SeyrüseferSavunma Sanayii → Milli Denizaltı: MİLDEN - Motor

Milli Denizaltı: MİLDEN - Motor

Seyir Defteri - Savunma Sanayii
Çarşamba, 06 Haziran 2018

AMSC 36,5MW YSS MotorSüperiletkenlik 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 ve ikinci olarak, içinde bulunduğumuz dönem itibarı ile de Milli Denizaltı projesi için söz konusu teknoloji Türkiye Cumhuriyeti açısından en hassas konulardan biridir, her ne kadar şimdilik gidişat maalesef bu yönde olmasa da...

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.


Bir Güney Kore Tip 214'ü üzerine yerleştirilmekte olan elektrik motoru

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.
Mevcut durum göz önüne alındığında; çalışmalar SSM'nin işâret ettiği yönde ilerlerse, MİLDEN üzerinde de 2030'lardan itibaren aynı veya eşdeğer motor kullanılacak gibi görünüyor!


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.


İşte Hendek İşte Deve

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.


Yıl Motor Hızı
devir/dak
Güç
kW
Tork
kNm
İletken Soğutucu Geliştirici Ülke
1983 1.200 2.250 ? NbTi Helyum (Sıvı) GE5 ABD
2004 230 5.000 200 ? ? AMSC6 ABD
2005 ? 37.000 ? NbTi Helyum (Sıvı) GA7 ABD
2007 120 36.500 2.900 ? Helyum (Gaz) AMSC ABD
2009 360 7,5 ? YBCO Helyum (Gaz) NEDO8 Japonya
2010 120 4.000 320 ? Neon (TS9)
Siemens Almanya
2010 190 1.000 ? BSCCO Helyum (Gaz) KHI10 Japonya
2011 500 1.000 ? BSCCO Azot (Sıvı) WIT11 Çin
2011 200 5.000 ? BSCCO Helyum (?)
Doosan Güney Kore
2012 160 3.000 ? BSCCO Helyum (Gaz) KHI Japonya
2013 250 400 ? BSCCO Azot (Sıvı) IHI12 Japonya

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.


Columbia Sınıfı Balistik Füze Denizaltısı ve Yüksek Sıcaklık Süperiletken Elektrik Motoru

Resim.2) Columbia Sınıfı balistik füze denizaltısı ve YSS elektrik motoru.
36,5MW gücündeki motoru mesela bizim Reis Sınıfı (ve muhtemelen MİLDEN) 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:

  1. Güney Kore: Devam etmekte olan KSS-III Sınıfı inşa faaliyetlerinde, belki inşası başlamış olanlar için değil ama takip edecekler üzerinde ~5MW
  2. Japonya: Tamamlanmaya yaklaşan Soryu projesini takip edecek olan yeni sınıf denizaltılar üzerinde ~6MW
  3. Almanya: Norveç ve Almanya donanmaları için inşa edilecek Tip 212NG üzerinde ~3MW
  4. 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.

Ve 2030'lardan itibaren hatta belki biraz daha önce Çin denizaltılarının da bu teknolojiye yavaş yavaş geçmeye başlaması şaşırtıcı olmaz.

Nihayet son olarak Hindistan'da da uzun zamandır denizaltılar için YSS motor geliştirilmesine yönelik bâzı çalışmalar yapıldığı duyulmaktadır.

Velhasıl bu sahaya giriş sırasıyla ABD, Japonya, Almanya, Çin, Güney Kore, Fransa ve Hindistan ilave olarak muhtemelen Tayvan olmak üzere denizaltılar üzerinde YSS motor kullanma yönünde çeşitli olgunluk seviyelerinde çalışmalar yürüten bilinen sekiz ülke mevcuttur ve ayrıca, İngiltere ve Rusya'da da uzun zamandır süperiletken teknolojilerine yönelik çalışmalar yapılmaktaysa da açık kaynaklarda denizaltılara yönelik bir çalışmada yapılıp yapılmadığına dâir veri mevcut değildir, Rusyanın YSS motor çalışmaları şimdilik havacılık ağırlıklı gibi görünmektedir.

Tabii bu noktada sorulması gereken küçük bir soru da akla düşer; ya Türkiye?


Ya Atlarsın Ya Düşersin

Vasıtalar üzerinde görev yapacak olan mürettebatın önemli bir bölümünün henüz bu topraklarda dünyaya dahî gelmediği, 2030-35/2065-70 döneminde seyir yapması muhtemel araçların tasarlandığı, Milli Denizaltı projesi olarak adlandırılan kavram üzerinde, diğer pek çok teknoloji alanı bir yana sadece bu yazının kapsamını doğrultusunda ele alınırsa, süperiletken teknolojisine sahip olmayan bir elektrik motoru kullanılması kesinlikle kabûl edilmemesi gereken bir durumdur.

Gelgelelim geçen sene çizildiği görülen bir nevi resmi yol haritasıyla izlenen istikâmetin Türk milletinin çıkarlarına hizmet edeceğini ummak da biraz fazla iyimserlik gibi görünüyor. Ama en azından bu sayede, henüz doğmamış almanlar için dahi gelecekteki işlerinin ve ekmek paralarının şimdiden sağlama alındığı anlaşılabilir, ne âlâ(!)


4MW Siemens Yüksek Sıcaklık Süperiletken Denizaltı Motoru

Resim.3) 4MW Siemens Yüksek Sıcaklık Süperiletken denizaltı motoru, geliştirilmekte olduğu kara tesisinde yük donanımına bağlı halde. Şimdilik HTS-3 olarak adlandırılan bu motor soğutma sistemi dahil, Tip 214 motorundan [Resim.1] daha hafif ve daha güçlü.


Üstelik süperiletken teknolojisinin, sadece denizaltılar açısından ele alınsa bile, motordan farklı alanlar için de son derece hassas olduğunu belirtmek gerekir. Örneğin hangi tür temel tahrik sistemi (dizel-elektrik, türbin-elektrik, nükleer-elektrik vs.) kullanılırsa kullanılsın bir şekilde hareket enerjisini elektrik enerjisine dönüştürmek gerekeceğine göre bu elektriği üretecek makinalar için de süperiletken teknolojisinin kullanılması tıpkı elektrik motorunda olduğu gibi muhtelif üstünlükler sağlayacaktır.

Denizaltının elektrik saklama/dağıtma sistemi üzerinde kullanılacak süperiletken kablolar da büyük kazançlar elde edilebilmesini sağlayabilir. Denizaltıların iz azaltma yetenekleri gibi daha farklı konular için de süperiletken teknolojisinin sağlayabileceği ciddi faydalar mevcuttur vs. Velhasıl MİLDEN için elektrik motoru başta olmak üzere bütün elektrik altyapısı için "tam süperiletken çözüm" ihtiyacı vazgeçilmez olarak düşünülmelidir.

Ama bütün bunları elde edebilmek için önce doğru yönde hareket etmek, çok çalışmak, istikrarlı bir ilerleme sağlayabilmek, pes etmemek, düşmana teslim olmamak gerekir. Diğer taraftan zaman da önemli bir değişkendir ki MİLDEN üzerinde gerçekten ihtiyaç duyulan teknolojilerin burada bağımsız olarak geliştirilip kullanılabilmesi ve nihayetinde bu projeye gerçekten milli denilebilmesi için değerli zamanı boşa harcamamak lâzım gelir.

Aksi taktirde biz kendimizi oyalarken yine herşey bir çıkmaz sokakta son bulur ve eninde sonunda yine kuzu kuzu almanlara gidip [Resim.3]'deki motoru alabilmek için yine el pençe dîvan dururuz.

Baktın olmaz, vazgeçersin...

>> Birinci Bölüm: Milli Denizaltı: MİLDEN - Çelik
>> İkinci Bölüm: Milli Denizaltı: MİLDEN - Tahrik

♦ Açıklamalar

1. NRL: Naval Research Lab / Donanma Araştırma Laboratuvarı, ABD - https://www.nrl.navy.mil [geri]
2. CAPS: Center for Advanced Power Systems | Gelişmiş Güç Sistemleri Merkezi [geri]
3. ONR: Office of Naval Research [geri]
4. AIM: Advanced Induction Motor [geri]
5. GE: General Electric [geri]
6. AMSC: AMerican Supercondutors Corporation [geri]
7. GA: General Atomics [geri]
8. NEDO: New Energy and industrial technology Development Organization [geri]
9. TS: Termosifon [geri]
10. KHI: Kawasaki Heavy Industries [geri]
11. WIT: Wuhan Institute of Technology [geri]
12. IHI: Ishikawajima-harima Heavy Industries [geri]

♦ Kaynaklar

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
 







Telif Hakkı © 1997-2018 [uskudar.biz] - sürüm 5.5.1 - Bütün Hakları Saklıdır. Kullanım şartları için tıklayın!
Joomla! GNU/GPL lisansı altında özgür bir yazılımdır.