Yeni bir havadan bağımsız tahrik sistemi kullanarak konsept denizaltı tasarımı
Concept submarine design using a new air-independent propulsion system
Yazar: KADİR BEYTULLLAH GÜNDÜZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ YASEMİN ARIKAN ÖZDEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering
Dizin: Denizaltı = Submarine ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Stirling motoru = Stirling engine

Özet:
Savunma Sanayi'nin ve ülkelerin donanma kuvvetleri için önemli bir yeri olan denizaltıların özellikle II. Dünya Savaşı'nda alınan neticelerden sonra hatırı sayılır bir önemi olduğu anlaşılmıştır. Bunu takip eden yıllarda denizaltı özelinde birçok buluşa imza atılmıştır. Denizaltı bünyesinde gelişen teknolojilerin en başında tahrik sistemleri yer almaktadır. Bu sevk sistemlerine örnek olarak nükleer tahrikli sevk sistemleri ve birçok çeşidi bulunan AIP (Havadan Bağımsız Tahrik) sistemleri gösterilebilir. AIP sistemlerin klasik dizel-elektrik tahrik sistemlerine göre en büyük avantajı denizaltıların deniz altında uzun süreler boyunca kendilerini sevk edebilmeleridir. AIP sistemlerinden, Stirling motor temelli tahrik sistemleri günümüzde yaygın olarak kullanılan bir havadan bağımsız tahrik sistemidir. Bu konuda İsveç ve Japonya gibi ülkeler etkili sonuçlar elde etmişlerdir ve hali hazırda denizaltı filolarında Stirling motorlu havadan bağımsız tahrik sistemlerini kullanmaktadırlar. Denizaltı alanında güncel teknolojik gelişmelerin ışığında Howaldtswerke-Deutsche Werft firması tarafından tasarlanan ve halihazırda Türk Donanması'nın yanı sıra 13 ülkenin donanmasının envanterinde bulunan Tip 209 sınıfı denizaltılarının, klasik dizel-elektrik tahrik sisteminin modernizasyon önerisi olarak Stirling motor temelli bir havadan bağımsız tahrik sisteminin konsept olarak tasarlanması amaçlanmıştır. Bu amaçla internet üzerinden bulunan açık kaynaklardan ulaşılan yerleşim planları, denizaltı ve pervane geometrisi resimlerinden yola çıkılarak Tip 209 sınıfı denizaltısı mümkün olduğunca benzetilmeye çalışılarak modellenmiştir. Literatür kaynakları taranarak Stirling temelli AIP sistemleri üzerine yapılan deneyler ve araştırmalar hakkında ön çalışma yapılmıştır. Bu çalışmaların neticesinde yeni tasarlanacak olan Stirling AIP sisteminde, denizaltı formuna uygun ve güç/hacim oranı yüksek olan serbest pistonlu Stirling motoru tercih edilmiştir. Tip 209 sınıfı denizaltısının tahrik sistemi incelenmiş ve paralel boy ekleme işlemine ihtiyaç duyulmaksızın, tahrik sistemi bileşenleri güncellenerek hacim kazanımı sağlanmış ve konsept olarak tasarlanan Stirling AIP sisteminin kazanılan hacme entegrasyonu yapılmıştır. Serbest pistonlu Stirling motorunun, akademik ve deneysel çalışmalar incelenerek konsept tasarımı hazırlanmış ve termodinamik hesaplamaları yapılmıştır. Stirling AIP sisteminde, 12 adet her biri 15 kW gücünde, toplamda ise 300 kW'lık serbest pistonlu Stirling motoru kullanılmıştır. Stirling AIP sistem modülünün denizaltıya entegrasyonu için dizel jeneratörler ve elektrik tahrik motoru yenilenmiştir. Bu sayede 4,7 metre uzunluğunda hacim kazanımı sağlanmıştır. Tip 209 sınıfı denizaltısının sıa hesabı yapmak ve yeni tasarlanan AIP sisteminin etkisini görebilmek için açık kaynaklardaki resim ve fotoğraflara bakılarak türetilen Tip 209 sınıfı denizaltısının ve pervanesinin üç boyutlu modellerinin, sırasıyla açık su, direnç ve sevk analizleri yapılmıştır. Tip 209 sınıfı denizaltısının direnç ve sevk analiz sonuçları incelenerek hızlara göre gerekli güç belirlenmiştir. Tip 209 sınıfı denizaltısının sıa hesaplamaları yapılmış ve Stirling AIP sistem eklentisi ile sıa süresinin yaklaşık %300'e kadar arttığı hesaplanmıştır.

Abstract:
Submarines have an important place for the defense industry and the navy forces of the countries. Especially after the results of World War 2 it was understood that they have a considerable importance. In the following years, many inventions were made in the field of submarines. The propulsion systems were especially at the forefront of the developing technologies. Nuclear propulsion systems and AIP (Air Independent Propulsion) systems, which have many types, can be given as examples of these propulsion systems. The biggest advantage of AIP systems over conventional diesel-electric propulsion systems is that they can propel themselves under the sea for long periods of time. Stirling AIP systems are one of the most used AIP systems today. For example, developed countries such as Sweden and Japan have worked on the Stirling AIP and are currently using these systems in their submarine fleets. This development demonstrates that Stirling-based AIP systems can be used with success. In the scope of current technological developments in the field of submarines it is aimed to make the conceptual design of a Stirling engine based AIP system and to make a modernisation study of the Type 209 Submarine which is developed by Howaldtswerke-Deutsche Werft and has a classical Diesel-electric propulsion system and is in the inventory of 13 Navies besides the Turkish Navy. For this aim in this study the Type 209 submarine and propeller geometry is developed from pictures and general arrangement plans found from open literature in the internet. Preliminary research has been made about the experiments and research on Stirling-based AIP systems. As a result of these studies, the free piston Stirling engine, which is suitable for submarine form and has a high power/volume ratio, was preferred for the use in the Stirling AIP system. The propulsion system of the Type 209 class submarine was examined and volume was gained by renewing the propulsion system components without adding parallel length to the submarine. The Stirling AIP system has been integrated into this gained volume. The concept design and thermodynamic calculations of the free-piston Stirling engine was made by examining the academical and experimental studies in open litterature. In the Stirling AIP system, 12 pieces of the free-piston Stirling engines with a power of 15 kW each and a total of 300 kW are used. Two major changes were made to integrate the Stirling AIP system module into the submarine. After this change, a volume gain of 4.7 meters was achieved. A number of analyses were made in order to calculate the submerged duration of the Type 209 class submarine and to see the effect of the AIP system. The open-water propeller, resistance and propulsion analyses of the three-dimensional models of the Type 209 class submarine and its propeller were performed. The submarine and propeller geometries were modeled according to pictures and general arrangement plans found in the open literature on the internet. The resistance and propulsion analysis results of the Type 209 class submarine were examined and the required power was determined according to the speeds. The submerged duration calculation of the Type 209 class submarine was made and it was calculated that the submerged duration time increased up to about %300 with the Stirling AIP system add-on.