TEKNÄ°K MAKALE 3. Sayı (Temmuz-AÄŸustos 2008)

Jürgen Frisch / HSVA (Hamburg Gemi İnşaa Araştırma Akademisi)
Gemi piyasasında yüksek verimlilikte, az gürültü ve titreşimle çalışan pervanelere sahip gemilere şiddetli biçimde ihtiyaç duyulmaktadır. Gemi hızlarının artışıyla beraber gemi pervanelerinde ve diğer uzantılarında (dümen ve şaft) kavitasyona bağlı aşınma ortaya çıkmıştır. Gemi pervaneleri ve dümenlerindeki aşınma ile ilgili sonuçlara AB projesi olan EROCAV’da ulaşılmıştır. Proje kapsamında yapılan araştırma ile aşınma kayıplarının ana sebeplerine karşı farkındalık oluşmasına yardımcı olmuştur. Bunlara ilave olarak, dümen kavitasyonlarının model testlerindeki kalıp mürekkebi ile boya testi gibi mevcut kestirim tekniklerinin bazı eksiklikleri bulunmuştur. Son yıllarda tasarım şartnameleri oluşturulmuş ve bu şartnameler 24. ITTC Uzman Komitesi Aşınma raporuna uyarlanmıştır (Yüksek Güç/Sürat Gemilerinin Pervane ve Eklerinde Kavitasyon Uzman Komitesi Raporu, 24. ITTC2005)

Şekil 1. Hızlı bir konteyner gemisindeki
pervane ucunun aşınma hasarı
Maruz kaldığı düzensiz akıştan ötürü pervane ve gövde arasındaki etkileşim çetrefilli bir sorundur. Kavitasyon, sadece gürültü ve titreşime değil, pervane performansına da etki eder. Ancak sürekli akış içinde oluşan kavitasyon, aşınmaya; sonucunda ise pervanenin bir kısmının veyaamamhasar görmesine sebep olur. Dümen ve diğer eklerde oluşan hasarlara ise yıldan yıla daha fazla rastlanmaktadır. Dümen aşınmasıyla mücadele döngüsel bir halde ortaya çıkmıştır. 70’li yıllarda, konteyner gemilerinin 23 knot hızlara ulaşması ile kavitasyona uğrayan pervane kanatlarının uçları, dümen çatalının uçlarına ve pim boşluğuna zarar verir. 80’li yıllarda artan yakıt fiyatlarından ötürü gemilerin yavaşlamasıyla daha az arıza bildirilmiştir. Günümüzde gemi hızları, boyutları ve güçleri tekrar artmıştır. 26 knot hızlarda seyredebilen, tek uskurlu hızlı ve büyük konteyner  gemileri, 28 knot hızlarda seyredebilen Ro-Ro gemileri ve daha hızlıları örnek olarak sunulabilir (Müller 2005, Mewis and Klug 2004). EROCAV projesi kapsamında kanat ve dümen aşınmaları ile ilgili olarak gemi ve modeller üzerinde, bilgisayarlı hesaplamaları da dahil olmak üzere kapsamlı bir çalışma gerçekleştirilmiştir.

Kavitasyon, suyun yoğuşması esnasında, yoğuşma bölgesindeki basıncın suyun buhar basıncının altına düştüğü zaman başlar. Gerçekte kavitasyon çok daha erken görülmektedir. Çünkü mikroskopik parçacıklar ve çözünmüş halde bulunan gazlar kavitasyon başlangıcına zemin hazırlar. Kavitasyon kaynaklı bir hasarın hassas biçimde kestirimi zordur. Aşınmanın kestirilmesine yönelik bazı model deneylerinin başarılı olduğu belirtilmiştir. Ancak pervanedeki aşınmayı kestirme yöntemlerine göre dümende oluşan aşınma hasarlarının kestirilmesinde daha az ilerleme kaydedilmiştir. Yüz yılı aşkın süren kavitasyon araştırmalarının ardından model oluşturulması için hasar verilerine ait prototip koşullarını ölçeklendirme sorunu halen çözülememiştir. Bunun sebebi kavitaston hasarının hem akışkanlar hem de katı hal mekaniğini içermesi ve sadece pervane arkasında tek bir dümen için dahi kompleks akış bölgesinin bulunmasıdır. Kavitasyon kaynaklı aşınma, mühendislik yöntemleri kullanılarak kestirilebilir; ancak bu metotlar genelde nitel ve fiziksel proseslerdir. Bu yüzden derinlik kısmen anlaşılabilir. Aşınma riskini tahmin etmek üzere, çok genel parametreleri içeren ampirik yöntemler vardır. Ancak bu yöntemler bir tasarımın ön incelemesini yapmak dışında çok kaba bir bilgi sağlarlar. Tamamlanmış gemilere ait bazı modeller üzerinde yapılan aşınma kestirimlerinin başarılı olduğu bildirilmiştir. Ancak model testi göstermiştir ki her bir gemi için kavitasyon dinamiklerine ait bazı detayları ortaya koymak mecburidir. Genel bir kestirim yöntemi için, nümerik veya deneysel olmasından bağımsız olarak fizik koşullarının simülasyonu şarttır. Gürültü ve aşınma için oluşan baloncukların mekanizmasının tam anlamıyla bilinmesi gerekmektedir. Bir kavitasyon baloncuğunun oluşturduğu saldırı çok küçük alanlar üzerinde çok kısa zaman aralıkları ile gerçekleşir. Kavitasyon akışının hidrodinamiği ve kavitasyon dağılmasının oluşturduğu darbe yüklemesine karşı malzemenin tepkisi göz önüne alınmalıdır. En uç iki noktadan biri son dağılmadır; basınç vuruntuları oluşurken pervane kanadının malzemesine doğru enerji transferi olur. Diğer bir uç nokta ise genel akışın şiddetli bir parçalanmaya sebebiyet vermesidir. Genel akışın gelişiminin anlaşılması halinde çeşitli kavitasyonlar erken evrelerde teşhis edilebilir ve önlem alınabilir. Aşınmaya bağlı şiddetli parçalanma leke kavitasyonları ile bağlantılı olsa da düzgün bir kavitenin de şiddetli biçimde parçalanabileceği görülmüştür (Bark ve Berchise, 2004).

Şu an sorun, hidrodinamik ve akustik performansın ne şekilde artırılacağıdır. Başka bir deyişle, kavitasyonun nasıl önleneceği ve mevcut kanatlar ve/veya dümenlerdeki aşınma hasarlarının nasıl en aza indirgeneceği deniz hidrodinamiğinin en büyük sorunlarından biridir. Daha zoru ise ekonomik anlamda pek çok pervane ve türbinle ilgili olarak, güçlü veya zayıf aşınmanın kestirimidir.

AŞINMA KESTİRİM TEKNİKLERİ

Geçmişte pek çok kestirim tekniği incelenmiştir. Bunlardan bazıları çoktan ortaya çıkmış ve pratikte kullanılmaktadır. Diğerleri ise kavitasyon aşınmasının kestiriminde yenidir. Şu an, Boya Testi Yöntemi ve Yüksek Hız Video yöntemi kavitasyon aşınması kestirimi için dünya genelinde güvenilir ve pratik yöntemler olarak kabul edilmiştir. Yüksek Hız Video yönteminin amacı kavitasyon dinamiğinin araştırılması, bu yolla olası aşınma mekanizmalarıyla ilgili görüş sahibi olmaktır. Bunun sonucunda aşındırıcı kavitasyon gelişimini etkileyen mekanizma ve fenomenoloji hassas biçimde tanımlanabilir. Yüksek hızlı video tekniği hem model testlerinde hem de tam ölçekli testlerde kullanılmaktadır. Sistem, süper hızlı bir kameranın saniyede 4500 kare kaydetmesine dayanır. Yüksek hızlı video tekniği, yüksek enerji harcayan güçlü bir aydınlatma kaynağına ihtiyaç duyar. Yöntem, kavitasyona bağlı parçalanmanın daha detaylı incelemesine imkan sağladığı için benimsenmiştir. Darbe yöntemi, yumuşak metal yöntemleri ve akustik emisyon yöntemi halen daha pratik yöntemler olarak kullanmak için fazla karmaşıktır. 

PERVANE AŞINMA ZARARI

Çok az pervane, kavitasyonun pervane diskine etkimeyeceği biçimde tasarlanmıştır; ancak her pervane kavitasyon aşınmasına uğramaz. Bu yüzden, kavitasyon bulunması ile aşınma ortaya çıkmasını basit biçimde beraber düşünmek yanlış olacaktır. Yukarıda anlatıldığı üzere, kavitasyon aşınması baloncukların kanat etrafından, sabit bir kavitenin etrafından geçmesi veya doğrudan sabit bir kavitasyondan kopması sonucu dolaşmasıyla oluşur. Kavitasyondan kaynaklanan aşınma kanadın herhangi bir yerinde görülebilir.  Ancak genellikle üç önemli bölgede rastlanır; dönüş hızının en yüksek olduğu uç, yükün maksimum olduğu yarı çapın % 70’i uzunluğunda yarıçapa denk gelen bölge ve kanat et kalınlığının fazla olduğu ve kanatlar arasındaki boşluğun küçük olmasından ötürü basınç dağılımının etkilendiği kanat kökleri.

Şekil 2. Çeşitli yüzey aşınma hasarları

Donanma gemilerine ait pervane göbeklerinin köşelerinde veya göbeğin üzerinde aşınma görülür. Bu yüzden tasarımcılar bahsi geçen bölgelerdeki akışı göz önüne almalıdır. Kök kavitasyonu olması durumunda sorunun ana kaynağı, pervane milinin meylinden ötürü kanat köklerine olan atağın açılarıdır.

Şekil 3. 6 ay işletme sonucu pervane 

kanadındaki aşınma zararı (emme tarafı)

Kavitasyon aşınması farklı şekillerde ve farklı oranlarda ortaya çıkar. Aşınma öncelikle kavitelerin patladığı noktalarda ortaya çıkar; kavitelerin başlangıç noktalarında genelde aşınma başlamaz. Yani baloncuk ve leke kavitasyonu, tabaka kavitasyonuna göre malzeme aşınmasında daha etkendir. Aşınmanın oluşum hızı değişkendir. Bazı istisnai durumlarda ciddi malzeme hasarları bir kaç saat içinde oluşabilirken diğer hallerde aşınma aylar veya yıllar içinde oluşur. Küçük bir hücum botunda kanat kökünde derin kavitasyon aşınmaları tam güçle çalışmaya başladıktan sadece 30 dakika sonra ortaya çıkmıştır. Bazı hallerde ise aşınma başlar ancak sonrasında aşınma olmaksızın durur. Pek çok çalışma henüz temel seviyesindedir ve tek baloncuğun dinamiği, aşınmış yüzeylerin mikroskopik gözlemi vb. konulara odaklanır. Tasarımcıların ihtiyacı ile araştırmalar arasında ciddi bir boşluk vardır.

Aşınmaya Yol Açan kavitasyon Tipleri

Aşınmaya yol açan bilinen kavitasyon tipleri şunlardır:

• Değişken/dolaşan tabaka kavitasyonu
  
• Leke tipi girdap şeklinde
  
• Dağınık kiriş ortası, leke tipine dönen kavitasyon
  
• Köşeden veya uçtan girdap şeklinde ortaya çıkıp leke olarak biten kavitasyonlar
  
• Köpüklü kök kavitasyonu, leke olarak biten kök girdap kavitasyonu 
  
• Köpüklü tabaka, alçalan kenara yakın
  
• Yükselen kenara yakın tabaka kavitasyonu, lekelere bölünür.

Eldeki verilere göre leke kavitasyonlarının, özellikle emiş tarafındaki uca yakın olanları, bölgesel alçalan kenar/köşe hasarına sebebiyet verecektir. Gözlemler sonucunda, leke kavitasyonlarının normal mekanizmasından farklı olarak uç kısmın yakınındaki cüzi lekeli akımların pervanede aşınmaya sebep olacağı anlaşılmıştır.

Şekil 4. Model testi sonuçları

Dolaşan tabak kavitasyonları çeşitli aşınmalara sebep olsa da araştırmalar göstermiştir ki dolaşan tabakalar her zaman şiddetli biçimde parçalanmaz ve dolaşan kavitasyonun varlığı çeşitli aşınmalar için her zaman yeterli bir koşul değildir. Aşınma konusunda, şüphesiz, leke kavitasyonları daha önemli ve hakim bir rol sahibidir.

Zararlı olduğuna inanılan bazı kavitasyon tipleri düşünüldükleri kadar zararlı olmayabilirler. Bu sayede pervanelerin veriminin artırılması ile ilgili daha geniş bir imkan oluşur. Örneğin pervanenin basınç tarafında oluşan bazı kavitasyonlar aşınma zararı vermeksizin oluşur. Bu kavitasyonlar her zaman zararlı olarak değerlendirildiklerinden ötürü cevapları bulmak için, tam ölçekli bir araştırma şarttır.

Tasarım Esnasında Kestirim Yöntemleri

Kavitasyonu kestirmek üzere pek çok yöntem olmasına rağmen aşınmayı, hatta aşınma zaman ve miktarını kestirmek üzere gerçek ve pratik yöntemler yoktur. Leke kavitasyonlarının oluşması model deneylerinde bazen işe yarar ancak günümüzde nümerik yöntemler için durum zordur. Lekelerin parçalanması ve dolaşan tabaka koşulları, yani çevreleyen basıncın zaman ve mekan içinde ortaya çıkması, model deneyinde makul düzeyde simüle edilebilmektedir. Hesaplamalarda en azından yaklaşık bir simülasyon, en azından lekelerin geniş bir alanı kapladığı durumlarda mümkündür. Parçalanan lekenin “aşınma yoğunluğu” bir noktaya kadar yumuşak malzeme deformasyonu veya boya testi gibi model deneyleri ile anlaşılabilir. Bunlara muadil sayısal bir yöntem henüz bulunamamıştır. Bu yüzden, aşınma tehdidini ortaya koymak üzere model testinden daha etkili bir yöntem henüz yoktur (Şekil 4). Gerçek boyutlarda yapılan ölçümlerin sonuçları, yoğun biçimde model deneylerine uyarlanarak ortaya çıkan kavitasyon şablonlarının oluşturduğu aşınma zararları tatminkar biçimde ortaya konulabilmektedir. Hem Yüksek Hız Video gözlemleri hem de boya testleri ile yapılan model testlerinin sonuçları gerçekteki ölçüm sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, pervanelerde oluşan kavitasyon şablonlarının kavitasyon test ünitelerinde başarılı olduğunu; sadece tam gemi modellerinin değil derme çatma modellerin de güvenilir sonuçlar verdiğini göstermiştir. Pervanenin arka tarafındaki aşınma riski, boya testi ile makul ölçüde yeniden yaratılabilmiştir. Yüksek hız videolarıyla yapılan gözlemler, aşındırıcı tipte kavitasyonların tespitinde ve kavitelerin yapısıyla ilgili güçlü bir teşhis aracı olarak kabul edildiğinden bu yöntemin, rutin biçimde kullanılması gerekmektedir. Yüzey kavitasyonu ve aşınmaya etkisiyle ilgili kestirimler gerçeğe uzaktır, bu yüzden ayrıca incelenmeleri gerekir. EROCAV’da yüzey kavitasyonunun aşındırıcılık özelliği ile ilgili olarak kriter tespit edilmiş ve tam ölçekli verilerle kontrol edilmiştir. Seçilen kriter yüzey kavitasyonunun aşındırıcılığının kestirimi için uygun bir araç olmuştur. 

İyileştirme Önerileri

Belli bir projenin bulunduğu evreye bağlı olarak, farklı iyileştirme yöntemleri kullanılabilmektedir:

Sadece pervane geometrisinin değiştirilebileceği durumlarda esas hedef, daha kararlı yani daha güçlü bir tabaka kavitasyonu oluşturmak olmalıdır. Bunu sağlamak için yapılacaklar şunlardır.

• Yükselen köşeye ait yuvarlama yarıçapının büyütülmesi,
  
• Yük dağılımının değiştirilmesi (mil ve/veya kavis üzerinde değişiklikler yaparak)
  
• Kanat sayısının değiştirilmesi 

Bu değişiklikler sonucu kanatlardaki basınç dalgalanmalarının daha yüksek olması beklenir. En önemli tasarım sorunlarından biri kavitasyon kaynaklı aşınmaya meydan verecek kavitasyon oluşumunun tam olarak hesaplanmasını sağlayacak sayısal yöntemlerin olmayışıdır. Bu yüzden model testleri karşı tedbirlerin işe yarayıp yaramadığını anlamanın tek yoludur.

Gerçek sistemlerde hasar oluşması durumunda bazı tedbirlerle hasar giderilmelidir. Bu tedbirlerden bazıları aşağıda verilmiştir:

• İlgili kanat uçlarını keserek almak
  
• Oluşan çukurcukları taşlamak (örneğin orta kirişte) ve o halde bırakmak
  
• Hasarlı kısımları kaynakla doldurmak (orijinal haline yakınlaştırmak)
  
• “Sıvı metal” kullanmak
  
• Lazer kullanarak malzemenin aşınma dayanımının artırılması (malzeme iç yapısının iyileştirilmesi)
  
• İlave hava besleme kurulumunun yapılması (Kök kavitasyonuna karşı)
  
• Kanat köklerinde matkapla, kanat yarıçapının üçte birine denk gelen kısımda  kiriş uzunluğunun üçte biri veya ikisi uzunlukta delikler açmak (bu delikler sayesinde hava veya su yüzeyden emme kısmına doğru geçiş sağlar.

Şekil 5. Tam ölçekte uç girdap 

kavitasyonu

DÜMEN AŞINMASI

Artan hızlar ve daha büyük gemilerin ortaya çıkması gemi dümenlerinde, kavitasyona bağlı aşınma olaylarının görülmesine sebep oldu. Dümenlerde oluşan kavitasyonlar form ve şekil açısından farklı farklı olabilir. Değişik kavitasyon görüntülerinin etkileri de farklıdır. İlerlemiş tabaka kavitasyonu olan noktalarda düşük hidrodinamik performans beklenirken diğer tipler, baloncukların, basınç noktalarında, ani ve şiddetli biçimde parçalanmasıyla kanat yüzeylerinde çeşitli aşınma zararları ortaya çıkabilmektedir. Dümen üzerinde oluşan tabaka kavitasyonları kısmen pervanenin akışına kısmen de dümenin maruz kaldığı düzensiz akışa bağlı oluşur. Pervane  akış yönündeki uç ve göbek girdabından kaynaklanan kavitasyon çok daha önemlidir. Göbek kavitasyonu ve dümen etrafındaki basınç arasındaki etkileşim de önemlidir. Aşınmaya bağlı zararlar, küçük baloncukların buhar ile dolması sonucu dümene yakın noktalarda patlamasıyla ortaya çıkar. Genellikle problem boşluk ve alçalan kenar hasarı olarak yarı batık dümenlerde ortaya çıkar ve bu durum artan meblağlarda tamir bakım masrafını getirir. 

Dümenlerde kavitasyona bağlı aşınma genellikle rotanın takip edilmesi esnasındaki ±5° açısal hareketlerle bağlantılıdır. 

Son yıllarda bildirilen hasarlar göz önüne alındığında, hasarların genellikle 23 knot’tan daha hızlı hareket eden gemilerin pervanesindeki hava boşluğundan etkilenen dümenlere ait olduğu ve pervanenin güç yoğunluğunun P/(p/4.D2) > 800 [kW/m2] olduğu görülmüştür. (P- pervaneye ait  emilen güç, D- Pervane çapı)

Dümen aşınmalarından kaynaklanan zararlar kendiliğinden oluşan (Şekil 6) veya pervane ucu ve göbek girdabından oluşan kavitasyondan kaynaklanabilir (Şekil 5 ve 6)

Şekil 6. Dümen aşınma zararları

Aşınmanın oluştuğu temel kısımlar şöyledir:

• Dümen çatalı ve gövdesi (pervanenin uç kısmının yarattığı girdaptan ve pervanenin ivmelendirdiği akıştan kaynaklanır)
  
• Pim bölgesi (dümendeki yüzey süreksizlikleri ve pervanenin bağlantı göbek girdabından 
  
• kaynaklanır)
  
• Dümen tabanı (akış ayrılmasından ve kavitasyon yaratan girdaptan kaynaklanır)

Dümenlerde, farklı kavitasyon tipleri oluşmaktadır: Baloncuk, taban, boşluk, pervane ucu girdabından, göbek girdabından kaynaklanan kavitasyonlar ve yüzey süreksizliklerinin sonucu olan kavitasyonlar. Genellikle üretimden kaynaklanan eksikliklerin yarattığı kavitasyonlar, dümen kanat yüzeyindeki pek çok kısmı aşınmaya maruz bırakabilir. Ana vurgu, pim boşluğu civarına yapılmalıdır. Boşluğun boyutu ve geometrisi en az  işçiliği kadar önemlidir. Kavitasyona uğrayan baloncuklar, lekeler ve tabaka parçaları boşlukların etrafında oluşur. Bu kavitasyonlar hızlı biçimde yayılır ve aşırı agresif olarak nitelendirilirler.

Farklı zamanlarda büyük konteyner gemilerinden alınan fotoğraflarda görülmüştür ki, geminin içinde olduğu karmaşık akış alanlarında uç girdabı tabakayla etkileşir ve şiddetli biçimde dolanır. Ayrıca halka girdapları da çekirdek girdabın etrafında oluşarak buhar sisi veya buğusu olarak sonlanır. Böylece bir kavitasyon yaratan girdap (uç veya göbek girdabı) dümeni yakaladığı zaman, genelde yükselen kenarı sarar ve kavitasyonlar dümen yüzeyine yayılır. Bu oluşumun sebebi yükselen kenarda ortaya çıkan girdap etkisidir. Genelde dümenin üst tarafındaki aşınma alt kısma göre daha güçlüdür. Bazen kavitasyon yaratan çekirdek girdabı dümen kaplamasını da aşarak kaplama altında hasara sebebiyet verir. Büyük dümen açıları için kavitasyon önlenemez ancak normalde çalışma saatinin azlığından ötürü kavitasyon zarar vermez.

Kestirim Yöntemleri

Pervanelerde olduğu gibi, kavitasyonu kestirmek üzere çok çeşitli yöntemler vardır. Ancak aşınmayı,  hatta aşınmanın miktarını ve zamanını kestirmek üzere gerçek ve pratik yöntemler yoktur.

A.Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği gibi modern sayısal yöntemler iyileştirilmiş dümen tasarımının kavitasyona yönelik yapılması ve çare olabilecek önlemleri belirlemek üzere uygulanabilir.

Günümüzde yeni bir dümen sisteminin tasarımı halen daha tecrübelere dayanmaktadır. Dümen sistemlerinin projelendirmesi halen belli klas kuruluşlarının kurallarına uygun yapılmaktadır. Kurallar, standart parçalar ve elemanlar için beklenen kuvvet ve momentlerin kullanıldığı standart hesaplamaları içerir. Sayısal yöntemlerin gücü gitgide artarken pek çok hidrodinamik etki sayısal olarak tahmin edilebilmektedir. Potansiyel akış kodları dümenler için kullanılan standart araçlardır. Potansiyel akış kodları suyun akışından kaynaklanacak tüm etkileri göz önüne alır ve kavitasyon noktalarının, sayısal hesaplamalarla bulunan yerel basınçların buhar basıncından düşük olduğu dümen bölgelerinde kavitasyon olduğunu varsayar. Bu araçlar, kavitasyon karakterinin kestirimine uygun değildir ve bulutlu veya girdap kavitasyonların olması durumunda başarı sağlayamamaktadırlar. Bu yöntemlerin en umut vereni Reynolds averajlı Navier-Stokes (RANS) denklemlerine dayanır. RANSE (Reynold Averajlı Navier Stokes Denklemleri), çok fazlı ve büyük Eddy (Girdap) akış kodları gibi sofistike yöntemler, kavitasyon saldırganlığını ve girdap kavitasyonlarının ortaya çıkışını kestirmeye imkan sağlar. Ancak şu ana kadar bu yöntemler dümen tasarımında kullanılmaktan uzaktadır. Bu yüzden model ölçeğindeki kavitasyon testleri halen daha olası problemleri önleme konusunda vazgeçilmezdir.

B.Kavitasyonu ve onla alakalı aşınma problemlerini kestirmek üzere model testleri.

Gelişmiş bir test ünitesinde gerçekleştirilmesi durumunda kavitasyon tünellerindeki model testleri, tasarımın erken safhalarında yardımcı olur. Dümen kavitasyonu sadece dümen geometrisine değil ayrıca dümen ve pervaneden geçen akışa da bağlıdır. Bu yüzden, gövde ve pervane arasındaki etkileşimi vermek için yapılan gemi modellerinin üç boyutlu akımlardaki testleri, kavitasyonu anlamak için gereklidir. Bununla birlikte, model testlerine göre dümenlerde aşındırıcı kavitasyonu anlamak çok daha zordur. Bunun ana sebebi Reynolds sayılarının çok küçük olması ve girdap yapısıyla ve farklı akışların dümene farklı açılardan saldırmasıdır. Boya testi ise her zaman güvenilir sonuçlar vermez. Daha uygun bir boya bulabilmek için araştırmaların derinleşmesi gerekmektedir. Dümenlerdeki aşınma tehlikesini değerlendirmenin tek yolu kavitasyonun ortaya çıkışını çok dikkatli biçimde gözlemektir. Dümen kavitasyonunu görmek üzere en geçerli yöntem Yüksek Hız Video yöntemidir. Ayrıca büyük dümen modelleriyle ayrı bir test düzeneğinde ilave testler yapılması da tavsiye edilmiştir (Friesch, 2003) Yeni bir geminin tasarımı esnasındaki pervanelerin testi gibi dümenlerin de kavitasyon gözlemleri önem kazanmalıdır.

C Tam ölçekli ölçümler, faydalı ancak pahalıdırlar ve doğrulama yahut hangi çare kabilinden önlemlerin alınacağına karar vermekte kullanılırlar.

Tasarım Stratejisi

Güçlü ve hızlı gemilerin dümenindeki aşınma hasarı tehlikesini en aza indirgemek için dikkatli bir tasarım stratejisi izlenmelidir (Friesch, 2006). Bu strateji hem model testlerini hem de sayısal hesaplamaları içermelidir. Pervane, dümen ve diğer ekleri aynı hassasiyetle tasarlanarak kavitasyon aşınması potansiyeli azaltılmalıdır. Tasarımdan bağımsız olarak işletme koşulları da önemlidir ve kavitasyon aşınması riskini indirgemek adına göz önüne alınmalıdırlar.

Tasarım Şartnamesi

Fiziksel prosesin tam olarak anlaşılamadığı koşullarda kavitasyon aşınmasını en aza indirgemek için tecrübeye dayanan pratik çözümler kullanılmalıdır. Pratikte çözümler iki grupta incelenebilir:

1.Akış ve şekilleri değiştirerek hidrodinamik karakteristikleri kontrol etmek

2.Hiçbir hidrodinamik karakteristiği değiştirmeksizin aşınmaya karşı malzeme dayanımını artırmak. Bazen bu çözümler eş zamanlı olarak uygulanabilir.

Esas hedef, başlangıçtan itibaren hassas bir dümen tasarımı ile tasarımın erken safhalarındaki bariz hataların engellenmesidir. Bu kapsamda:

1. Boşluğu mümkün mertebe küçük tutmak ve tüm köşeleri yuvarlamak; boşluktan geçen hızın düşük olduğunun doğrulanması; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği kullanılarak ayrık akış alanlarının belirlenmesi; boşluk olmayan noktalarda kürek dümen kullanılması;
   
2. Dümen yüzeyinin altına bir kavis verilerek taban kavitasyonunun en aza indirgenmesi (bazen yatay bir avare plaka kaynatılabilir) gereklidir
   
3. Uygun kalınlıkta ve geometride profil kullanılması. Bunun için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği kullanmak gerekebilir. Uygun şekillendirilmiş olan profilin yükselen kenarının yarıçapı kavitasyon sepetini genişletecek ve akıştaki değişikliklerle başa çıkabilecek şekilde seçilmelidir. Kullanılan dümen profilin Cp değeri yeterince küçük olmalı ve atak açıları da normale yakın olmalıdır (dümen kalınlığının en fazla  olduğu kesit yükselen kenarın %35 +%40’ı kadar ve basınç dağılımı yumuşak). Yüksek hızda yönelen akımlar olduğu takdirde HSVA MP-71-xx gibi kesitler daha uygun bulunmuştur. Profil biçiminde sıra dışı çeşitlemeler engellenmelidir.
   
4. Dümene yönelen akışın olduğu durumlarda Uç ve göbek girdaplarının en aza indirgenerek pervaneyi kavitasyon dökülmesinden korumak gerekir. Bu önlem ilave kavitasyonlara sebep verebilir ve aşınmayla 
   
5. birlikte dümen yüzeyinde kavitasyonların içe doğru patlamasına yol açabilir.
   
6. Dümen milinin montajı dümen profilinin genişlemesine sebebiyet vermemelidir. Monte edilen dümen milinin profil kalınlığıyla uyumlu olması önemlidir. Bu koşulun sağlanamadığı durumlarda daha uygun bir profil seçiminin yapılması gerekir (kalınlık-kiriş boyu oranının –t/c- daha yüksek olması)
   
7. Koruma katodunun yeri ve pervanenin rüzgarına uygun olarak seçilmesi gerekir.
   
8. Tüm kaynak dikişleri taşlanarak tüm profilin aynı seviyeye gelmesi sağlanması gerekir. Kavitasyon olma ihtimali olan bölgelerde kaynak dikişi olmamalıdır.

Akışa uyumlu dümen kullanımı değerlendirilmelidir (burgulu dümenler)

Burgulu Dümenler

Pervane arkasındaki bir akış her zaman hem eksenel olarak ivmelenen sudan hem de rüzgarın dönüşünden kaynaklanan kinetik bir enerjiye sahiptir. Dümen enerjisinin bir kısmını geri kazanabilir; bu yüzden kürek veya yarım kürek dümenler kullanılmaktadır. Boşluk kavitasyonunun önlenebilmesi amacıyla kürek dümenler tavsiye edilmektedir. Erken kavitasyon oluşumunu engellemek için sıfırdan dümen kökünden ucuna kadar pervanede sıfırdan farklı akış açılarını sağlayacak bir profille beraber burgulu dümenler kullanılabilir. Ayrıca, her bir bağımsız dümen kesiti, kiriş doğrultusunda helezon biçiminde döndürülebilir; böylece akış akış dümenin yükselen kenarından kiriş boyunca alçalan kenara doğru hareket edebilir. Dümen kesitinin mil etrafında “burgulanmasıyla” tasarımcılar, normal yükleme koşullarında kavitasyon hasarına uğramayacak bir dümen yaratırlar. Burgulu dümenlerde yapılan model testleriyle kavitasyona karşı gelişme sağlandığı görülmüştür.

Burgulu dümenin faydalarını ispat etmek üzere Meyer Werft Tersanesi’nde tasarımı yapılan yeni bir yolcu gemisi iyi bir örnektir. Geminin ihtiyaç duyduğu güç, yani yakıt sarfiyatı ve dümende görülen kavitasyon seviyesi azaltılmıştır. Bu dümen tasarımı karmaşık, zor, ancak bir o kadar da faydalıdır. AIDA’nın yeni yaptığı gemisi için yarattığı kürek dümen tasarımı, geminin ve pervanesinin arkasında oluşan akışın dümen kenarında mümkün olduğunca yumuşak olmasını hedeflemiştir. Bunu sağlamak üzere burgu ve kavisin bir kombinasyonu (burun-kuyruk hattına bir meyil verilmiştir) kullanılmıştır. Pervane şaftının üstündeki ve altındaki kesitler farklı yönlere doğru burgulandırılmıştır. Aynı şekilde meylin yönü ve doğrultusu da kesit boyunca sabit bir eğrilik gösterir. Karmaşık tasarımın başarıyla imal edilebilmesi için dümenin önü, pervane milinin alt ve üst kesitin maksimum aralığıyla bir çizgi oluşturacak şekilde biçimlendirilir. Verilen meyil burun kısmının eğimini destekler. Bunun akışın giriş koşullarına faydası vardır. Ayrıca yeterli miktarda enerjinin dümenin üzerinde pervanenin rüzgarından kazanılacak enerji olduğunu da teyit eder. HSVA’da yapılan testler bu varsayımları doğrulamıştır.

AIDA için HASVA’nın yürüttüğü çalışmalar Alman  Becker Marine Systems’in burgulu dümenlerdeki tecrübesiyle desteklenmiştir. Becker Burgulu Yükselen Kenar Destekli Dümen (TLSKR), 2005 yılında denize indirilen 8400 TEU’luk konteyner gemisi olan “Savannah Express”de denenmiştir.

Bu gemi burgulu yükselen kenara sahip bir dümenin kullanıldığı ilk gemidir. Pek çok gemi “Savannah Express”i takip etmiştir. Burgulu dümenin sonuçları HSVA’da hesaplamalı akışkanlar dinamiği hesapları, gemi gücü, kavitasyon ve manevra testleri gibi detaylı testlerle desteklenmiştir. Doğal olarak şartlar korunduğunda ve normal dümen açılarında kavitasyon görülmemiştir. Büyük dümen açılarında, dümenin üst kısmından alt kısmına geçişte girdaplar tespit edilmiştir  ve daha büyük dümen açılarında tabaka kavitasyonu gözlenmiştir. 25.5 knot hızlarında da 1000 kW/m2 değerlerinde bu durum şaşırtıcı olmamaktadır.

SONUÇ

Dümen ve pervane aşınmalarını gidermek için pek çok öneri sunulsa da pek çok soru çözülmemiş olarak kalmaktadır. Sorun sürekli olarak devam edecektir. Çünkü kavitasyon hidrodinamik ve mekanik faktörlerin etkileşimiyle görülmektedir. Bu işi daha ileriye götürmek için temel bilgisi kadar mühendislik yöntemlerine de ihtiyaç duyulmaktadır. Kavitasyon kaynaklı aşınmanın kestiriminde model testlerinin, şu an ve ilerisi için makul kestirimler yapmak üzere en etkili araç olacağı söylenebilir. Kavitasyon oluşunun detaylı gözlemlerinin yanı sıra, Yüksek Hız Video Tekniği ve boya testi yöntemi en güvenilir, gelişmiş ve pratik araçlar olarak gözükmektedir.

 

---

R E K L A M