E bayraktarkatal
Yüklə 121,83 Kb.
|
- Bu səhifədəki naviqasiya:
- GEMİ PERVANELERİNİN MUKAVEMET ANALİZİ
- MUKAVEMET ANALİZİ AŞAMALARI
- HİDRODİNAMİK YÜKLERİN HESAPLANMASI
- Kanat Pozisyonu
- Maksimum kesme gerilmesi (N/mm²)
 Yapım Matbaacılık Ltd., İstanbul, 1999 Editörler :A. İ. ALDOĞAN Y. ÜNSAN E BAYRAKTARKATAL GEMİ İNŞAATI VE DENİZ TEKNOLOJİSİ TEKNİK KONGRESİ 99 – BİLDİRİ KİTABI GEMİ PERVANELERİNİN MUKAVEMET ANALİZİYavuz ER1, Mesut GÜNER2ÖZET Bu çalışmada, pervane analizi için kullanılan kaldırıcı yüzey metodunun pervane mukavemeti analizindeki uygulaması anlatılıp, bunlarla ilgili geliştirilen işlem aşamalarından bahsedilecektir. Bu makalede kaldırıcı yüzey metodu ile pervanenin düzgün olmayan akımdaki hidrodinamik özellikleri bulunacak ve böylece zamana bağlı olarak pervane kanat kesitinin sırt ve yüzeyindeki basınç dağılımları ile pervaneye ait itme ve tork değerleri elde edilecektir. Kanat kesidi üzerindeki basınç değerleri, sonlu elemanlar metoduna dayalı ANSYS programı kullanılarak pervanenin mukavemet analizi gerçekleştirilecektir. Ortaya konulan metodun uygulaması için iki farklı gemi tipi için pervane seçilmiş olup, bunlardan birisi fırkateyn pervanesi diğeri ise Swath tipinde bir balıkçı gemisi pervanesidir. Fırkateyn pervanesi gürültü ve titreşim açısından önem taşıdığı için bu pervanenin değişik çalıklık açılarındaki durumu incelenmiş ve elde edilen sonuçlar tartışılmıştır. Bu çalışmada geliştirilen metod ile gemi performansı açısından önemli yer teşkil eden uskur pervanelerinin mukavemet ve hidrodinamik incelemeleri yapılabilir. Böylece imalat masrafları azaltılabilir, aynı zamanda en uygun pervane seçilmesi yapılabilir. GİRİŞ Günümüzde her alanda olduğu gibi pervane mukavemeti hesaplamalarında da Sonlu Elemanlar Metodu kullanılması yaygınlaşmaktadır. Sonlu Elemanlar Metodunun kullanımının yaygınlaşma nedeni bilgisayarların gücünün artması, fiyatlarının düşmesi, çok çeşitli kullanıcı dostu programların yazılmasıdır. Böylece daha geniş bir kitleye ulaşması sağlanmıştır. Sonlu Elemanlar Metodunu kuvvetli bir analiz metodu olmasını sağlayan özellikler çok karmaşık geometriler oluşturulabilmesi ve düzensiz yüklerin uygulanabilmesidir. Dolayısıyla çözümün sağlıklı olabilmesi için sistemdeki yüklerin hesaplanması gerekmektedir. İşte bu noktada pervane dizayn ve analiz yöntemleri(kaldırıcı hat ve kaldırıcı yüzey) ön plana çıkmaktadır. Sonuçta pervane kanadının Sonlu Elemanlar Metodu ile modellenip yüklerin etki ettirilmesiyle yapılan mukavemet analizleri bizleri gerçekçi sonuçlara götürmektedir. MUKAVEMET ANALİZİ AŞAMALARIPervane 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
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.
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 HESAPLANMASIPervane 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. UYGULAMAY.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
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.
Tablo 2. Hava ortamında fırkateyn pervane kanadı doğal frekans analizi sonuçları.
İkinci uygulama 315 tonluk bir SWATH tipi balıkçı teknesi pervanesinin analizidir. Bu pervane ile ilgili değerler aşağıdadır. Serbest Güç = 850 kW Pervane Çapı = 2.00 m Pervane Devir Sayısı = 283.47 d/d Kanat Sayısı = 5 Skew Açısı = 30 Göbek-Çap Oranı = 0.2 Kanat Alan Oranı = 0.7174 Şekil 4.’de Balıkçı gemisi için dizayn edilen pervanenin CAD çizimleri görülmektedir. Tablo 3. ve 4.’de sonlu elemanlar metodu ile yapılan analiz sonuçları verilmiştir. Şekil 5.’de Balıkçı gemisi pervanesinin maksimum gerilmeye maruz kaldığı 54º kanat pozisyonu için E.Y.,O.Y. ve B.Y. Von-Mises gerilmesi görülmektedir. Şekil 6.’da ise B.Y.’nde 4 farklı kanat pozisyonunda Von-Mises gerilmeleri görülmektedir. 
Şekil 2. Pervane kanadı Sonlu Elemanlar Modeli.   
Şekil 3. Üç farklı çalıklık için Von-Mises gerilme dağılımları.  
Şekil 4. Balıkçı gemisi pervanesi CAD çizimleri. Tablo 3. Balıkçı gemisi pervanesi mukavemet analizi sonuçları.
Tablo 4. Hava ortamında balıkçı gemisi pervanesi kanadı doğal frekans analizi sonuçları.
  
Şekil 5. Balıkçı gemisi pervanesinin sırasıyla E.Y., O.Y., B.Y. için Von-Mises gerilme dağılımı. Şekil 6. Kanat pozisyonlarında B.Y. için Von-Mises gerilme dağılımları. SONUÇLARBu çalışmada iki farklı tipte tekne için kaldırıcı hat ve kaldırıcı yüzey yöntemleriyle pervane dizaynları yapılmıştır. Yapılan dizayn sonucu pervane ana boyutları ve üzerine gelen hidrodinamik yükler bulunmuştur. Hidrodinamik yükler pervane kanadının düzgün olmayan iz dağılımında kavitasyon etkiside dikkate alınarak bir devir boyunca farklı kanat pozisyon açılarında yapılan analiz sonucu elde edilmiştir. Pervane kanadı geometrisi ve yükler kullanılarak sonlu elemanlar metodu ile gerilme ve titreşim analizi yapılmıştır. ANSYS programında modelleme için kullanılan kabuk elemanın özellikleri gereği sonuçların hassasiyetini bozan sorunlar ile karşılaşılmıştır. Bu sorunlar, kanat kökünde kabuk elemanın özelliği olan boy / kalınlık oranının altına inilmesi ve özellikle yüksek çalıklık’lı kanatlarda kanat ucuna doğru kabuk elemanın dörtgenselliğinin bozulup köşe açıları için uygun değerler olan 30º ila 150º aralığının dışına çıkılmasıdır. Her iki pervane içinde Von-Mises gerilmeleri ve yerdeğiştirmelerin maksimum olduğu kanat pozisyonları kanadın bozuk iz ortamında olduğu bölgeye geliyor. İlk uygulama olan fırkateyn pervanesinde (Tablo 1.) maksimum gerilmenin olduğu pozisyon 54º olduğu açıdır ki burada şaft strut’ı olduğundan iz’in en bozuk olduğu bölgedir. Bu açıda Von-Mises gerilmesi B.Y.’de 314 N/mm² , maksimum yerdeğiştirme 148 mm gibi oldukça yüksek değerlere ulaşmıştır. İkinci uygulama Swath tipi balıkçı gemisi pervane kanadı içinde maksimum gerilmelerin (Tablo 3.) 54º’de olduğu görülüyor. Kanat üzerinde maksimum gerilmelerin olduğu bölgeler ise Fırkateyn pervanesinde (Şekil 3.) görüldüğü gibi küçük çalıklıklarda açılarında kanat kökünde ve kord boyunun yarısında meydana gelmekte iken çalıklık arttıkça 0.6-0.7R ve takip kenarında olmaktadır. Fakat maksimum gerilmelerin meydana geldiği pozisyonlarında gerilme bölgesi 0.6-0.7R takip kenarı ile kanat kökü kord boyu ortası arasında yayılma göstermektedir. Pervaneler için yapılan doğal frekans analizi sonuçları ise Tablo 2. ve Tablo 4. ‘de görülmektedir. Fırkateyn için yapılan farklı çalıklıklı analiz sonuçlarından görüleceği üzere çalıklığın artması ile beraber frekans değerleri düşmektedir Not:
KAYNAKLAR [1] Afanasieff, L., Marby, J. P., The design of the FF-21 multi-mission frigate, Naval Engineers Journal, May 1994 [2] ANSYS, Advanced analysis techniques guide, Release 5.3, 1996 [3] ANSYS, Basic analysis procedures guide, Release 5.3, 1996 [4] ANSYS, Elements reference, Release 5.3, 1996 [5] ANSYS, Modeling and meshing guide, Release 5.3, 1996 [6] ANSYS, Structural analysis guide, Release 5.3, 1996 [7] ER, Yavuz., Gemi pervanelerine etkiyen hidrodinamik yüklerin bulunması ve gerilme analizinin yapılması, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Gemi İnşaatı Mühendisliği Anabilim Dalı Yüksek Lisans Tezi, 1996 [8] Carlton, J.S., Marine Propellers and Propulsion, Butterworth-Heinemann Ltd., Oxford, England, 1994 [9] Güner, M., A Rational Approach to the Design of Propulsors behind Axisymmetric Bodies, PhD Thesis, University of Newcastle upon Tyne,1994 [10]Greeley, D.S., and Kerwin, J. E., Numerical Methods for Propeller Design and Analysis in Steady Flow, Trans. SNAME, Vol.90: p.p.415-453, 1982 [11] Kerwin, J. E., Machine Computation of Marine Propeller Characteristics, ISP, Vol.6, No.60, 1959 [12] Kerwin, J. E. and Leopold, R.,A Design Theory for Subcavitating Propellers, Trans. SNAME, 1964 [13] Kerwin, J. E., Numerical Methods for Propeller Design and Analysis in Steady Flow, Trans. SNAME, Vol.90: p.p.415-453, 1982 [14] Kerwin, J. E., Coney, W.B. and Hsin, C.Y.,Hydrodynamic Aspects of Propeller/Stator Design, Propeller'88 Symposium, Virginia, Paper no.3, 1988 [15] Kerwin, J. E., Frydenlund, O., The Development of Numerical Methods for the Computation of Unsteady Propeller Forces, Symposium on Hydrodynamics of Ship and Offshore Propulsion System, Oslo, Norway; also Norwegian Maritime Research, Vol.5, No.2,1977 [16] Kerwin, J. E., Lee, C. S., Prediction of Steady and Unsteady Marine Propeller Performance by Numerical Lifting Surface Theory, Trans. SNAME, Vol.86: p.p.218-253, 1978 [17] Lerbs, H. W., Moderately Loaded Propellers with a Finite Numbers of Blades and an Arbitrary Distribution of Circulation, Trans. SNAME, Vol.60, 1952 1 Ar. Gör. Y.Müh. Y.T.Ü. Mak. Fakültesi Gemi İnşaatı Mühendisliği Bölümü, 80750 Beşiktaş-İstanbul,Türkiye 2 Doç. Dr. Y.T.Ü. Mak. Fakültesi Gemi İnşaatı Mühendisliği Bölümü, 80750 Beşiktaş-İstanbul,Türkiye Yüklə 121,83 Kb. Dostları ilə paylaş:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
