Askeri Gemi Dizel Makine Egzoz Sistemi Tasarımı

Şadi Kopuz / Genel Müdür / FİGES
Ersen Arslan / Yapısal Analizler Yöneticisi - Bursa / FİGES
Yalın Kaptan / Akışkanlar Dinamiği Yöneticisi / FİGES

Askeri Gemi Dizel Makine Egzoz Sistemi Tasarımı
Günümüzde yeni inşa edilmekte olan sivil ve askeri gemilerdeki ana tahrik sistemlerinde, gemilerin boyutları ve kullanım amaçları da dikkate alınarak, genellikle dizel makineler tercih edilmektedir. Ana güç üretim unsuru olarak dizel makinelerin yoğunlukla kullanılıyor olması, beraberinde dizel makinenin kendisi ve kendisine bağlı diğer ekipmanların tasarım ve tasarım sonrası teknik özelliklerinin önemini arttırmaktadır.

Bu kapsamda; aynı zamanda gemilerde oluşan hava doğuşumlu gürültünün ve su altı gürültüsünün de ana kaynağı olan dizel makinelerin, dizel makineye ve monte edileceği gemiye uygun olarak tasarımı yapılan egzoz sistemi ve sistem elemanlarının, dizayn edilerek konstrüksiyonunun oluşturulması önemli hale gelmiştir. Türkiye’de, özellikle savaş gemilerinde kullanılmak üzere yurt dışından tedarik edilmekte olan dizel makineler için gerekli olan egzoz sistemi ve sistem elemanları; ya yurt dışı üretici firmasından direk paket şeklinde alınmakta ya da bu egzoz sistemleri yurt dışı menşeli egzoz sistemi üretici firmalardan tedarik edilmektedir. Bu nedenle savaş gemisi projelerinde yerli katkı payının arttırılması ve halihazırda yerli savunma sanayisinin tasarım ve imalat aşamasına erişemediği söz konusu egzoz sistemi elemanlarının, ülkemizde dizayn ve imalatlarının yapılması ile Türk Savunma Sanayisi’ne bu anlamda bir örnek teşkil etmesi amacıyla; bu çalışma kapsamında, halihazırda yürütülmekte olan bir savaş gemisi projesi için egzoz sistemi tasarımı gerçekleştirilmiş ve egzoz sisteminde yer alan susturucuların imalatları yapılmıştır. Seyir halindeki gemide yürütülen akustik ölçümlerde, sistemin, kendisinden beklenilen akustik performansı sağladığı gözlemlenmiştir. Gemiler, şu anda Deniz Kuvvetlerinde kullanılmaktadır.

1. Egzoz Sistemi Geri Basınç ve Isıl Analizleri


Tasarımı yapılan egzoz sisteminde, egzoz çıkışının geminin borda kısmında ve deniz seviyesinde olması dikkate alınarak, makine dairesinde oluşacak hava doğuşumlu gürültünün en az seviyeye düşürülmesi maksadıyla; egzoz çıkış sıcaklığının ve dolayısıyla geminin kızılötesi iz karakteristiğinin azaltılması için sisteme konan yaş tip susturucuya ek olarak, kuru tip bir susturucuya da ihtiyaç duyulmuştur.

Geri basınç ve ısıl analizleri yapılırken, egzoz sistemi; tek fazlı akışın gerçekleştiği dizel makine çıkışından kuru tip susturucu çıkışına kadar olan birinci bölüm ve çift fazlı akışın gerçekleştiği kuru tip susturucu çıkışından geminin borda çıkışına kadar olan ikinci bölüm olarak iki ayrı kısımda incelenmiştir. Analizler sırasında kullanılan sınır ve ortam koşulları, makine teknik özellikleri ve geminin kullanılacağı ortam şartları dikkate alınarak belirlenmiştir.
Tüm egzoz sistemi için yapılan geri basınç analizleri sonucunda ortaya çıkan ortalama geri basınç değeri, dizel makine için üretici firmanın vermiş olduğu geri basınç kriteri ile karşılaştırılmış ve egzoz sistemi ve sistem üstünde yer alan susturucu konstrüksiyonu ve boyutları belirlenirken, susturucunun akustik karakteristiği yanında, söz konusu geri basınç kriter değeri de baz alınmıştır.

a. İlk Kuru Tip Susturucu Modeli Geri Basınç Analizi

Egzoz sistemi tasarımı kapsamında ilk olarak yansımalı (İngilizce reflective) tipte olan ve gürültüyü sönümlemek için içyapısında perfore tüp ve yansıma odacığı bulunan, makine dairesindeki yerleşime uyumlu bir kuru tip susturucu modeli oluşturulmuştur.

Şekil 1. İlk Kuru Tip Susturucu Modeli

Şekil 2. Akım Çizgileri ve Hız Konturları

Analiz için belirlenen ortam ve sınır şartları ile yaş tip susturucunun bulunduğu egzoz sistemi ikinci bölümünden elde edilen geri basınç bilgileri kullanılarak, kuru tip susturucudaki ortalama geri basınç değeri 6.370 Pa (63,70 mbar) olarak tespit edilmiştir. Sadece kuru tip susturucudan elde edilmiş olan bu geri basınç değeri bile, üretici firmanın tüm egzoz sistemi için vermiş olduğu kıstas (30-50 mbar arası) değeri geçmiş olup, bu susturucu konstrüksiyonunun uygun olmadığı değerlendirilmiş ve kuru tip susturucunun içyapısı ve boyutlarının değiştirilmesine karar verilmiştir.

b. İyileştirilen Kuru Tip Susturucu Modeli Geri Basınç Analizi

Egzoz sistemi tasarımı kapsamında sistem üstünde kullanılacak olan kuru tip susturucunun tasarımı (boyutları ve içyapısı), bu çalışmanın ilerleyen maddelerinde anlatılacak olan akustik tasarım ve makine dairesindeki yerleşim dikkate alınarak gerçekleştirilmiştir. Dizel makine egzoz çıkışının boyutları da dikkate alınarak, kuru tip susturucunun egzoz girişine gelen devre iki farklı şekilde tasarlanmış ve bu iki geometriden basınç kaybı en düşük olanı, kuru tip susturucu olarak seçilmiştir.

Şekil 3. İyileştirilen Kuru Tip Susturucu Modelleri

Şekil 4. Akım Çizgileri ve Basınç Kaybı
Yeni geometri ile yapılan basınç kaybı analizi sonucu, ortalama geri basınç değeri 2.300 Pa (23,00 mbar) değerine indirilmiştir. Elde edilen geri basınç sonuçları dikkate alınarak, ikinci geometrideki susturucu yapısının, kuru tip susturucunun en son hali olarak kabul edilmesine ve egzoz sisteminde kullanılmasına karar verilmiştir.

c. Yalıtım Malzemesi Isıl Analizi

Egzoz gazının yüksek sıcaklığından dolayı egzoz sistemi üstünde yüksek sıcaklığın oluşmasını engellemek ve böylece makine dairesinde görev
yapacak gemi personelinin yüksek sıcaklığa maruz kalacağı şartları ortadan kaldırmak maksadıyla tüm egzoz sisteminin yalıtım malzemesi ile kaplanması öngörülmüş ve yapılan ısı transfer analizi sonucunda, asgari yalıtım kalınlığında sıcaklık 77,6°C olarak tespit edilmiştir.

Bu kalınlığın, egzoz sisteminin diğer kısımlarında artacağı dikkate alındığında, ısıl analiz kapsamında elde edilen sıcaklık değerinin makine dairesi için uygulanabilir nitelikte olduğuna kanaat getirilmiştir.

d. Yaş Tip Susturucu Modeli Geri Basınç ve Isıl Analizi

Egzoz sistemi tasarımı kapsamında yaş tip susturucunun yapısının belirlenmesi maksadıyla deniz suyu giriş devresi ve bir yaş tip susturucu modeli oluşturulmuştur. Deniz suyunun egzoz gazına karışmasını sağlayan delikli içyapı, deniz suyu ile soğutma yaparak hava doğuşumlu gürültüyü sönümleme ve makine dairesindeki yerleşimine uyumlu yapı, yaş tip susturucu modelinin özellikleri arasındadır. Dizel makineden gelen devrenin boyutları da dikkate alınarak, yaş tip susturucu için deniz suyu giriş devreleri tek ve çift olmak üzere ve su girişi dik ve 45° açılı olmak üzere dört farklı tip yapı oluşturulmuştur.

Şekil 5. Yaş Tip Susturucu Modelleri
Bu susturucular için geri basınç analizi ile geminin borda çıkışındaki egzoz gazı ile deniz suyu karışımının çıkış sıcaklığının belirlendiği ısıl analizler yapılmıştır.

Analiz için belirlenen ortam ve sınır şartları kullanılarak yaş tip susturucunun dört farklı konfigürasyonu için yapılan geri basınç ve ısıl analizleri sonucunda elde edilen değerler, Tablo 1’de verilmiştir. Geminin kızılötesi izinin azaltılması için düşük borda çıkış sıcaklığı gerektiği, ısı geçişinin yüksek oranda sağlandığı ve dolayısıyla daha iyi soğutma yapıldığı durumda, susturucunun gürültü sönümlemesinin arttığı dikkate alındığında; analiz edilen dört farklı yapıdaki yaş tip susturucu modelinden, en düşük borda çıkış sıcaklığını veren çift girişli ve deniz suyu akışının yüzeye dik olarak geldiği konfigürasyon, egzoz sisteminde kullanılmak üzere seçilmiştir.

Egzoz Sistemi Elemanları

Geri Basınç (mbar)

Dizel Makine Geri Basınç Kriteri (mbar)

Kuru Tip Susturucu

23

30-50

Yaş Tip Susturucu

22

Toplam

45

Tablo 1: Kuru ve Yaş Tip Susturucu Geri Basınç Analizi Özeti
Tablo 1’de de görüldüğü gibi; kuru tip susturucu ile yaş tip susturucunun oluşturduğu ve dizel makine çıkışından geminin borda çıkışına kadar olan tüm egzoz sisteminin tamamını kapsayan analizler sonucunda, toplam geri basınç değeri, dizel makine için verilen sınır değerlerin içinde kalmıştır. Böylece, bu egzoz sisteminin, geri basınç açısından dizel makineye uygun olduğuna karar verilmiştir.

2. Egzoz Sistemi Akustik Tasarımı


Susturucular, bilindiği gibi, dizel makine egzoz gürültüsü, fan gürültüsü ve gaz akışının olduğu diğer gürültü kaynaklarından dolayı oluşan gürültünün azaltılması için kullanılan gürültü kontrol elemanlarıdır.

Susturucular; akustik enerjiyi yansıtma (İngilizce reflective), yutma (İngilizce absorbative/dissipative) veya bu ikisinin kombine etkisi ile azaltan pasif tip susturucular ve gürültüyü elektronik önbesleme (İngilizce feedforward) veya geri besleme (İngilizce feedback) teknikleri kullanarak sönümleyen aktif tip susturucular olmak üzere ikiye ayrılırlar. Bu çalışmadaki egzoz sisteminde yer alan kuru tip susturucu, çalışma prensibi itibariyle pasif tipte olan bir susturucudur.

Egzoz sistemi tasarımı kapsamında, sistem üstünde kullanılacak olan kuru tip susturucunun tasarımının yapılması maksadıyla; içyapısında perfore boru bulunan, yansıtmalı özelliği de olan ancak esasen sönümlemeyi, perfore borunun etrafına sarılı yalıtım malzemesi (taş yünü) sayesinde oluşan yutma özelliği ile sağlayan ve makine dairesindeki yerleşime uyumlu bir kuru tip susturucu modeli oluşturulmuştur.
Yutma özellikli susturucular, dikdörtgen kesitli veya dairesel kesitli olarak tasarlanabilmektedir. Kuru tip susturucunun, dairesel kesitli olmasına karar verilmiştir.

Dizel makine için, üretici firma tarafından 1/1 oktav bantlardaki merkez frekanslarda oluşacak gürültü karakteristiği verilmiş olup, sönümleme miktarının belirlenmesi maksadıyla bu merkez frekanslar referans alınmıştır. Kuru tip susturucuya uygulanan tasarım metodolojisi kapsamında; Toplam Ses Basınç Seviyesi (TSBS) değerleri hesaplanmış ve kuru tip susturucuda, toplamda frekanstan bağımsız oluşacak gürültü azaltımı miktarı bulunmuştur.

TSBS (dBA) - Verilen

130,30

TSBS (dBA) - Azaltılan

99,60

Gürültü Azaltımı (dBA)

30,70

Tablo 2’de verilen gürültü azaltımı, sadece kuru tip susturucu kullanılarak elde edileceği öngörülen sönümleme miktarıdır ve bir egzoz sistemi için yeterli seviyededir. Bununla birlikte, egzoz sisteminde, en yüksek sönümleme sağlayan kuru tip susturucuya ek olarak, egzoz sisteminin geri kalan devresi ve bir diğer susturucu olan yaş tip susturucunun da sönümlemeye katkıda bulunacağı değerlendirilmiştir. Çalışma, ayrıca, yapılan son akustik kongresinde de sunulmuştur (Resim 1).