Gemi Dengeleme Sistemleri

Gemiler içinde bulundukları denizlerde meydana gelen dalga, akıntı ve rüzgârlardan dolayı oluşan çeşitli yönlerden gelen kuvvetlerle karşılaşırlar ve altı serbestlik derecesinde hareket ederler. Bir gemiye herhangi bir dış kuvvetin (dalga,rüzgar vs.) etkimesi sonucunda, geminin tekrar eski konumuna dönebilme kabiliyetine dengeleme denir. Dengeleme kavramı statik ve dinamik dengeleme olarak ayrı ayrı incelenir. Statik dengeleme, geminin iç veya dış etkiler altında paralel batma, meyil veya trim yapabileceği durumlardaki dengelemesi, dinamik dengeleme ise, dalgalar etkisinde olan bir geminin altı serbestlik dereceli olarak üç öteleme (boyuna öteleme, yan öteleme ve dalıp çıkma)ve üç dönme hareketi (yalpa, baş kıç vurma ve savrulma) yapabileceği durumlardaki dengelemesidir (Özçelik, 2008).

Gemilerin deniz ortamından kaynaklı hareketlerinin kontrol edilmesi son derece önemlidir. Örneğin, baş-kıç hareketlerinde ortaya çıkan büyük momentlerin kontrolü çok zor olmakla birlikte, nispeten daha küçük hareket olan yalpa hareketinin kontrol altına alınarak, kısıtlanması uygulanabilirdir. Bu hareketlerin kontrol altına alınmaması durumunda, geminin dümen dinleme kabiliyeti azalır, rotanın izlenmesi zorlaşır, aşırı hareketler ve bunların doğurduğu ivmeler gemideki personelin olumsuz etkilenmesine neden olur.  1900’lü yılların başlarından bu yana, personelin çalışma kapasitesinden ödün vermeden görevlerini daha etkin bir şekilde yerine getirmek için çeşitli donanımlar üretilmiş ve gemilere kurulmuştur. Bunlardan en efektif ve yaygın olarak kullanılanı, gemilerdeki yalpa hareketinin azaltılmasını sağlamak amacıyla geliştirilen yalpa sönümleme sistemidir. Bu gibi önlemler hem sivil ve hem de askeri gemilerde son dönemde sıklıkla tercih edilmektedirler. (MEB, 2012)

Örneğin; Deniz Kuvvetleri ve Sahil Güvenlik gemileri, yüksek hızlı operasyonlar için tasarlanmıştır. Dönüş sırasında yalpa miktarı ve yönü kontrol ediliyorsa daha yüksek hızlarda daha keskin dönüşler bu gemilerin gelen tehditlerden kaçınmasına yardımcı olarak geminin bekasını artırabilir çünkü yalpa miktarı belirlenen eşiği aşması durumunda radar ve diğer sensörlerin duyarlılığı azalır.

Gemi dengeleme sistemleri aktif ve pasif dengeleme sistemleri olarak ikiye ayrılmaktadırlar.
Bunlardan Aktif gemi dengeleme sistemleri;
1.Kanatçık dengeleyici
2.Jiroskop dengeleyici
3.Aktif yalpa tankı
Pasif gemi dengeleme sistemleri ise;
1.Sintine omurgası
2.Pasif kanatçık dengeleyici
3.Pasif yalpa tankı

Jiroskop dengeleyici:
Bir jiroskop, açısal momentumun korunumu ilkesine göre çalışır ve belirli bir eksene bağlı ve serbestçe hareket edebilen dönen bir tekerlekten oluşur. Dönen bir tekerlek veya rotor, tek bir eksen etrafında dönmesine izin veren, gimbal adı verilen dönen bir taşıyıcı üzerine monte edilmiştir. Verim olarak %95-%98’lere çıksa da rotor ağırlığı, maliyet ve tekne üzerinde meydana getirdiği gerilmeler sebebiyle kullanım yeri edinememişlerdir. Ancak bugün yat endüstrisi, sıfır hızda yalpalamayı frenlemek için bu sorunları araştırmaya ve uygulamaya başlamıştır.

Sintine omurgası:
Gemilerin yalpa hareketini önlemek maksadıyla sintine dönümüne yakın dış kaplamaya dikey olarak konulmuş, baş ve kıç istikametinde uzayan kanat şeklinde çıkıntılar yalpa omurgasıdır. Pasif olarak çalışırlar ve yalpa hareketinde tekne ile deniz arasındaki sürtünmeyi artırarak yalpa periyodunu uzatırlar.

Aktif ve Pasif yalpa tankları:
Maksimum verimlilik için gövdenin merkez hattından mümkün olduğunca uzağa konumlandırılan sistem, sıvıyı yalpalama tarafının karşısına pompalayarak ve tanklar arasında hava girişini kontrol ederek çalışır. Çok yer kaplarlar ve bu nedenle özellikle askeri gemilerde uygulama alanı yoktur.

Gemilerde yalpa hareketinin sönümlenmesi amacıyla kullanılan kanatçık yalpa sönümleme sistemi
19. yüzyılın ortalarında gemi tasarımındaki değişikliklerle yalpalamanın istenmeyen etkileri belirginleşmeye başladı. Yelkenleri buhar türbinleriyle değiştiren sanayi devrimi ve savaş gemisi yan toplarını merkez hattına yerleştirmek, dengeleyicide büyük değişikliklere yol açtı. Dengeleme değişikliklerinin etkisini en aza indirmek için aktif yalpa kanatları, dümen yalpa önleme ve yalpa tankları gibi sistemler geliştirildi.

 Gemilerin büyük çoğunluğu, tüm manevraları gerçekleştirmek için dümenine güvenir. Bir gemiyi döndürmek için, bir dümenin yalnızca geminin dikey ekseni etrafında istenen yönde dönüş oluşturacak kadar büyük kuvvetler ve momentler üretmesi gerekir. Bununla birlikte, açılı bir dümen boyunca akan su da geminin boyuna ekseni etrafında yuvarlanma veya dönme oluşturur. Açılı bir dümen tarafından oluşturulan momentten yararlanmak için çeşitli şemalar önerilmiş ve uygulanmıştır (Zihnioğlu, 2016).

Kanatçık yalpa sönümleme sistemleri, dalgalarda gerekli yalpa sönümlemenin yapılmasını gerektiren kargo, yolcu ve savaş gemileri için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu gemilerdeki kanat dengeleyicilerinin boyutu, konumu, bileşimi ve kontrolleri, tek bir ana amaç göz önünde bulundurularak belirlenirdi: maksimum devrilme önleme momentlerinin üretilmesi. Bu nedenle, kanat dengeleyicileri geminin iki tarafına monte edilir ve eşit büyüklükteki açılar boyunca ve yayılma eksenleri etrafında zıt yönlerde döndürülürler. Bu hareketler, kanat çiftinin geminin yuvarlanma hareketine karşı moment geliştirmesini sağlar (Özçelik, 2008).

Yuvarlanma açısını, yuvarlanma hızını ve yuvarlanma ivmelerini algılamak için çeşitli yöntemler mevcuttur. Çoğu, bir sarkaç, jiroskop veya ivmeölçer birleşimine dayanır. Yalpa sönümleyici kanat sistemi, bir geminin her iki tarafına uzatılan kanatçıkların kaldırma kuvveti kullanılarak gemi yalpalanmasını %90'a kadar azaltmak için kullanılan bir tekne dengeleme donanımıdır. Aktif kontrol dengeleme kanatları genellikle geminin ortasına yakın sintine dönüşüne monte edilir. Kanatların geliş açısı, geminin yuvarlanma hareketine duyarlı bir kontrol sistemi tarafından sürekli olarak ayarlanır. Bu sayede, dalgaların uyguladığı momente karşı yalpalama momentleri düzenlenir ve yalpa hareketi azaltılır. Kanatçıklar genellikle düşük hızda çalışan gemiler için tasarlanmadığından, gemi hızı azaldıkça etkinlikleri azalır. Ayrıca, genellikle 10-15 knot üzerindeki hızlarda seyir eden gemilerde, dengeleme için en etkili çözüm dengeleyici kanatçıklardır (Zihnioğlu, 2016)

Tasarım Faaliyetleri nasıl yapılır?

Bilindiği üzere tasarım işi, ilgili yapının bilgisayar ortamında modellenmesi ile başlamaktadır. Bu sistemler geminin kullanım amacına göre geminin ölçülerine ve deniz koşullarına göre tasarlanmaktadır. Mevcut gemileri inceledikten sonra, geminin boyutuna göre farklı kanat tasarımları için sürükleme analizi yapılır ve uygun kanat şeklini belirlemek için sayısal akış benzetimleri kullanılır.

Geminin boyutuna bağlı olarak, farklı kanat tasarımlarını analiz etmek ve gemi sonuçlarına göre uygun hareket sönümleyici kanat tipini ve konumunu seçmek için hesaplamalı akışkanlar dinamiği benzetimi ve yapısal analizler kullanılır. Sayısal akış benzetimi ile birlikte hücum açısı ve yalpa sönümleyici kanatçığın konumunun bir fonksiyonu olarak akış analizinden belirlenen kuvvet ve basınç değerleri, yapısal tasarım için önemli girdilerdir. İlgili Lloyd's kuralı dikkate alınarak yapılan yapısal tasarım, belirlenen mesnet elemanları ile yapısal bir montaj oluşturularak sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak statik hesapların yapılmasını gerektirir. Böylece, geometri ve dolayısıyla direnç ve kararlılık açısından uygun kanatçık tasarımı ortaya konulmuş olacaktır(Özçelik, 2008).

Yalpa sönümleyici kanatçık tasarımıyla ilgili olarak farklı tez ve makale çalışmaları yapılmıştır. Yunrui Zhao (2021) kutup yolcu gemileri için kullanılmak üzere bir yalpa sönümleyici kanatçık tasarımı ortaya koymuştur. Analiz çalışmaları sırasında Navier-Stokes denklemleri ve k-ε türbülans modeli kullanılmıştır. Numerik çözüm yöntemi olarak ise, sonlu hacim yöntemleri kullanılmıştır. Geminin boyutuna ve çalışma koşullarına göre farklı kanat türleri seçilerek geometrik modelleme ve ağ oluşturma gerçekleştirilip, hesaplamalı akışkanlar mekaniği analizine göre kullanılacak yalpa sönümleyici kanatçık tipi belirlenmelidir.

Yalpa Sönümleyici Kanatçığın Matematik Modelinin Oluşturulması ve Kontrol Algoritmasının Geliştirilmesi

Günümüzde kontrol teorisi alanındaki gelişmeler birçok teknik problemin çözülmesini mümkün kılmıştır. Bu alanlardan biri de bir geminin çeşitli bozucu etkilerin etkisi altında yalpa ve boyuna hareketinin kontrol edilmesi sorunudur. Gemi hareketinin aktif kontrolü, hem teorik çalışmaların hem de pratik uygulamaların geliştirilmesini gerektiren açık bir inovasyon alanıdır. Son yıllarda sensörler, bilgisayarlar ve kontrol cihazları alanındaki hızlı teknolojik gelişme, birçok gemi hareket kontrol probleminin çözülmesine yardımcı olmuştur. Bu sayede günümüz gemi hareket kontrol sistemleri ekonomik ve pratik bir düzeye gelmiş ve birçok gemi bu teknoloji ile donatılmıştır.(Zihnioğlu, 2016)

Kaynakça:
[1] GEMİ DENGE HESAPLARI. (2012). https://doi.org/http://megep.meb.gov.tr/mte_program_modul/moduller_pdf/Gemi%20Denge%20Hesaplar%C4%B1.pdf
[2] Yuzme denge kosulu. https://www.slideshare.net/sevilaycan/yuzme-denge-kosulugmstatik-stabilite. (n.d.).
[3] YÜZER DALGAKIRANLARIN PERFORMANSININ SAYISAL MODELLE İNCELENMESİ (n.d.).
https://eski.imo.org.tr/resimler/ekutuphane/pdf/18375_40_03.pdf.
4] Wikimedia Foundation. (2022, June 23). Bilge Keel. Wikipedia.
November 25, 2022, from https://en.wikipedia.org/wiki/Bilge_keel
[5] ZİHNİOĞLU, A. (2016). GEMİLER İÇİN YALPA SÖNÜMLEYİCİ SİSTEMLER. dergipark.
https://dergipark.org.tr/tr/download/article-file/1044776#:~:text=2.1%20Yalpa%20omurgas%C4%B1,kanat%20%C5%9Feklinde%20%C3%A7%C4%B1k%C4%B1nt%C4%B1lar%20yalpa%20omurgas%C4%B1d%C4%B1r.
[6] ÖZÇELİK, S. (2008). Yalpa Sönümleyi̇ci̇ Si̇stemleri̇n Anali̇zi̇ (thesis).
[7] Gemi denge hesapları. (2012).http://megep.meb.gov.tr/mte_program_modul/moduller_pdf/Gemi%20Denge%20Hesaplar%C4%B1.pdf
[8] How gyros create stabilizing torque - veemmarine.com. (n.d.).
http://veemmarine.com/wp-content/uploads/2017/06/White_Paper_1403-How_Gyros_Create_Stabilizing-Torque.pdf