E bayraktarkatal

MUKAVEMET ANALİZİ AŞAMALARI

Pervane kanat mukavemet analizi için yapılan çalışma adımları Şekil 1.’de görülmektedir.

Pervane Ön Hesaplamaları

Pervane Dizayn ve Analiz Yöntemleri

Pervane Kanadı ve Yüklerinin Modellenmesi

ANSYS

Sonuçlar

Şekil 1. Mukavemet analizi adımları.
Oluşturulan bu adımlar dizisiyle bir kanadı analiz edebileceğimiz gibi Şekil 1.’de kesikli çizgi ile gösterildiği şekilde bir döngü oluşturulup parametre değiştirilmesi ile seri analiz veya optimizasyon yapılabilir.
Pervane kanadı mukavemet analizi pervane ön hesaplamaları ile başlamaktadır. Bu adımda pervane dizayn ve analiz yöntemleri için gerekli olan değerler seçilir ve hesaplanır. Aşağıdaki değerlerin belirlenmesinden sonra dizayn ve analiz yöntemleri olan kaldırıcı hat ve kaldırıcı yüzey adımına geçilir.

• 
  Gemi hızı, V_s (knot)
  
• 
  Serbest beygir gücü, P_D (kw)
  
• 
  Pervane devir sayısı, N (d/d)
  
• 
  Pervane kanat sayısı, Z
  
• 
  Pervane çapı, D (m)
  
• 
  İz dağılımı, (1-w)
  
• 
  Kanat alan oranı (BAR)
  

Mukavemet analizi için önemli girdi olan yüzey basınçları kaldırıcı yüzey analizi sonucu elde edilmiştir. Pervane kanadı yüzey basınçları Kerwin ve Leopold (1964)’un geliştirdiği mevcut programın geliştirilmesiyle elde edilmiştir. Elde edilen pervane geometrisi ve basınç değerleri bir ön program (ER,1998) aracılığıyla Sonlu elemanlar modeline dönüştürülmüştür. Bu ön programda pervane malzeme seçimi yapılmakta ve bu malzemeye ait mekanik özellikler elde edilmektedir. Pervane kanadı geometrisi Sonlu Eleman Modeli için kord boyunca 10 eleman, kanat kökünden kanat ucuna kadar 32 elemana bölünerek toplam 320 eleman ile modellenmiştir. Eleman olarak ANSYS programının kabuk elemanlarından SHELL93 kullanılmıştır. SHELL93 eğrisel kabuk yüzeyler için 8 düğüm noktalı ortotropik elemandır. Köşedeki düğüm noktalarında 6 serbestlik (3 öteleme, 3 dönme) derecesine sahiptir. Bu eleman için girdi dataları herbir düğüm noktasının konumu (X,Y,Z), köşedeki düğüm noktaları için eleman kalınlıkları, young modülü, poisson oranı ve yoğunluktur. Pervane kanadı 320 kabuk eleman ile modellenip elemanların her köşesindeki kalınlıklar verilerek pervane kanadı Sonlu Elemanlar modeli oluşturulmuştur. Kanat üzerindeki basınç değerleri elemanlara yüzey yükü olarak etki ettirilmiştir. Ayrıca santrifuj kuvvetlerin hesaplanması için açısal hız verilmiştir. Sınır şartlarıda kanat kökündeki düğüm noktalarına uygulanmıştır. Bu şekilde Sonlu Elemanlar Metodu ile analiz için kanat ile ilgili tüm datalar bir dosya aracılığıyla ANSYS programına gönderilmek üzere hazırlanmıştır. ANSYS programı PC üzerinde çalışan oldukça popüler bir programdır. Kullanılması oldukça kolaydır ve sonuçlar görsel bakımdan çok iyi sunulabilmektedir. Bu makale için ANSYS 5.3 versiyonu kullanılmıştır. ANSYS programına girilip oluşturduğumuz dosya çağrılıp çözüm elde edilir. Yani program içinde model ile ilgili hiçbir işlem yapılmayıp sadece solver kullanılarak çözüm yapılmaktadır. Sonuçlar ise isteğe göre postprocessor’den seçilip elde edilir. Sonuç olarak bir pervane analizi yaklaşık 2 dakika sürmektedir. Sürenin bu kısalığıyla analiz işlemleri seri halde yapılarak mükemmel dizaynlara ulaşılabilmektedir.

HİDRODİNAMİK YÜKLERİN HESAPLANMASI

Pervane kanatları üzerindeki basınç dağılımları pervanenin hidrodinamik karakteristiği yönünden önemlidir. Pervane kanatlarının değişik pozisyonlarındaki basınç dağılımları ayrıca mukavemet analizi içinde çok önemlidir.

Kaldırıcı hat metodu için Greeley ve Kerwin (1984) tarafından pervane kanat kesitleri üzerindeki basınç dağılımlarının hesabı için geliştirilen yöntem kullanılmıştır. Bu model vorteks ve kaynak-kuyu dağılımlarının yerleştirilmesi üzerine kuruludur. Singülariteler pervane kanat kesitlerinin orta hatları üzerine dağıtılmıştır.Bu vorteksler iki kısma, sınır ve takip vortekslerine ayrılmıştır. Sınır vorteksler radyal yönde ve kanat üzerindeki yük dağılımını simüle edecek şekilde yerleştirilmiştir. Takip vorteksler ise akış yönünde yerleştirilip, yakın sınır vorteks elemanlarının değişik şiddetlerinden elde edilmiştir. Kaynak-kuyu hat elemanlarının sayısı, kanat kalınlığını simüle edecek bitişik sınır vorteks elemanlarından elde edilir. Vorteks şiddetleri, kanat kontrol noktalarında akış teğet kalma durumunu sağlayacak simültane eşitliklerin sağlanması ile hesaplanır. Kaldırıcı yüzey için vorteks elemanlar ile oluşmuş indüklenmiş hızlar Biot-Sawart yöntemiyle hesaplandı.

UYGULAMA

Y.T.Ü. Makina Fakültesi Gemi İnşaatı Mühendisliği’nde geliştirilen pervane kanadı mukavemet analiz prosedürü ile iki farklı tipte gemi pervanesi için uygulama yapılmıştır. Her iki pervane için iz dağılımı sabit alınmayıp hesaplanarak veya benzer tipteki gemilerden çıkarılmış ve bunlar hidrodinamik yüklerin bulunmasında analiz için kullanılmıştır. Hidrodinamik yüklerin kaldırıcı yüzey analizi ile bulunması ile pervane üzerindeki her noktanın basınç yüzü ve emme yüzü tarafındaki basınçlar bulunarak düzensiz ve gerçeğe yakın yükler bulunmuş pervane çalışma ortamı en iyi şekilde modellenmiştir. Uygulamalarda pervane malzemesi olarak NAB (Nikel Alüminyum Bronzu) kullanılmıştır. Bu malzemenin tipik özellikleri şöyledir.

Elastisite modülü E = 125000 N/mm²

Poisson oranı  = 0.3

Yoğunluk  = 7600 kg/m³
İlk uygulama bir fırkateyn [1] için bir seri mukavemet analizi olarak yapılmıştır. Hesaplarda açı referansı olarak yukarı eksen 0 kabül edilip saat yönü pozitif açı olacak şekilde seçilmiştir. Pervanenin bir kanadı 270’de iken kabul edilip 5 kanadın bulunduğu açılarda hidrodinamik yükler bulunup gerilme analizi yapılmıştır. Pervane ana dataları aşağıdadır.
Serbest Güç = 23000 kW

Pervane Çapı = 4.25 m.

Pervane Devir Sayısı = 266 d/d

Kanat Sayısı = 5

Çalıklık = 24, 36.5, 60

Göbek/Çap Oranı = 0.2

Kanat Alan Oranı = 1.1
Sistematik mukavemet analizi için değişken parametre olarak çalıklık incelenmiştir ve her çalıklık açısı için tüm kanatların aynı anda bulunduğu açıda analiz yapılarak bir devirde meydana gelen değişimler bulunmuştur. Hesaplanan tüm değerler ve pervanelerin CAD çizimleri Tablo 1. ve Tablo 2.’de verilmiştir. Tablo 1.’de üç farklı çalıklık ve beş farklı kanat pozisyonu için yapılan analiz sonucu Von-Mises gerilme değeri, maksimum yerdeğiştirme, maksimum kesme gerilme değeri verilmiştir. Tablo 2.’de ise üç farklı çalıklık için hava ortamında kanadın modlara göre doğal frekans sonuçları görülmektedir. Şekil 2.’de ANSYS ortamında diskritizasyon işlemi sonucu kanat elemanlar görülmektedir. Şekil 3.’de üç farklı çalıklık için maksimum Von-Mises gerilmelerinin meydana geldiği kanat pozisyonlarında ve kanat yüzündeki gerilme dağılımları görülmektedir.
Tablo 1. Fırkateyn pervanesi mukavemet analizi sonuçları.