Özet: Gemi tahriki için kullanılan motora ana tahrik motoru (aynı zamanda "ana motor" olarak da bilinir) denir ve tüm deniz güç santralinin performansında belirleyici bir rol oynar. Deniz güç santrallerinin türleri genellikle farklı ana motorlara göre ayrılır. Modern gemilerin ana motorları esas olarak dizel motorları, buhar türbinleri, gaz türbinleri ve nükleer santralleri içerir. Şu anda, çoğu sivil gemi ve bazı orta ve küçük askeri gemiler dizel motorlar kullanmaktadır; büyük ve orta ölçekli gemiler çoğunlukla buhar türbinleri veya gaz türbinleri kullanmaktadır; kombine güç santralleri, farklı navigasyon koşullarında su üstü gemilerinin ihtiyaçlarını karşılayabilir; nükleer güç santralleri gemilerin dayanıklılığını ve kendi kendine yeterliliğini önemli ölçüde artırabilir, ancak koruma cihazları kullanmaları gerekir, ağırdır ve karmaşık yapılara sahiptirler. Büyük uçak gemileri, büyük ve orta ölçekli denizaltılar, buz kırıcılar ve bazı büyük sivil gemiler için uygundurlar. Orta ve küçük denizaltılar, elektrik üretmek ve denizaltıları elektrikli tahrikle ileri sürmek için jeneratörleri çalıştırmak için dizel motorları kullanabilirler. Deniz enerji santrallerini incelemek, bunların tiplerini, yapılarını, teknik özelliklerini, kullanım ve yönetim yöntemlerini hızlı bir şekilde kavramaya, böylece gemi seyri sırasında gerçek uygulama etkilerini iyileştirmeye ve gemilerin genel güç performansını iyileştirmeye yardımcı olur.
Anahtar kelimeler: dizel motor; gaz türbini; buhar türbini; kombine güç ünitesi; nükleer güç; uçak gemisi; elektrikli tahrik

19. yüzyılın başlarında, buhar motorları, tüm gemi için ana tahrik gücü olarak iç su gemisi "Clermont"ta başarıyla kullanıldı ve bu, gemiler için "güç ünitesi" kavramının oluşumunu işaret etti. Güç ünitesinin orijinal anlamı, çeşitli gemiler için tahrik gücü sağlamak üzere insan gücünü veya rüzgar gücünü değiştiren bir dizi makine, ekipman ve sistemi ifade eder. Yıllar geçtikçe, gemi teknolojisinin sürekli gelişimi ve optimizasyonuyla, ilgili güç ünitelerinin performansı da kademeli olarak iyileştirildi.

1 Deniz güç ünitelerine genel bakış
Deniz güç ünitelerinde, gemilerin yelken açması için güç kaynağı sağlayan motora ana tahrik motoru denir ve aynı zamanda geminin ana motoru olarak da bilinir. Ana motor, çeşitli kaynaklardan gelen ısı enerjisini mekanik işe dönüştürür ve böylece çeşitli gemiler için navigasyon için gereken enerjiyi sağlar. Güç üniteleri, belirli tiplere göre çeşitli kategorilere ayrılır ve bunlar arasında dizel motorlar, buhar türbinleri, gaz türbinleri, kombine güç üniteleri ve nükleer güç üniteleri bulunur.

Geminin ana motoru güvenli ve güvenilir olmaya çalışmalı, yeterli canlılığa sahip olmalı, kullanımı kolay, esnek, hafif, küçük boyutlu, düşük maliyetli, düşük yakıt tüketimine sahip, bakımı kolay ve uzun ömürlü olmalı, geri gidebilmeli ve düşük hızda veya seyir hızında istikrarlı bir şekilde çalışabilmelidir, böylece geminin çeşitli performanslarının en üst düzeye çıkarılmasını sağlar. Bu özelliklerin göreceli önemi, geminin farklı görevlerine göre değişir ve güvenilirlik en önemlisidir.

Yukarıda belirtildiği gibi, geminin ana motoru güç santralindeki temel ekipmandır. Ana motor tipinin seçimi, genel olarak tüm deniz güç santralinin yapısal bileşimini ve performans özelliklerini belirler. Bu nedenle, deniz güç santrallerinin sınıflandırılması çoğunlukla ana motor tipine dayanmaktadır. Ana motorun çalışma durumu, tüm geminin normal navigasyonunu ve güvenliğini doğrudan etkiler ve seçim, tasarım ve üretim sırasında özel dikkat gösterilmelidir.

2 Deniz dizel motorlarının teknik özellikleri ve geliştirme genel bakışı

2.1 Deniz dizel motorlarına genel bakış

Dizel motorlar yaygın bir içten yanmalı motor türüdür. Kazanlar gibi diğer ekipmanlarla donatılmaları gerekmediğinden sistem yedekliliği azalır. Şu anda çeşitli gemi tiplerinde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Ancak dizel motorların ileri geri hareketi nedeniyle aşınma, titreşim ve gürültü nispeten büyüktür. Özellikle dizel motor gücündeki artış işleme ekipmanı, teknoloji, malzemeler, hacim ve ağırlıkla sınırlıdır, bu nedenle tek bir motorun gücünü daha fazla artırmak zordur.

Dizel motorlar arasında, düşük hızlı dizel motorlar en düşük yakıt tüketim oranına sahiptir ve kalitesiz ağır dizel yakabilir, bu nedenle yakıt maliyeti düşüktür. Düşük hızlı dizel motorların düşük hızı ve küçük aşınması nedeniyle, hizmet ömrü uzundur ve bakım maliyeti düşüktür. Ancak, düşük hızlı dizel motorların ağırlığı ve boyutu büyüktür ve daha fazla kabin alanı ve deplasman kaplarlar, bu da dezavantajlarıdır. Bu tip motor çoğunlukla büyük gemilerin ana motoru olarak kullanılır.

Yüksek hızlı dizel motorlar hafif ve küçük boyutludur ve daha az kabin alanı ve deplasman kaplarlar. Ancak, yüksek hızlı dizel motorlar yüksek yakıt tüketim oranına sahiptir ve yüksek kaliteli hafif dizel kullanmaları gerekir, bu nedenle yakıt maliyeti nispeten daha yüksektir. Aynı zamanda, yüksek hızlı dizel motorların yüksek hızı nedeniyle, makine daha fazla aşınır, hizmet ömrü kısadır, bakım maliyeti yüksektir ve gürültüsü de yüksektir. Bu tip motorlar çoğunlukla küçük gemilerin ana motoru veya büyük ve orta büyüklükteki gemilerin yardımcı motoru olarak kullanılır. Orta hızlı dizel motorların performansı yukarıdaki ikisinin arasındadır ve genellikle orta büyüklükteki gemilerde kullanılırlar. Ancak son yıllarda, orta hızlı dizel motorlar da ağır yağ yakabildiğinden ve yakıt tüketim oranı düşük hızlı dizel motorlarınkine yakın olduğundan, redüksiyon dişli kutusu teknolojisinin geliştirilmesiyle, bazı orta hızlı yüksek güçlü dizel motorlar da büyük gemilerde kullanılmaya başlanmıştır.

2.2 Deniz dizel motorlarının temel teknik özellikleri

Dizel motorların teknik avantajları genel olarak şu yönlerdendir.

1) İyi ekonomi. Dizel motorlar, geniş bir çalışma koşulları aralığında yüksek ekonomiye sahiptir. Aynı zamanda, düşük hızlı dizel motorlar ağır yağ da yakabilir, bu da yakıt maliyetlerini önemli ölçüde azaltır. Geminin ana motorunun yakıt tüketim oranı, gemi operasyonlarının ekonomik verimliliğini belirlemede önemli bir faktördür. Mevcut enerji durumu altında, dizel motorların yüksek ekonomisi, iyi uygulama beklentilerini garanti eder.

2) Geniş güç aralığı. Deniz dizel motorlarının güç ve hız kapsamı geniştir ve çeşitli gemi tipleri için seçilebilecek birçok model sağlanabilir. Düşük hızlı dizel motorlar, dizel motorlar arasında en güçlü modellerdir. Teknolojik gelişmeleri temsilidir. Ekonomik verimlilikleri, güvenilirlikleri ve manevra kabiliyetleri son yıllarda önemli ölçüde iyileştirilmiştir.

3) İyi manevra kabiliyeti. Dizel motor hızlı bir şekilde çalışır, kullanımı kolaydır ve hassas geri vitese sahiptir. Ön çalıştırma çalışması yaklaşık 10 dakikada tamamlanabilir. Ana motorun soğuk çalıştırmadan tam yük çalışmasına geçiş süresi genellikle 10 dakikadan fazla değildir ve acil durumlarda 3 ila 4 dakikadan fazla değildir. Ana motorun geri vitese alınması genellikle birkaç saniye içinde tamamlanabilir. Ana motorun manevra kabiliyeti, özellikle yüzey gemileri için önemli olan önemli bir teknik performans göstergesidir. Tüm geminin kapsamlı yanıt kabiliyetini ve teknik performansını doğrudan etkileyecektir. Günümüzde füzelerle temsil edilen yüksek performanslı silahlar tam olarak geliştirilmiş olup yüzey gemileri için büyük bir tehdit oluşturmaktadır. Bu nedenle hazırlık süresini kısaltmak, hızla muharebeye girmek ve tehlike bölgesinden zamanında ayrılmak yüzey gemileri için büyük önem taşımaktadır.

4) Düşük hava tüketimi, giriş ve egzoz kanallarının kapladığı alan az, düzenlenmesi daha kolay, bağımsız çalışma kabiliyeti ve darbe dayanımı daha iyidir.

5) Düşük hızlı dizel motorlar pervaneleri doğrudan tahrik edebilir ve daha düşük bir hız benimsenerek pervanenin kavitasyonu önlenebilir ve böylece pervanenin tahrik verimliliği artırılabilir. Bu özellik yalnızca enerji dönüşümünün genel verimliliğini artırmakla kalmaz, aynı zamanda bir indirgeme cihazı gerektirmez, iletim ekipmanını basitleştirir ve gemi inşası sırasında inşaat yatırımı ve bakım maliyetlerinden tasarruf sağlar.

6) Güçlü çevresel uyum yeteneği. Dizel motorlar sürekli dalgalanan yüksek geri basınç ve büyük vakum etkisi altında çalışmaya devam edebilir ve güç zayıflaması önemli değildir. Ayrıca dizel motorlar, mayın tarama gemileri gibi yüzey gemilerinin özel gereksinimlerini karşılamak için düşük manyetik üniteler haline de getirilebilir.

7) Orta ve küçük dizel motorlar hafiftir, daha az yer kaplar ve daha az yardımcı ekipmana sahiptir. Deniz güç üniteleri için temel teknik gereksinimlerden biri, güç ünitesinin kapladığı deplasmanı azaltmak için hafif olmaktır, bu da geminin net yükünü artırabilir veya geminin hızını ve dayanıklılığını iyileştirebilir. Orta ve küçük gemiler için makine dairesi alanı nispeten dardır. Güç ünitesinin hafif olmasını gerektirmesinin yanı sıra, özellikle kompakt boyutta ve küçük hacimli olması da gerekir. Güç ünitesinin ağırlığı ve hacmi büyük ölçüde ana motora ve gerekli yardımcı ekipmana bağlıdır. Yüksek basınç teknolojisinin gelişmesiyle dizel motorun gücü önemli ölçüde iyileştirilirken dizel motorun ağırlığı ve boyutu çok fazla değişmemiş ve süperşarjlı dizel motorun birim ağırlığı daha da azaltılmıştır. Dizel motorun büyük yardımcı ekipmanla donatılmasına gerek yoktur ve gerekli yardımcı ekipman da daha azdır. Orta ve yüksek hızlı dizel motorların bu konudaki avantajları özellikle belirgindir. Bu aynı zamanda orta ve küçük gemilerin genellikle dizel motorları kullanmasının önemli bir nedenidir.

Günümüzde dizel motorların teknik dezavantajları başlıca şu yönlerdendir.

1) Orta ve yüksek devirli dizel motorlarının tek başına güçleri nispeten küçüktür.

2) Düşük devirli dizel motorların gücü nispeten büyük olmasına rağmen, tüm makinenin gücü arttıkça, bu tip ünitenin hacmi ve ağırlığı belirli bir oranda hızla artacaktır. Bu nedenle, daha yüksek güce sahip düşük devirli dizel motorların tasarlanması ve üretilmesinde belirli zorluklar yaşanacak ve buna bağlı olarak parçaların işlenmesi, montajı ve taşınması için daha yüksek gereksinimler ortaya çıkacaktır. Ünite malzemelerinin mekanik ve termal yüklerini azaltma sürecinde de belirli zorluklarla karşılaşılacaktır. Ünitenin yüksek yüksekliği, uçak gemileri gibi büyük yüzey gemilerinde uygulanmasını da sınırlar.

3) Buhar türbinleri ve gaz türbinleri gibi dönen makinelerin aksine, dizel motorların pistonları ve diğer parçaları basitçe dönmek yerine ileri geri hareket etmeye devam eder, bu nedenle periyodik bozulma kuvvetleri üretilecektir. Bu nedenle, dizel motor sadece büyük titreşim ve gürültüye sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda parçalarda ciddi sürtünme ve aşınmaya sahiptir ve yüzey gemilerinin gizliliği ve gizliliğin önlenmesi için çok elverişsiz olan güçlü düşük frekanslı çizgi spektrumlu titreşim gürültüsüne sahiptir.

4) Dizel motorun minimum kararlı hızı yüksektir, bunun sonucunda ünitenin kararlı çalışma alanı nispeten küçüktür.

2.3 Deniz dizel motorlarının teknik gelişimine genel bakış

Bu makalenin 2.2'sinde açıklandığı gibi, dizel motorların önemli avantajları yüksek termal verimlilik, düşük yakıt tüketim oranı, iyi genel ekonomi, geniş güç aralığı, geniş uygulanabilirlik, daha az yardımcı ekipman ve hafif toplam ağırlıktır. Dizel motorların ana kusurları gürültü, titreşim ve büyük sürtünme kayıplarıdır. Büyük sivil gemiler çoğunlukla ana motor olarak düşük hızlı dizel motorları kullanır. Bu tip motor yüksek güvenilirliğe, düşük bakım maliyetlerine sahiptir ve pervaneleri doğrudan çalıştırabilir. Orta ve küçük askeri gemiler çoğunlukla ünitenin boyutunu ve ağırlığını azaltmak için ana motor olarak orta ve yüksek hızlı dizel motorları kullanır.

Son yıllarda gemi tonajının artmasıyla birlikte dizel motorların gücünü artırmak için silindir çapını artırma ve süperşarjı artırma yönünde düşük hızlı dizel motorlar geliştiriliyor, bu da yüksek güçlü gemi tahrikinin gereksinimlerini karşılayabiliyor ve hız düşürücü cihazlarla pervaneleri çalıştırabiliyor. Özellikle çeşitli tipteki iç su gemilerinde dizel motorlar mutlak bir avantaja sahip ve neredeyse tek güç tipi haline gelmiş durumda.

Son yıllarda, enerji tasarrufunun nasıl yapılacağı yurtiçinde ve yurtdışında önemli bir araştırma konusu haline gelmiştir. Şu anda, deniz dizel motorlarının termal verimliliğinin daha yüksek bir seviyeye çıkarılması için ilgili araştırma çalışmaları yürütülmektedir. Yanma sistemini, enjeksiyon sistemini ve süperşarj sistemini iyileştirmenin ve sürtünme kaybını ve hava kaçağı kaybını azaltmanın yanı sıra, egzoz gazı enerjisinden tam olarak yararlanmak ve egzoz gazı turboşarjından sonra egzoz gazı enerjisinden tam olarak yararlanmak için bir güç türbini takmak gibi soğutma kaybını azaltmak için de araştırmalar yürütülmektedir. Şu anda, deniz dizel motorları üzerinde hala yapılması gereken çok sayıda araştırma ve geliştirme çalışması bulunmaktadır.

Son yıllarda deniz dizel motorları teknolojisi hızla gelişmiş olup, bu gelişme başlıca aşağıdaki alanlarda kendini göstermektedir.

1) Yüksek güçlü dizel motorlar genellikle yüksek süperşarj teknolojisini kullanır ve düşük çalışma koşullarında ünitelerin performansını kademeli olarak iyileştirir.

2) Yüksek güvenilirlikli modüler tasarım ve üretim teknolojisini benimseyin.

3) Orta ve düşük devirli dizel motorları, ağır yakıtı tam olarak yakmak için ilgili teknolojileri kullanırlar.

4) “Akıllı” elektronik kontrol teknolojisi ve yüksek basınçlı ortak ray yakıt sistemi teknolojisinin yanı sıra düşük emisyon ve diğer ilgili teknolojileri benimseyin.

Geçmişte uzun bir süre boyunca, çeşitli amaçlara sahip sivil gemiler genellikle güç ünitesi olarak dizel motorları kullanırken, büyük gemiler çoğunlukla buhar türbinlerini kullanıyordu. Son yıllarda, dizel motor ağır yağ yakma teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, düşük hızlı dizel motorların gücü önemli ölçüde iyileştirildi. Büyük gemilerde bile, dizel motorlar buhar türbinlerinin yerini kademeli olarak alma eğilimindedir. İç su gemilerinde, kanal derinliği ve gemi tonajı gibi nesnel koşulların sınırlamaları nedeniyle, çoğu iç su gemisi ana motor olarak orta ve yüksek hızlı dizel motorları kullanır.

3 Deniz buhar türbinlerinin teknik özellikleri ve geliştirme genel bakışı

3.1 Deniz buhar türbinlerine genel bakış

Buhar türbinleri, termal enerjiyi mekanik enerjiye dönüştürmek için buhar genleşmesini kullanan bir tür termal türbin makinesidir. Bunlar arasında kazanlar, buhar türbini gövdeleri, kondansatörler ve besleme pompaları nispeten önemli ekipmanlardır.

Buhar makineleri gibi, buhar türbinleri de buharın termal enerjisini mekanik işe dönüştüren güç aygıtlarıdır. İkisi arasındaki fark, buhar türbinlerinde buharın termal enerjisinin buharın kinetik enerjisine dönüştürülmesi ve kinetik enerjinin bu kısmının daha sonra mekanik işe dönüştürülerek türbin şaftına iletilmesidir. Çalışma süreci açısından, kazandan gelen yüksek basınçlı buhar sabit nozüle girer ve buhar nozülde genişler. Genişlerken buharın basıncı azalır ve buharın akış hızı buna göre artar. Yüksek hızlı buhar akışı, koşucuya takılı kanatları etkileyerek koşucunun dönmesine neden olur.

3.2 Deniz buhar türbinlerinin temel teknik özellikleri

Buhar türbinlerinin genel olarak teknik avantajları şunlardır.

1) Tek ünitede en yüksek güce sahip termik motor olması nedeniyle büyük yüzey gemilerinin güç ihtiyacını etkin bir şekilde karşılayabilmektedir.

2) Yüksek güvenilirliğe ve uzun hizmet ömrüne sahiptir ve etkili hizmet ömrü 100,000 saati aşabilir ve işletme, bakım ve onarım süreci nispeten basittir.

3) Ünite düşük titreşim, sürtünme ve gürültüye sahip olduğundan gemi personeli için daha sessiz ve konforlu bir ortam sağlayabilir.

4) Yakıt adaptasyonu güçlüdür ve kalitesiz yakıt kullanabilir, bu da ekonomik performansı artırır.

Ancak aynı zamanda buhar türbinlerinin şu dezavantajları da vardır.

1) Enerji dönüşüm süreci karmaşıktır ve ekonomisi zayıftır. Enerji transferi sürecinde, özellikle kondansatörde olmak üzere kazanlarda, boru hatlarında, vanalarda, pompalarda ve diğer ekipmanlarda ısı enerjisi kaybolacaktır, bu nedenle ünitenin termal verimliliği nispeten düşüktür. Basit çevrimler kullanan buhar türbinleri için ekonomileri zayıftır, dizel motorlar veya gaz türbinleri kadar iyi değildir. Bunun ana nedeni, çalışma sıvısının başlangıç ​​sıcaklığının düşük olması ve kondansatörün soğutma suyu tarafından büyük miktarda ısı enerjisinin alınmasıdır, bu nedenle çevrim verimliliği diğer iki ana motor türünden daha düşüktür.

2) Sistemin yapısı karmaşıktır. Buhar türbini, çalışma sıvısı olarak buhar kullanır ve kazanlar, kondansatörler, pompalar ve diğer yardımcı cihazlarla donatılmalı veya yüksek sıcaklıkta buhar elde etmek için nükleer reaktörler ve ilgili sistemlerle donatılmalıdır. Bu nedenle, buhar türbininin ağırlık endeksi orta hızlı dizel motorlardan, yüksek hızlı dizel motorlardan ve gaz türbinlerinden daha büyüktür. Ve buhar hazırlama sürecinden etkilenen buhar türbininin manevra kabiliyeti de yukarıdaki üniteler kadar iyi değildir.

3) Yüksek hız nedeniyle buhar türbininin bir redüksiyon tertibatı ile donatılması gerekmektedir, bu da ünitenin ağırlığını daha da artırmakta, sistem yapısını daha karmaşık hale getirmekte, tasarım ve üretim maliyetlerini artırmakta ve sistem güvenilirliğini azaltmaktadır.

3.3 Deniz buhar türbinlerinin teknik gelişimine genel bakış

Buhar türbinleri döndükleri için düzgün çalışırlar, düşük titreşim ve gürültüye sahiptirler, daha az sürtünme ve aşınma üretirler ve uzun bir hizmet ömrüne sahiptirler, bu da onları özellikle yolcu gemileri için uygun hale getirir. Buhar türbinlerinin bakımı kolaydır ve yüksek güvenilirliğe sahiptirler. Uzun süre tam yük koşullarında çalışabilirler, güçlü aşırı yük kapasitesine sahiptirler ve çevreye daha uyumludurlar. Buhar türbinleri yüksek güce sahiptir, ağır yağ veya sıvılaştırılmış doğal gaz yakabilirler ve ağırlık ve hacim açısından buhar motorlarından daha küçüktürler. Ancak, buhar türbinlerinin enerji dönüştürme süreci daha karmaşıktır, düşük termal verimlilik, yüksek yakıt tüketim oranı ve zayıf ekonomiye sahiptir. Şu anda çoğunlukla büyük tonajlı petrol tankerlerinde, konteyner gemilerinde ve sıvılaştırılmış doğal gaz gemilerinde kullanılmaktadırlar.

Buhar türbinleri yalnızca bir yönde dönebildiğinden. Ters dönüş için güç elde etmek amacıyla, genellikle ileri buhar türbininin düşük basınçlı silindirinin şaftına bir ters aşama monte edilir. Ters aşamada genellikle en fazla üç sıra dönen kanat bulunur veya yalnızca iki sıra olabilir ve ürettiği güç, ileri gücün yaklaşık %40'ıdır. Buhar türbininin normal çalışması sırasında, ters aşama ters durumdadır, bu nedenle genellikle düşük basınçlı buhar türbininin düşük basınçlı ucuna monte edilir. Bu parçanın buhar yoğunluğu düşüktür, bu nedenle ters buhar türbini tarafından üretilen gaz direnci kaybı da düşüktür.

1896'da Birleşik Krallık, buhar türbinlerini gemi ana motorları olarak başarıyla kullandı ve deneme hızı 34.5 kn'ye (knot) ulaşabildi. O zamandan beri, buhar türbinleri yüksek güçlü gemilerde yaygın olarak kullanıldı. İlk buhar türbinleri doğrudan pervaneleri çalıştırmak için kullanıldı ve hiçbir redüksiyon dişlisi kullanılmadı. Pervanenin ideal bir hızda çalışmasını sağlamak için, hem buhar türbini hem de pervane kendi optimum hızlarında çalışabilsin diye buhar türbinine bir redüksiyon dişlisi eklendi. 1916'ya gelindiğinde, hemen hemen tüm deniz buhar türbinleri redüksiyon dişlileri kullandı ve redüksiyon oranı başlangıçtaki 1:20'den 1:80'in üzerine çıkarıldı. Redüksiyon cihazı benimsendikten sonra, buhar türbini daha yüksek bir hızda çalışabilir, verimlilik önemli ölçüde iyileştirilir, makine gövdesinin boyutu buna göre küçültülür, tüm cihaz daha kompakt hale gelir, toplam ağırlık büyük ölçüde azalır ve pervanenin çalışma verimliliği büyük ölçüde iyileştirilir, bu da buhar türbinini ideal bir yüksek güçlü deniz güç cihazı haline getirir. Birçok büyük yolcu gemisi, süper tanker ve yüksek hızlı konteyner gemisi buhar türbinlerini kullanır.

Uzun zamandır, çıkış gücündeki önemli avantajı nedeniyle, buhar türbinleri çeşitli büyük gemilerde, özellikle büyük yüzey gemileri alanında belirli uygulama beklentilerine sahiptir. Ancak, ülkemin buhar türbini üretim endüstrisinin geç başlaması nedeniyle, ana motor olarak buhar türbinleri kullanan gemilerin oranı yüksek değildir. Ülkemin gemi inşa endüstrisi sisteminin iyileştirilmesiyle, hala tam olarak geliştirilmesi beklenmektedir. Şu anda, bu aşamada deniz buhar türbinlerinin geliştirilmesinde iki ana eğilim vardır: biri, buharın başlangıç ​​parametrelerini artırarak ve karmaşık çevrimler benimseyerek sistemin termal verimliliğini iyileştirmek, böylece ana motor ve yardımcı motorların verimliliğini artırmak; diğeri, daha düşük buhar parametreleri kullanmak ve buhar akış hızını artırmak, böylece türbin gövdesi ve kazanın daha basit bir yapısal sistemi benimseyebilmesi, böylece yönetim sürecini basitleştirmek ve cihazın güvenilirliğini artırmaktır.

4 Deniz gaz türbinlerinin teknik özellikleri ve geliştirme genel bakışı

4.1 Deniz gaz türbinlerine genel bakış

Buhar türbinleri ve dizel motorlar, tanıtıldıkları günden bu yana yaygın olarak kullanılmıştır. Bu makalenin 2.2 ve 3.2'sinde açıklandığı gibi, dizel motorlar, yakıtın silindirin içinde yandığı bir tür içten yanmalı motordur ve iyi manevra kabiliyeti avantajına sahiptir; buhar türbinleri bir tür termal türbin makinesidir ve başlıca avantajları büyük tek üniteli güce sahip olmalarıdır. Gaz türbinleri her ikisinin avantajlarını birleştirir ve ikisinden sonra 20. yüzyılın ortalarında resmen geliştirilen bir tür termal motordur.

Buhar türbinleri gibi gaz türbinleri de bir tür termal türbin makinesidir ve esas olarak üç parçadan oluşur: kompresör, yanma odası ve türbin. Bunlar arasında türbin esas olarak bir süperşarj türbini ve bir güç türbini içerir. Süperşarj türbini kompresörle eş eksenlidir ve güç türbini pervaneyi şaft sistemi aracılığıyla çalıştırır; bu sisteme genellikle çift şaftlı gaz türbini de denir. Kompresör, yanma odası ve süperşarj türbini birlikte gaz jeneratörünü oluşturur.

4.2 Deniz gaz türbinlerinin temel teknik özellikleri

Geliştirme sürecinde, gaz türbinleri ilk olarak havacılık tahriki alanında yaygın olarak kullanıldı ve piston motorlarının yerini tamamen aldı. 1947'den beri gaz türbinleri su üstü gemileri alanında da kullanılmaya başlandı ve sonraki on yıllarda büyük ilerleme kaydetti. Yavaş yavaş su üstü gemilerinin ana güç ünitelerinden biri haline geldiler ve dünya çapındaki donanmalar tarafından oldukça değerli görüldüler. Teknik avantajları esas olarak aşağıdaki gibidir.

1) İyi manevra kabiliyeti, mükemmel başlangıç ​​ve hızlanma performansı. Gaz türbini soğuk durumdan başlar ve tam yük koşullarına ulaşması sadece 2 ila 3 dakika sürer. Düşman keşfedildiğinde, gemi hızlı bir şekilde yanıt verebilir ve hızlı bir şekilde savaşa girebilir, savaşın manevra kabiliyetini iyileştirebilir ve hazırlık süresini etkili bir şekilde kısaltabilir. Yukarıdaki avantajlar yüzey gemileri için büyük önem taşır.

2) Gaz türbini hafif ve küçük boyutludur, kutu gövde haline getirilebilir ve yüksek tek ünite gücüne sahiptir.

3) Aksesuarların az olması ve çoğunun şase üzerine monte edilmiş olması ünitenin canlılığını güçlü kılıyor.

4) Otomasyon derecesi yüksektir ve daha az personele ihtiyaç duyulur.

5) Ünitenin titreşim genliği küçüktür, bu da gemi personelinin çalışma ortamını etkili bir şekilde iyileştirebilir.

6) Onarımı kolaydır, yönetimi basittir, bakım iş yükü azdır ve otomatik kontrolü kolaydır.

Gaz türbinleri üstün teknik avantajlara sahip olmalarına rağmen aşağıdaki dezavantajlara da sahiptirler.

1) Gaz türbinlerinin ekonomisi dizel motorlarınki kadar iyi değildir, özellikle nominal çalışma koşullarından saptıklarında gaz türbinlerinin yakıt tüketim oranı hızla artacaktır. Örnek olarak WR-21 gaz türbinini ele alırsak, nominal koşullardaki yakıt tüketim oranı yüksek hızlı dizel motorlarınkine benzerdir, ancak düşük yük koşullarında çalışırken bu tip gaz türbininin yakıt tüketim oranı hızla artacaktır. Tam da yukarıdaki sorunların varlığı nedeniyle gaz türbinlerinin sivil gemilerde uygulanması sınırlıdır.

2) Gaz türbinleri doğrudan geri döndürülemez ve geri vites aktarma tertibatı veya pervane eğimi ayarlanabilir bir düzenekle donatılması gerekir, bu da güç ünitesi yapısını daha karmaşık hale getirir ve sistem maliyetini artırır.

3) Gaz türbini, su üstü gemisinin güverte ve kamara alanının genel düzenini etkileyen giriş ve egzoz kanalları için geniş bir kesit alanına sahiptir.

4) Egzoz sıcaklığı yüksek ve ısı yayılımı güçlü olduğundan termal sinyal özellikleri de güçlüdür, bu durum geminin tamamının gizlenmesini etkiler.

5) Sıcaklık gibi çevresel şartlara karşı hassastır, bu durum ünitenin termal verimini kolayca etkiler.

6) Ünite ömrü kısadır. Gaz türbininin yanma odası ve türbin kanatları sürekli olarak yüksek sıcaklık ve yüksek basınç koşulları altında çalıştığından. Aynı zamanda gaz türbininin soluduğu deniz havası belirli miktarda tuz içerir. Sodyum ve vanadyum gibi maddelerin etkisi altında türbin kanatları ve nozulları kısa sürede aşınabilir. Genellikle yüksek kaliteli alaşımlı malzemeler seçilse de deniz gaz türbinlerinin kullanım ömrü hala kısadır.

4.3 Deniz gaz türbinlerinin teknik gelişimine genel bakış

Buhar türbinleriyle karşılaştırıldığında, gaz türbinleri küçük boyutlu, hafif, yakıt tüketimi düşük, başlatma ve hızlanmada iyi, günlük işletim ve bakımda basit ve uzaktan merkezi kontrol için uygundur. Dizel motorlarla karşılaştırıldığında, gaz türbinleri nispeten düşük termal verimliliğe sahip olsa da, birim başına daha yüksek güce, daha basit yapıya, daha az parçaya, daha hafif ağırlığa, daha küçük boyuta ve kademeli olarak iyileştirilmiş güvenilirliğe sahiptir. Bu nedenle, uygulama alanları son yıllarda kademeli olarak genişletilmiştir.

Son yıllarda, bazı yüksek hızlı sivil gemiler de ana tahrik gücü olarak gaz türbinlerini kullanmaya başladı. Bazı ülkelerin ana gemilerinin hepsi tahrik gücü olarak gaz türbinlerini kullanıyor. Gemi gücü talebinin artmasıyla birlikte, gaz türbinlerini enerji santralleri olarak kullanma planları da var. Ülkemde deniz gaz türbinlerinin araştırma ve geliştirme çalışmaları da önemli ilerleme kaydetti ve geniş bir gelişme potansiyeline sahip.

Bu aşamada, esas olarak iki farklı tipte gaz türbini geliştirilir: havacılıktan türetilen ve endüstriyel. Havacılıktan türetilen tipler basit yapı, hafiflik ve kolay kontrol özelliklerine sahiptir, ancak yüksek kaliteli yakıt kullanmaları gerekir. Endüstriyel gaz türbinleri, daha uzun bir hizmet ömrüne sahip olan ve uygun şekilde işlenmiş ağır yağ kullanabilen başka bir model türüdür. Endüstriyel üniteler genellikle rejeneratörler kullanır. Yakıt yanması büyük miktarda hava gerektirir ve büyük miktarda egzoz gazı üretir, bu da hava tedarikini ve baca gazı emisyonlarını önemli konular haline getirir.

Deniz gaz türbinlerinin hızlı gelişmesinin bir diğer nedeni de havacılık gaz türbinlerinin ve endüstriyel gaz türbinlerinin mevcut teknik temellerini devralmaları ve kullanmalarıdır. Özellikle ilki için, havacılık motorları her zaman gaz türbini teknolojisi gelişiminin öncüleri olmuştur. Gaz türbinlerinin prensibi insanlar tarafından uzun zamandır bilinmektedir, ancak uzun süredir, buhar türbinleriyle karşılaştırıldığında, gaz türbinlerinin endüstride uygulanması nispeten yavaş olmuştur. Buhar türbinlerinin çalışma sıvısı suya yoğunlaşabilir, bu nedenle besleme suyu pompası tarafından tüketilen güç büyük değildir. Ancak, gaz türbinlerinin çalışma sıvısı suya yoğunlaşamayan hava ve gazdır, bu nedenle kompresörün sıkıştırma işlemini gerçekleştirmek için önemli miktarda enerji tüketmesi gerekir. Bu nedenle, yalnızca çevrim sıcaklığı, kompresör ve türbin verimliliği yüksek olduğunda, gaz türbini yüksek bir çevrim verimliliğine sahip olabilir ve büyük bir faydalı güç sağlayabilir. Gaz türbinlerinin geliştirilmesini ve uygulanmasını kısıtlayan şey, yüksek sıcaklık malzemelerindeki teknik zorluklar, kanat soğutma teknolojisi ve kompresörlerin aerodinamik performansıdır.

Endüstriyel gaz türbinleriyle karşılaştırıldığında, deniz gaz türbinlerinin ünite ağırlığı ve boyutu konusunda daha katı gereksinimleri vardır. Ancak, bu gereksinim havacılık gaz türbinlerininkiyle karşılaştırıldığında nispeten gevşektir. Aksine, deniz gaz türbinlerinin aerodinamik tasarımının odak noktası veya ana çelişkisi genellikle yüksek bileşen verimliliği ve kararlı değişken çalışma özellikleridir. Aynı zamanda, geliştirme döngüsünü kısaltmak için hata ayıklama iş yükünü azaltmak gerekir. Deniz gaz türbinlerinin ana bileşenlerini tasarlarken, olgun teknoloji, kararlı çözümler, basit yapı ve kolay üretim gereksinimlerine tam olarak dikkat etmek gerekir. Havacılık gaz türbinlerinin aksine, deniz gaz türbinlerinin seyir gücü, maksimum gücünden önemli ölçüde düşüktür. Bu özellik, bir seyir ünitesi ve bir ivme ünitesinin birleşik güç ünitesini benimseyerek çözülebilse de, yine de çok çeşitli yük koşullarında deniz gaz türbinlerinin ekonomisi için belirli gereksinimleri ortaya koymaktadır.

Günümüzde havacılıktan türetilen gaz türbinleri genellikle askeri gemilerin güç üniteleri haline gelmiştir. Endüstriyel gaz türbinleri, güç ünitesinin ağırlığı ve boyutu için daha düşük gereksinimleri olan sivil gemiler için daha uygundur. Geminin geri gitmesi gerekiyorsa, değişken eğimli pervaneler ve elektrikli tahrik kullanılabilir. Ayrıca, kapalı çevrimli gaz türbinleri yüksek verimliliğe sahiptir, ancak hala araştırma aşamasındadır. Gemilerde, gaz türbinleri genellikle kombine güç üniteleriyle birlikte kullanılır.

Şimdilik, deniz gaz türbinleri her zaman gücü artırma, verimliliği iyileştirme ve boyut ve ağırlığı azaltma etrafında gelişiyordu. Gelecekteki geliştirme yönü esas olarak şu şekildedir.

1) Daha yüksek başlangıç ​​parametrelerine sahip basit çevrimler geliştirmeye devam edin, gazın başlangıç ​​sıcaklığını sürekli olarak artırın ve buna göre basınç oranını artırın, aynı zamanda daha verimli soğutma teknolojisini benimseyin. Gelişmiş soğutma teknolojisini benimseyerek, gazın başlangıç ​​sıcaklığı her yıl ortalama yaklaşık 25 ℃ artırılabilir. Son yıllarda, ısıya dayanıklı yüksek mukavemetli malzemeler de sürekli olarak geliştirilmiştir. Yüksek sıcaklık malzemelerini benimseyerek, gazın başlangıç ​​sıcaklığı her yıl ortalama yaklaşık 10 ℃ artırılabilir.

2) Karmaşık çevrimler geliştirmeye devam edin ve ünitenin genel verimliliğini artırmak için gaz türbinlerinin egzoz ısısından tam olarak yararlanın. Bu amaçla, ısı geri kazanım çevrimleri ve gaz-buhar kombine çevrimleri kullanılabilir.

3) Gaz türbininin ana bileşenlerinin performansını daha da iyileştirmek ve ünitenin genel verimliliğini artırmak.

5 Deniz ana motorlarının teknik parametrelerinin karşılaştırılması

Çıkış gücü, büyük yüzey gemilerinin ana motorları seçerken odaklanması gereken bir faktördür. Genel olarak, termal motorların gerçek çıkış gücünü belirleyen iki ana gösterge vardır: çalışma sıvısının akış hızı ve çalışma sıvısının birim akış hızı başına özgül entalpi düşüşü.

Benzer birim boyutu varsayımı altında, gaz türbinleri çıkış gücü açısından dizel motorlardan önemli ölçüde daha iyidir. Yukarıdaki olgunun temel nedeni, gaz türbininin kendi çalışma sıvısı akışının sürekliliğidir. Gaz türbininin içindeki yanma süreci sürekli bir durumdadır, dizel motorun içindeki yanma süreci ise aralıklıdır. Yüksek sıcaklık arızasını ve diğer olguları önlemek için, gaz türbininin içindeki çalışma sıvısının tepe sıcaklığı genellikle dizel motorunkinden daha düşüktür. Dahası, gaz türbinlerinde kullanılan eksenel kompresörün sıkıştırma etkisi genellikle dizel motorların piston mekanizması kadar iyi değildir. Bu nedenle, çalışma sıvısının birim akış hızı başına özgül entalpi düşüşü açısından gaz türbinleri bir avantaja sahip değildir. Ancak, yukarıda belirtildiği gibi, gaz türbininin içindeki çalışma sıvısı sürekli akış durumunda olduğundan ve ileri geri hareket eden bir verim olgusu olmadığından, çalışma sıvısı akış hızı açısından açık bir avantaja sahiptir. Genel olarak, benzer yapısal boyut ve ağırlık varsayımı altında, gaz türbinlerinin çıkış gücü genellikle dizel motorlarınkinden daha yüksektir.

Buhar türbinleriyle karşılaştırıldığında, ki onlar da termal türbin makineleridir, gaz türbinlerinin içindeki çalışma akışkanı da sürekli akış halindedir. Gaz türbininin içindeki çalışma akışkanının sıcaklığı daha yüksek olsa da, basıncı önemli ölçüde daha düşüktür. Gaz türbininin çalışma akışkanının basıncı genellikle sadece birkaç MPa'dır, ancak mevcut ultra-süperkritik buhar türbininin buhar basıncı 30 MPa'ya ulaşabilir ve bunun sonucunda gaz türbininin mevcut özgül entalpi düşüşü buhar türbinininkinin yaklaşık 1/5 ila 1/3'ü olur. Genel olarak, gaz türbinleri çıkış gücü açısından genellikle buhar türbinlerinden daha düşüktür, ancak gaz türbinlerinin yüksek manevra kabiliyeti ve otomasyon yönetimi göz önüne alındığında, büyük yüzey gemileri alanında hala belirli uygulama beklentileri vardır. Yukarıdakilere dayanarak, çeşitli deniz ana motorlarının ilgili teknik parametreleri Tablo 1'de gösterilmiştir.

6 Deniz kombine güç ünitelerinin teknik özellikleri ve geliştirme genel bakışı

6.1 Deniz kombine güç ünitelerinin kökeni

Yukarıdaki deniz güç üniteleri güç, hız, manevra kabiliyeti, ekonomi, ağırlık ve boyut açısından farklılık gösterir. Sivil gemiler için ana husus ekonomidir ve eksiklikler yalnızca uygun önlemlerle iyileştirilebilir. Askeri gemiler için savaş etkinliği ana hedeftir ve tüm geminin hızını ve manevra kabiliyetini iyileştirmek için ünitenin gücünü iyileştirmeye daha fazla dikkat edilir.

İlgili istatistiklere göre (Tablo 2), seyir sırasında su üstü gemileri çoğunlukla seyir (düşük hız) koşullarındadır. Bu sırada güç ünitesinin güç çıkışı genellikle toplam gücün %25'ini geçmez, bu nedenle daha düşük güce, daha uzun hizmet ömrüne ve daha düşük yakıt tüketim oranına sahip bir ünite çalıştırılmak üzere seçilebilir. Bir savaş veya gerçek bir muharebe tatbikatı durumunda (bu koşullar altında su üstü gemilerinin seyir süresi toplam seyir süresinin yalnızca yaklaşık %3'ünü oluşturur), daha yüksek güce ve buna bağlı olarak daha yüksek yakıt tüketim oranına sahip başka bir ivmelenme ünitesi kullanılabilir. Aynı zamanda seyir ünitesi ve ivmelenme ünitesi daha yüksek güç çıkışı sağlamak ve yüksek hız gereksinimlerini karşılamak için birlikte çalıştırılabilir. Böyle bir cihaza genellikle kombine güç ünitesi denir ve bu, seyir koşullarında su üstü gemilerinin ekonomik gereksinimlerini ve muharebe sırasında yüksek manevra kabiliyeti gereksinimlerini dengelemek için kullanılabilir.

6.2 Kombine güç ünitelerinin ve bunların kombinasyon tiplerinin gelişimine genel bakış

6.2.1 Kombine güç ünitelerinin gelişimine genel bakış

Şimdiye kadar, yüzey gemileri için kombine güç üniteleri uzun zamandır geliştirilmektedir. İlgili deneyim, yeni bir tip termik motor çıktığında, bu tip üniteden ve diğer mevcut ana motorlardan oluşan yeni bir tip kombine güç ünitesinin sıklıkla ortaya çıkacağını göstermektedir. Gerçek kullanımda, yeni termik motorların teknik performansı iyileştikçe, tek tip bir güç ünitesi kademeli olarak bir avantaj elde edecek ve daha önce kullanılan kombine güç ünitesinin yerini alacaktır. Daha gelişmiş termik motorlar ortaya çıkana kadar, daha özgün bir kombine güç ünitesi üretmek için tekrar mevcut ana motorlarla birleştirileceklerdir. Bu fenomen kendini sonsuza kadar tekrar eder.

Özellikle buhar makinesi, Sanayi Devrimi sırasında doğan ve insanlık tarihinde önemli bir rol oynayan bir tür termal makinedir. 19. yüzyılın sonunda, yeni bir tür buhar güç ünitesi olan buhar türbini ortaya çıktı. Tarihteki en eski kombine güç ünitesi, bir buhar makinesi ve bir buhar türbininden oluşuyordu. Bu tür kombine güç ünitesinin tasarım konsepti şu şekildedir: Buhar makinesinin boşluk hacmi ve silindir strokunun sınırlı olması nedeniyle, yüksek sıcaklıktaki buhar silindir içinde tam olarak genleşemez, bu nedenle buhar makinesinin arkasına bir buhar türbini yerleştirilir. Buhar makinesinde iş yapan buhar, tekrar genleşmek için buhar türbinine girer ve böylece buhar enerjisinin bir kısmını geri kazanır. Bu şekilde, enerjinin kademeli kullanımı sağlanır ve ünitenin gücü ve termal verimliliği etkili bir şekilde iyileştirilir.

Ancak teknolojinin gelişmesiyle birlikte buhar makineleri yavaş yavaş tarih sahnesinden çekilmiş ve çeşitli büyük gemiler buhar türbinleri gibi tek tip ana makine kullanmaya daha meyilli hale gelmiştir. Buhar türbinlerinin teknik avantajlarını ileriye taşımak ve dezavantajlarını aşmak için buhar türbini gövdesinin teknik performansını sürekli iyileştirmenin yanı sıra diğer tipteki termik motorlarla kombine bir güç ünitesi de oluşturabilir. II. Dünya Savaşı'ndan sonra gaz türbini teknolojisinin kademeli olarak gelişmesiyle mükemmel güç performansı da yaygın ilgi görmüş ve ivme ünitesi olarak onunla birlikte bir dizi kombine güç ünitesi yavaş yavaş ortaya çıkmıştır.

Günümüzde ağırlıklı olarak gaz türbinlerinin hakim olduğu kombine güç üniteleri aşağıdaki tiplerdedir.

1) Buhar-yanmalı kombine güç ünitesi. Bu tip kombine güç santrali, seyir cihazı olarak küçük bir buhar türbini ve ivme cihazı olarak bir gaz türbini kullanır. Tek bir buhar türbini güç santraliyle karşılaştırıldığında, bu tip kombine güç santrali boyut, ağırlık ve başlangıç ​​ivme performansı açısından önemli ölçüde iyileştirilmiştir.

2) Yakıt-yakıt kombine güç santrali. Yakıt-yakıt kombine güç santralleri iki türe ayrılır: yakıt-yakıt kombine güç santralleri ve yakıt-yakıt alternatif güç santralleri. Bu cihazın seyir ünitesi ve ivme ünitesi her ikisi de gaz türbinleridir. Seyir gaz türbini, seyir için gereken düşük gücü ekonomik olarak sağlayabilir ve yüksek hız koşullarında bir ivme ünitesi olarak çalışabilir. Bu sistemin esnek çalışma, yüksek güç ve hafiflik avantajları vardır, ancak cihaz pahalıdır ve emme ve egzoz kanalları güvertede büyük bir alan kaplayarak tüm geminin düzenini etkiler.

3) Dizel yakıtlı kombine güç santrali. Bu tip kombine güç santralleri iki türe ayrılır: dizel yakıtlı kombine güç santralleri ve dizel yakıtlı alternatif güç santralleri. Bu cihaz seyir ünitesi olarak bir dizel motor ve hızlanma ünitesi olarak bir gaz türbini kullanır. Dizel motorlar seyir ve geri viteste kullanılır ve gaz türbinleri yüksek hızlı navigasyonda kullanılır. Bu tip kombine güç ünitesinin düşük yakıt tüketimi, iyi hızlanma ve iyi güvenilirlik avantajları vardır.

6.2.2 Kombine güç ünitelerinin ana kombinasyon tipleri

Gaz türbinlerinin üstün teknik avantajları göz önüne alındığında, bunlardan oluşan kombine güç üniteleri aşağıda gösterilmiş ve Tablo 3’te özetlenmiştir.

6.3 Kombine güç ünitelerinin temel teknik özellikleri

Kombine güç ünitesi genel olarak şu teknik özelliklere sahiptir.

1) İvme ünitesi olarak daha hafif ve manevra kabiliyeti daha yüksek bir gaz türbini kullanıldığından ve böylece yüksek yük koşullarında gücün çoğunu (veya tamamını) sağladığından, geminin tüm güç ünitesinin toplam ağırlığı buna göre azaltılabilir.

2) Daha verimli ve ekonomik seyir ünitesi kullanıldığından su üstü gemilerinin dayanıklılığı büyük ölçüde artırılabilmektedir.

3) İki tip bağımsız ünite kullanıldığından güç ünitesinin güvenilirliği artırılmıştır.

4) Yüzey gemilerinin ters sürecini gerçekleştirmek için, birleşik güç ünitesi, pitch pervaneleri, redüktörler ve elektrikli tahrik gibi ilgili sistemlerle eşleşmek için daha uygundur. Bu sırada, herhangi bir ana motor pervaneyi bağımsız olarak çalıştırabilir. Ancak, ters dönüş elde edebilen bir ana motor (örneğin, bu makalenin 3.3'ünde belirtilen düşük hızlı bir dizel motor ve ters türbin) kullanılırsa, bunun genellikle iletim gücünün uyuşmamasına veya diğer daha karmaşık teknik sorunlara yol açacağı ve dolayısıyla sistemin güvenilirliğini azaltacağı unutulmamalıdır.

6.4 Kombine güç ünitelerinin genel gelişim eğilimi

Yukarıda da değinildiği gibi, çeşitli tipteki termik motorların farklı performans karakteristikleri ve uygulanabilirlikleri nedeniyle, ilgili ana motorları basitçe çiftler halinde birleştirerek ideal bir kombine güç ünitesi haline getirmek mümkün değildir.

Mevcut kombine güç ünitelerine gelince, gaz türbinleri çoğunlukla ivme üniteleri olarak kullanılır. COGOG tipi kombine güç ünitesini örnek alırsak, seyir ünitesi genellikle daha büyük birim ağırlığına, daha küçük güce, daha düşük yakıt tüketim oranına ve daha uzun ömre sahip ağır bir gaz türbini kullanırken, ivme ünitesi genellikle daha büyük güce, daha yüksek yakıt tüketim oranına ve daha kısa ömre sahip hafif bir gaz türbini kullanır.

Yukarıda belirtilen COSAG tipi kombine güç ünitesi de bir diğer örnektir. Son yıllarda dizel motor gücündeki artış ve gaz türbini verimliliğindeki iyileşme ve ünitenin kombine durumunda ters buhar türbininin gerçek kullanım etkisi ve güvenilirliği ile birlikte, iyileştirmenin acil olduğu görülmektedir. Bu nedenle, COSAG tipi kombine güç ünitesi kademeli olarak CODOG tipi kombine güç ünitesi ve CODAG tipi kombine güç ünitesi ile değiştirilmektedir.

7 Deniz nükleer güç ünitelerinin teknik özellikleri ve özel tipleri

7.1 Deniz nükleer güç ünitelerine genel bakış

Bir nükleer güç ünitesinin ana kısmı, bir kazanın fırını ve yanma odasına eşdeğer olan bir atom reaktörüdür. Nükleer güç üniteleri genellikle reaktörün nükleer yakıtı olarak 235U kullanır. Nükleer enerjili savaş gemileri genellikle cihazın boyutunu ve ağırlığını azaltmak için %20 ila %40'tan fazla konsantrasyona sahip yüksek konsantrasyonlu nükleer yakıt kullanır. Nükleer enerjili ticaret gemileri, ekonomi açısından bakıldığında, çoğunlukla %5'ten az konsantrasyona sahip düşük konsantrasyonlu nükleer yakıt kullanır. Nükleer santraller, geminin ana motorunun dayanıklılığını önemli ölçüde artırabilir ve denizaltılar için özellikle önemli olan hava solumaya ve egzoz gazı boşaltmaya gerek kalmaz. Bu nedenle, nükleer santraller ilk olarak denizaltılarda yaygın olarak kullanılır. Nükleer santraller ayrıca uçak gemileri ve kruvazörler gibi büyük gemilerde de iyi uygulama beklentilerine sahiptir. Nükleer güçle çalışan gemilerdeki radyoaktif maddelerin insan vücuduna verdiği zarar ve liman sularının kirlenmesi nedeniyle, pahalı olan ve test ve yönetim teknolojisi karmaşık olan devasa bir kurşun koruyucu tabaka ve komple bir güvenlik koruma önlemleri seti kullanılması gerekir. Sivil gemilerde de kullanılmasına rağmen, yaygın olarak tanıtılmamıştır ve hala geliştirme aşamasındadır.

7.2 Deniz nükleer santrallerinin temel teknik özellikleri

Nükleer reaktörlerin geniş ölçekte uygulanması, deniz enerji santrallerinin geliştirilmesi için geniş ufuklar açmış olup, teknik avantajları başlıca şunlardır.

1) Çok az miktarda nükleer yakıt tüketilerek büyük enerji elde edilebilir. Nükleer santral kullanan gemiler son derece uzun mesafeleri yüksek bir hızla kat edebilirler. Örneğin, yaklaşık 11,040 kW (15,000 PS) gücündeki bir nükleer santral, bir gün ve bir gecede yalnızca 15 ila 18 g nükleer yakıt tüketir. Amerika Birleşik Devletleri'nin ilk nükleer denizaltısı olan Nautilus, yakıt ikmali yapmadan su altında dünya turu yapabilir. Sovyet nükleer enerjili buzkıran Lenin, yakıt ikmali yapmadan bir yıl boyunca aralıksız yelken açabilir. Nükleer santraller kullanıldıktan sonra, yüzey gemilerinin dayanıklılığı büyük ölçüde iyileştirilir ve tasarruf edilen alan daha fazla silah ve ekipman taşımak için kullanılabilir ve bu da tüm geminin savaş kabiliyetini artırır.

2) Hava tüketimi yok. Nükleer reaksiyon süreci havanın katılımını gerektirmez. Bu özellik, özellikle denizaltılar için, başka hiçbir santral türünde yoktur. Nükleer santraller kullanılarak, denizaltıların savaş etkinliği önemli ölçüde iyileştirilebilir ve uzun süre derin denizde saklanabilirler, bu da düşman tarafından keşfedilmelerini zorlaştırır. Nükleer santrallerin hava tüketmemeleri özelliği, yüzey gemileri için de belirli avantajlara sahiptir, çünkü hava giriş ve çıkış kanalları kurmaya gerek yoktur ve yüksek sıcaklıkta duman oluşmaz, bu da buna bağlı olarak gizliliği iyileştirir. Nükleer bir savaşta, hava girişinden radyoaktif duman soluma riski de azalır, bu da nükleer korumanın gerçekleştirilmesini kolaylaştırır.

Ancak nükleer santrallerin aynı zamanda bazı dezavantajları da vardır, başlıcaları şunlardır.

1) Büyük ağırlık ve boyut. Nükleer reaksiyon süreci, insan vücuduna ciddi zararlar verecek ve açık deniz, kıyı suları ve rıhtımlarda belirli kirliliğe yol açacak büyük miktarda radyoaktif madde salacağından, radyoaktif maddelerin kaçmasını önlemek için yüzlerce ton hatta binlerce ton ağırlığında bariyerler kurmak gerekir, bu da tüm santralin boyutunu ve ağırlığını daha da büyütür.

2) Nükleer santraller pahalıdır ve işletme ve yönetim teknolojisi karmaşıktır, bu da büyük ölçekli tanıtımlarını bir ölçüde kısıtlamaktadır.

Yukarıda belirtilen nedenlerden dolayı nükleer santraller daha çok büyük yüzey gemileri ve denizaltılar için kullanılmakta olup, sivil gemi alanındaki gelişimi nispeten yavaştır.

7.3 Deniz nükleer reaktörlerinin belirli tipleri
Gemideki personelin güvenliğini sağlamak için, nükleer enerjili gemiler genellikle kara tabanlı nükleer santrallerden daha sıkı radyoaktivite koruma gerekliliklerine sahiptir. Yüzey gemileri seyir sırasında çarpışmalar, karaya oturmalar, yangınlar ve patlamalarla karşılaşabilir veya torpido ve füze gibi silahlardan gelen kazara saldırılarla batırılabilir. İlgili kazaların meydana gelme olasılığı göz önüne alındığında, nükleer kirliliğin yayılmasını azaltmak için gemi nükleer santralleri kalıcı kapatma işlevine sahip olmalı ve katı reaktör bariyerleriyle donatılmalıdır. Nükleer santraller için gemilerin özel gerekliliklerine göre, şu anda kullanılan basınçlı su reaktörleri esas olarak aşağıdaki üç tiptedir.

7.3.1 Yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum levha yakıt elemanlı reaktör

Bu tip reaktör, %235'den fazla 20U zenginleştirmeye sahip plaka yakıt elemanları kullanır. Plaka elemanı, büyük bir ısı dağıtım alanına, kompakt bir çekirdek düzenine, küçük bir hacme ve birim hacim başına yüksek bir çıkış gücüne sahiptir. Bu, reaktör kabuğunun boyutunu küçültebilir ve ekipman düzenini daha kompakt hale getirebilir. Ancak, teknik dezavantajları esas olarak gereken yüksek nükleer yakıt konsantrasyonunda ve tasarım, inşaat ve işletmenin yüksek maliyetinde yatmaktadır.

7.3.2 Düşük zenginleştirilmiş uranyum dağıtılmış basınçlı su reaktörü

Bu tip basınçlı su reaktörünün yapısı, kara tabanlı bir nükleer santral basınçlı su reaktörünün yapısıyla hemen hemen aynıdır. Bir buhar jeneratörü, bir reaktör, bir birincil soğutma pompası ve bir basınçlandırıcıdan oluşur. İlgili bileşenler, yüksek sıcaklıklı, yüksek basınçlı kapalı bir devre oluşturmak için borularla bağlanır. İkincil devre sistemi ve ekipmanları, geleneksel deniz buhar santrallerine benzerdir.

7.3.3 Entegre basınçlı su reaktörü

Örnek olarak Alman “Otto Hahn” deniz basınçlı su reaktörünü ele alalım. Entegre bir yapı, basit bir birincil döngü sistemi, kompakt ekipman ve yüzey gemileri için uygun olan küçük bir reaktör güvenlik kabuğu boyutu benimser. Ayrıca, çekirdek soğutma suyuyla doldurulur ve iyi bir doğal sirkülasyon performansına sahiptir. Soğutma pompası birincil döngüde durduğunda, çekirdeğin soğutma sürecini sürdürmek için soğutucunun doğal dolaşımına güvenilebilir. Entegre basınçlı su reaktörünün dezavantajı, reaktör, buharlaştırıcı ve ana pompanın birbirine bağlı olmasıdır, bu da reaktörün iç yapısını karmaşık hale getirir ve tasarım, üretim ve bakım zorluğunu artırır.

8 Deniz elektrikli tahrik cihazı

Elektrikli tahrik cihazları gemi tahriki için de kullanılabilir. Bu tip cihazlar çeşitli yollarla elektrik enerjisi elde eder ve ardından motor gemiye tahrik gücü sağlamak için pervaneyi çalıştırır. Özellikleri, pervane hızının çeşitli çalışma koşulları altında navigasyon ihtiyaçlarını karşılamak için keyfi olarak ayarlanabilmesi ve çalıştırılmasının basit ve yönetiminin kolay olmasıdır. Denizaltılar, bilimsel araştırma gemileri, feribotlar vb. gibi özel gereksinimleri olan bazı gemiler için daha uygundur. Elektrikli tahrik cihazının en büyük avantajı iyi manevra kabiliyetidir. Motorunun minimum hızı, nominal hızın 1/10'undan daha aza ulaşabilir ve gemi son derece düşük hızlarda seyredebilir. Ayrıca, bu tip cihazların başlatma ve ileri ve geri geri gitme süresi de kısadır. Ana jeneratör ve motor tahrikli pervane her biri en iyi çalışma koşulları altında çalışabilir ve uzaktan kontrol edilmesi ve yönetilmesi kolaydır ve tüm cihazın titreşimi ve gürültüsü nispeten küçüktür.

Genel olarak, güç üretimi için kullanılan ünite bir ana tahrik ünitesi ve bir jeneratörden oluşur. Ana tahrik üniteleri esas olarak buhar türbinleri, dizel motorları ve gaz türbinlerini içerir ve bunlar temel olarak gemilerin ana motor tipleriyle aynıdır. Yukarıda belirtildiği gibi, dizel motorların nispeten küçük gücü nedeniyle, genellikle askeri yardımcı gemilerin ana ve yardımcı jeneratör setleri veya askeri gemilerin yardımcı jeneratör setleri için kullanılırlar. Buhar türbinleri yüksek hız ve yüksek güç avantajlarına sahiptir ve teknoloji nispeten olgunlaşmıştır, ancak büyük boyut ve ağırlık, düşük verimlilik, geniş gemi alanı ve zor yerleşim gibi dezavantajları da vardır. Jeneratör setlerinde kullanılırlarsa, tüm jeneratör setinin güç yoğunluğu azalacaktır. Ayrıca, buhar türbinlerinin yüksek hızı nedeniyle, 50 Hz AC güç şebekesi kullanılırsa, hızı düşürmek için büyük bir dişli kutusu gerekir ve bu da buna bağlı olarak tüm geminin gürültüsünü artıracaktır. Gaz türbinlerinin bu alanda iyi beklentileri vardır. Şu anda, birçok geminin elektrikli tahrik sistemi, güç üretimi için ana tahrik ünitesi olarak gaz türbinlerini seçmektedir.

9 Deniz enerji santrali teknolojisinin gelişim tarihine genel bakış

Buhar makinesi deniz enerji santrallerinde kullanıldığından, hızla belirli bir baskın konuma geldi. Birinci Dünya Savaşı'na kadar, buhar makineleri hala dünyadaki sivil ve askeri gemilere hakimdi ve gemiler için en önemli güç kaynağıydı. Ancak, buhar makinelerinin altın çağı sona eriyordu. Buhar makinelerinin büyük boyutu ve düşük termal verimliliği nedeniyle, Birinci Dünya Savaşı ve İkinci Dünya Savaşı sırasında yavaş yavaş dizel motorlar ve buhar türbinleri ile değiştirildiler. Aynı zamanda, düşük hızlı dizel motorların yakıt tüketim oranı buhar türbinlerinden önemli ölçüde düşük olduğundan, düşük kaliteli yakıt yakabiliyorlardı ve yüksek güvenilirliğe sahiplerdi, bu nedenle sivil gemiler alanında yavaş yavaş buhar türbinlerinin yerini aldılar.

Daha büyük deplasmana sahip gemiler için neredeyse tüm buhar türbinleri kullanılırken, küçük gemiler dizel motorları kullanmaya daha meyilliydi. Dizel motorlar için yeni bir rakip ancak 1947'de ortaya çıktı. Gaz türbinleriyle çalışan ilk İngiliz gemisi test edildikten sonra, o dönemde hakim olan dizel motorlar ve buhar türbinleriyle rekabet etmeye başladı.

Deniz enerji santralleri alanında oldukça ekonomik olmasına ve kayda değer sonuçlar elde etmesine rağmen, dizel motorun gücü sınırlıydı ve artık büyük gemilerin güç performans gereksinimlerini karşılayamıyordu. Buna karşılık, buhar türbini basit bir yapıya ve yüksek güce sahip olmasına rağmen, büyük bir buhar üretme cihazı (kazan vb. gibi) ve yardımcı sistemlerle donatılması gerekiyor ve ekonomisi ve manevra kabiliyeti zayıftı. Bu çelişkili durum, gaz türbini ortaya çıkana kadar devam etti. Gaz türbini, askeri gemi gücü alanında yaygın olarak popüler hale geldiğinde, yukarıdaki sorunlar yavaş yavaş çözüldü. Gaz türbinleri yalnızca tek bir güç ünitesi modeli oluşturmakla kalmaz, aynı zamanda yeni bir birleşik güç ünitesi oluşturmak için dizel motorlar gibi diğer güç üniteleriyle de eşleştirilebilir. Güç ünitesi olarak karmaşık çevrimli gaz türbinlerine sahip gemiler, yalnızca iyi ekonomik göstergelere sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda her iki dünyanın da en iyisi olduğu söylenebilecek yüksek genel güce de sahiptir.

Tam da gaz türbinlerinin kolay çalıştırma ve iyi manevra kabiliyeti avantajlarına sahip olması nedeniyle, yaygın ilgi görmüşlerdir ve "sonradan gelenler" olma olasılıkları yüksektir. Ancak, gaz türbinleri yüksek sıcaklık ve yüksek basınç koşulları altında çalıştıkları için yakıt kalitesine yönelik yüksek gereksinimleri vardır ve termal verimlilikleri dizel motorlardan önemli ölçüde düşüktür, bu nedenle sivil gemilerde nadiren kullanılırlar.

Nükleer santraller, yüksek sıcaklıkta, yüksek basınçlı buhar elde etmek için nükleer reaktörler kullanır. Nükleer reaktörler, sürekli dolaşan soğutma suyu tarafından emilen kontrol edilebilir nükleer fisyon zincir reaksiyonları yoluyla yüksek enerji üretir. Daha sonra ısı, buhar jeneratörü aracılığıyla ikinci döngüdeki suya aktarılır, buhar jeneratörü onu buhara dönüştürür ve daha sonra iş yapmak üzere buhar türbinine gider. Günümüzde nükleer santraller çoğunlukla büyük yüzey gemilerinde ve denizaltılarda kullanılır.

Dünya çapında ülkeler de nükleer santrallerin sivil gemiler alanında uygulanması konusunda ilgili araştırmalar yürütmüşlerdir. ABD bunu “Savannah” gemisinde başarıyla test etmiş; Sovyetler Birliği de buzkıran “Lenin” gemisinde nükleer santral kullanmıştır. O tarihten bu yana Almanya ve Japonya da nükleer enerjiyle çalışan sivil gemiler inşa etmişlerdir. Bir deneme seferi döneminden sonra ilgili gemiler hukuki ve kamuoyu gerekçeleriyle seferlerini durdurmak zorunda kalmışlardır. Radyoaktif maddelerin su yollarını, limanları ve kentsel çevreleri kirleteceği endişesi nedeniyle birçok liman nükleer enerjiyle çalışan gemilerin limana girmesine izin vermemektedir. Ayrıca nükleer yakıt kullanımından sonra nükleer atıklar için uygun arıtma yöntemlerinin eksikliği de sivil gemilerde nükleer santrallerin uygulanmasını bir ölçüde sınırlamaktadır.

Bilim ve teknolojinin hızla gelişmesiyle birlikte yakıt hücreleri, manyetohidrodinamik tahrik, güneş hücreleri vb. gibi yeni deniz güç cihazları ortaya çıkmaya devam ediyor. Bunlar arasında yeni manyetohidrodinamik tahrikin iyi bir beklentisi var. Bu tahrik yöntemi süperiletken bir elektromanyetik tahriktir. Prensibi, gemiye süperiletken mıknatıslar yerleştirmek ve daha sonra süperiletken mıknatıslar tarafından üretilen manyetik alan ve deniz suyundaki akım tarafından üretilen kuvveti kullanarak gemiyi ileri itmek için deniz suyundan akım geçirmektir. Bu tahrik formunun özellikleri basitleştirilmiş iletim modu, dönen parça olmaması (pervane ve şaft sistemi yok), büyük itme gücü ve yüksek hızdır.

Deniz güç cihazları için 10 temel teknik gereksinim

Deniz güç cihazlarının seyir kabiliyetinin sağlanabilmesi için ana makine seçimi yapılırken aşağıdaki teknik performansların tam olarak sağlanması gerekmektedir ki, bu aynı zamanda ana makine seçiminde önemli bir referans teşkil edebilir.

10.1 Güvenilirlik

Elektromekanik ekipmanlar bir süre çalıştırıldıktan sonra kaçınılmaz olarak arızalanacaktır. Deniz güç cihazları için güvenilirlik son derece önemlidir. Güvenilirliğin iki anlamı vardır: biri güç ünitesinin canlılığıdır, bu da esas olarak güç ünitesinin dış etkenlerden etkilendikten sonra çalışmaya devam edebilme yeteneğini ifade eder. Dayanabileceği koşullar ne kadar kötü olursa canlılığı o kadar güçlü olur; diğeri ise güç ünitesinin normal çalışma süresidir. Normal çalışma süresi ne kadar uzun olursa güvenilirlik o kadar yüksek olur ve bunun tersi de geçerlidir.

Yüzey gemisi güç üniteleri için, çok motorlu çok pervaneli veya çok motorlu paralel tahrik yöntemleri sıklıkla kullanılır ve bunların güvenilirliği ve canlılığı tek motorlu tek pervaneli tahrik yönteminden önemli ölçüde daha yüksektir. Çift motorlu çift pervaneli tahrik yöntemini bir örnek olarak ele alırsak, ana motorlardan biri veya onunla eşleşen pervane ciddi şekilde arızalandığında, diğer ana motor ve pervane hala normal şekilde çalışabilir ve geminin tahrik kuvveti tamamen kaybolmaz. Bu nedenle, genel tahrik etkisinden, çift motorlu çift pervaneli tahrik yöntemi daha güçlü bir canlılığa sahiptir. Bu nedenle, yüzey gemileri çoğunlukla çift motorlu çift pervaneli veya çok motorlu çift pervaneli şanzıman yöntemlerini kullanır.

10.2 Manevra Kabiliyeti

Manevra kabiliyeti, bir deniz güç ünitesinin başlatma, hızlanma, frenleme, geri gitme ve birleşme gibi bir çalışma koşulundan diğerine geçiş yapma yeteneğini ifade eder. Güç ünitesinin çalışma koşulu dönüşümünün performansı, geminin rıhtımdan ayrılma, buzlu alanlarda yelken açma, sisli havada yelken açma ve acil durumlardan kaçınma yeteneğini doğrudan etkiler.

10.2.1 Başlatılabilirlik

Çalıştırılabilirliğin kalitesi ana motorun türüyle yakından ilgilidir. Bir dizel motorun çalıştırma süresine gelince, yakıt, yağlama yağı, soğutma suyu ve çalıştırma havası gibi yardımcı sistemler arasında en uzun çalışma süresine sahip sisteme bağlıdır. Bir dizel motorun manevra kabiliyetini iyileştirmek için genellikle silindir ısıtma gibi önlemler alınır.

Buhar türbinleriyle karşılaştırıldığında, dizel motorlar buhar türbinlerinin başlatma işlemi sırasında belirli bir yüksek sıcaklık buhar akışı gerektirir, bu nedenle esas olarak buhar parametrelerinin kazan ateşlendikten sonra belirtilen duruma ulaşma sürecine bağlıdır. Bazı kazanlar buharı hızlı bir şekilde sağlayabilse de, buhar türbinlerinin ortalama başlatma süresi hala dizel motorlardan daha uzundur.

Gaz türbinlerinin dizel motorlara göre devreye girme süreleri nispeten daha kısadır, ancak genel olarak ikisi arasında önemli bir fark yoktur.

10.2.2 Hızlanma

Hızlanma aynı zamanda ana motorun türüyle de ilgilidir. Hızlanma süresini kısaltmanın ilk koşulu, ana motorun gücünü kısa sürede maksimum değere çıkarmasıdır. İkincisi, pervanenin hızlanma süreci sırasında ana motorun güç çıkışını tam olarak emip bunu harici tahrik gücüne dönüştürebilmesidir.

Ana motor için, hızlanma süresini etkileyen ana faktörler bileşenlerin ağırlığı ve termal ataletidir. Daha hafif ağırlık ve daha düşük termal atalet hızlanmaya elverişlidir. Genel olarak konuşursak, gaz türbinlerinin ısı taşıyan bileşenleri nispeten hafif ve küçüktür, bu nedenle daha iyi hızlanma performansına sahiptirler.

Pervaneler için, sabit hatveli pervanelerin hızı belirli kısıtlamalara tabi olduğundan, gemi hızının artmasıyla orantılı olarak artacaktır. Bu nedenle, sabit hatveli pervanelerin hızı arttıkça, makul bir eşleşme elde etmek için ana motorun gücünün de kademeli olarak artırılması gerekir. Ayarlanabilir hatveli pervane, güç emerken kendi hızıyla sınırlı değildir ve kısa sürede daha fazla itme üretebilir, bu nedenle ivmelenmesi sabit hatveli pervanelerden daha iyidir.

10.2.3 Frenleme ve geri vites performansı

Bir geminin frenleme ve geri vitesteki performansı esas olarak pervaneye ve karşılık gelen şanzıman moduna bağlıdır. Geri vitesli düşük hızlı dizel motor + sabit eğimli pervane kombinasyonu için, düşük hızlı dizel motor geri vitese başlamadan önce önce yakıt enjeksiyonunu durdurmalı ve hızını belirli bir aralığa düşürmelidir, bu nedenle geri vites süresi genellikle daha uzundur.

Geri döndürülemez ana motor + debriyaj + sabit hatveli pervane gibi kombinasyonlar için, esas olarak debriyajın performansına bağlıdır. Sistem bir sürtünmeli debriyaj kullanıyorsa, geminin geri dönüş süresi esas olarak debriyaj geri döndüğünde sürtünme parçalarının sıcaklık artışına bağlıdır. Debriyajın geri giderken dayanabileceği mekanik yük ve termal yük ne kadar yüksekse, acil frenleme ve geri dönüş yeteneklerini iyileştirmek için o kadar elverişlidir.

Geri döndürülemeyen ana makine + ayarlanabilir pervane eğimi gibi kombinasyonlarda, geminin frenleme sırasında ana makineyi durdurmasına gerek kalmadığı ve pervane eğimi ayarlanarak ters itme üretilebildiği için frenleme ve geri performansı nispeten iyidir.

11 Deniz güç ünitelerinin uygulama beklentilerinin analizi

Son yıllarda, dizel motorlar çeşitli gemi tipleri için ana güç kaynağı haline geldi. Enerjinin giderek kıtlaştığı günümüzde, dizel motorların yüksek termal verimliliği ve düşük kaliteli yağ teknolojisinin teşviki göz önüne alındığında, dizel motorlar önümüzdeki birkaç yıl içinde gemi ana motorlarında önemli bir konuma sahip olmaya devam edecektir.

Orta ve küçük yüzey gemileri çoğunlukla dizel motorlarla çalıştırılır. Bu gemiler arasında denizaltı avcıları, mayın tarama gemileri, devriye botları, topçu botları, torpido botları, füze botları ve yardımcı gemiler bulunur. Fırkateynler ve muhripler gibi bazı büyük gemiler de güç kaynağı olarak dizel motorlar veya dizel yakıtlı kombine güç üniteleri kullanır. Dizel yakıtlı kombine güç ünitelerinde, dizel motorlar çoğunlukla geminin seyir menzilini uzatmak için düşük yakıt tüketim oranından yararlanmak amacıyla ana seyir motorları olarak kullanılır. Nükleer güç üniteleri hariç, denizaltılar için tüm geleneksel denizaltılar ana motor olarak dizel motorları kullanır ve bazıları ayrıca hava bağımsız tahrik sistemleri (AIP) kullanır.

Günümüzde dizel motorların ve gaz türbinlerinin geliştirilmesi nedeniyle buhar türbinleriyle temsil edilen buhar güç üniteleri eski kapsamlı hakimiyetlerini yitirmiş ve birlikte üç ayaklı bir üçayak oluşturmuşlardır. Ancak buhar türbinleri hala büyük gemilere, özellikle uçak gemilerine ve nükleer denizaltılara hakimdir.

Buhar türbinlerinin büyük yakıt tüketimi nedeniyle, yeni inşa edilen sivil buhar türbini gemilerinin sayısı her geçen yıl azalmaktadır. Buna karşılık, sıvılaştırılmış doğal gaz gemilerinin neredeyse tamamı, kaçan doğal gazı geri dönüştürmek ve kazan yakıtı olarak kullanmak için buhar türbinleri kullanır. Ülkemde, buhar türbinleri hala uçak gemileri ve nükleer denizaltılar gibi büyük ve orta ölçekli gemilere hakimdir. Gerçek gemi kullanımı perspektifinden, buhar türbinlerinin olağanüstü avantajları güvenlik ve güvenilirlik, iyi manevra kabiliyeti, kullanım kolaylığı ve iyi bakım kolaylığıdır. Dezavantajı ise zayıf ekonomidir. Aynı miktarda yakıt altında, seyir menzili kısadır. Bu, deniz buhar türbinlerinin gelişimini etkileyen ölümcül bir zayıflıktır. Buhar türbinlerinin sürekli gelişimini sağlamak için, ekonomiyi iyileştirmek için çaba gösterilmelidir.

Yukarıda belirtildiği gibi, II. Dünya Savaşı sırasında ve sonrasında gemilerde dizel motorlar ve buhar türbinleri yaygın olarak kullanıldı. Ancak, daha sonraki teknoloji gelişimiyle birlikte, ana motor olarak gaz türbinlerinin kullanılması eğilimi oldu. Şu anda, gaz türbinleri esas olarak farklı yapısal tiplerine göre hafif gaz türbinleri ve ağır gaz türbinleri olarak ikiye ayrılabilir. Bunlar arasında, hafif gaz türbinleri havacılık gaz türbinlerine dayanan ve gemi navigasyon koşullarına uyum sağlamak için daha da modifiye edilmiş yeni bir ünite türüdür. Ağır gaz türbinleri, endüstriyel gaz türbinlerine dayanarak geliştirilmiştir ve şu anda çoğunlukla konteyner gemileri, roll-on/roll-off gemileri ve feribotlar gibi büyük sivil gemiler için uygundur, ancak bu tip ünitelerin zayıf ekonomisi nedeniyle uygulaması hala deneme aşamasındadır.

Deniz gaz türbinleri esas olarak havacılık modifikasyonunun yolunu izler. Deniz ortamının koşulları ve gemi kullanım gereksinimleri altında, ekonomi ve güvenilirliği iyileştirme yönlerinden çok sayıda araştırma ve deneysel çalışma yürütülmüş ve birçok yeni teknoloji ve süreç benimsenmiştir. Ürünler birçok kez güncellenmiş ve nispeten olgun bir aşamaya ulaşmıştır, ancak dizel motorlarla karşılaştırıldığında, ekonomide hala belirli bir boşluk vardır. Şu anda, hem buhar türbinleri hem de gaz türbinleri ekonomiyi iyileştirmek ve yakıt tüketimini azaltmak için çok çalışıyor ve tatmin edici sonuçlar elde ediyor.

Seyir koşullarında ekonomiyi ve stratejik manevralar için gereken ivmeyi dengelemek için, yüzey gemileri genellikle seyir üniteleri ve ivme üniteleri dahil olmak üzere birleşik güç üniteleri kullanır. Her iki ünite de bir debriyajla ana redüktöre bağlanır ve geri ve ileri vites kutuları veya ayarlanabilir pervane eğimleri geri vites uygulamak için kullanılır. Birleşik güç ünitesinin avantajı, yeterli güce sahip olması ve ünitenin ağırlığının ve hacminin nispeten küçük olmasıdır. Tam hızda yüksek güç ile seyir ekonomisi arasındaki çelişkiyi çözer ve geminin dayanıklılığını artırır.

Nükleer güç üniteleri gemilerin gücünü ve dayanıklılığını önemli ölçüde artırabilir ve denizaltılar gibi su altı gemileri için daha uygun olan hava yanmasını gerektirmez. Ancak, radyoaktif maddeler insan vücuduna ciddi zararlar verebileceğinden ve çevreyi kirletebileceğinden, bunun için sıkı radyoaktif koruma ekipmanları kurulmalıdır. Nükleer yakıt, nükleer yakıtla çalışan gemilerde küçük bir yer kaplasa da, gereken koruma tabakası ve büyük yardımcı ekipmanlar düşünüldüğünde, avantajlar telafi edilir ve toplam gemi yükünü daha da artırmak hala mümkündür. Ayrıca, nükleer santraller ağır ağırlıkları, yüksek maliyetleri ve karmaşık inşaat, işletme ve yönetim teknolojileri nedeniyle sivil gemilerde nadiren kullanılır. Şu anda, nükleer santrallerin sivil gemilerde uygulanması, basit teknik fizibiliteden ziyade yerel liman ortamının kabulü, uluslararası anlaşmalar, sigorta anlaşmaları ve ilk maliyetler gibi faktörler tarafından daha fazla belirlenmektedir.

Özetle, deniz enerji santrallerinin uygulama olanakları Tablo 4’te gösterilmektedir.

Yukarıdaki duruma göre, sivil gemiler bir süre daha ana güç santrali olarak dizel motorları kullanmaya devam edecekler. Büyük sivil gemiler için, düşük hızlı dizel motorlar genellikle hala ana güç santrali iken, ro-ro gemileri, yolcu gemileri, feribotlar vb. gibi sınırlı kabin yüksekliğine sahip gemiler için orta ve yüksek hızlı dizel motorlar daha uygundur. Bunlar arasında, iç su gemileri hala çoğunlukla orta ve yüksek hızlı dizel motorlara sahipken, büyük okyanus gemileri çoğunlukla düşük hızlı dizel motorlara sahiptir. Son yıllarda, orta hızlı motorların yakıt tüketim oranı düşük hızlı dizel motorlarınkine yakın olmuştur. Yüksek atık ısı kullanım verimliliği, küçük boyut, hafiflik, düşük maliyet ve iyi beklentiler avantajlarına sahiptirler.

Ülkemin durumuna göre, orta ve küçük yüzey gemileri, denizaltılar ve yardımcı gemiler hala çoğunlukla orta ve yüksek hızlı dizel motorlarla donatılacak. Büyük denizaltılar nükleer güç ünitelerinin geliştirilmesine odaklanacak ve hala ana motor olarak buhar türbinlerini kullanacak. Aynı zamanda, gaz türbinleri önemli performans avantajlarına sahip ve giderek yerli ve yabancı askeri gemiler için standart güç ünitesi haline geldi. Hızlandırma ünitesi olarak gaz türbinleriyle çeşitli kombine güç ünitelerine de dikkat edilmeli ve geliştirilmelidir. Şu anda, gemiler için yüksek güçlü gaz türbinlerinin araştırma ve geliştirmesini güçlendirmek acildir.

12 Deniz güç üniteleri için beklentiler

Yukarıdakileri özetlemek gerekirse, dizel motorlar yüksek termal verimlilik, iyi ekonomi, geniş güç aralığı, kompakt yapı, az sayıda yardımcı ekipman gibi avantajlara sahiptir ve pervaneleri doğrudan çalıştırabilir. Ancak, gemi tonajındaki kademeli artışla birlikte, deniz dizel motorlarının yüksek güç yönünde geliştirilmesi gerekmektedir. Dizel motorların gücünü artırmanın tek yolu, silindir çapını artırmak, silindir sayısını artırmak veya birden fazla model kullanmaktır. Bu, kaçınılmaz olarak ağırlığı ve hacmi artıracak ve üretimi zor ve pahalı hale getirecektir. Bu nedenle, dizel motorlar genellikle büyük gemilerde ana tahrik güç ünitesi olarak kullanılmaz. Yıllar süren geliştirmeden sonra, deniz dizel motorları nispeten yüksek bir teknik seviyeye ulaşmıştır. Ancak, orta ve küçük yüzey gemileri, geleneksel denizaltılar ve sivil gemiler için dizel motorlar hala ana güç kaynağıdır. Düşük karbon emisyonları, bu aşamada dizel motorların karşı karşıya olduğu ciddi bir zorluktur. Deniz dizel motorlarından kaynaklanan emisyonlara getirilen kısıtlamalarla, ekonomilerini iyileştirmek daha zor hale gelmiştir ve bu da deniz dizel motorlarının gelecekteki gelişiminde yeni bir konudur. Genel olarak dizel motorların sahip olduğu önemli özellikler nedeniyle, teknolojik ilerlemeleri gemi teknolojisinin gelişmesini ve devrimini büyük ölçüde hızlandırmış ve deniz güç ünitelerinin geliştirilmesinde yeni bir sayfa açmıştır.

Buhar türbinleri yüksek güce, küçük boyuta, hafifliğe, istikrarlı çalışmaya, uzun ömre, yüksek güvenilirliğe, düşük yağlama yağı tüketim oranına, güçlü aşırı yük kapasitesine, düşük kaliteli yakıt yakabilir, düşük titreşim ve gürültüye, ancak düşük termal verimliliğe, karmaşık yönetime, zor işleme ve üretime, yüksek maliyete sahiptir, bir redüksiyon dişli kutusu ve büyük bir ana kazan ile donatılması gerekir ve pervaneyi bir redüksiyon cihazı aracılığıyla çalıştırması gerekir. Şu anda çoğunlukla büyük petrol tankerlerinde, uçak gemilerinde ve nükleer denizaltılarda kullanılmaktadırlar.

Yukarıdaki güç üniteleriyle karşılaştırıldığında, gaz türbinleri boyut olarak küçüktür, hafiftir, en az kabin alanını ve deplasmanı kaplar ve düşük titreşim ve sürtünme, kolay yönetim ve bakım, hızlı başlatma ve başlatmadan birkaç dakika sonra maksimum güce ulaşabilme avantajlarına sahiptir. Bu nedenle, askeri gemiler için daha uygundurlar. Ancak, düşük termal verimlilik, zayıf ekonomi, kısa ömür, metal malzemeler için yüksek gereksinimler ve geri döndürülememe dezavantajları nedeniyle, sivil gemilerde yaygın olarak tanıtılmamıştır ve çoğunlukla hovercraft gibi yüksek performanslı gemilerde kullanılırlar.

Yüzey gemileri alanında, dizel motorlar, buhar türbinleri ve nükleer güç üniteleriyle birlikte gaz türbinlerini kullanan kombine güç üniteleri vardır. Bu tür güç üniteleri II. Dünya Savaşı'ndan sonra ortaya çıkmıştır ve çeşitli ana motorların avantajlarından tam olarak yararlanabilir ve gaz türbinlerinin avantajlarından tam olarak yararlanabilir.

Nükleer güç ünitelerinin diğer güç ünitelerinin eşleşemeyeceği avantajları vardır, ancak dikkatli ve ağır koruyucu önlemlerle donatılmaları gerekir, pahalıdırlar ve yapım ve test yönetimi teknolojisi karmaşıktır. Bu nedenle, şimdilik sivil gemilerde yaygın olarak kullanılmamışlardır ve çoğunlukla uçak gemileri ve denizaltılar gibi büyük yüzey gemilerinde kullanılırlar. Petrol gibi enerjinin giderek tükenmesiyle, nükleer güç ünitelerinin sivil gemiler alanında daha fazla tanıtılması bekleniyor.

13 Sonuç

Özetle, deniz güç üniteleri çeşitlendirme ve yüksek güç yönünde gelişmektedir. Orta ve küçük sivil gemiler çoğunlukla orta ve yüksek hızlı dizel motorlar kullanır. Büyük ve orta ölçekli sivil gemiler çoğunlukla orta ve düşük hızlı dizel motorlar kullanır. Buhar türbinleri olgun ve güvenilir teknoloji, iyi bakım kolaylığı ve uzun hizmet ömrü avantajlarına sahiptir, ancak dezavantajları düşük ekonomik verimlilik ve karmaşık kurulumdur. Gaz türbinleri kısa hizmet ömrü dezavantajına sahip olsa da, gemiler gaz türbinlerinin hızlı bir şekilde çalıştırılabilmeleri ve kısa sürede yüksek güç elde edebilmeleri avantajlarından tam olarak yararlanabilirler, bu nedenle hala iyi beklentilere sahiptirler.

Nükleer santraller önemli bir deniz gücü kaynağı haline gelecektir. Nükleer yakıt kurulduktan sonra gemi birkaç yıl boyunca yelken açabilir. Büyük gemiler için bir güç kaynağı olarak çok uygundur ve buhar türbinleri de ana motor olarak kullanılacaktır. Elektrikli tahrik, gelecekteki gemiler için önemli bir tahrik türü haline gelecektir. Aküler, birincil hareket ettiriciler tarafından çalıştırılan jeneratörler ve yakıt hücreleri gibi elektrokimyasal güç üretim ekipmanları aracılığıyla elektrik sağlayabilir.