A novel energy-saving device for ships- gate rudder system

İlter Tacar, Zeynep
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
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.
Enerjinin akıllı kullanımı günümüzün en önemli konularından biridir. Artan enerji ihtiyacı ve azalan geleneksel enerji kaynakları, bize yenilenebilir temiz enerji kaynaklarının kullanımının gerekli olduğunu çok önceden göstermiştir. Ülkeler bazında bakıldığında, enerjiye hakim olan ülkelerin diğer ülkelere göre gelecekte var olma ve güçlerini koruma potansiyellerinin daha yüksek olduğu aşikardır. Öte yandan şimdilik yaşayabileceğimiz tek bir gezegenimiz var ve çoktan küresel iklim değişikliğinin sinyalini verdi. Tüm bunlar göz önüne alındığında temiz enerji kaynaklarının yönetiminin ve verimliliğinin önemi anlaşılabilir. Ancak yine de çoğu alanda yenilenebilir enerjiyi tamamen kullanmak mümkün değil. Örneğin gemi taşımacılığı, büyük oranda fosil yakıtlar kullanılarak yapılmaya devam ediyor. Bu durumda mühendisler olarak görevimiz, enerji kaynağı fosil veya yenilenebilir olsun, tasarladığımız sistemlerde onu en verimli şekilde kullanmak olmalıdır. Gemilerde yakıt tüketiminin azaltılması çeşitli yöntemlerle mümkündür. Bunlar gemi gövde dizaynının optimum hale getirilmesi, gemilerde kullanılan ana ve yardımcı makinaların teknolojik gelişmelere uygun olarak seçilmesi, gemilerde rutin olarak gerçekleştirilen bakım-onarım işlerinin aksatılmaması ve doğru şekilde planlanması, rota optimizasyonu ve gemi sevk verimini iyileştirici sistemlerin kullanımı olarak genellenebilir. Bu tezin konusu olan gemi sevk verimini iyileştirici sistemlerin kullanımı da (enerji tasarrufu sağlayıcı sistemler), uluslararası emisyon salınımlarının kısıtlanması ile ilgili kurallar gereği ve yakıt fiyatları göz önünde bulundurulduğunda maliyetin artması sebebiyle son yıllarda oldukça ilgi çekici bir tasarruf yöntemi olarak görülmektedir. Ayrıca Uluslararası Denizcilik Örgütü'nün (IMO) varolan gemilerin enerji verimliliği indeksinin (EEXI), 2023'te yürürlüğe girecek olması, enerji tasarrufu sağlayıcı sistemlerin retrofit uygulamalarını da oldukça güncel hale getirmiştir. Enerji tasarrufu sağlayıcı sistemler, gemi pervanesinin önünde, pervane ile aynı postada/ pervane üzerinde ya da pervaneden sonra konumlandırılmış, çoğunlukla statik durumda olan eklentilerdir. Çalışma prensiplerine göre: • Akım ayrılmasını önleyici/iz alanı kalitesini iyileştirici • Dönel kayıpları azaltıcı ya da telafi edici • Göbek girdap kayıplarını azaltıcı sistemler olarak gruplandırılabilirler. Bu tez çalışmasında iki farklı gemide üç ayrı enerji tasarrufu sağlayıcı sistem incelenmiştir. Gemilerden birincisi STREAMLINE (Avrupa Birliği) projesinde incelenmiş olan 7000 DWT'lik bir kimyasal tankerdir. Bu gemide (λ=16.5), pervanenin önünde konumlandırılmış ve pervaneye gelen akımı iyileştirici bir nozul ve yine aynı lokasyonda konumlandırılmış, dönel kayıpları azaltıcı bir stator ayrı ayrı incelenmiştir. Bu çalışmada parametrik olarak incelenen nozul, MARIN19A geometrisi kullanılarak oluşturulmuştur ve lokasyon, çap, kord boyu incelenen parametrelerdir. Gemi kıç formunun getirdiği kısıtlamalar nedeniye nozulun konumunun pervane düzleminden 0.3Dp (Dp: pervane çapı) kadar önde olmasına karar verilmiştir. Nozulun çapı 0.7, 0.8 ve 0.9Dp ve kord boyu da 0.3, 0.4 ve 0.5Dp olacak şekilde değiştirilerek dokuz farklı nozul elde edilmiştir. Nümerik çalışmalar Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi kullanılarak StarCCM+ programında gerçekleştirilmiştir. Hesaplamalarda, serbest su yüzeyi etkisi gözardı edilmiş olup "çift gövde" yöntemi kullanılarak hesaplama maliyetinden tasarruf edilmiştir. HAD çalışmasında RANS denklemleri SST k-ω türbülans modeli kullanılarak çözülmüştür. Açık su pervane analizleri ve modelin takıntısız olarak yapılan analizleri, deney sonuçları ile geçerlenmiştir ve daha sonra modelin nozulsuz ve nozullu olarak sevk analizleri MRF yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın sonucunda 0.9Dp çapa ve 0.4Dp kord boyuna sahip olan nozulun, nozulsuz duruma göre sevk verimini en çok arttırdığı görülmüştür. Aynı tanker modeli üzerinde ikinci olarak incelenen sistem, ön-girdap statorudur (PSS). Analizler, serbest su yüzey etkileri hesaba katılmadan, RANS metodu ve SST k-ω türbülans modeli kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Burada yine pervanenin 0.3Dp önününde konumlandırılan, 0.9Dp çapa, 0.25Dp kord boyuna ve NACA0012 kesitine sahip bir stator geliştirilmiştir. Bu stator başlangıç durumunda dört kanatlı olarak tasarlanmış ve iskele üst kanat, iskele alt kanat, iskele aşağı kanat ve sancak merkez kanat olarak adlandırılan stator kanatlarının başlangıç durumunda, açısal konumları sırasıyla: 315°, 270°, 225° ve 90°'dir (gemi kıç trafından başa doğru bakıldığında 0° pervane üst kanat ucunu temsil etmektedir). Kanatların açısal pozisyonları, bu başlangıç konumundan 15° ve 30° saat yönünde döndürülerek Pozisyon-2 ve 3, 15° saat yönünün tersinde döndürülerek de Pozisyon-4 elde edilmiştir. İlk önce stator 4 kanatlı olarak, sancak kanat olmadan, sancak kanat 0.5 kanat boyuna sahipken ve iskele üst kanat olmadan Pozisyon-1'de incelenmiştir ve sancak kanadın olmadığı stator tasarımının genel sevk verimi, ηD bazında statorsuz durumla kıyaslandığında en iyi sonucu verdiği görülmüştür. Çalışmaya sancak kanadın olmadığı stator tasarımıyla devam edilmiş ve analizler diğer açısal kanat pozisyonları (pozisyon 2, 3 ve 4) için de gerçekleştirilmiştir. Pozisyon 1 ve 2'nin en iyi sonucu verdiği görüldükten sonra, başlangıç konumu olan Pozisyon 1 ile çalışmaya devam edilmiştir ve bu sefer kanatların başlangıçta 0° olan hatve açıları 4°, -4° ve -8° olacak şekilde değiştirilerek elde edilen stator tasarımları incelenmiştir. Sonuç olarak -8° hatve açısına sahip statorun sevk verimi açısından statorsuz duruma göre en iyi sonucu verdiği görülmüştür. İkinci gemi tipi ise 2400 GT'lik bir kargo gemisidir. Tam ölçekli gemi mevcuttur ve Japon iç sularında hizmet vermektedir. Bu gemide "Gate Rudder" sistemi adı verilen yeni bir enerji tasarrufu sağlayıcı sistem incelenmiştir. Gate Rudder Sistemi (GRS), pervane yanında konumlandırılmış ikiz dümenlerden ve pervaneden oluşan bir sevk ünitesidir. Bu sistemde dümen kanatları, pervaneyi kapsayan büyük bir nozul gibi pervaneye gelen akımı düzenlerken aynı zamanda pervanenin ürettiği itmeye ek bir itme sağlar. Ayrıca dümen kanatlarının ayrı ayrı kontrol edilebilir oluşu ile de geminin manevra kabiliyetini arttırıcı etkisi mevcuttur. Bu çalışmada GRS, aynı geminin kızkardeşi olan ve konvansiyonel bir dümenle donatılmış olan (CRS) ile karşılaştırılmıştır. İki gemi, Japonya'da benzer rotalarda çalışmaktadır ve ikisi için de seyir tecrübesi sonuçları mevcuttur. Sayısal ve deneysel çalışmaların sonuçları bu seyir tecrübesi sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Ölçek etkisi, enerji tasarrufu sağlayıcı sistemlerin performansını belirlerken göz önünde bulundurulması gereken bir olgudur ve bu sistemlerin model ölçeğindeki deney ya da analizlerinden elde edilen verim ve güç değerleri, tam ölçekli gemide farklılık gösterebilir. Bu sebeple bu çalışmada iki farklı model ölçeği (λ1=50.95 ve λ2=21.75) ve tam ölçekli gemi üzerinde çalışılmıştır. λ1=50.95 olan modelin direnç ve sevk deneyleri Japonya'da gerçekleştirilmiştir. Ancak bu ölçekteki model küçük bir modeldir ve GRS'nin performansının incelenmesi ve ölçek etkisinin araştırılması bakımından daha büyük boyutlardaki bir başka modele ihtiyaç duyulmuştur. Bu durumda λ2=21.75 olan model üretilmiş ve direnç, nominal iz, sevk ve akım görüntüleme deneyleri İstanbul Teknik Üniversitesi, Ata Nutku Gemi Model Deney Laboratuvarı'nda gerçekleştirilmiştir. Direnç deneyleri model takıntısız olarak ve konvansiyonel dümenli olarak gerçekleştirilmiştir. Sevk deneyleri ise GRS ve CRS ile birlikte gerçekleştirilmiştir. İki dümen sisteminde de aynı model pervane kullanılmıştır. Sayısal olarak, bu iki model ölçeğinin yanında tam ölçekli geminin analizleri de gerçekleştirilmiştir. HAD çalışmalarında RANS denklemleri, serbest su yüzeyi etkileri de hesaba katılarak ve SST k-ω türbülans modeli kullanılarak çözülmüştür. Ölçek etkisinin GRS performansı üzerindeki etkisi inceleneceğinden dolayı üç ölçekte de aynı ağ örgüsü yapısı kullanılmıştır. Tam ölçekli gemide y+<5 sağlanabilmesi için çok sayıda hücre gerekeceğinden ve çözümün maliyetinin çok artacak olmasından dolayı üç ölçek için de y+>30 olacak şekilde ağ örgüsü oluşturulmuştur. Model ölçeklerinde direnç analizleri her iki y+ değeri için de yapılmıştır ancak sevk analizleri sadece y+>30 için gerçekleştirilmiştir. Sevk verimlerini ve dolayısıyla güç gereksinimlerini hesaplamak için pervane açık-su eğrileri kullanılmıştır. CRS için deneysel pervane açık-su eğrileri kullanılırken GRS için HAD'den elde edilen sonuçlar kulllanılmıştır. Bunun için GRS sistemi açık-su pervanesi gibi analiz edilmiştir ve buradan elde edilen eğriler yardımıyla GRS'nin verim ve güç değerleri hesaplanmıştır. Farklı ölçeklerdeki sonuçların karşılaştırılabilmesi ve ölçeğin sonuçlar üzerindeki etkisinin incelenebilmesi için model ölçeğindeki sonuçlar tam ölçeğe dönüştürülmüştür. Bunun için 1978 ITTC performans tahmini prosedürü kullanılmıştır. Model ölçeğinde sınır tabaka kalınlığının bağıl olarak tam ölçekten daha büyük olması, sürtünme dirençleri arasındaki farklar, yüzey pürüzlülüğü gibi faktörler göz önünde bulundurularak tam ölçeğe geçişte çeşitli düzeltmeler yapılmıştır. Elde edilen tam ölçekli sonuçlar, gemilerin seyir tecrübeleri ölçüm sonuçlarıyla kıyaslanmıştır ve λ2=21.75 model deneyi sonuçlarının ve tam ölçekli HAD sonuçlarının uyumlu oldukları görülmüştür.
Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2021
Anahtar kelimeler
Gemiler, Ships, Elektrik donatımı, Electric equipment, Enerji koruma, Energy conservation