Rüzgâr türbini ana millerinde rulman ömrünün uzatılması

ABD rüzgâr endüstrisinin büyümesiyle ve 1 MW’den daha güçlü türbinlerin geliştirilmesiyle birlikte daha ağır yükler ve artan gerilim oranları dişli kutusu ömrünü etkilemektedir. Beklenenden daha kısa sürede meydana gelen hasar ve arıza durumları pek çok rüzgâr santrali işletmecisi için kule onarımlarıyla ilgili beklenmedik masraflara yol açmaktadır.

Sonuç olarak endüstri, ana mil ve dişli kutusu rulmanlarından daha uzun ömürlü performans bekliyor. Üreticiler de pazar için bu doğrultuda çözümler bulmaya çalışmaktadır.

The Timken Company uygulama mühendisi Tony Fierro bu konuda şunları söylüyor: “İşletmeci, türbin ömrü boyunca bir veya iki büyük bakım işlemi için bütçe ayırır ancak buradaki sorun, çoğu türbinin ilk 7 ila 10 yıl içinde önemli oranda yeniden yapılanma ihtiyacının olmasıdır. Bu da türbin ömrü boyunca daha yüksek işletme ve bakım masrafı demektir.”

Şekil 1

Rüzgâr türbinleri, her biri farklı oranda aşınan birden fazla rulmanla donatılmıştır. Günümüzde, büyük türbinlerdeki yüksekgerilimler, özellikle ana millerdeki standart rulman tasarımlarını test eder niteliktedir.

Yüksek Masraflı Bakımlar

Rüzgâr santrallerinin her 7 yılda bir yeniden yapılanma ihtiyacı santral işletmecilerini finansal olarak nasıl etkiler?

Fierro’ya göre bir türbinin ortalama 30 yıl ömrü olduğunu ve ana mil ile dişli kutusunun her yedi yılda bir yenilenmesi gerektiğini varsayarsak, butürbinin ömrü boyunca dört kere yenilendiğini gösterir: “Geliştirilmiş bir rulman çözümüyle işletmeciler bunu yarıya indirebilir.”

Örneğin ana mil ve dişli kutusu onarımı 300.000$ (vinç masrafları dahildir) ise türbinin ömrü boyunca toplamda 1,2 milyon dolarlık bir harcama söz konusudur. Bu değişimler yarıya indirilebilirse işletmeciler türbin başına 600.000$ gibi bir tasarruf sağlayabilir. 100 türbinin işletildiği tipik bir santralde işletme ve bakım masraflarında 30 yıllık bir süre için 60 milyon dolar tasarruf edilebilir.

Mevcut tasarım sorunları

Modüler rüzgâr türbini tasarımlarında genellikle iki sıralı küresel makaralı rulmanlar (SRB) kullanılarak ana mil yüklerinin desteklenmesi ve taşınması amaçlanır. SRB’ler, modüler türbin pazarını üç ve dört noktalı montaj olmak üzere iki farklı yapılandırmada yönlendirmektedir. Bu düzenekler Şekil 2 ve 3’te gösterilmiştir.

Şekil 2 ve 3: Üç ve dört noktadan montajlı ana mil düzeni

Üç noktalı tasarım

Üç noktalı tasarımda (Şekil 2) ana mil, dişli kutusu tork kolları ve dişli kutusunun önündeki tekli SRB tarafından desteklenir. Bu kurulum şunları sağlar:

• Daha kısa nasel uzunluğu ve türbin kütlesinde azalma
• Yüksek sistem sapması ve hizasızlığı

Bu tasarımın daha düşük nasel ağırlığı ve daha düşük türbin ilk yatırım maliyetleri gibi avantajları olsa da ana mil rulmanı olarak iki sıralı SRB kullanımı ve dişli kutusu üzerinden yük iletimi gibi belirgin dezavantajları da vardır.

Sorunlardan biri, rulmanın yalnızca makaraların rüzgârın estiği yöne doğru (DW) rüzgâr itişini ve radyal reaksiyonu desteklemesidir. Diğer bir problem ise rulmanlar aşındıkça artan dahili açıklık sebebiyle eksenel sapma ve moment yüklerinin dişli kutusundaki planet taşıyıcı rulmanlarına aktarılmasıdır. Bu ekstra yük, planet dişlilerin temasını, planet dişlileri ve rulman yükünü etkileyebilir.

Dört noktalı tasarım

Dört noktalı tasarımda (Şekil 3) ana mil, dişli kutusu tork kolları ve dişli kutusunun önündeki iki ana rulman tarafından desteklenir. Bu ana rulmanlar genellikle SRB’dir ancak konik ve silindir makaralı rulmanların bulunduğu yapılar da oldukça yaygındır. Bu kurulum ise şunları sağlar:

• Daha uzun nasel ve türbin kütlesinin artması
• Yüksek sistem dayanıklılığı
• Aktarma organında düşük sapma ve hizasızlık

Ana rulman performansı, genellikle dört noktalı tasarıma sahip türbinlerde üç noktalı tasarıma göre daha üstündür. Ancak arka konumda özellikle SRB’nin kullanıldığı bazı modellerde halen sorunlar yaşanmaktadır.

Sık görülen arıza durumları

Aşınma

MW sınıfı türbinlerin ana mil konumlarında tekli SRB kullanımı artık değişti. İşletmeciler, bir dönem tercih edilen eski tasarım yerine daha iyi bir çözüm arıyor. Bu durumun temel sebebi, bu tip rulmanlarda genellikle aşınma (yüzey yorulması) sebebiyle görülen zamansız hasarlardır. Resmi bir üst limit olmasa da iki sıralı SRB’de kabul edilebilir radyal yük itişi için standart oran yaklaşık olarak %25’tir.

Günümüzde birçok büyük türbinde, gerçek itme yükleri (bazı durumlarda %60’a kadar) bu sınıra göre çok daha fazladır ve yuvadan çıkma etkileri, sıralar arası anormal yük dağılımı, silindir eğrilmesi, tutucu gerilimi, aşırı ısı üretimi ve silindir sıvanmasına ilişkin sorunlar konusunda endişeler artmaktadır. Bu ağır eksenel yüklerle, radyal ve itme yükleri yalnızca rüzgâr yönündeki (DW) makara sırasında desteklenir. Rüzgâra karşı olan (UW) sıra ise genellikle tamamen yüksüzdür. Bu da ideal işletim koşullarının altında bir performansa sebep olur.

Sonuç olarak üç noktadan montajlı türbinlerde; aşınma, kenar yükü, makara ucunda baskı, tek parça kafes arızaları ve kafes ve merkez kılavuz halka aşınmasının yanı sıra yuvarlama yüzeyinde bozulma gibi yaygın hasar türleri görülmektedir. Tüm bunlar türbinlerin kullanım sürelerini etkileyecek kritik arızalara yol açmaktadır.

Yetersiz yağlama

Ana mil rulmanı çalışma koşulları, yağlayıcı film için ideal ortamı sağlayamaz. Yaklaşık 20 dev/dk’lık maksimum çalışma hızında, rulman yüzeyi hızı ve yağ filmi üretimi, yuva pürüzlerini birbirinden ayrı tutmak için yetersizdir. Mesafe ve sapma hareketlerinin değişimi, yük bölgesi konumunun ve yönünün aniden ve sürekli olarak kaymasına sebep olur. Bu sebeple yağ filminin oluşumu ve kalitesi kesintiye uğrar.

Üç noktadan montajlı türbinde kullanılan SRB için bu durum daha hızlı gerçekleşir. SRB’ler radyal boşluklu rulmanlardır ve bu şekilde çalışırlar.  Bu da aşınma ve eğrilme riskini artırır. Aşınma aşamasının başlangıcı Şekil 2’de gösterilmektedir. Burada rüzgâr yönündeki makara sırasındaki belirgin aşınma izi aşınma limitlerini aşarak, limit stres değerlerinden daha yüksek  gerilimlere sebep olacaktır ve dolayısıyla rulman arızası yaşanacaktır.

Şekil 4: Türbin ana milindeki SRB aşınmasının başlangıcı

Mevcut türbinler için rulman optimizasyonu

Aşınmaya dirençli rulmanlar

Mevcut türbin filolarında doğrudan değişim için Timken, iyileştirilmiş yüzey işlemeleriyle beraber özel yüzey teknolojilerinin kullanıldığı Aşınma Önleyici (WR) SRB geliştirmiştir. WR rulmanlar, kanalları aşınmaya karşı koruyarak kesme gerilimlerini ve pürüz etkileşimlerini önemli ölçüde azaltır. Özel yüzey dayanıklıdır ve benzersiz tungsten karbür/amorf hidrokarbon kaplamadan (WC/aC:H) üretilmiştir.

Bu kaplamalar, çelikten 2-3 kat daha serttir, 1-2 mikrometre kalınlığındadır ve çeliğe kıyasla daha düşük sürtünme kat sayılarına sahiptir. Silindirdeki gelişmiş özel yüzey ile kaplama, çalışma sırasında döküntü hasarlı kanalları cilalamak ve onarmak üzere tasarlanmıştır. Ayrıca bu iyileştirilmiş yüzey işlemesi, yağ filmi kalınlığını artırarak pürüz temasının daha etkili bir şekilde azaltılmasına yardımcı olur. Bu geliştirmeler, aşınmaya sebep olan kesme gerilimlerini azaltır. Ek özellikler ve avantajlar aşağıdaki tabloda özetlenmiştir.

Timken WR SRB’nin özellikleri ve avantajları

Konik çözüm

Timken mühendisleri, SRB’lerle ilgili sorunlar üzerinde çalışırken, üç noktadan montajlı türbinlerde bulunan ön yüklü konik makaralı rulmanlar için bir çözüm ürettiler.

Tek parça halinde iki iç yuvalı ve iki tekli dış yuvalı rulman, dönen miller üzerindeki sabit konumlarda kullanılabilir ve OE ana şaft SRB’leri ile doğrudan değiştirilebilirdir (mevcut OE yastık blok muhafazası kullanılarak). Tasarım, her iki silindir sırasının radyal ve eksensel yükleri eşit olarak paylaşmasını sağlar ve kaçıklıkları kompanze edebilme özelliği (Şekil 5) nedeniyle dişli kutusu yükünü en aza indirir.

Şekil 5: Test, Timken’in ön yüklü TRB tasarımının, iki sıralı SRB çözümüne kıyasla,
dişli kutusunun içindeki eksenel baskıyı yüzde 67 oranında azalttığını gösteriyor

Saha denemelerinde Timken TRB; daha az aşınma, dişli kutusunda daha az sapma/yük ve iyileştirilmiş sistem sağlamlığı sunduğunu kanıtladı. Bu yüksek kapasiteli rulmanın ön yüklü durumu, makaranın lekelenmesini/ kaymasını azaltmaya ve her iki sıra boyunca yük paylaşımının yapılmasına yardımcı olurken, konik makaralı çift sıralı rulmandan daha yüksek oranda sistem hizasızlığıni kompanze edilebilir.

Tasarım, Şekil 6’daki iki sıralı SRB çözümüyle karşılaştırılmıştır:

Şekil 6: Ön yüklü TRB ve standart SRB ana mil rulman düzeni

Sonuç

Rulmanlar, günümüzün MW sınıfı türbinlerinde kritik bir eleman olarak çalışmasına rağmen, dinamik ve beklenmeyen yükler zamansız ve masraflı arızalara neden olmaktadır. Rüzgâr endüstrisinin gelişmesi için, ana mil rulmanlarının güvenilirliği iyileştirilmelidir. Türbin marketi aşınmaya dayanıklı SRB’ler ve ön yüklü bir TRB tasarımı da dahil olmak üzere tekli SRB’lerin üç noktalı bir montaj düzenlemesine uyarlanması için rulman üreticilerini yeni çözümler geliştirmeye teşvik ediyor.