Ana mil destek sisteminde rulman güvenilirliğinin artırılması

24 Mayıs 2019 Dergi: Mayıs-Haziran 2019

Guillaume Badard, Bradley Baldwin, Tony Fierro, Jerry Fox ve Thierry Pontius,

The Timken Company

Rüzgâr türbinlerinin ana mili, çalışmak için güvenilir bir rulman olmasını gerektirir. Bazı rulman tasarımlarının vaktinden önce arızalanarak yüksek maliyetli bakım-onarım işlemlerine neden olduğu bilinmektedir. Rulman tasarımlarındaki güncel yükseltmeler ve gelişmeler güvenilirliği artırır, ana milin stabil olmasını sağlar. Doğru rulmanı seçmek, rüzgâr türbininin genel performansına fayda sağlar.

Modüler rüzgâr türbini tasarımlarında genellikle küresel makaralı rulmanlar (SRB) kullanılarak ana mil yüklerinin desteklenmesi ve taşınması amaçlanır. Dişli kutusunun iki adet reaksiyoner tork kolu ve tekli ana rulmanı tarafından desteklenen 3 noktalı bir montaj elemanı olarak bilinen tekli SRB tasarımı, şunları sağlamak için yaygın olarak kullanılır:

  •          Daha küçük nasel paketi
  •          Yüksek sistem sapması ve hizasızlığı
  •          Ticari anlamda ekonomik tedarik zinciri

Ne yazık ki, bazı operatörler, bazı SRB tasarımlarıyla beklenenden çok daha erken bir zamanda saha arızaları yaşamışlardır. Bu da hizmet ömrünü oldukça kısaltmıştır. Plansız ana mil değişiklikleri, rüzgâr santrali operatörlerine 450.000 dolara kadar maliyet çıkarıp finansal performans üzerinde ciddi bir etki yaratabilir.

Yardımcı faktörler

Radyal SRB rulmanında yüksek baskılı yük: Resmi bir azami limit olmasa da, iki sıralı küresel makaralı rulman için izin verilebilir standart baskı-radyal yük oranı 0,15 ile 0,20 arasındadır. Dolayısıyla, aksiyel yük, iki sıralı rulmanın radyal reaksiyonunun yalnızca %15'i ila 20'si olmalıdır. Bazı uygulamalarda, bu oran 0,30'a veya 0,35'e esneyebilir. Bu tür durumlarda çeşitli hasar modları ortaya çıkar. Bunlar, rulman sırasının yerinden çıkmasıyla ilgilidir. Bu yerinden çıkma durumu, sıralar arasındaki yük dağılımını, makara eğriltmeyi, tutucu stresini, aşırı ısı üretimini ve makara kirlenmesini etkileyebilir.  Ana mil sabit pozisyonunda, bu oran genellikle 0,60 civarındadır. Bunun sonucunda, iki sıradan yalnızca birisi radyal ve baskılı yüklemeyi destekler. Eşit olmayan bu reaksiyonla, rulman, tasarlandığı amaç doğrultusunda çalışmayabilir

Yetersiz yağ filmi üretimi: Genel anlamda, ana milin rulmanına yönelik çalışma koşulları yağ filmi üretimi için uygun değildir. Yaklaşık 20 dev/dk'lık maksimum çalışma hızında, rulman yüzeyi hızı ve yağ filmi üretimi, makara-yuva pürüzlerini birbirinden ayrı tutmak için yetersiz olabilir. Ayrıca, durdurma ve sapma momentlerinin değişimi, yük bölgesi konumunun ve yönünün sürekli olarak ve aniden kaymasına neden olur. Bu sebeple yağ filminin oluşumu ve kalitesi kesintiye uğrar. Kayma, radyal boşluk altında çalışan 3 noktalı montaj SRB'lerinde hızlanır ve aşınma ya da kirlenme riskini artırır.

Performansı iyileştirecek tasarım çözümleri

İyi tarafından bakmak gerekirse, piyasada, mevcut türbinler için iyileştirmeler ve yeni türbin platformları için daha sofistike mühendislik tasarım çözümleri vardır.

Mevcut türbinler için SRB iyileştirmeleri

Mevcut filolarda doğrudan değişim için, bir şirket, iyileştirilmiş yüzey işlemeleriyle beraber özel yüzey teknolojilerinin kullanıldığı Aşınmaya Dayanıklı SRB sunmaktadır. Aşınmaya dayanıklı rulmanlar, kesme gerilimi ile pürüz etkileşimlerini azaltarak aşınmaya karşı kanal korumasını artırır. Özel yüzey dayanıklıdır ve benzersiz tungsten karbür/amorf hidrokarbon kaplamadan (WC/aC:H) üretilmiştir. Genel olarak, WC/aC:H kaplamalar HRC60 çelikten bir miktar daha serttir, 1-2 mikrometre daha kalındır ve çeliğe kıyasla daha düşük sürtünme kat sayılarına sahiptir. Makaralardaki gelişmiş özel yüzey, çalışma sırasında hasarlı kanalları cilalar ve onarır. Geliştirilmiş yüzey kaplamalar sayesinde yağ filmi kalınlığı artar, bu da pürüz temaslarının iyileştirilmesine yardımcı olur. Özel yüzey, aşınmaya neden olan pürüz etkileşimlerini ve yüzey-kesme gerilimlerini azaltır. Bu avantajlar sayesinde rulmanın tahmini hizmet ömrü uzar, yuvarlanma torkunda düşüş gözlenir.

Konik makaralı rulman (TRB) tasarımlarının avantajları

TRB ana mil tasarımı ve ön yük özellikleri, güç aktarma organının performansını iyileştirir. TRB'ler; sistem stabilitesi ve sertliği, sıralar arası yük paylaşımı ve tahmini makara-yuva etkileşimleri sağlar. Ayrıca, bu tasarım, birden fazla konik makaralı rulman yapılandırmasına olanak sağlar.

 Tekli konik makaralı rulmanlar (2-TS)

Yaygın olarak kullanılan 2-TS stili, iki farklı TRB ile tüm sisteme ön yükleme yapabilen ekonomik bir konik çözümü sunar. Rüzgâr üstü ve rüzgâr altı rulman serileri, hem temas açısını hem de rulman kapasitesini gerektiği gibi ayarlayarak uygulama yüküne alan yaratmak için tasarlanmıştır. Etkin merkezi sayesinde rulmanlar genellikle daha kompakt ve ekonomiktir.

Çift sıralı, konik makaralı rulman (TNA, TDO veya TDI) tasarımları

Koni kanalları arasında ara parçası kullanıldığında TDO olarak da adlandırılan geniş çaplı TNA rulman, sahadaki performansı ve montaj kolaylığı sayesinde cazip bir seçenek haline gelmiştir. Dik kanal açıları, kısa bir aksiyel alanda yüksek eğimli sertlik oluşturarak, uygulanan durdurma ve sapma momentlerini etkisiz hale getirir. Ayrı rulman bileşenleri, sızdırmazlık elemanları ve gres ile birimlere ayrılarak taşıma ve kurulum işlemleri kolaylaştırılabilir. Fabrikada yapılan ön yük ayarı, düzgün bir kurulum sağlar. Kompakt aksiyel yapı, türbin tasarımcılarına naselin toplam uzunluğunu azaltma fırsatı sunar. Türbin boyutu büyüdükçe rulmanın çapı küçülür (5 MW için yaklaşık 3,2 m OD). Bu tasarımlar, doğrudan tahrikli rüzgâr türbinleri için özellikle uygun olmakla birlikte dişli tasarımlarda da bulunur.

Tek bir ön yüklü TDI, tekli küresel makaralı rulmanlara kıyasla yüksek kapasite sunar, radyal yüklerin ve baskı yüklerinin birleşimini yönetir. TDI, her iki rulman sırasında da yük paylaşımı sağlar ve TDO tasarımına kıyasla daha fazla sistem hizasızlığını tolere eder. Ayrıca, rulman ön yükü kirlenmenin, kaymanın ve aşınmanın azaltılmasına yardımcı olur. Bazı durumlarda, TDI, modüler tarz türbinlerde SRB ile değiştirilir.

 

Özet

Genel sürdürülebilirliği iyileştirme ihtiyacıyla yola çıkan r rüzgâr türbini OEM'leri ve rulman üreticileri, daha güvenilir ana mil sistemleri tasarlamak için çalışmaktadır. Mühendislik alanındaki gelişmeler, mevcut küresel 3 noktalı montaj türbini tasarımlarındaki iyileştirmeleri ileri taşımıştır. Buna ek olarak, açık deniz türbinlerindeki güvenilirlik ihtiyaçları, ön yüklü konik makaralı rulmanların kullanımını artırmıştır. Ana mil tasarımındaki bu iyileştirmeler, güç aktarma sisteminin tamamının güvenilirliğini artırıp toplam sahip olma maliyetinde genel bir azalma sağlayabilir.