Gemi makinalarının tanımı
Rüzgar ve akıntı dış kuvvetleriyle hareket haricinde gemilerin sevki için temel prensip hep aynı kalmıştır. Bir cismi su içinde hareket ettiren itme kuvveti, cismin hareketinin zıt yönünde ivmelendirilen bir akışkan kütlesine karşı olan tepki kuvvetidir. Bu itme kuvvetine su içinde hareket eden cismin oluşturduğu hidrodinamik kuvvetler direnç gösterirler. Bu prensip bir kanonun kürekle sevkinden, modern bir pervanenin hareketine veya yüksek hızlı su jetinin havaya püskürtülmesine kadar değişik sevk cihazlarına uygulanabilir. İtme kuvvetinin büyüklüğü ivmelendirilen akışkanın kütlesi ve ivmelenme hızı ile orantılıdır. Sevk verimi, sevk edilen teknenin büyüklüğü ve hızına bağlı olarak temin edilmesi gereken enerjinin bir fonksiyonudur.
Şekil 1. Gemi sevk sistemi
Şekil 1'de gemi sevk sistemi gösterilmektedir. Gerekli güç sevk makinası tarafından üretilir ve sevk cihazına iletilir. Burada modern bir pervane gösterilmektedir, ancak diğer tip sevk cihazları da olabilir. Sevk cihazı tarafından absorbe edilen güç teknenin sevki için itme kuvvetine çevrilir.
Gemilerin sevki için doğal güç kaynakları haricinde, fosil yakıtlı ve nükleer yakıtlı güç üretim sistemleri vardır. Nükleer yakıtlı buhar türbini tesislerinin harp gemilerde uygulamaları bulunmaktadır. Fosil yakıtlardan en yaygın olarak akaryakıtlar kullanılır, fuel-oil, diesel-oil, gas-oil, gibi. Akaryakıtların depolanmaları kolaydır ve ısıl değerleri yüksektir, 10000 kcal/kg civarında. Kömür gibi katı fosil yakıtlar kullanan buhar makinalı gemiler halen hizmette olmakla birlikte sayıları her geçen gün azalmaktadır. Diğer endüstriler için kömürün değerli olmasının yanında, depolanması ve ancak dıştan yanmalı makinalarda kullanılabilmesi uygulama sahalarını daraltmaktadır.
Nükleer enerji, nükleer reaksiyon sonucu oluşan ısı enerjisi olarak tanımlanabilir. Nükleer yakıtın pahalı olmasının yanında kullanılabilir hale getirilmesi için çok yüksek giderler gerektiren reaktörler nedeniyle bugün yaygın olarak kullanılmamaktadır.
Sevk makinası Tekne Sevk cihazı
Sevk makinası Gemi teknesi Sevk cihazı
Gaz yakıtlar özellikle kara tesislerinde güç üretiminde kullanılmaktadır. Gemilerde büyük hacim kaplamaları nedeniyle depolama zorlukları ve ısıl değerlerinin düşük olması, 2000- 3500 kcal/kg, bazı özel haller haricinde gaz yakıtların kullanılmasını engellemektedir.
Gemi makinalarının sınıflandırılması
Isı enerjisini mekanik enerjiye yada işe çeviren gami makinaları başlıca iki ana bölüme ayrılır; bu bölümlerden birincisi makinanın çalışma ilkeleri, ikincisi ise görevleri bakımından gemi makinalarıdır.
Çalışma ilkeleri bakımından gemi makinaları
Dıştan yanmalı makinalar
Kazan adı verilen birimin içinde katı veya sıvı yakıtlar yakılarak elde edilen ısı enerjisi, ısı değiştiricileri aracılığıyla iş akışkanı olan suya transfer edilerek suyun buharlaşması temin edilir. Oluşturulan su buharı, buhar makinalarında veya türbinlerde genişletilerek iş elde edilir, Şekil 2.
Şekil 2 Basit buhar tesisi çevrimi
Buhar
Kazan
Pompa
Buhar makinası veya türbini
Yoğuşturucu
Su
İş çıkışı
Atılan ısı Verilen
ısı
İş girişi
Çalışma ilkeleri bakımından gemi makinaları
Dıştan yanmalı makinalar
Pistonlu buhar makinaları
Buhar türbinleri
İçten yanmalı makinalar
Diesel motorları
Benzinli motorlar
Gaz türbinleri
Pistonlu buhar makinası
Kazandan elde edilen buhar slayd valf adı verilen bir düzenek yardımıyla bir silindir içindeki pistonun alt ve üst taraflarına verilir. Piston basınçlı buharın etkisiyle aşağı-yukarı veya ileri- geri hareket eder. Pistonun bu doğrusal hareketi sırasıyla piston mili, kroshed, biyel elemanları ile krank miline aktarılır. Böylece pistonun silindir içindeki eksenel hareketi krank miline dönme hareketi olarak nakledilmekte ve krank mili pervane veya yardımcı bir makinayı çevirmektedir.
Pistonlu buhar makinaları verimlerinin düşük, %18 civarında, olmaları nedeniyle ticaret gemilerinde kullanılmamaktadırlar. Doğru akımlı pistonlu buhar makinalarında genel verim
%32 civarındadır. Buhar motoru da adı verilen bu makinalar büyük güç isteklerine yanıt veremediklerinden ancak körfez ve şehir hattı gibi küçük yolcu gemilerinde ana güç üreteci olarak kullanılmaktadır.
Buhar türbinleri
Buhar türbinleri pistonlu buhar makinalarına göre çok daha basit bir yapıya sahiptirler.
Hareket eden ve rotor adı verilen bir parça, onu taşıyan ve rotorşaft yatakları adı verilen iki yatak ile bunları sızdırmaz bir biçimde atmosfere kapatan bir muhafazadan oluşmaktadırlar.
Su buharı bu makinaların iç bölümlerinde bulunan ve türbin cinsine göre ya nozul yada hareketsiz kanatlara verilir. Buharın basıncı nozul veya hareketsiz kanatlarda düşer, hızı artar, 350-1000 m/s. Bu hızla rotorun çevresine belirli aralıklarla dizilmiş hareketli kanatlara çarpan buhar rotorun büyük bir hızla dönmesine neden olur. Günümüzde tek bir birim olarak 850000 Hp güç üretebilen buhar türbinleri, yüksek güç isteklerine yanıt veremeyen diesel motorlarına karşı tek makina türü olarak karşımıza çıkmaktadır.
Transatlantik, büyük konteyner gemileri gibi ticaret gemilerinde bu nedenle buhar türbini ana güç üreteci olarak kullanılmaktadır. Harp gemileri için büyük makina güçlerine gerek olduğunda çoğu zaman korvetlerden başlayarak destroyer, hafif ve ağır kruvazörler, uçak ve muharebe gemilerinde de buhar türbinlerinden yararlanılır.
Ticaret gemilerinde turbo-jeneratör sistemlerine de rastlanılmaktadır. Bu sistemde buhar türbinleri sabit devirde çalıştırılır ve elektrik jeneratörlerini çevirerek elektrik enerjisi üretilir.
Böylece üretilen elektrik enerjisi geminin kıç tarafına yerleştirilmiş ağır devirli elektrik motorlarını çevirmekte ve elektrik motorlarının şaftlarına bağlı pervane veya pervanelerde geminin hareketini sağlamaktadırlar. Uzun bir şaft sistemini ve şaft tünelini ortadan kaldırması, faydalı yük ve yolcu hacmini çoğaltması, manevraların daha kolay yapılmasını sağlayan turbo-jeneratör sisteminin tek sakıncası pahalı oluşudur.
İçten yanmalı makinalar
İçten yanmalı makinalarda yakıt silindir veya yanma odası adı verilen birimler içinde yakılır.
Oluşan sıcak gazlar doğrudan bir pistonun üzerine etkir veya buhar türbinlerinde olduğu gibi bir türbin içinde genişletilir.
Diesel motorları
Diesel motorlarında; temiz hava makina silindirleri içine emilir veya kuvvetle doldurulur.
Silindir içinde piston tarafından sıkıştırılan havanın basıncı ve sıcaklığı yükselir, 28-35 bar/
450-650 oC. Bu kızgın havanın içine püskürtülen yakıt zerrecikleri havanın sıcaklığı yakıtın
içinde hareket ettirerek işi oluştururlar. İş, pistonlu buhar makinalarında olduğu gibi hareketli bir donanım yardımıyla krank miline iletilir.
Diesel motorlar özgül yakıt harcamalarının düşük olması, verimlerinin yüksek olması ve manevra yeteneklerinin üstünlüğü sebepleriyle çok yaygın olarak gemi sevk makinası görevini üstlenirler. Diesel motorların en önemli sakıncası tek bir birimden elde edilen gücün sınırlı olmasıdır. Bugün için bu değer 68000 kW civarındadır. Bu gücün üzerindeki güç gereksinimleri için ya birden fazla birim düşünülmeli yada buhar türbinleri gözönüne alınmalıdır.
Buhar türbinlerinde olduğu gibi diesel-jeneratör uygulamalarına da rastlanmaktadır. Yüksek devirli bir yada birkaç diesel motorunun çevirdiği elektrik jeneratörü veya alternatörünün ürettiği elektrik akımı aynı türbo-jeneratör sisteminde olduğu gibi geminin kıç tarafındaki elektrik motorlarına verilerek hareket sağlanır. Bu sistem özellikle üstün manevra yeteneği sağlaması açısından trafiği yoğun sularda avantaj sağlamaktadır.
Benzinli Motorlar
Bu makinalarda belirli oranlarda oluşturulan yakıt ve hava karışımı silindir içine emilir veya kuvvetle doldurulur. Yakıt-hava karışımı karbüratör adı verilen bir cihazla hazırlanabildiği gibi emme borusuna veya silindir içine yakıt püskürten sistemlerde mevcuttur. Bu karışım piston tarafından sıkıştırılır. Sıkıştırma sonucunda yakıt hava ile çok iyi yanıcı bir karışım oluşturur. Bu karışım diesel motorlarında olduğu gibi kendiliğinden tutuşmaz. Buji adı verilen bir elektriksel cihazın elektrodları arasında oluşturulan bir kıvılcım yakıt-hava karışımını ateşler. Yakıtın tümü birden patlama şeklinde yandığından bu makinalara "Patlamalı Motorlar" adı da verilir. Yanma sonucu oluşan yüksek basınçlı gazlar işi oluşturarak diesel motorlarına benzer bir donanım yardımıyla krank milinin dönmesini sağlarlar.
Benzinli motorlar bazı küçük güç gerektiren dıştan takma motor uygulamaları dışında gemilerde kullanılmazlar. Bunun nedeni hem küçük güçleri nedeniyle sevk makinası görevi yapamamaları ve hem de yakıtlarının düşük parlama noktası nedeniyle yangın risklerinin yüksek oluşudur.
Gaz türbinleri
Bu makinalarda bir kompresör atmosferden aldığı temiz havayı sıkıştırmakta, basınç ve sıcaklığı yükselen hava yanma odasına gönderilmektedir. Yanma odasına gönderilen havanın sıcaklığı içine püskürtülecek yakıtın yanmasını sağlayacak değerdedir. Böylece elde edilen basınçlı ve sıcak gazlar, yapısı buhar türbinlerine benzeyen türbinde genişletilmekte ve iş elde edilmektedir, Şekil 3.
Son yıllarda genel verimlerinin yüksek olması ve Bunker C (No.6 Fuel-oil) ile çalışma yetenekleri gaz türbinlerinin hem gemi ana makinası olarak hem de elektrik enerjisi üretmek üzere yaygın bir biçimde kullanılmasına yol açmıştır. Türbin giriş sıcaklıklarının malzeme dayanımı ile ilgili olarak sınırlı olması esas problemlerinden biridir.
Şekil 3 Basit bir gaz türbini tesisi
Görevleri bakımından gemi makinaları
Ana makinalar
Gemi sevk makinası olarak pervaneyi tahrik eden dıştan veya içten yanmalı makinalardır.
Bazı gemi makinalarının devir sayısı çok yüksektir. Örneğin buhar türbinlerinde devir sayısı 3500-6000 dev/dak arasında değişmektedir. Çoğu zaman küçük teknelerde kullanılan motorlarında devir sayıları da 2000 dev/dak' nın üzerindedir. Bu tip makinalar devir sayıları düşürülerek pervaneye bağlanırlar. Devir sayısını düşüren bu donanıma redüksiyon dişlisi veya devir düşürücü dişli donanımı adları verilir. Devir sayısı düşük olan makinalar pervaneye doğrudan bağlanmaktadırlar.
Gemi yardımcı makinaları
Her türlü hava ve deniz koşullarında ve limanlarda gemilerin normal çalışma düzenini sürdüren makinalara gemi yardımcı makinaları denir.
Kompresör
Yanma odası
Türbin İş
çıkışı Hava
Atmosferden hava girişi
İş girişi
Yakıt tarafından verilen enerji
Sıcak gazlar
Egzost
Görevleri bakımından gemi makinaları
Ana makinalar Gemi Yardımcı makinaları
Ana makina yardımcıları
Güverte yardımcıları
Görev makinaları
Ana makina yardımcıları
Gemi sevk görevi yapan makinaların çalışmasına yardımcı olan makinalara ana makina yardımcıları denir. Bu makinalara, sirkülasyon pompası, yağlama yağı pompası, soğutma suyu pompası, yakıt pompası örnek gösterilebilir.
Güverte yardımcıları
Ana makinanın çalıştırılması ile ilişkisi bulunmayan makinalardır. Geminin yük alıp vermesinde yararlanılan vinçler, filika mataforaları yada filika vinçleri, çekme makinaları, dümen makinaları ve dümen donanımları güverte yardımcıları sınıfına girer.
Görev makinaları
Ana makinaya yardımcı olmayan, gemi personeli ve yolcuların konforunu sağlayan makinalardır. İçme suyu pompası, WC ve yangın devrelerine deniz suyu vermede kullanılan deniz suyu pompası, sintine ve balast pompaları, soğuk hava kompresörü bu sınıfa girmektedir.
Gemi sevk sistemlerinin karşılaştırılması
Pervaneyi tahrik etmek için uygun bir tesis seçimi birçok faktöre bağlıdır. 20. yüzyılın başlarına kadar ençok kullanılan çok silindirli buhar makinasının birçok avantajı vardır. Bu makina çok kolay kontrol edilebilir ve ters yönde çalıştırılması kolaydır. Verimli hız-güç aralığı özellikle tek pervaneli gemilerde kullanılan büyük pervaneler ile aynıdır. Bu makinaların işletilmeleri ve bakımları basittir. En büyük gücün sınırlı olması, verim düşüklükleri ve üretilen güç başına ağırlıkları dezavantajlarını oluşturmaktadır.
Buhar türbini yüksek gücü verimli olarak üretir. Bununla beraber verimli devir hızı, normal pervane devirlerinin çok üstündedir ve devir düşürme dişli grubu gerektirirler. Geminin tornistan yapması için tesise ayrı bir türbin eklenmelidir. Yüksek basınç ve yüksek sıcaklıktaki buharı en uygun verimle kullanabilir veya düşük basınçlı buhar kullanımı içinde dizayn edilebilirler.
Diesel motoru kolaylıkla kontrol edilebilir ve ters yönde çalıştırılabilir. Küçük bir hacim işgal eder ve çok verimlidir, ancak bir buhar tesisinden daha yüksek kaliteli bir yakıt ve daha çok yağlama yağı gerektirir. Öncelikle sabit-tork makinası olduklarından pervane dizaynı makina karakteristiklerine mümkün olduğu kadar uyum sağlayacak şekilde yapılmalıdır.
Uçaklardan adapte edilen gaz türbinleri harp gemilerinde sevk makinaları olarak kullanılmaktadır. Gaz türbinlerinin öncelikle ağırlığın önemli olduğu yüksek performanslı tekneler için uygun olduğu düşünülmüştür ve firkateyn ve destroyerlerde kombine makina konfigürasyonlarında güç çıkışını arttırmak için kullanılmıştır. Modern gaz türbinlerinin dayanıklılığı, güvenilirliği ve termik verimlerindeki artış askeri uygulamalar için önemli bir sevk makinası durumuna gelmelerine yol açmıştır.
Ticari denizcilik alanında gaz türbinlerinin kullanımı çok daha sınırlıdır. Bununla beraber yakın geçmişte havacılıktan adapte edilen gaz türbinlerinin ticari gemilerde artan sayıda kullanıldığı görülmektedir. Gaz türbinlerinin ticari gemilerdeki uygulamaları hızlı ve yüksek kapasitede insan ve araç taşımacılığında yoğunlaşmaktadır. Gaz türbinlerinin bu yüksek performans teknelerinde artan kullanımının başlıca sebepleri, bu makinaların düşük ağırlığı, küçük hacimleri, daha uzun peryotlarda kullanılabilirlikleri, düşük yatırım harcamaları, düşük egzost emisyonları ve kabul edilebilir işletme masraflarıdır.
Nükleer yakıtlı tesislerin en büyük avantajı fosil yakıtlı tesislere kıyasla daha uzun dayanıklılıkları nedeniyle arttırılmış seyir yarıçaplarıdır. Sevk yakıtının kısa sürelerde yenilenmesi gereksiniminin yok edilmesi özellikle askeri operasyonlar açısından çok önemlidir. Bu fayda ekonomik olarak ticari gemi işletmeciliğine genişletilememektedir.
Yüksek ilk yatırım maliyeti ile yakıtın pahalılığının yanında tesisin işletilmesi için gerekli olan çok iyi eğitilmiş personel gereksinimi işletme maliyetlerine eklenmelidir.
Türbo-elektrik ve diesel-elektrik tahrik sistemleri bazı özel tesisler için çok avantajlı olabilirler. Dişli aktarmalı veya doğrudan tahrik sistemlerine göre daha yüksek ilk maliyetleri ve az da olsa verim düşüklükleri karşısında, kontrol kolaylığı ve pervanenin güç-devir karakteristiklerine verimli uyum sağlama gibi avantajları vardır.
Gemi sevk sistemlerinin karşılaştırmalı avantaj ve dezavantajları Tablo 1' de verilmiştir.
Tablo 1 Gemi sevk sistemlerinin karşılaştırılması
Avantajlar Dezavantajlar
Konvansiyonel Buhar Sabit hız seyirde verimlilik
Güvenilirlik
Kısmi yükte iyi performans
Yardımcı fonksiyonlarda kullanılabilirlik
Büyük,ağır ve hacim kaplayan tesis
Uzun devreye alma zamanı
Büyük yakıt depolama gereği
Fazla makina personeli
Uzun ve pahalı tamir zamanları
Yüksek güçte kısa seyir yarıçapları
Düşük hızda verim kaybı Nükleer Buhar En uzun seyir yarıçapı
Yanma için hava gereksinimi olmaması
Yakıt harcaması nedeniyle draft değişimi olmaması
Güvenilirlik
Işınımdan korunma için kullanılan kalkanın ağırlığı
Yüksek konstrüksiyon ve bakım harcamaları
Personel eğitim programı ihtiyacı
Uzun devreye alma zamanı
Radyolojik problemler
Uzun tamir süreleri
Diesel Tüm yüklerde yüksek verim
En küçük özgül yakıt tüketimi
Düşük ilk yatırım masrafı
Adaptasyon kolaylığı
Düşük devir, küçük devir düşürme dişli grupları gereksinimi
Güvenilirlik
Az adam ile işletilebilme
Her şaft için gerekli olan birimler için hacim ve yerleştirme problemleri
Periyodik bakım nedeniyle sık atıl durum peryotları
Yüksek yağlama yağı harcaması
Gürültü
Gaz Türbini Hafiflik ve az hacim işgal etme
Yüksek tam yük verimi
Kısa devreye alma zamanı
Güvenilirlik
Sessizlik
Modüler makina değiştirilme imkanı
Büyük miktarda hava gereksinimi, büyük giriş ve egzost kanalları
Kısmi yüklerde düşük verim
Büyük yakıt depolama gereksinimi
Piç kontrollu pervane sistemi ve kavramalardan
