Month: May 2021

SAVAŞ GEMİLERİNDE ENTEGRE GÜÇ SİSTEMLERİ – 3

by

ENTEGRE ELEKTRİKLİ TAHRİK SİSTEMLERİ hakkında giriş niteliğinde bilgileri birinci ve ikinci bölümlerde derlemiştim.

6. MEVCUT ELEKTRİK SİSTEMLERİ

6.1 Savaş gemilerinde en çok kullanılan elektrik güç kaynağı 440 / 115 VAC 50/60 HERTZ frekanslı jeneratörler ve toprak bağlantısız dağıtım sistemleridir. Daha sınırlı cihazlarla kullanmak üzere 440 / 115 VAC 400 HERTZ sistemlerde vardır.

6.2 Gemi aydınlatma sistemi, Transformerler aracılığıyla 115 VAC 60 Hertz 3 Faz ve topraksız şekilde beslenir buna uygun cihazların beslenmesi de bu devre üzerinden sağlanır.

 6.3 400 AC sistemlerde ise servis gücü motor jeneratör setlerinden ya da Solid State devreler üzerinden beslenir. 

 6.4 YÜK gereksinimleri 1000 amperi geçtiği zaman 4.16 kilovolt sisteme geçilir. Bu durumda servis sistemine rectifier üzerinden 1000 VDC dağıtım yapılabilir 

 6.5 Savaş gemilerinde Elektrik enerji sistemi dört ayrı tip yük beslemektedir 

Görev için gerekli yükler

Görev için önemli yükler; örneğin tahrik sistemi

Görev için Gerekliliği bulunmayan yükler; örneğin ısıtma

Yeni teknolojinin getirdiği yükler; örneğin yeni silahlar, sensörler

ÖNGÖRÜLEN GÜÇ SİSTEMLERİ MİMARİSİ

7.1 Önceki yazımda anlatıldığı gibi savaş gemilerinde Entegre Elektrik Tahrik sistemi kullanımı yeni olmayıp 1900 li yıllara kadar geri gider. Ancak yapılan prototip uygulamalar o zamanlarda mekanik ünitelerde sağlamış olan teknoloji ve verimliliği gerisinde kalmıştı. Bir süre sonra yüksek dayanımlı manyetik materyaller ve Solid State Elektronik alanındaki büyük aşamalar ile daha verimli ve küçük hacimli hafif motorların geliştirilmesi mümkün olmuştu. Böylece bunlar geniş hacimli ve ağır mekanik ünitelerin yerini alacak hale gelmiştir. 

7.2Konvansiyonel güç paketlerinin yerini alacak yeni modüler enerji paket sistemleri geliştirilmektedir.

7.3 IPS ni etkileyen ve tasarımda dikkate alınması gereken noktalar şunlardır;  

Tekne FORMU  

Gürültü izi  

Şok 

Ayakta kalabilme (Survavibility)

Ağırlık ve hacim sınırlamaları

Güç Sistemi yerleşimi (ring /zone) 

 Ortam etkileri (örn. elektromanyetik alan)

 Elektromanyetik iz

7.4 IPS sisteminin getirdiği büyük avantajlardan birisi sistemi oluşturan birimler arasında mekanik bağlantı zorunluluğunun ortadan kalkmasıdır. Birimler artık birbirlerine elektrik kablolar ve servis tabloları üzerinden bağlanmaktadır. Bu ise tasarım açısından büyük bir esneklik getirmektedir Artık birimlerin aynı bölümlerde yer alması şart değildir. IPS im getirdiği bir diğer avantaj daha birimlerin modüler bir yapıya kavuşturulabilmesidir. Bu sayede gemi bünyesinde yerleşim kolaylığı getirildiği gibi zamanla gelişecek yeni sistemlere ait modülleri mevcut olanlarla değiştirilebilir.  Açıklanan bu avantajlar çerçevesinde IPS üniteleri bugün modüler olarak tasarlamakta ve üretilmektedir.

 7.5 IPS i oluşturan ana alt sistemler şunlardır

Güç ürettim modülü

        Gaz türbini, Dizel, Yakıt hücreleri

 Tahrik Elk.motoru modülü

         Senkron, Sabit manyetik alanlı, Endüksiyon,

          HTS, senkron, HTS 

Yakın zamanda yüksek voltaj uygulamalarında artık endüksiyon ve DC motorların yerini Sabit manyetli veya DC motorlar almakta. Bazı gemilerde tümü ile AC bazılarında ise AC/DC karma üniteler kullanılmakta

 Enerji depolama modülü

 Kurşun asitli batarya, LI- ON Batarya, Süper kapasitörler, Manyetik enerji depolama

 Güç dönüşüm (konverterler) modülü

Güç dağıtım ve Otomasyon modülü

 7.6 Integrated Reconfigurable Intelligent System (IRIS) sayesinde gemi üzerindeki Makine tahrik, seyir, silahlar, sensörler (radarlar), akışkanla çalışan (örn:hidrolik) kontrol birimleri ,yara savunma ve bazı yardımcı sistemlere monteli sensörler üzerinden gelecek tüm verilerle ortak bir kontrol ve komuta merkezi oluşturulmaktadır. Sistem gelen bu verileri değerlendirerek ya kendisi reaksiyon oluşturmakta ya da verileri bir başka karar vericiye iletmektedir. Sistem,Güç birimlerinin çalışmasını kontrol eden ve duruma göre güç dağılımını sağlayan Platform Management System (PMS) ,Sistem üzerindeki hataları saptayan ve buna göre yönlendirmesağlayan Electrical Load Management System (ELMS), monitorler gibi alt sistemlerden oluşmaktadır.

7.7 Yeni sistemler klasiklerden farklı olarak enerji depolama, termal yönetim ve güç konverterlerine gereksinim duymaktadır.

 7.8 Savaş gemilerinin ağırlık ve hacim kısıtlamaları bakımından konulacak modüller yüksek güç yoğunluğuna (örn: kW/ağılık ya da kW/hacim) sahip olmalıdır. Ayrıca iletimde kayıpları önlemek bakımından yerine doğru akım iletkenleri kullanılmalıdır. 

7.9 Çok kısa sürede (milisaniye) çok yüksek enerjiler (megavat) kullanılacağından sistemin kontrol elemanları bu yüksek duyarlılığa cevap verebilmelidir.

7.10 Ayrıca kontrol elemanları geminin her türlü operasyon koşulunda yükler arası güç ve enerji geçişlerini istenen zaman aralığında ve istenen büyüklükte sağlayabilmelidir

7.11 Savaş şartlarında hasarlı durumda bile geminin fonksiyonel kalabilmesi için sistemi gerekli yedekleme ve yönlendirme değişikliğine sahip olmalıdır. Bu ise modüllerin ve iletim yollarının gemi boyunca bölgesel (zone) olarak dağıtımını zorunlu kılar Görevin Sürdürülebilir şekilde sağlanabilmesi bakımında bu bölgelerin hasar kontrol bölgeleriyle uyumlu olması tasarlanır. Bu nedenlerle gemi platformu ile sistemlerin Entegrasyonu bugüne kadar olduğundan daha fazla birbiriyle bağımlı ve kritik hali gelmiştir. Bunu sağlayabilmek için Bahriye mühendisleri gerek Devlet tarafından gerekse ticari sektörden gelen birçok yazılımı kullanmak durumundadır. Fakat buradaki sıkıntı yeni teknolojilerle ilgili bu yazılımlara girdi sağlayabilecek gerçek verilerin yeterince oluşmadığıdır. Bu noktada BAHRİYE, ÖZEL SEKTÖR ve AKADEMİK KURUMLARIN ARGE bölümlerinin yakın iş birliğine ihtiyaç duyulmaktadır. 

7.12 Bu durum aynı zamanda tasarımın iteratif bir şekilde geliştirilerek sistem mimarisinden Konsept tasarımını, oradan dinamik analizleri ve neticede tasarım değişiklikleri ile tekrar başa dönülmesini gerekli kılar.

7.13 Sistem tasarımının erken aşamasında sistemin Hasarlara duyarlılık ( vulnerability) ile toparlanma (recovery) nitelikleri önemli birer girdi olacaktır

 7.14 Harekât koşullarında tüm Elektrik Güç sisteminde makinelerin tam Stop durumuna getirilmesiyle oluşacak anlık enerji fazlalığını sönümlendirmek için iki yöntem kullanılır

Oluşan ekstra enerji geminin AC sisteminde kullanabilmek üzere dönüştürülmesi

Enerjiyi dinamik devre kırıcılar üzerinde sönümlendirmek

DÜNYA BAHRİYELERİNDE SİSTEMİN UYGULANDIĞI ÖRNEK GEMİLER ?

GELECEK YAZIMDA..

KAYNAKÇA: 

  1. Load integration, including radar and advanced weapons

     Robert E. Hebner

SAVAŞ GEMİLERİ ENTEGRE GÜÇ SİSTEMLERİ – 2

by

ENTEGRE ELEKTRİK GÜÇ SİSTEMİ nin genel tanımını ve tarihçesini bir önceki yazımda derlemiştim.

3. IEPS IN TEMELİNDEKİ TEKNOLOJİK DEĞİŞİKLİKLER

 Bazı alanların kendi içinde oluşan teknolojik gelişimler, gemiler için de entegre ve tümden bir elektrik enerji sistemini olası kılmıştır. Bu alanlar;

3.1 Yeni Materyal oluşumları

3.2 Elektrik jeneratör ve motorları tasarımları

3.3 Katı durum elektroniğindeki (solid state electronics)

3.4 Yüksek akım devre kırıcılarındaki

 3.5 Yakıt hücreleri

4.  MODERN SILAHLAR VE SENSÖRLERIN ENERJI GEREKSINIMLERI

Modern savaş gemilerinde yer almaya başlayacak ya da alacak yeni silah ve sensörlerin bazılarını şunlardır;

          4.1 Daha uzun menzilli ve daha hassas radarlar

          4.2 Manyetik raylı mermi fırlatıcıları (Rail guns)

          4.3 Lazer topları

          4.4 Elektromanyetik toplar

          4.5 Elektromanyetik G/M blokerleri

          4.6 Elektromanyetik uçak fırlatıcıları

 4.6 Gelişmekte olan yeni teknolojilere dayalı SİLAHLARIN enerji gereksinimlerinin boyutları hakkında aşağıdaki tablo fikir verecektir;

TABLO

4.7 RADARLAR

4.7.1 Balistik füzeleri yaklaşık 1000 km mesafelerden yakalayabilecek radarlar arama modunda Megawatlar düzeyinde, izleme modunda ise 10 Megawatt üzerinde enerjiye gereksinim duymaktadır 

4.7.2 İleri teknoloji sensörler bakımından değerlendirildiğinde Örneğin Amerikan bahriyesi Harley Berk sınıfı gemilere konuşlandırılan anti G/M ve arama radarı AN/SPY 6 normal çalışmada 417 kilowatt enerji isterken 240 mil mesafedeki arama için  2.8  Megavat enerji gerektirmektedir.

4.7.3 Bu derece yüksek anlık enerji gereksinimlerini mevcut klasik gemi enerji sistemleri ile karşılamak mümkün değildir.

5. ENTEGRE ELEKTRİK GÜÇ SİSTEMİNİN AVANTAJLARI

5.1 Savaş gemilerinde harekât şartlarına bağlı olarak, yüksek hız ve bunun gerektirdiği yeterli güce ihtiyaç vardır. Ancak geminin ömrü süresince bakıldığında, örneğin tipik bir destroyer için maksimum sürat 25 knot ken yaşam süreci çoğunluğunda gemi 10 ila 15 knot sürat yapmaktadır. Böylece maksimum

sürat için ayrılan gücün büyük bölümü gemi yaşam boyunca rezervedir.

5.2 Yukarda belirtildiği gibi , modern sensör ve silahların yüksek güç beslemesi anlık kullanımlar için gerekli olmaktadır. İşte diğer zamanlarda rezerve niteliğindeki bu güç kaynağı IPS mimarisi içinde sürekli kullanabilme olanağı yaratmaktadır.

5.1 Yüksek yedekleme olanağı. Jeneratörler den birinin kaybı durumunda sistemin otomatik ve hızlı bir cevap vermesi

5.2 Manevra durumunda daha iyi performans

5.3 Aşırı sürat veya yüklenme durumlarına daha iyi otomatik               koruma

5.4 Düşük güç düzeylerinde daha az karbon monoksit emisyonu

5.5 Özellikle Fiziksel yerleşim ve fonksiyonel dağıtım bakımlarından daha esnek tasarım olanakları. Sistem ünitelerinin bazılarının üst güvertelere yerleştirilebilmesi, dikey montajı sağlar. Gelecekte oluşacak yeni sistemlerin monte edilebilmesi akımından kolay adaptasyon

5.6 Tahrik sistemi bileşenleri makinelerin daha dengeli kullanılabilmesiyle planlı bakım faaliyetlerinde azalma ve ucuzlama

5.7 Sabit Piç pervanelerin değişik yük durumlarında kullanılabilmesi ile daha düşük gürültülü ve titreşim. Ayrıca bilindiği üzere sabit kanatlı pervaneler değişebilir piçli olanlara göre daha geniş spektrumda daha verimli çalışmaktadır.IPS kullanıldığında, gemilerde oluşacak hacimsel küçülme ile daha düşük gürültü düzeyleri sağlanabilmektedir Böylece denizaltıların stealth ve gürültü nedeniyle teşhis edilebilmesi zorlaşmaktadır

5.8 Bu sistem üzerinde zamanla dizel jeneratör gurupları yerine kendisi bir elektrik jeneratöründen farklı olmayan FUEL CELL üniteleri monte edilebilir.

5.9 Geminin tahrik sistemi dışında diğer sistemlere de fazla enerji ayrılabilmesi, başka imkanlar yaratmaktadır. Örneğin, yüksek miktarda enerji ile denizaltılarda deniz suyundan hidrojen ve oksijen oluşturularak bunlar FUELCELL ünitelerinde kullanılabilir. 

 5.10 Entegre tahrik sistemi kullanıldığında hem tahrik ünitelerinin adeti azalmakta hem de bunları ayrı ayrı yüksek güçteki yüksek verim bölgelerinde çalıştırarak yakıt ekonomisi sağlanabilmektedir bu kazanç %15 seviyelerinde olmaktadır.

5.11Gemi üzerindeki tahrik ünitelerinin adetinin azalması ve otomasyonun artması ile gerekli mürettebat adedi de azalacaktır örneğin, tipik olarak bir de destroyerde 250 kişi görev alırken gemi ömrü boyunca en büyük maliyet faktörü mürettebat maliyetidir. Bu sayı 100’e indirgenebilir. Böylece gemi ömür boyu maliyetlerinde azalmasında bir diğer etken olur.

5.12 SONUÇ OLARAK; Yukarıda sıralanan tüm bu avantajlar nedeniyle ve rakip donanmalarla baş edebilmek üzere birçok ülke bahriyesi bu sistemi benimsemek durumunda kalmaktadır. 

KAYNAKÇA :

1.NEXT GENERATION INTEGRATED POWER SYSTEMS FOR THE FUTURE FLEET Capt. Norbert H. Doerry[1] 

2.GAME CHANGERS: DISRUPTIVE TECHNOLOGY AND US DEFENSE STRATEGY  Ben FitzGerald, Kelley Sayler,  Shawn Brimley

3.HARP GEMİLERİ ELEKTRİK DAĞITIM SİSTEMLERİ ÜZERİNE   BİR    BİR İNCELEME    İzzet Emre AFACAN1   Fatma Gül BAĞRIYANIK2           Mustafa  BAĞRIYANIK3

SAVAŞ GEMİLERİNDE ENTEGRE GÜÇ SİSTEMİ – 1

by

1. GİRİŞ

1.1 ENERJİ alanının Deniz Kuvvetleri özelindeki önemi ve bunun nasıl değerlendirilmesi gerektiği hakkındaki görüşlerimi önceki bir yazımda belirtmiştim.

Yakın zamanda gözlemlediğimiz gibi enerji kaynakları kısıtlamaları, küresel olarak yenilenebilir enerjileri ön plana çıkarmıştır. Bunların elektrik enerjisine dönüşümü ile birçok yerde örneğin elektrikli arabalar, robotlar, otonom araçların enerji gereksinimleri karşılanır hale gelmiştir. Gelişmeden sivil sektörün yanısıra askeri sektörlerinde etkilendiğini görmekteyiz.

1.2 Elektrikli arabalara benzer şekilde, savaş gemilerinde elektrik gücü ve desteği gemi performansını direk belirler hale gelmiştir.

1.3 Ayrıca sürekli gelişim içinde olan Modern silahlar ve sensörler teknolojisi, konvansiyonel silahlara göre çok daha fazla enerjiye gereksinim gösterir hale gelmektedir.

Geleceğin modern Savaş gemilerinin 100.000HP civarında toplam güç talebi olacağı tahmin edilmektedir.

1.4 Savaş gemileri üzerindeki mevcut enerji kaynakları artık bu kadar yüksek enerji yaratacak kapasitede değildir.

Yeni silah ve sensörleri destekleyecek boyutlardaki enerji kaynağı ise bunların anlık kullanımları dışında fazladan kapasite oluşturacaktır. Bu kapasiteyi değerlendirebilme düşüncesi, savaş gemisinin tüm enerji gereksinimini tek ve ortak bir kaynaktan karşılayabilme kavramı ve tasarımına dönüşmüştür.

1.5 İşte bu olanak modern Savaş gemilerinde Tümüyle Elektrik Tahriki (ALL ELECTRIC SHIP- AES) ya da Entegre Elektrik Güç Sistemi (INTEGRATED ELECTIC POWER SYSTEM- IEPS) konseptini yaratmıştır. Böylece konvansiyonel tahrik sistemleri dünya bahriyelerinde yakın zamanda yerini giderek bu mimarideki sistemlere bırakmaktadır.

2. KISA TARİHÇE

2.1 Gemilerde elektrikle tahriki kullanma kavramı yeni olmayıp yaklaşık 100 yıl önce ortaya çıkmıştır.

19.yüzyılın sonlarında Rusya ve Almanya’da batarya tahrikli ilk uygulamalar deneysel olarak başlatılmıştır.

2.2 1908 yılında Kanadalı mucit REGINALD FESSENDEN donanma için turbo elektrik bir sistem önerdi ancak bu beğenilmedi. Kendisi Amerikan bahriyesinden ayrılmış bir mühendis olan WILLIAM ROY EMMET bu projeyi çalışmakta olduğu General Electric firmasına getirdi. Projenin Battle Ship’lerde kullanılabileceğini ileri sürdü. Bahriye ise 1910 yılında, sistemin öncelikle kömür taşıyıcı bir gemide uygulanması şartıyla teklifi kabul etti. 20000 tonluk USS Jüpiter gemisine uygulanan sistem, mevcut mekanik sistemlere göre %18 lik bir ekonomik kazanç sağladı.

2.3 Ancak maliyetleri arttıracağı nedeniyle savaş gemileri inşaatçısı tersanelerin büyük direnciyle karşılaşıldı. Zamanla ve uzun çekişmeler sonrası ABDbahriyesi 5 adet   Battleship ve Battleshipolarak inşaatı başlayıp sonradan uçak gemisine dönüştürülen

LEXINGTON ve SARATOGA gemilerine elektrikli sistem monte edildi.

Fakat bu uygulamalarda beklenen ekonomik verim sağlanamadı.

2.4 Birinci Dünya Savaşı’nda sistem benimsenmekle beraber elektrik motorlarının ve bağlı aksamın oluşturduğu ağırlık sorunu nedeniyle terk edildi O zaman yapılan uluslararası anlaşmayla Savaş gemilerinin tonajlarında sınırlamalar getirilmiştir. 

2.5 İkinci Dünya Savaşı’nda ABD sanayisinin mekanik dişli işleme kapasitesi sınırlamaları nedeniyle DE51 sınıfı destroyerler ile iki denizaltı da elektrikli sistem tercih edildi. II Dünya Savaşı ve sonrasında dizel elektrikli (bataryalı) güç sistemleri denizaltılar için standart hale geldi.

2.6 Savaş sonrası sivil sektörün Transatlantik yolcu gemi seferlerinde yaşanan yoğun rekabet sonucu daha verimli olduğu benimsenen Turbo Elektrik sistemler 1936 yılında NORMANDY, 1960 yılında CANBERRA kurvaziyerlerinde bu sistemler monte edildi.

2.7 1980’den sonra elektrik motorları, AC/DC rektifayerler, konverterler ve güç elektroniğindeki (power electronics) teknolojilerindeki gelişmelerle IPS daha verimli ve kullanıma uygun bir hal almaya başladı.

2.8 1985 de İngiliz bahriyesi TYPE 23 firkateynlerin de Örneğin HMS Norfolk, gürültüyü azaltma amacıyla kısmi (dizel elektrik ve gaz türbini kombinasyonlu) elektrik tahrik kullandı. 

Fransız bahriyesi ise nükleer atak denizaltılarında dişli sistemlerinin büyük yer kaplamasına alternatif olarak elektrikli sistemi kullanmayı benimsedi. 

2.9 2002 yılından sonra denizaltı ve su üstü Savaş gemilerinde 6-7 MW düzeyinde sistemleri monte edilmeye başlanmıştır.

Yukarıda verilen açıklamalardan anlaşıldığı üzere elektrikli tahrik sistemi bu noktaya kadar  Savaş gemilerinde ekonomik verim , gürültü ,Ağırlık, montaj kolaylığı gibi faktörlerle ön plana çıkmıştı. Ancak modern silahlar sensörlerin geliştirilmesiyle ve güçlerinin artmasıyla bunları besleyebilecek büyüklükte enerji kaynağına da gereksinim oluştu. 

Gelecek bölümde sistemin dayandığı teknolojik gelişimler ve klasik sistemlere göre avantajlarını ele alacağım.

KAYNAKÇA :

  1. NEXT GENERATION INTEGRATED POWER SYSTEMS FOR THE FUTURE FLEET Norbert H. Doerry[1] 
  2. ALL ELECTRIC SHIP – THE SUPER PLATFORM FOR TOMORROW’S NAVAL WARFARE Basam Venkat
  3. HISTORICAL OVERVIEW OF ELECTRIC PROPULSION ETO (Electro Technical Officer)
  4. TRENDS IN SHIP ELECTRIC PROPULSION   Timothy J. McCoy, Member, IEEE