Gemi/Denizaltı Motor Sistemlerinde Süperiletken Teknolojisi

Başlatan Alkyone, Tem 04, 2018, 01:10 ÖÖ

« önceki - sonraki »

Alkyone

Gemi/Denizaltı Motor Sistemlerinde Süperiletken Teknolojisi


Süperiletkenlik vasıtasıyla elektriğin uygun malzemeler üzerinden sıfır dirençle akabilmesi, bu tür malzemelerin kullanılmasıyla elektrikli bütün sistemlerin verimlerinin ciddi seviyede artırılabilmesini mümkün hâle getirmektedir. İlave olarak süperiletkenlerin, Bakır gibi sıradan iletkenlere göre çok daha yüksek (~100-300kat) akım yoğunluklarını taşıyabilmesi de ciddi bir üstünlük sağlamaktadır.

Böylelikle süperiletken malzemelerin kullanılmasıyla elektrik motorlarından, kablolara kadar geniş bir yelpazedeki eşdeğer görevlerin çok daha küçük ve hafif elektrikli donanımlar ile yerine getirilebilmesi mümkün olabilmektedir. Bu hedeflere ulaşabilmek için uzun yıllardır gerçekleştirilen kapsamlı ar-ge çalışmaları sonucunda gelinen noktada beklenen kazancın teknik olarak gerçekleştirilebilir bir hedef olduğu da deney ortamlarında gösterilmiştir.

Bununla birlikte teknik ve iktisadî zorluklar sebebiyle süperiletken motor teknolojisi henüz tam olarak ticarileştirilebilmiş değildir. Yine de süperiletken elektrik makinalarının temel tasarım teknolojisi, teknik açıdan bugün için çözülmüş durumdadır ve süperiletken makina teknolojisinin ticarileşme dönemi artık oldukça yakındır. Şimdilik bu geçiş döneminde dikkâte alınan temel hususlar olarak:

  • Talep
  • Maliyet
  • Ömür
  • Güvenilirlik
  • Rekabet
  • Diğer teknoloji seçenekleri

sıralanabilir. Süperiletken teknolojisinin potansiyel uygulama alanları mâlûm olduğu üzere son derece geniştir. Bu ilk bölümde ise konu sadece tek bir açıdan ele alınmaya çalışılacaktır:

Denizaltı Motorları

Böyle bir tercih yapılmasının sebepleri bellidir; öncelikle dünya üzerinde süperiletken teknolojisinin ticarileştirilmesi için yapılan çalışmaların en köklülerinden biri gemi/denizaltı motorları üzerinedir.

YSS elektrik motorlarının sağlayabildiği:

  • Daha iyi güç/ağırlık oranı
  • Daha iyi güç/hacim oranı
  • Daha yüksek verim
  • Daha düşük akustik, manyetik ve elektrik izleri

gibi temel üstünlükler, gemi ve denizaltı tasarımlarının geliştirilmesi açısından son derece değerli olduğundan söz konusu teknolojinin gelecekteki kullanımını adeta mecburî bir hâle getirmektedir denilebilir.



Resim.1) Bir Güney Kore Tip 214'ü üzerine yerleştirilmekte olan Siemens Permasyn elektrik motoru. İnşa edilmekte olan Reis Sınıfı denizaltılar üzerinde de bu motor kullanılacak.

Ortalama olarak bir YSS motor; eşdeğer tork ve güce sahip Bakır temelli bir geleneksel elektrik motorunun yaklaşık %35'i ağırlığında, %50'si hacminde imâl edilebilir ve mâliyeti de eşdeğer seviyede olurken daha yüksek verim sebebiyle örneğin denizaltının aküler ile beslendiği bir durum için daha uzun bir menzil sağlayabilir.

Süperiletken motorlar aslında esas olarak Bakır temelli elektrik motorlarının tasarım kavramlarına sahiptir. Aradaki temel farklar, Bakır temelli rotor bobinlerinin ve sâbit mıknatısların yerine süperiletken temelli olanların kullanılmasından ve sisteme ilave edilmesi gereken soğutma donanımlarından kaynaklanır.

Süperiletken teknolojilerinden donanma uygulamaları için yararlanmaya yönelik çalışmalar dünya üzerinde ilk kez ABD'de 1948 gibi son derece erken bir tarihte Düşük Sıcaklık Süperiletken (DSS) alanındaki nazarî ve denel çalışmalar ile başlatıldı. NRL'de1 istihdam edilen çok sayıda bilimadamıyla yürütülen faaliyetler sonucunda sürekli bir ilerleme sağlandı, örneğin 1987 itibarı ile 90°K geçiş sıcaklığına sahip ilk Yüksek Sıcaklık Süperiletken (YSS) üretildi vs...

2004'de AMSC tarafından üretilip Florida Devlet Üniversitesinin CAPS2 laboratuvarına teslim edilerek denenmeye başlanan 200kNm tork üreten 5MW-230devir/dak ikinci süperiletken [Çizelge.1] gemi motoru tarihî bir dönüm noktası olarak kabûl edilebilir.

Aynı sene içinde ONR3 ile AMSC ve Northrop-Grumman arasında yapılan 70milyon $ tutarındaki anlaşma ile tasarımına başlanan ve üç sene içerisinde geliştirilerek 2007'de teslim edilen 36,5MW denizaltı motorunun ilk olarak DDG-1000 Sınıfı muhripler üzerinde kullanılması düşünüldüyse de o günler için bu yeni teknolojinin olgunluk seviyesine yeteri kadar güvenilemediği için bu gemi üzerinde AIM4 türü bir konvansiyonel elektrik motoru tercih edilmişti.

Konvansiyonel elektrik motorları çok uzun zamandır gemi ve denizaltılar üzerinde kullanılmaktadır. Çeşitli alt türleri mevcut olsa da genel anlamda, ihtiyaç duyulan gücün artışıyla birlikte bu tür motorların hacim ve ağırlıkları aşırı yükselmekte ve verimleri de düşmektedir. Bilhassa denizaltı gibi çok çeşitli açılardan mühendisliği zorlayıcı bir ortam için bu değişkenlerin tasarım geliştirme üzerindeki etkileri son derece kısıtlayıcı olmaktadır.

Yaklaşmakta olan Yüksek Sıcaklık Süperiletken (YSS) teknolojisinin, sahip olduğu boyut-ağırlık-verim üstünlükleriyle, gelecek nesil denizaltı tasarımları üzerinde ve üstelik kısa vâdede çok büyük bir teknolojik sıçramaya sebep olacağı bugün artık aşikâr hâle gelmiştir.



Çizelge.1) İlk 30 yılın özeti. Gemi/Denizaltı tahrik sistemleri için yürütülen ar-ge çalışmaları çerçevesinde imâl edilen öncü YSS deniz motorları. 2.Nesil süperiletken (YBCCO) kullanan ilk motor 2009'da Japonya'da, sıvı Azot ile soğutulan ilk motor ise 2011'de Çin'de üretildi.

Deniz uygulamalarına yönelik geliştirilen ilk YSS motor 1983'de ABD'de imâl edildi. Tâkip eden 5MW gemi motoru ve 36,5MW denizaltı motoru önemli atlama taşları olarak değerlendirilebilir.  2009'dan itibaren sırasıyla Japonya, Almanya, Çin ve Güney Kore de ar-ge amaçlı öncü deniz motorları [Çizelge.1] imâl ederek kervana dâhil oldu. Bu motorların tamamı teknoloji geliştirme amaçlı olduğu için kara tesislerinde uzun yıllardır çalıştırılmaktadır ve henüz denize inmiş değillerdir. Bununla birlikte yukarıda belirtilen ilk çalışır YSS motor tasarımları belli bir teknolojik olgunluk seviyesine ulaştıklarında önümüzdeki dönemde gemiler ve denizaltılar üzerinde kullanılacaktır.

Bir denizaltı üzerinde kullanılacağı kesin olarak bilinen ilk süperiletken motor ABD'de Ohio Sınıfı balistik füze denizaltılarının yerini almak üzere tasarlanmakta olan ve 2021 civarında inşasına başlanacak Columbia (SSBN-826) Sınıfı araç üzerine yerleştirilecektir ve büyük ihtimâlle 2007'de ~70milyon $'lık sözleşme ile imâl edilen ve 10 senelik ar-ge faaliyeti dahil 100milyon $ civarında bir toplam maliyeti olan 36.500kW (49.000HP) prototip motoru temel alacaktır, bâzı kaynaklarda bu denizaltı üzerinde kullanılacak motorun 40MW (53.700HP) gücüne yükseltilmiş olduğu da ifâde edilmektedir. Columbia Sınıfı ile benzer ölçülerdeki Ohio Sınıfı ise 49.000SHP buhar türbini ile tahrik edilmektedir.



Resim.2) Columbia Sınıfı balistik füze denizaltısı ve YSS elektrik motoru.
36,5MW gücündeki motoru mesela bizim Reis Sınıfı üzerinde kullanılacak olan "Sabit Mıknatıslı Eşzamanlı" alman motoru [Resim.1] ile karşılaştırdığımızda; AMSC üretimi bu süperiletken motorun, yakın ağırlıkta olmasına rağmen yaklaşık 12 kat güç üretebildiğini görerek, süperiletken motor teknolojisinin önemini biraz kavrayabilmek mümkün olabilir.

Yine de 2028 civarında denize inmesi beklenen Columbia'dan önce, aradaki zaman farkı göz önüne alındığında belki başka denizaltı tasarımları üzerinde YSS motorlarının ilk olarak kullanılmaya başlaması da söz konusu olabilir. Bâzı ihtimâlleri yüksekten alçağa sıralarsak:

Güney Kore: Devam etmekte olan KSS-III Sınıfı inşa faaliyetlerinde, belki inşası başlamış olanlar için değil ama takip edecekler üzerinde ~5MW
Japonya: Tamamlanmaya yaklaşan Soryu projesini takip edecek olan yeni sınıf denizaltılar üzerinde ~6MW
Almanya: Norveç ve Almanya donanmaları için inşa edilecek Tip 212NG üzerinde ~3MW
Fransa: Avustralya için inşa edilecek Kısa Kuyruk Barakuda üzerinde ~10MW
ilk YSS motorun uygulanması beklenebilir.

İlave olarak İngilterenin Dreadnought Sınıfı, gelecek nesil balistik füze denizaltısı üzerinde, aralarındaki irtibat da göz önüne alındığında ABD kökenli bir YSS motorunun kullanılması beklenebilir. Yine Fransanın geliştirme çalışmaları yakın dönemde başlayan SNLE-3G balistik füze denizaltısı projesinde de bir YSS motor kullanılması kuvvetle muhtemeldir.

http://uskudar.biz/savunma-sanayii/milli-denizalt%C4%B1-milden-motor

Makalenin Kaynakları

1. High Power Density Superconducting Rotating Machines -- Development Status and Technology Roadmap, 2017, Kiruba S. Haran - Swarn Kalsi - Tabea Arndt - Haran Karmaker - Rod Badcock - Bob Buckley - Timothy Haugan - Mitsuru Izumi - David Loder - James W. Bray - Philippe Masson - Ernst Wolfgang Stautner
2. Application of Low and High Tc Superconductors in Magnets and Power Applications, René Flükiger
3. Design and Market Considerations for Axial Flux Superconducting Electric Machine Design, Mark D. Ainslie - Ashley George - Robert Shaw - Lewis Dawson - Andy Winfield - Marina Steketee - Simon Stockley
4. Design and Performance Analysis of a 2.5 MW-Class HTS Synchronous Motor for Ship Propulsion, Jin Zou - Di Hu - Tim J. Flack - Haichao Feng - Xiaozhuo Xu - Mark D. Ainslie
5. Electric-Drive Propulsion for U.S. Navy Ships: Background and Issues for Congress, 2000, CRS Report for Congress
6. US Navy's Superconductivity Programs Scientific Curiosity to Fleet Utility, 2011, Donald U. Gubser
7. Test Results from Siemens Low-Speed, High-Torque HTS Machine and Description of Further Steps Towards Commercialization of HTS Machines, 2012, Wolfgang Nick - Joern Grundmann - Joachim Frauenhofer
8. The Status of HTS Ship Propulsion Motor Developments, 2006, S. Kalsi - B. Gamble - G. Snitchler - S. Ige
9. Columbia Class Submarine Program, 2017, David A. Goggins Mesajı Paylaş
Çoklar diye korkma
Azız diye çekinme...
Tonyukuk


Paylaş delicious Paylaş digg Paylaş facebook Paylaş furl Paylaş linkedin Paylaş myspace Paylaş reddit Paylaş stumble Paylaş technorati Paylaş twitter