Rüzgâr türbinleri rulman hasarlarında temel neden analizi

Kara rüzgâr türbinlerinde, ana rulmanlar yaklaşık 1 MN'lik bir yüke mâruz kalır. Ancak, denizdeki çok yüksek rüzgâr hızları nedeniyle, daha güçlü statik ve dinamik yükler rotor üzerine ve sonuç olarak tüm aktarma organlarına etki eder.

A+ A-

NSK

Rüzgâr türbinlerinde ve diğer tahrik sistemlerinde meydana gelen 'beyaz yapısal pullanma' olarak bilinen rulman hasarı belirtileri, genellikle rulmanın beklenen hizmet ömrünün bitmesinden oldukça önce çok erken fark edilir hale gelir. Bunun nedenleri uzun süredir bilinmiyordu; ancak şimdi, rulman uzmanı NSK tarafından yeni bulgular elde edilmiş ve bu sonuçlar, rüzgâr türbini uzun ömürlülüğü için önemli faydalar sağlayan yeni bir rulman malzemesinin geliştirilmesini sağlamıştır.
Rüzgâr türbinleri için tahrik bileşenleri, dayanıklılık ve direnç açısından zorlu gereksinimleri karşılamak zorundadır ve bu gereksinimler giderek daha zorlayıcı hale gelmektedir. Kara türbinleri geleneksel olarak, 20 yıla tekâbül eden 175.000 saatlik bir servis ömrüne dayanacak şekilde tasarlanmış rulmanlar gerektirir. Bununla birlikte, yüksek yatırım seviyeleri ve zor konum erişiminin yaygın olduğu açık deniz rüzgâr çiftlikleri için hızla genişleyen pazarda, 25 yıllık bir ömür gereklidir.

Daha uzun kullanım ömrü, daha yüksek dinamik yükler
Bir rüzgâr türbininin aktarma organlarına etki eden aşırı dinamik yükler ile bu gereksinim gerçek bir meydan okuma sunar. Kara rüzgâr türbinlerinde, ana rulmanlar yaklaşık 1 MN'lik bir yüke mâruz kalır. Ancak, denizdeki çok yüksek rüzgâr hızları nedeniyle, daha güçlü statik ve dinamik yükler rotor üzerine ve sonuç olarak tüm aktarma organlarına etki eder. Aynı zamanda hem kara, hem de açık deniz uygulamalarda sistemlerin büyüklüğü ve performansı sürekli artmaktadır. Şu anda 9,5 MW türbinler için rulmanlar üreten NSK, yakın bir gelecekte tam ölçekli üretime geçecek. Üstelik, şirket şimdi daha yüksek nominal güç çıkışlı açık deniz rüzgâr türbinleri için rulmanlar geliştiriyor.

İdeal bir uygulama alanı
Daha yüksek performans ve açık deniz türbinlerinin artan pazar payı, uzun rulman ömrü için artan taleplerin arkasındaki temel faktörlerdir. Sonuç olarak; rüzgâr enerjisi teknolojisi, tahrik sistemindeki titreşimleri sürekli olarak ölçen ve analiz eden çevrimiçi durum izleme sistemleri için ideal bir uygulama alanıdır. Rulman hasarı oluşursa, hatalı bileşenler (iç veya dış bilezik, makaralar veya kafes) ölçüm profili analiz edilerek erken bir şekilde tespit edilebilir.
NSK tarafından geliştirilen bir durum izleme sistemi (CMS), yakın bir zaman önce Japonya'daki bir açık deniz rüzgâr çiftliğinde kuruldu. CMS'nin rolü, kestirimci bakım stratejilerini kolaylaştırmak için anomalileri yeterince erken tespit etmek. NSK, bu tip çözümler için büyük bir pazar potansiyeli görüyor.

Öncelikli hedef yüksek seviyeli güvenilirlik
Durum izleme, kritik uygulama alanlarında her ne kadar ikincil bir önlem olarak kullanışlı olsa da, rüzgâr türbinleri için rulman geliştirirken birincil mühendislik hedefi, her zaman yüksek seviyeli güvenilirlik sağlamak olacaktır. Bu açıdan, üreticiler şimdiden ciddi ilerleme sağladılar. Örneğin; ilerlemenin önemli bir katkısı, NSK´nın tescilli Super Tough (STF) özel çeliği gibi yeni malzeme ve ısıl işlem süreçlerinin geliştirilmesi olmuştur. Bu malzemeden yapılan rulmanlar, geleneksel çelik kullanılarak üretilenlerin iki katı kadar dayanıyor. İlgili yük oranı artışı DNV GL tarafından aralık 2017'de teyit edildi ve onaylandı.
STF'nin uzun dayanım özellikleri, belirli bir kimyasal bileşim ve özel bir ısıl işlem prosesi kullanılarak sağlanmıştır. Rulman çeliklerindeki metalik olmayan içeriklerin neden olduğu rulman yuvarlanma yollarındaki yorulmadan kaynaklanan çatlaklar gibi tipik hasar belirtileri, STF kullanılarak üretilen rulmanlarda neredeyse tamamen ortadan kaldırılır.'Beyaz yapısal pullanma'nın nedenlerinin araştırılması
Endüstriyi halen etkileyen hasar tiplerinden biri de, 'beyaz yapısal pullanma' (WSF) veya 'beyaz dağlama çatlakları' (WEC) olarak bilinen sorundur. Her iki arıza modu durumunda, rulmanın yuvarlanma yolunun altındaki belirli alanlar yerel kırılganlaşmayı gösterir. Kırılgan yapı, yüke dayanamaz ve böylece çatlak çekirdeği olur. Sonunda, bu çatlaklar yuvarlanma yoluna kadar büyür ve sonunda rulman hata verir. Bu tür hasarların nispeten erken, sistem hizmete girdikten kısa bir süre sonra görünmesi tipiktir. Pikral dağlama yapıldıktan sonra, bu yapılar beyaz bir görünüm sergiler ve 'beyaz yapılar' olarak adlandırılırlar.
NSK'nın araştırma ve geliştirme departmanındaki yoğun testler hasarı tekrarlamayı ve kökeniyle ilgili bir hipotez vermeyi başarmıştır. Çeşitli yuvarlanma teması yorulma testleri, beyaz yapıların hidrojen penetrasyonundan kaynaklandığını göstermiştir. Bu hidrojen penetrasyonu büyük olasılıkla yuvarlanma elemanları ve yuvarlanma yolları arasındaki eksenel veya çevresel kayma, elektrik ve belirli yağlama türleri de dâhil olmak üzere çeşitli faktörler ve bunların kombinasyonlarından etkilenir.

Çatlaklar iç kısımdan yüzeye yayılabilir
Hidrojen daha sonra kanal yoluna nüfuz eder ve çatlak oluşumlarına yol açan tipik olarak beyaz dağlama yapılarını oluşturur ve bu da pullanma ile sonuçlanır. Bu çatlaklar, birkaç milimetre uzunluğunda olabilir ve iç kısımdan yüzeye yayılabilir. Görünür yüzey hasarına işaret etmeyen kullanılmış rulmanların tahribatlı muâyeneleri, beyaz dağlama alanlarının burada bile mevcut olabileceğini göstermiştir.
Hasar daha ayrıntılı olarak incelendiğinde; hidrojen etkisi altında, orijinal olarak martensitik mikroyapının çok ince taneli, kırılgan bir ferrite dönüştüğü gözlemlenebilir. Bu mekanizma, 'Hidrojenle Geliştirilmiş Lokalize Plastiklik' (HELP) teorisi ile açıklanabilir. Karakteristik özelliklerinden biri, plastikliğin sadece lokal olarak ortaya çıkması ve rulmanın küresel yorulmasının hafif olmasıdır. Bundan dolayı hasar, yuvarlanma yolunun altında (metalik olmayan partikül kalıntılarından dolayı) ya da yuvarlanma yolunda (aşırı kirlenme nedeniyle) oluşan klasik yorulma hasarlarından biri değildir.Yeni ve kullanılmış rulmanların karşılaştırılması
Peki, hidrojen nereden geliyor? Yeni ve kullanılmış rulmanları karşılaştırarak NSK'nın merkezi araştırma ekibi, hidrojenin sadece rulmanlar çalışırken oluştuğunu belirledi. Hidrojenin, yağlayıcıların hidrokarbon zincirlerinden ve bunların katkı maddelerinden gelmesi olasıdır (en azından bu ilk varsayımdır). Bu teori, beyaz yapıların tipik hasar semptomları laboratuvarda belirli tipte yağ ve gres ile yeniden meydana geldikten sonra doğrulanmıştır. 1990'lı yıllarda otomotiv endüstrisi tarafından benzer hasarların bildirilmiş olması da bu teoriyi destekledi. Burada, kayış gergilerin ve alternatörlerin rulmanları erken arızalanmış ama gresin ve kayış malzemesinin değiştirilmesi problemi çözmüştür. Ancak, bu hata modunda elektriğin (akım akışı) etkisi henüz belirlenmemiştir.

Yeni alaşımlar, özel ısıl işlem
NSK, yuvarlanma teması yorulma testleri sırasında daha iyi sonuçlar veren yeni alaşımlar geliştirdi. Hidrojen şarjı ile yapılan testlerde, optimize edilmiş kimyasal kompozisyon, geleneksel rulman çeliklerine kıyasla beyaz yapısal pullanma (WSF) direncinde beş kat artışa yol açtı. Optimize edilmiş ısıl işlemle de önemli bir gelişme sağlandı. Burada, yuvarlanma yollarının altındaki artık gerilim, kesiti sertleştirme yerine karbonitridizasyon ile arttırılabilir. Bu önlem beyaz yapıların oluşumunu engellemese de, bu yapılardan çok daha az çatlak gelişir ve yüzeye daha yavaş yayılırlar.

AWS-TF, yeni bir rulman malzemesi
Bu bulgulara dayanarak NSK, optimize edilmiş ısıl işlem ile optimize edilmiş kimyasal bileşimi birleştiren ve rulmanlar için yeni bir malzeme olan AWS-TF (AWS-beyaz karşıtı yapı) geliştirdi. Testler; AWS-TF'den yapılan rulmanların beyaz dağlama çatlağı riskini tamamen ortadan kaldırmadığını, hasarın ortaya çıkmasındaki gecikmenin ise geleneksel rulman çeliklerine göre yedi kat daha uzun olduğunu göstermiştir. Kritik kurulum alanlarındaki ilk saha testleri şu anda devam etmektedir ve bu test sonuçlarını doğrulamaktadır.