Gemilerde yalpa sönümleme sistemlerinin incelenmesi
Investigation of ship anti-roll stabilizer systems
Yazar: CAN TARHAN
Danışman: PROF. DR. KADİR SARIÖZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Bu yüksek lisans tez çalışmasında gemi yalpa hareketlerini sönümleyen sistemler incelenmiş ve tipik bir 50 m motoryat ele alınarak gerekli performansı verecek aktif fin stabilizörün dizayn özellikleri belirlenmiştir.
Yalpa hareketleri nedeniyle oluşan en temel problemler şu şekilde sıralanabilir; gemi yükü zarar görebilir, personelin çalışma verimi ciddi şekilde düşer, savaş gemileri üzerindeki silah sistemleri de olumsuz olarak etkilenir. Uçak/helikopter iniş kalkışlarında problemler yaşanır, silah sistemlerinin isabet kabiliyetleri azalır. 
Motorlu gemiler ile ortaya çıkan yalpa problemini azaltmak üzere 1870'lerden itibaren pek çok sistem geliştirilmiştir. Bu sistemlerden en bilinenleri aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir:
•	Yalpa omurgası,
•	Sabit ağırlık transferi
•	Yalpa sönümleyici tanklar
•	Jiroskopik yalpa sönümleyiciler
•	Fin stabilizör sistemleri
Aktif yalpa stabilizörlerinde genellikle üç farklı kesit tipi kullanılmaktadır:
•	Tam hareketli profil
•	Kanatlı (flaplı) profil
•	Topuklu profil
Öncelikle yalpa hareketinin deniz araçları üzerindeki olumsuz etkisini azaltmak üzere geliştirilmiş yalpa söndürme sistemleri karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Bu sistemlerden en eskisi ve en basiti olan yalpa omurgaları   yalpa hareketlerini sönümlemede imalat ve maliyet konusunda avantajlı iken tek başına yetersiz kalmaktadır.
Günümüzde kullanılan en bilinen yalpa stabilizör sistemleri fin stabilizörler, tank stabilizörler, cayro stabilizörler ve dümen kontrollü stabilizörlerdir. Gemilerin tipi ve kullanım amacına göre farklı öncelikleri vardır. Bu ifade, yalpa açısından düşünüldüğünde şu şekilde açıklanabilir. Ticari açıdan düşünüldüğünde her zaman en önemli unsur yükün emniyetli olarak taşınarak ilgili limana sağlam ve eksiksiz olarak teslim edilmesidir. Günümüzde sadece  seyahat etmekten çok, tatil amaçlı tercih edilen ve birer yüzer lüks otel olan yolcu gemilerinde en önemli unsur yolcuların emniyetli bir şekilde taşınması ve denizin olumsuz koşullarına rağmen konforlu bir seyahatin sağlanmasıdır. Savaş gemilerinde en önemli unsur silah sistemlerinin çevre koşullarından etkilenmeyerek her türlü hava şartında görevini eksiksiz yerine getirmesidir. Bir lüks olan megayatta personelin ve misafirlerin deniz ve çevrenin olumsuz koşullarından en az şekilde etkilenmesi arzu edilir. Çoğu zaman demirde tutulan megayatların denizli havalarda kolayca etkilenerek yalpalaması mal sahibi, mürettebat ve tüm misafirleri rahatsız eder ve böyle bir tekneyi kimse istemez. Bu olumsuzlukların önlenebilmesi için uzun yıllardır faydalı çözümler üretilmiştir. Bu problemle uğraşanların öncüleri Serbest Yüzey tanklarıyla William Froude [1]  (1874) ve U tipinde-Pasif  Yalpa Tanklarla Frahm [3]    (1910)'dır. Yalpa omurgası kullanımı 20. yüzyıl öncesine dayanmaktadır.  Fin sistemlerin kullanımı 1930'lu yıllarda başlamıştır. Her sistemin çeşitli üstünlükleri ve olumsuz yönleri vardır. Avrupa ve Amerika'da bulunan stabilizör üreticileri kendi ar-ge laboratuvarlarında daha kullanışlı stabilizör üretimi konusunda çalışmalarını sürdürmekte ve getirdikleri yeni nesil sistemler için patent alarak piyasaya çıkarmaktadır.
Dümen kontrollü yalpayı dengeleme sistemi, özellikle fazladan donanım ağırlığı gerektirmemesi ve gemi içinde fazladan hacim işgal etmemesi gibi avantajları nedeniyle bu sistemi geliştirmek için teorik ve deneysel çalışmalar yapılmıştır ve yapılmaya devam etmektedir fakat sistemin düşük hızlarda ve demirdeyken işe yaramaması nedeniyle sisteme olan ilgi azalmıştır.
Aktif yalpa finlerinin geminin dışında bulunan bir donanım olarak bir yere çarparak zarar görebileceği hatta gemi karinasını yırtarak gemiyi batırabilme tehlikesinin bulunduğu konusunda görüşler bildirilmiştir. Böyle bir durumu yol açmamak üzere katlanabilir tipte aktif fin stabilizör sistemleri geliştirilmiştir. Böylece ihtiyaç olmadığı zaman fin katlanarak tekne içindeki muhafaza kutusuna alınır ve gemiye fazladan direnç oluşturmaz. 
Fin stabilizör kanat profili gemi meyil ederse su dışına çıkmamalı, karina formunun iç kısmında korunaklı alanda olmalı ve pervaneye gelen su akımını da bozmayacak şekilde tekneye yerleştirilmelidir.
Cayro stabilizörler konvansiyonel finlere göre gemi demirdeyken ya da düşük hızla seyir yaparken yalpa hareketlerini önlemede daha başarılıdır. Cayro stabilizatörlerin geminin dış aksamında herhangi bir mekanizması olmadığı için hasar görme riski yoktur, tamamen korunaklı kapalı kutu içerisindedir. Tüm donanımın teknenin içinde olması sayesinde cayro stabilizörlü teknelerle sığ sularda seyir yapma imkânı vardır.
Fin stabilizörler cayro stabilizörlerle kıyaslandığında daha düşük ömür boyu bakım maliyetine sahiptir. Cayro stabilizörlerde genellikle rulman değişimi gibi bakım faaliyetleri için gemiden çıkarılması gerekir. Ayrıca, fin stabilizörler cayro stabilizörlere göre daha az ağırlık ve hacime sahiptir.  Fin stabilizörler, diğer stabilizör sistemlerinin zorlandığı ve işe yaramadığı özellikle baş dalgalarda ve çapraz dalgalarda seyir sırasında daha iyi bir seyir kontrol performansına sahiptir. Cayro stabilizörler gibi 45-60 dakika gibi uygun volan devir hızını bekleme gibi bir durum söz konusu değildir, sistem devreye alınır alınmaz yalpa hareketlerini iyileştirir. Fin stabilizörlerin yalpa sönümlemede en verimli donanımlar olduğu  deneysel olarak ve uygulamada yapılan tecrübelerle sabittir. Yat endüstrisinde, kruvaziyer gemilerde, savaş gemilerinde ve ticari yük gemileri gibi çok çeşitli gemiler için en son teknolojiler ile donatılmış fin stabilizörler imal eden firmalar mevcuttur. Maliyetli olmasına rağmen günümüzde en çok tercih edilen stabilizör sistemleridir.
Tez içerisinde örnek olması açısından 50 m'lik bir motoryat için NACA ailesinden sabit fin kesiti seçilip ön boyutlandırma hesapları yapılarak kavitasyon kontrolü yapılmıştır. Sonrasında fin profiline ait kaldırma, direnç kuvvetleri ve katsayıları, moment değerleri 0, 5, 10, 15, 20, 25 ve 30 derece hücum açısına göre 12 knot gemi seyir hızı için star-ccm+ cfd paket programında çözdürülerek sonuçlar tablo ve grafik olarak paylaşılmıştır. Sonuç olarak fin profilinin maksimum kaldırma gücüne ulaştığı açı değeri olan 20 derece olduğu anlaşılarak tekne karinasında gemi ortasında, sintine dönümünde, maksimum gemi genişlik değerini aşmayacak şekilde uygun bir yere 20 derece	açıyla	yerleştirilmiştir.

Abstract:
In this study, general design features of roll stabilizer systems which are used to reduce ship roll motion are investigated. In order to demonstrate the application of roll stabilizer technology  a typical 50 m motoryacht is selected as case study and the the design features of the active fin stabilizer to give the necessary performance were predicted. 
The roll motion can cause severe problems in ship operations including damage to equipment or cargo, personnel or passenger injury, reduced efficiency of crew and passenger discomfort. In warships the weapon and sensor systems are adversely affected by the roll motion. Problems occur in aircraft / helicopter landings and departures and the ability of the warship as a weapon system is reduced. 
Many systems have been developed since the 1870s to reduce the problem of the roll motions with motor ships. The most well-known of these systems can be classified as follows:
• Bilge Keel,
• Fixed weight transfer
• Anti-Roll tanks
• Gyroscopic anti-roll system
• Fin stabilizer systems
Three different cross-sectional types are generally used in active fin stabilizers:
•	All movable fin
•	Fin with flap
•	Fin with trailing edge wedge
In the first part of this thesis, anti-roll stabilizer systems which are developed in order to reduce the negative effect of the rolling motion on the marine vehicles are examined comparatively. The oldest and the simplest of the roll stabilizer systems are the bilge which are easy to manufature and simple to operate. However, bilge keels have limited effectiveness in reducing roll motions and need to be supported by other more sophisticated roll stabilizer systems. 
The most common roll stabilizer systems are; passive or active fin stabilizers, tank stabilizers, gyro stabilizers and rudder controlled stabilizers. Different types of vessels have different priorities depending on the type and purpose of use of the stabilizer system. The crucial element in passenger ships is that passengers are transported in a safe manner and that they are able to travel comfortably despite the adverse conditions of the sea. Modern cruise vessels are considered as floating luxury hotels and promise the passengers a comfortable voyage with minimum discomfort due to the roll motion. An important element in warship design is that weapon and sensor systems are not affected by environmental conditions and the warship may fulfill its mission in all kinds of weather conditions with maximum efficiency. In a luxurious mega yacht it is desirable that the guests are least affected by the roll motion due to adverse conditions of the sea. Because of their relatively smaller size,  mega yachts may easily get affected by the waves which would result in dicomfort and even sickness of the owner and the guests. 
In order to prevent the negative effects of the roll motion useful solutions have been produced for many years. The predecessors of those who deal with this problem are William Froude (1874) [1] with free surface tanks and Frahm (1910) [3] with U-type Passive Tanks. The  bilge keels were designed and used even before the 20th century. The use of fin systems began in the 1930s. The development of new roll stabilizer systems has shown that each system has their advantages and drawbacks. The stabilizer manufacturers in Europe and America continue to work on the design and production of more efficient stabilizers in their R & D laboratories and take patents for the new generation systems to be presented to the market.
Among the passive systems, the most common equipment used in the past after the bilge keel is free surface tanks and U-Tube tanks. U-Tube tanks are more attractive because their free surfaces are reduced. Nowadays, active roll tanks are more preferred because they are more efficient and controlled than passive systems. However, the active tank stabilizers are more complex equipment and therefore have high costs. The choice of pumps on the system is very important in terms of efficiency of the active roll tanks and strong pumps are required to complete the transfer on time. Tank systems are used mainly in offshore support ships as specified at the beginning of the section, in cargo ships and fishing vessels according to need. In order to reduce the volume loss, the tank systems in the empty spaces separating the compartments of the container ships between the hatches of the container ships, the tanks under the hatch of the cargo ships and the unused areas in the warships may be preferred according to the relevant requirements.
The rudder-controlled antiroll system, due to the advantages of not requiring additional equipment weight and not occupying extra volume within the vessel, has been done and has been carried out to improve this system, but the interest in the system has been reduced as the system did not work at low speeds and in zerospeed condition.
It has been reported that the active fin stabilizers can be damaged by striking a ship as an equipment outside the ship, and that there is a danger that it may be able to tear the ship and sink the ship. Foldable type of active fin stabilizer systems have been developed in order to avoid such a situation. Thus, when not needed, the fin is folded into the storage box inside the vessel and does not create additional resistance to the vessel. Fin stabilizer profile should not be out of the water if the vessel is inclined, should be in the protected area in the interior of the bilge round form and placed in the vessel so as not to disrupt the flow of water to the propeller.
Gyro-stabilizers are more successful in preventing roll movement than when sailing on a ship or when sailing at low speed. Since there are no mechanisms in the outer parts of the ship, there is no risk of damage to the stabilizers. Due to the fact that all the equipment is in the boat, it is possible to cruise in shallow waters with gyro stabilizer boats.
Fin stabilizers have lower lifetime maintenance costs compared to gyro stabilizers. Gyro-stabilizers should generally be removed from the ship for maintenance activities such as bearing replacement. In addition, fin stabilizers have less weight and volume than gyro stabilizers. Fin stabilizers have a better navigational control performance, especially during head waves and cross waves where other stabilizer systems are forced and does not work. It is not possible to wait for suitable flywheel turn speed, such as gyro stabilizers, for 45-60 minutes, and improves roll movement as soon as the system is activated.
Years of experience and practice have demonstrated that fin stabilizers are the most efficient equipment for reducing roll motion, particularly at higher speeds. Currently, there are many companies that manufacture fin stabilizers equipped with the latest technology for a wide range of vessels, including yacht industry, cruise ships, war ships and commercial freight ships. Although the fin stabilizers are costly to manufacture and operate, they are the most preferred stabilizer systems today. 
In order to demonstrate the application of roll stabilizers in ship design process, a 50 meter motoryacht is selected as case study. In order to reduce the roll motion to acceptable levels a fixed fin section based on NACA family was selected and the performance and cavitation properties of the fin stabilizer was estimated by using an empirical design procedure. 
In order to calculate the lift and drag forces generated by the fin stabilizer a commercial CFD software (star-ccm+) was used. The the lift and drag forces and coefficients of the fin profile were computed for a cruising speed of 12 knots and angles of attack of  0, 5, 10, 15, 20, 25 and 30 degrees. The results of the CFD analyses indicated that the maximum lifting power is achieved at angle of attack of 20 degrees and the fin stabilizers should be placed on the bilge turn at midship section with 20 degrees angle.