involves the equation of motion by the Energy Method. In the model, the equations are complex, and it is tough to simplify and bring into matrix form and solve in Matlab. Consequently, the equation of motion is solved with the help of the Ansys APDL program by modeling the system with the mass-spring method. The coupled vibration effect is given in the system with the angular velocity. To verify the proposed mass-spring model, the results were compared with data obtained from the experimental setup. Depending on the change of rotational speed and loading condition, the change of frequency responses and maximum displacements are presented. The frequency response values of the system were obtained with the harmonic solution. The effect of parameters such as the shaft length-diameter and stiffness coefficient, damping coefficient of the bearing in the numerical method for coupled longitudinal-lateral vibrations were also examined. Validated numerical results by the experimental ones show that the code and the thesis offer suitable solutions for the safety performance of any power transmission system about significant problems by the multiple coupled vibrations.