Simülatör uygulaması amaçlı gemi sevk sistemi parametrik tasarımı
Parametric design of a marine propulsion system for simulator application
Yazar: NAZ GÖRENER
Danışman: YRD. DOÇ. DR. İSMAİL ÇİÇEK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Deniz Ulaştırma İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Denizcilik = Marine ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Gemiler, suyun üzerinde dinamik olarak seyreden ve içerisinde birçok operasyon işlemi barındırdan yüzer sistemlerdir. Gemilerde özellikle makine dairelerinde çalışacak personelin eğitimi çoğunlukla büyük önem arz etmektedir. Okullarda verilen teorik eğitimler ve laboratuvar çalışmalarının yetersiz kalması, ana makine dairesi simülatörlerine ihtiyaç duyulmasına neden olmaktadır. Birçok öğrenci mezun olup, gemilerde çalışmaya başlamadan önce gerçek bir ana makine operasyonuna katılma fırsatı bulamamaktadır. Bu da öğrenci eğitiminde simülatörlerinin ne kadar önemli olduğunu gösterir niteliktedir.
Bu tez çalışması, Türkiye' de daha önce yerli olarak üretimi gerçekleştirilmemiş olan, gemi ana makine simülatörü geliştirilmesine yönelik Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı tarafından desteklenen 0531,STZ.2013-2 nolu San-Tez projesinin bir parçasıdır. Çalışmanın amacı, ana makine simülatörü geliştirilmesi için gerekli olan sevk sistemi tasarımına yönelik pervane tasarımı, moellenmesi ve hidrodinamik performans analizlerinin gerçekleştirilmesidir.
Çalışma kapsamında öncelikle bir sevk sistemi tasarımı için gerekli olan bilgilerin edinilebilmesi için deneysel veriler incelenmiş ve sevk sisteminin özellikleri, hedef gemi, tasarlanacak pervane özellikleri belirlenmiştir. Ana makine simülatörleri ve sevk sistemlerine yönelik geniş çaplı bir literatür araştırması yapılmıştır. Bu araştırmalar sırasında daha önce yapılmış simülatör çalışmalarında sevk sistemleri ve pervaneler üzerinde akışkanlar dinamiği yöntemleri kullanılarak pervane performansının belirlendiği ve simülatör sistemlerinde kullanıldığına dair bir çalışmaya rastlanmamıştır. Bu tez çalışmasını literatürde yer alan diğer çalışmalardan ayıracak en büyük özellik ve nitelik bu olacaktır.
Pervane tasarımı gerçekleştirilecek hedef gemi belirlendikten sonra, gemi toplam direncinin belirlenmesi için Maxsurf Hullspeed modülü kullanılmıştır. Bu çalışmanın yanı sıra simülatörde kullanılmak üzere Matlab kullanılarak gemi direncinin belirlenmesine yönelik bir kod oluşturulmuştur. Geliştirilen bu kod, farklı boyutlarda hedef gemiler için simülatör sevk sisteminin güncellenebilmesi ve değiştirilebilmesine olanak sağlayacaktır.
Gemi toplam direnci ve ana makine seçimi gerçekleştirildikten sonra pervane tasarım yöntemleri incelenmiş olup, en verimli pervanenin tasarlanabilmesi için gemi gövdesine uygun özel tasarım yöntemleri kullanılarak yüksek verimli bir pervane tasarımı üzerinde çalışılmıştır.
Çalışma kapsamında tasarlanan pervanenin hidrodinamik performansının belirlenmesi ve verimliliğinin ölçülebilmesi için Computational Fluid Dynamics (CFD), türkçe ifadesiyle Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi kullanılmıştır.
Kullanılacak yöntemin doğruluğunun belirlenebilmesi için öncelikle literatürde açık su test sonuçları bulunan standart test pervaneleri (DTMB 4119 ve VP 1304) üzerinde analizler gerçekleştirilmiş olup, tüm analiz ayrıntıları ve sonuçlarına bu tez çalışmasında yer verilmiştir. Pervanelerin validasyon çalışmasının gerçekleştirilmesinin ve hata paylarının belirlenmesinin ardından simülatöre yönelik tasarlanan pervanenin CFD analizleri gerçekleştirilmiştir.
Tasarlanan pervanenin analizleri gerçekleştirilirken daha önceden elde edilmiş gemi seyrine ait deneysel veriler kullanılmıştır. Analizlerde kullanılmak üzere, gaz kolunun farklı pozisyonları için, gemi hızı, pervane devri gibi girdi değerleri elde edilmiştir. Kullanılan analiz girdileriyle gerçekleştirilen analizler sonucunda tasarlanan pervaneye ait itme ve tork değerleri kaydedilmiştir. Bu değerler kullanılarak İtme ve tork katsayıları değerleri hesaplanmış olup, pervane verimi değerine ulaşılmıştır. Analizler sonucunda elde edilen tğm bu değerler ile tasarlanan sevk sisteminin gemiye uygunluğu ve pervane hidrodinamik performansı belirlenmiştir.
Tasarım ve analizler sonucunda ortaya çıkan pervanenin hedef gemiye uygun ve yüksek verimle çalışabilecek bir sistem olduğuna karar verilmiştir.
Yapılan tasarım ve analiz çalışmalarının ardından deneysel verileri mevcut pervanenin performansı ile karşılaştırılan yeni pervanenin geminin ileri yöndeki seyri esnasında daha yüksek itme ürettiği ve ana makineden daha az tork çektiği gözlemlenmiştir. Böylelikle yeni tasarlanan pervane ile daha az makine gücüne gereksinim duyulacaktır. Yapılan bu çalışma, ileri yöndeki gemi seyri sırasında tasarlanan yeni pervanenin mevcut pervaneden daha verimli çalıştığını kanıtlar niteliktedir.

Abstract:
Ships are not only floating dynamic systems on water free surface, but also are including very kind of operational process. Especially, staff which is working in main engine room, must be educated well. Teoratical education systems and labrotaries are not sufficient for these university students which will be a member of main engine room staff when they graduate from the university. Therefore, main engine room simulators can be useful for the candidates before attending real ship operations. These reasons demonstrates that main engine room simulators are truely important for the ship staff education.
Marine engineers' education should be decreased the time to orient the operation of engine room systems and machines. Maritime Education and Training (MET) of marine engineering candidates contain the different type of operational and management training levels. Traditional education methods are not adequate for creating specific scenarios in real conditions. These methods includes using lab and classroom teachings as well as using a commercial ship. In a simulator environment, the training can be focused directly in different scenerios and real situations. Because of the reasons, the usage of an engine room simulator in MET is becoming popular in education. The usage of some simulator system like this, can prevent the maritime accidents due to human errors and lack of konowledge. Because of the maritime accidents, the use of simulators would add a high value to the education and training of maritime staff therefore to the worldwide maritime safety.
This study is a part of a project which is funded Turkish Ministry of Science and Technology, is the development of neither the Marine Engine Room Simulator (ERS). The development of the Marine Engine Room Simulator (ERS) does not exist in Turkey yet for use in marine engineering education. Simulators which is using for MET in, is developed by manufacturers from different countries; Japan, Norway, Poland, USA, UK, and Russia. As there are about 15 university level maritime schools in Turkey (exluding naval academies), development of both ship handling and engine room simulators by the development of main engine simulator, which can be considered as the first step of ERS, in Turkey would be beneficial for both economy and to be able to update the software code for modern requirements for the continuous use of the simulators in use.
In this Project, main engine room simulation software will be developed for MET of students. Addition to this, because of that the modular software development approach will provide current bachelor and postgraduate students with the infrastructure to implement their related design projects and thesis. Furthermore, this simulator system will offer a flexible infrastructure that aims to have continuous development architecture for applying different engine types, ships and parameters while it is providing a flexible use.
In this study which is a part of the Project, propulsion system design, parametric propeller design and modelling, determining hydrodynamic performance of the propulsion system are aimed for the development of Marine Engine Room Simulator.
Within the scope of this study, some information which is necessary for development a propulsion system, were investigated with using experimental test results. Then properties of propulsion system, target ship and design parameters were determined. A wide range of literature review was realized for main engine room simulators. During the literature review, a study which was not found in the previous studies, was realized with using computational fluid dynamics methods (CFD) for evaluation of propeller's performance. In this thesis, the most important feature and attribute of this study will be separate from other studies in the literature.
After the determining of target ship, Maxsurf HullSpeed was used to calculate the total resistance of ship. The most important thing is to determine the total resistance of ship for propulsion system in propeller desing process to define target thrust value. Addition to Maxsurf resistance calculation module, a code which is on attachment 1 at the end of this doucment, was developed for the calculation on Matlab. This Matlab code will help to someone for using different type and dimensions of ships to update simulation system according to new conditions.
The calculation of total ship resistance was carried out and then main engine was selected according to the value. Propeller desing methods and approaches was investigated before design process. The best option for propeller design was determined as special propeller design for the ship geometry. The aim of this study is to design optimum propeller for ship efficiency, fuel consumption and international rules such as IMO.
A traditional method for designing a propeller for a target ship is following a selection process from previously established database of propellers called propeller series. Propeller series propeller design method which is a selection from propellers series, provides a fast and cheap method of solution. Design from propeller series includes calculation of the performance characteristics which are obtained from towing tank test of various ship models, were demonstrated with some graphs. The propeller who is selected from the propeller series, have a special geometry with its parameters like blade number, pitch ratio and expanded area ratio etc. And this geometry cannot be changed by the designer.
On the other hand, recent focuses for energy efficiency due to both cost and environmental concerns, made the design and development of maritime propellers customized for the ships that they will be used. The focus of this study is this second method of custom and special propeller design and development. In this custom design, propeller is analysed with the iterative approach with using CFD methods, and the propeller is designed specially, must be produced expected thrust force which was calculated from ship total resistance. Design of the propeller can be realized with the analysis. In this process, analysis methods such as lifting line method, lifting surface method, finite element (FEA) methods and computational fluid dynamics (CFD) methods are used by designers for designing of custom propellers.
Within the scope of this master thesis, a propulsion system with an optimum propeller was designed for a target ship and hydrodynamic performance calculations were realised with using CFD methods. First of all hydrodynamics calculations, validation studies for standard propellers were performed with Ansys software to identify error margin for analysis metodology. DTMB 4119 and VP 1304 standard test propellers was used this validation studies. The details of the analysis and results are on this documents. The methodology and error margin was used for the new design propeller of target ship.
Experimental results that were obtained before curising data, were used for hydrodynamic analysis for propeller performance calculations. According to the different position of governor control, analysis were realized with using different revolution and advance speed of ship. Using these values, analysis were repeated every condition and torque and thrust values were calculated with CFD method. Torque and thrust coefficients were calculated using thrust and torque values that were taken from the analysis results to evaluate hydrodynamic performance of designed propeller.
At the end of this analysis process, it can be seen that new propeller geometry which was designed for this project, is suitable for target ship and have high effciency.
After all design and analysis process, new design propeller's hydrodynamic performances and current propeller's experimental test results were compared. The comparing shows that the new design propeller produces higher thrust and needs less torque from the main engine. So, the propeller has more efficiency value than the current propeller. Thus, less engine power will be needed with the new designed propeller. These studies demostrates that, the new designed propeller is designed to work efficiently than existing vessels in the forward direction.