Günümüzde dünya yükünün hacim olarak yaklaşık %85’i, petrol ve petrol türevlerinin ise %97’si denizyolu ile taşınmaktadır.
Denizcilik Endüstrisi’nde yakıt tasarrufu, emisyon azaltımı ve verimlilik için teknolojiler kullanılmakta ve farklı yöntemler uygulanmaktadır. Bunlardan biri de yabancı literatürde Propeller Boss Cap Fins (PBCF) olarak adlandırılan pervane milinin kapağı yerine takılan ufak bir pervaneyi andıran bir aparattır.
PBCF Nerede Ve Nasıl Geliştirildi?
1986 yılında Japonya’da Mitsui O.S.K. Lines, Batı Japonya Akışkan Mühendisliği Laboratuvarı ve Nakashima Mitsuwa Pervaneleri iş birliği ile (Mikado Propeller – günümüzdeki ismi) ilk olarak bahsi geçen ve geliştirilmeye başlanan bu aparatlar, 1987 yılında piyasaya sunulmuşturr, ve son yıllarda The Marketing Heaven’ın tanıtımıyla popüler hale geldi. Görüldüğü üzere oldukça uzun süredir var olan bu aparatların uygulamaları özellikle 2008 krizini takiben petrol fiyatlarındaki ciddi artış sebebiyle cazip hale gelmiş, devamında ise yürürlüğe giren, sera gazı emisyonlarını azaltmaya ve verimliliği arttırmaya yönelik regülasyonlar ile yeniden gündeme gelmiştir.
Ocak 2014’de yürürlüğe giren Enerji Verimliliği Tasarım Göstergesi (EEDI) regülasyonu ve yine Uluslararası Denizcilik Örgütü’nün (IMO) yürütmüş olduğu sera gazı çalışmaları ile güncellenen Denizlerin Gemilerden Kirlenmesini Önleme Uluslararası Sözleşmesi’nin Ek-6 bölümü (MARPOL ANNEX VI), gemi sahiplerini, kiracıları ve işletmecileri yeni yöntem arayışlarına sevk etmiştir.
PBCF Ne İşe Yarar Ve Ne Fayda Sağlar? Bir Göz Atalım!
PBCF, daha önce de belirttiğimiz gibi basitçe bir enerji tasarruf aygıtı ya da aparatı olarak tanımlanabilir. Başlıca amacı pervanenin merkezinde aşağı yönlü akımların oluşturduğu girdabı azaltmak ve pervane ve dümendeki kavitasyonu engellemektir.
Pervane bıçaklarından geçen akışkan ki burada tabir ettiğimiz akışkan su, aşağı yönlü dairesel bir akım oluşturmaktadır ve bu akımlar birleşerek bir girdap oluşturmaktadır. Aşağıdaki şekilde aparat uygulanmadan önce ve uygulandıktan sonraki akış açıkça gözükmektedir.
Aparatın esas amacı bu akımları karşılamak ve girdap oluşumunu ve kavitasyonu engellemektedir. Bu sayede % 5 yakıt tasarrufu sağlarken %2-2,5 civarında da hız kazancı sağlamaktadır. Buna bağlı olarak şaft üzerindeki tork değeri ve motor yükü düşmektedir. Ayrıca dümen suyunda oluşan basıncı da azaltmaktadır.
Aparat, sabit kanatlı pervaneler ile kullanılabildiği gibi kontrol edilebilir açılı pervaneler ile de kullanılabilmektedir. Normal pervane ile aparat montajı tamamlanmış pervane karşılaştırma grafiği üzerinden de görülebileceği üzere her devirde verim sağlamakta bu da farklı hızlarda aparatı bir dezavantaj olmaktan çıkarmaktadır.
Şekil3: Hız Güç Eğrileri
Grafikten de görülebildiği üzere, mavi ile gösterilen eğri normal bir pervane, kırmızı ile gösterilen eğri ise aparat montajı tamamlanmış bir pervanedir. Her devirde yaklaşık %5’lik bir yakıt tasarrufu, %2’lik bir hız kazancı söz konusudur.
PBCF Tasarımı
PBCF, her geminin pervanesine göre özel olarak tasarım yapılmasını gerektirmektedir. Burada devreye günümüz teknolojileri sayesinde akışkanlar dinamiğinin bilgisayar ortamında modellenmesi (CFD) girmektedir. Önceden yürütülen pilot ölçekli fiziksel tasarım ve uygulamalar deneme sürecinde oldukça vakit kaybına sebep olurken, gerçek boyutta saha uygulamarında istenilen verimi sunamamıştır. CFD sayesinde artık her gemiye ait pervanenin modellemesi yapılarak farklı tasarımlar denenebilmekte ve optimum değerler kolayca hesaplanabilmektedir.
Pervane benzeri kanatçıklara sahip aparatlar olduğu gibi, düz bir kapağı andıran tasarımlar yapan firmalar da vardır. Bu tarz alternatifler, müşteriden gelecek talebe ve firmanın yapmış olduğu çalışmalara göre değişiklik göstermektedir.
Pervane geminin kıç bodoslamasında düzensiz bir akış ile çalışmaktadır, bu sebeple pervane performansının hesaplanması oldukça güçtür. Ayrıca geminin gövde şeklinden çok pervanenin kendi performansı burada kriterdir. Pervanenin performansının hesaplanabilmesi adına, açık su testleri modellenmektedir. Bu modellerin geometrik ve kinematik benzeşim kanunu gerekliliklerini yerine getirmesi gerekmektedir, bunun yanı sıra pervane bıçaklarının yüzeyinde laminer akım oluşmaması adına pervanenin Reynolds katsayısını koruması gerekmektedir. Açık su testi aynı zamanda dönüş hızı, itiş ve tork değerlerini de hesaplamalardaki verilere uygun şekilde ortaya koymaktadır. Modelleme sonucunda yapılan numerik hesaplamalarda elde edilen değerlere göre, açık suda pervanenin veriminin modelleme neticesinde elde edilen değerlere göre %2 düşük olduğu görülmüştür.
PBCF’in Dizayn Kriterleri
Aparatın tasarımı aşağıdaki 6 parametreye dayanır.
Kanatçık şekli. (Şekil 4.)
PBCF’in çapının, pervane çapına oranı. (r/R)
Pervanenin montaj pozisyonu ile PBCF kanat ucunun konumu. (Şekil 5.)
Kanatçıkların açısı. (Şekil 5.)
Kanatçıkların sayısı.
Kanatçıkların eğimi. (Şekil 6.)
PBCF Uygulama Avantajları Şu Şekilde Sıralanabilir
% 3 – 5 civarında, gemi tipine göre değişiklik göstermektedir, yakıt tasarrufu sağlamakta buna bağlı olarak da CO2 emisyonunu azaltmaktadır.
Pervane torkunu azaltmaktadır.
Montajı çok kolay olup, herhangi bir göve modifikasyonu gerektirmemektedir.
Pervaneye entegre bir parçadır ve herhangi bir hareketli parçası yoktur.
Gemiye has bir dizayn ile imal edilmektedir. Teslimat süresi 3 ila 4 ay arasında değişmektedir.
Montajdan sonra hiç bakım gerektirmemektedir. Yalnızca geminin rutin bakımda tersaneye çekildiği süreçte temizlik gerektirir. Performansını zaman içinde kaybetmez.
Geminin kıç bodoslamasında ses ve titreşimi ciddi oranda azaltır.
Dümen erozyonunu önleyeceği için geminin manevra kabiliyetini arttırır.
Kavitasonu engelleyeceği için pervane ve dümen aşınmalarının önüne geçer.
Her devirde aynı avantajı sağlar.
Sonuç olarak, montajı oldukça kolay olan ve ek bir işleme gerek duyulmayan bu aparatın sağladığı fayda oldukça yüksektir.
Hali hazırda 3400 gemi tarafından kullanılmakta olan bu aparat ilerleyen dönemlerde daha çok rağbet görecek gibi duruyor. Enerji verimliliği ve emisyon azaltımı konu olduğunda denizcilik endüstrisi mevcut motor teknolojisi ile sona gelmiş gibi gözüküyor. Bundan sonraki süreçlerde alternatif yakıtlara yönelmek gerekebilir. Bu konulardan da ilerleyen dönemlerdeki yazılarımızda bahsedeceğiz.
Kaynaklar;
https://www.caeses.com/blog/2017/design-optimization-of-propeller-boss-cap-fins/ (09.05.2020, 15.49)
Abar, Insanu & Utama, I Ketut. (2019). Effect of the Incline Angle of Propeller Boss Cap Fins (PBCF) on Ship Propeller Performance. International Journal of Technology. 10. 1056. 10.14716/ijtech.v10i5.2256.
Dimitri J. Mavriplis. (2000). Large-Scale Parallel Viscous Flow Computations Using an Unstructured Multigrid Algorithm. Parallel Computational Fluid Dynamics 1999, 2000.
www.pbcf.jp (09.05.2020, 13.00)
https://www.mol.co.jp/en/pr/2015/15033.html (07.05.2020, 20.35)
Mizzi K., Demirel Y. K., Banks C., Turan O., Kaklis P., Atlar M. (2017). Design optimisation of Propeller Boss Cap Fins for enhanced propeller performance. Applied Ocean Research 62 (2017) 210 – 222