Rüzgar Türbini Rulman Hasarlarının Temel Nedenleri

Rüzgar türbinleri vd. tahrik sistemlerinde, Beyaz Yapısal Pullanma denilen rulman hasarları genellikle, rulmanın hizmet ömrünün bitmesinden çok önce fark edilir. Rulman uzmanı NSK tarafından bulgular bulunmuş ve bu bulgularla, rüzgar türbini ömrü için önemli avantajlar sağlayan yeni rulman hammaddesi geliştirilmiştir.

Rüzgar türbinleri için tahrik bileşenleri mutlaka, dayanıklılık ve direnç açısından zorlu gereksinimleri karşılamalıdır. Bu gereksinimler zamanla daha zorlayıcı hale gelmektedir. Kara türbinleri, 20 yıl kadar süren 175.000 saat hizmet ömürlü rulmanlar gerektirir. Yüksek yatırım seviyeleri ve zor konum erişimi yaygın açık deniz rüzgar çiftlikleri için hızla genişleyen pazarda 25 yıl hizmet ömrü gereklidir.

Daha Uzun Hizmet ömrü ve Daha Yüksek Dinamik Yükler

Rüzgar türbini aktarma organlarını etkileyen aşırı dinamik yüklerle bu gereksinim, gerçek çözüm sunar. Kara rüzgar türbinlerinde, ana rulmanlar yaklaşık 1 MN yüke maruz kalır. Ancak, denizdeki çok yüksek rüzgar hızları nedeniyle, daha güçlü statik ve dinamik yükler tüm aktarma organlarını etkiler.

Kara ve açık deniz uygulamalarında sistem büyüklük ve performansı sürekli artar. NSK, yüksek nominal güç çıkışlı açık deniz rüzgar türbinleri için rulmanlar geliştirmektedir.

Durum İzleme

Yüksek performans ve açık deniz türbinlerinin yaygınlaşması, uzun rulman ömrü için talepleri arttırmıştır. Rüzgar enerjisi teknolojisi, tahrik sistemindeki titreşimleri sürekli ölçerek analiz eden çevrimiçi durum izleme sistemleri için ideal uygulama alanıdır. Rulman hasarı varsa, hatalı bileşenler (iç veya dış bilezik, makaralar veya kafes) ölçüm profili analiz edilerek erkenden tespit edilebilir. NSK’nın geliştirdiği bir durum izleme sistemi, yakın zamanda Japonya’da bir açık deniz rüzgar çiftliğinde kurulmuştur. Bu sistemin rolü, kestirimci bakım stratejileri için anomalileri erken tespit etmektir. NSK bu tip çözümler için büyük pazar potansiyeli görüyor.

Yoğun Malzeme Geliştirme

Durum izleme, kritik uygulama alanlarında ikincil önlem olarak kullanışlı ama, rüzgar türbinleri için rulman geliştirirken birincil hedef daima yüksek seviyeli güvenilirlik sağlamaktır. Bu açıdan, üreticiler ciddi seviyede ilerlemiştir. İlerlemenin önemli bir katkısı, NSK’nın tescilli Super Tough özel çeliği gibi yeni malzeme ve ısıl işlem süreçlerinin geliştirilmesidir. Bu malzemeden yapılan rulmanlar, geleneksel çelikten yapılanların iki katı dayanıklıdır. İlgili yük oranı artışı DNV GL tarafından Aralık 2017’de doğrulanmıştır.

STF’nin uzun dayanımı, kimyasal bileşim ve özel ısıl işlem süreciyle sağlanmıştır. Rulman çeliklerindeki metal dışı içeriklerin yol açtığı rulman yuvarlanma yollarındaki yorulma kaynaklı çatlaklar gibi tipik hasarlar, STF’den yapılan rulmanlarda neredeyse hiç yoktur.

Beyaz Yapısal Pullanma Nedenlerinin Araştırılması

Endüstriyi etkileyen hasar tiplerinden biri de, Beyaz Yapısal Pullanma veya Beyaz Dağlama Çatlakları denilen sorundur. Her iki arızada, rulman yuvarlanma yolu altındaki belirli alanlar yerel kırılganlaşma belirtisidir. Kırılgan yapı, yüke dayanamaz ve çatlak çekirdeği meydana gelir. Sonunda bu çatlaklar, yuvarlanma yoluna kadar büyür ve sonunda rulmanda hata çıkar. Bu tür hasarların, sistem hizmete girdikten kısa süre sonra görülmesi tipiktir.

Pikral dağlama ardından, bu yapılar beyaz görünür ve beyaz yapılar diye adlandırılırlar.

NSK’nın ar-ge departmanındaki yoğun testler, hasar tekrarı ve kökeniyle ilgili bir hipotez vermiştir. Yuvarlanma teması yorulma testleri, beyaz yapıların hidrojen penetrasyonundan kaynaklandığını belirtmiştir. Bu hidrojen penetrasyonu, muhtemelen yuvarlanma eleman ve yolları arasındaki eksenel veya çevresel kayma, elektrik ve belirli yağlama türleri dahil çeşitli faktörler ve kombinasyonlarından etkilenir.

Hidrojen, daha sonra kanal yoluna işler ve çatlaklara yol açan tipik beyaz dağlama yapıları meydana getirir ve pullanma ile sonuçlanır. Bu çatlaklar, birkaç milimetre uzunluğunda meydana gelebilir ve iç kısımdan yüzeye yayılabilir. Görünür yüzey hasarı belirtmeyen kullanılmış rulmanların tahribatlı muayeneleri, beyaz dağlama alanlarının burada bile meydana gelebileceği anlamına gelir.

Hasar daha ayrıntılı incelendiğinde hidrojen etkisi altında, orijinal martensitik mikroyapı çok ince taneli, kırılgan ferrit haline gelebilir. Bu mekanizma, Hidrojenle Geliştirilmiş Lokalize Plastiklik teorisiyle açıklanır. Karakteristik özelliklerinden biri, plastikliğin yalnızca lokal çıkması ve rulmanın küresel yorulmasının hafifliğidir. Dolayısıyla hasar, yuvarlanma yolu altında (metal dışı kalıntılardan dolayı) veya yuvarlanma yolundaki (aşırı kirlenme nedeniyle) klasik yorulma hasarlarından değildir.

Yeni ve Kullanılmış Rulmanların Karşılaştırılması

NSK merkezi araştırma ekibi, yeni ve kullanılmış rulmanları karşılaştırarak hidrojenin yalnızca rulmanlar çalışırken meydana geldiğini belirledi.

Hidrojenin, yağlayıcıların hidrokarbon zincirleri ve katkılarından gelmesi muhtemeldir. Bu teori, beyaz yapıların tipik hasar semptomları laboratuvarda belirli tip yağ ve gresle yeniden meydana gelince doğrulanmıştır. 1990’lı yıllarda otomotiv endüstrisi tarafından benzer hasarların bildirilmesi, bu teoriyi desteklemiştir. Burada, kayış gergileri ve alternatör rulmanları erken arızalanmış ama gres ve kayış malzemesi değiştirilerek sorun çözülmüştür. Ancak, bu hatada elektriğin etkisi henüz belirlenmemiştir.

Yeni Alaşımlar, Özel Isıl İşlem

NSK, yuvarlanma teması yorulma testlerinde daha iyi sonuçlar veren yeni alaşımlar geliştirdi. Hidrojen şarjıyla yapılan testlerde, optimize edilmiş kimyasal kompozisyon, beyaz yapısal pullanma direncinde geleneksel rulman çeliklerinden beş kat artış sağladı.

Optimize edilmiş ısıl işlemle önemli gelişme sağlanmıştır. Burada, yuvarlanma yolları altındaki artık gerilim, kesiti sertleştirme yerine karbonitridizasyonla arttırılabilir. Bu önlem, beyaz yapı oluşumunu engellemese bile bu yapılarda çok daha az çatlak görülür ve yüzeye daha yavaş yayılır.

AWS-TF, Yeni Bir Rulman Malzemesi

Bu bulgulara göre NSK, optimize edilmiş ısıl işlemle optimize edilmiş kimyasal bileşimi birleştiren ve rulmanlar için yeni hammadde AWS-TF’yi geliştirdi.

Testler, AWS-TF’den yapılan rulmanların Beyaz Dağlama Çatlağı (WEC) riskini tamamen kaldırmadığını, hasar gecikmesinin geleneksel rulman çeliklerinden yedi kat uzunluğunu sağlamıştır.

Kaynak: Haber Endüstri – www.haberendustri.com