ZF Wind Power Rüzgar Türbinleri’nde performans iyileştirme

Rüzgar enerjisinin küresel oyuncularından ZF Wind Power Rüzgar Türbinleri’nin dişli yük taşıma kapasitesi ve gürültü performansını Romax Enduro yazılımıyla iyileştiriyor.

42’den fazla ülke ve 271 farklı noktada, 153 bin çalışanıyla dünya çapında üretim, geliştirme, satış ve servis ağına sahip ZF Group, rüzgar enerjisi sektöründe 1915 yılından bu yana faaliyetlerini sürdürüyor. ZF Group’un mobilite alanında; ticari araçlar, araba şasileri ve güç aktarım bileşenleri, güvenlik sistemleri ile endüstriyel teknoloji alanında; havacılık, denizcilik, taşımacılık, madencilik ve rüzgar enerjisi sektörlerine odaklanan ayrı bölümleri bulunuyor. Rüzgar enerjisi sektöründe 1923’ten bu yana aktif olan Hansen markasını 2011 yılında; 1920 yılından bu yana aktif olan Bosch Rexroth Wind’i ise 2015 yılında satın alan ZF, bünyesinde bulunan gücü bu satın almalarla güçlendirerek, 20. yüzyılın en kapsamlı rüzgar türbini aktarım bileşen tesislerinden birini ortaya çıkarıyor. Bu güçlü arka plana dayanan ZF Wind portföyü, rüzgar enerjisi alanında karadaki ve denizdeki uygulamalar için geliştirilmiş 2xMW ile 10.xMW arasında değişen ürünlerle rüzgar pazarında büyük paya sahip. Dişli imalatından ısıl işleme, yüksek hassasiyette döküm işlemeden kalite güvencesine ve test teçhizatı tesislerine (maksimum 13,2 MW’lik test kapasitesi) kadar üretim sürecinin çoğu, ZF’nin bünyesinde çözümleniyor.

ZF Wind Power Rüzgar Türbinleri’nin dişli yük taşıma kapasitesi ve gürültü performansı için kullanılan Romax Enduro yazılımı ilgili bilgi veren ZF Wind Power Dişli Tahrik Mühendisi Nico De Bie, “Romax Enduro, rüzgar piyasasında karşı karşıya kaldığımız zorlukların üstesinden gelmemize yardımcı oluyor. Dişli sistemini ve test ortamının sanal olarak oluşturabiliyoruz. Bu da geniş tork aralığında, dişli gövdesinde ve adımlarında optimize edilmiş yük dağılımı ile mikro geometrimizde ince ayar imkanına sahip olduğumuz anlamına geliyor. İkinci faydayı da gürültü ihtimallerini tasarım sürecinin başlarında tespit edebilmemizi ve bunu azaltma amaçlı tasarım önlemlerini belirleyebilmemizi sağlıyor” sözleriyle özetliyor.

ZF Wind Power, Romax yazılımını ilk olarak temas geriliminde ve kullanım ömründe optimum boşluk ayarlarını belirlemek için makaralı rulman esnek model simülasyonu gerçekleştirmek amacıyla 10 yıldan fazla bir süre önce kullanmaya başladı.

Konuyla ilgili ayrıntıları değerlendiren ZF Wind Power Dişli Tahrik Mühendisi Nico De Bie, “Romax yazılımını kullanmamızın ilk nedeni yatak hesaplamaları olsa da yakın zamanda Romax Enduro kullanımımızı, aktarma bileşenleri düzeyinde dişli modelleme ve tasarım seçeneklerini daha fazla keşfetmek için genişlettik. Bunlara örnek olarak; çoklu gezegen sistemleri, bileşenlerin dinamik davranışları, dişli mikro geometri tasarımı, gövde stres analizi ve dişli tahrik tahminini gösterebiliriz” diyor. Gelişim sürecindeki adımları aktaran Nico De Bie, “Enerji maliyetinin düşürülmesi ve gürültünün en aza indirilmesiyle rüzgar türbini pazarı küresel sürdürülebilirlik taleplerini karşılayacak büyüme gerçekleştikçe, üreticiler sürekli olarak daha düşük birim maliyetle daha yüksek enerji üretim kapasitesi için baskı yapıyor. Bunu başarmak için daha yapılacak çok iş olmasına rağmen, son 10 yılda ağırlık azaltma ve tork yoğunluğunu artırma konusunda önemli adımlar atıldı” ifadelerini kullanıyor.

Rüzgar piyasasının kritik zorluklarla karşı karşıya olduğunu söyleyen De Bie, şöyle devam ediyor: “Malzeme miktarını kısmen azaltıp ve türbin parçalarının toplam boyutunu azaltarak enerji maliyetini düşürmeye çalışıyoruz. Rüzgar türbini OEM’leri de ‘yüksek rüzgar’ bölgelerindeki menzillerini genişleterek ve yeni ‘düşük rüzgar’ bölgeleri keşfederek potansiyel rüzgar alanlarındaki varlık alanlarını genişletme peşindeler. Bölgeler arttıkça, türbinler yerleşim alanlarına yaklaştıkça, rahatsızlığı en aza indirmek için düşük gürültü kritik öneme sahip hale geliyor. Rüzgar türbini gürültüsünün büyük kısmına dönen kanatlar neden olduğu için, sesin azaltılması genellikle kanatların yeniden tasarlanması ve gece çalışması gibi yeni modların devreye alınmasıyla mümkün olabilmektedir ancak, gürültü yayan sadece kanatlar değildir. Dişli ünitesinden veya jeneratörden gelen titreşimler türbin yapısına aktarılır ve kanatlar, kule veya nasel yoluyla gürültü olarak yayılabilir. Bu mekanik gürültü, davranışsal olarak tonaldır, yani kanatların sesinden farklıdır. Sonuç olarak, üreticiler ‘tonsuz’ rüzgar türbinleri elde etmeyi amaçlarken, dişli tahriklerini en aza indirme baskısı altında kalmaktadırlar. Bu zorlukların üstesinden gelmemiz için, ses güç seviyesini azaltmamız ve kritik olarak, daha küçük ağırlıkta ve daha yüksek tork sağlayan güç yoğun, belki de geleneksel olmayan tasarımlar geliştirmemiz gerekiyor. Romax Enduro bu konuda bize çok yardım ediyor.” 

ZF, rüzgar endüstrisinin taleplerini karşılamak için Romax Enduro’yu nasıl kullandıklarına dair örnekler paylaşıyor:

Artan dişli yük taşıma kapasitesi

İlk örnek, konvansiyonel planet dişli aşaması tasarımı. ZF, topraklanmış halka dişli ve sonlu eleman (FE) muhafazası olmayan basit bir Romax modeli oluşturdu ve Romax Enduro’nun yük modellerini ve kök gerinim sonuçlarını ölçümleriyle karşılaştırdı. De Bie konuyla ilgili şu yorumu yaptı: “Romax dişli temas modeli, değişen yük koşulları altında sistem sapmaları, yerel bileşen deformasyonları ve dişli topolojileri dikkate alınarak gerçekçi yan gerilme dağılımlarını elde etmemizi sağlıyor. Romax Enduro’daki dişli yükü ölçümümüz ve simülasyonumuz arasında çok iyi bir korelasyon var; sistem yükü bağımlılığı, ağ hizalaması da test donanımı değeriyle iyi eşleşiyor. Bu sonuçlar simülasyon modelinde bize güven verdi. Dişli aşamasının bu tür simülasyonuna sahip olmak, dişli topolojisi tanımını daha da optimize etmemizi sağlıyor.”

Romax Enduro’da modellenen planet dişli tasarımı; Alt: Ayna genişliği ile gövde gerinim değerlerinin korelasyonu (solda) ve halka (sağ) dişliler, değişen yük seviyelerindeki simulasyon değerlerini gösteriyor

TE sonuçları: simulasyon ve test ekipmanı (sırasıyla 1 ve 2)

ZF, Romax simülasyonunu kullanarak bu tasarım için yük dağıtım faktörlerini tüm yük aralığında önemli ölçüde azaltmayı başardı. Dişli aşamasının yük taşıma kapasitesinin artması birden çok fayda getirebilir diyen De Bie, “Burada iki seçeneğimiz var. Ya toplam bileşen kapsamını, yani malzemeleri ve maliyeti azaltacağız ya da redüktörün, ürünün kullanım ömrü boyunca daha yüksek yük talepleri ile başa çıkmasını bekleyeceğiz. Bununla birlikte, dayanıklılık için yapılan bu iyileştirmeye rağmen, ZF’nin tonalite konusunda hala sorunları vardı, bu nedenle gürültü riskini tespit etmek ve azaltmak için Romax Enduro’nun Şanzıman İletim Hatası (TE) işlevini kullandı” ifadelerini kullanıyor.

Basit Romax modeli (solda) merkezi bir temas paterni göstermesine rağmen (sağ üst), test teçhizatı sol tarafta daha fazla yükleme gösterdi (sağ alt)

Grafik, ölçülen TE için Romax simülasyonu ile korelasyonu göstermektedir. TE korelasyonunun şekil ve genlik açısından iyi bir eşleşme gösterdiğini söyleyen De Bie, şöyle devam ediyor: “Modelin son derece basitleştirilmiş olduğu düşünüldüğünde bu özellikle etkileyici. Zaman kazanmak için simülasyonda yerçekimini hesaba katmıyoruz; bu, tam bir planet dönüşü yerine yalnızca tek bir diş geçişini hesaplamamız gerektiği anlamına geliyor. Ek olarak, üretim sapmalarını hesaba katmayan ve sadece tek bir dişli aşamasını modelleyen ideal bir topoloji kullandık. Test düzeneği kurulumumuzda da kusurlar var: Arka arkaya testler yapıyoruz, ortamda titreşimler var, sensör konumlandırma, sensör braketleri, sensörün doğruluğu, hız ve tork koşullarıyla ilgili limitlerimiz var. Modellememizdeki bu basitleştirmeler ve test teçhizatımızdaki kusurlar dikkate alındığında, TE korelasyonunda dikkat çekici sonuçlar o kadar yakın ki, tasarım sürecimizde bunları kullanabiliriz.”

FE muhafazalı (solda) daha karmaşık Romax modeli, test teçhizatı sonuçlarıyla eşleşen iyileştirmeden sonraki patern (sağ üst), daha fazla optimizasyon sonrası temas modeli (sağ altta)

Doğru model karmaşıklığı düzeyini bulma

İkinci örnek, bir paralel dişli aşaması tasarımıdır. ZF, simülasyon sonuçlarının, dişliler üzerinde merkezi bir temas modeli gösterildiği çok basit bir Romax modeli oluşturarak işe başladı. Bununla birlikte, test teçhizatında sonuçlar farklıydı, prototipler eşit olmayan yükleme gösteriyordu, vitesin sol tarafında daha yüksekti. Bunun yanlış hizalamadan mı, simülasyon ve ölçüm arasındaki sapmalardan mı, yoksa test düzeneğinde yetersiz süreden mi kaynaklandığı ve boyanın aşınmayı doğru bir şekilde göstermemesine neden olup olmadığı o sırada belirsizdi.

Bazı ilave gövde gerinim ölçümleri eşit olmayan yüklemeyi doğruladı. Bu nedenle ZF Romax modeline geri döndü ve eklemeler yapıldı: FE muhafazası, dış rulman halkalarından FE muhafazasına yapılan bağlantıların ardından, test sırasında kullanılan rulman boşlukları ayarlandı. Bu rafine simülasyon modeli, daha sonra aynı düzensiz yükleme modeli özelliklerini gösterdi. Korelasyondan memnun kalan ZF, temas modelini merkezileştirmek için potansiyel tasarım iyileştirmelerini test etmek amacıyla simülasyon modelinin ayarlamalarına geçti.

Amaçlarının korelasyon içi en basit modeli elde etmek olduğunu dile getiren De Bie, şunları ifade ediyor: “Bu örnekte, topolojiyi muhafazasız çok basit bir modele göre tanımladık. Ancak bu, test sistemimizde gördüğümüzle eşleşmedi. Bu yüzden, korelasyonu görene kadar modeli geliştirdik. Buna ulaşıldığında, yük modelini simülasyonda merkezileştirirken mikro geometride değişiklikler yapmak için bu modeli kullanabilirdik, aynı sonuçları test teçhizatında da güvenle görebilirdik. Daha detaylı simülasyon modeli ile daha doğru TE sonuçları elde edebildik ve tasarımda gürültü riskini azalttık.”

Orijinal basit simülasyon modeli (mavi), TE’nin torkun %50-60 oranından fazla azalma gösterirken, test ekipmanı bir artış gösterdi. İyileştirmeden sonra, simülasyon modeli (turuncu) bununla eşleşti gözlem ve daha karmaşık olanda yapılan ek oıptimizasyon, TE’yi (gri) geliştirdi. Sol – birinci dereceden harmonik, sağ – ikinci dereceden harmonik

Orijinal basit simülasyon modeli (mavi), TE’nin torkun %50-60 oranından fazla azalma gösterirken, test ekipmanı bir artış gösterdi. İyileştirmeden sonra, simülasyon modeli (turuncu) bununla eşleşti gözlem ve daha karmaşık olanda yapılan ek oıptimizasyon, TE’yi (gri) geliştirdi. Sol – birinci dereceden harmonik, sağ – ikinci dereceden harmonik

Simülasyona dayalı bir tasarım sürecinin başarılması

ZF Wind’in Romax yazılımını uzun yıllardır kullanmasına rağmen De Bie’nin açıkladığı üzere, aktarım bileşenleri geliştirme sürecinin temel bir parçası olarak geniş çapta kabul görmesi zaman aldı. Romax ekibinin desteği ile doğru modelleme yaklaşımını daha iyi anladıklarını belirten De Bie, “Romax yazılımını kullanma şeklimizi ve yaptığımız işlemleri geliştirdik. Artık Romax’ı gelişmiş dişli ağı analizi için son teknoloji bir araç olarak görüyoruz” diyor. De Bie, sözlerini şöyle sonlandırıyor: “Romax Enduro, rüzgar piyasasının karşı karşıya olduğu mevcut zorlukların üstesinden gelmemize yardımcı oluyor. Dişli sisteminin ve test ortamının sanal bir temsilini oluşturabiliyoruz. Bu, ilk olarak, mikro sistemimize ince ayar yapabileceğimiz anlamına geliyor. Geniş bir tork aralığında dişli kanadında ve dişli kökünde optimize edilmiş bir yük dağılımı elde etmek için geometri ve ikinci olarak, gürültü risklerini tasarım sürecinde erkenden tespit edebiliyor ve bu riskleri azaltmak için tasarım önlemlerini belirleyebiliyoruz.”

Hexagon Sistem Dinamiği İş Geliştirme Başkanı Stephen Smith, ZF Wind ile olan ilişkileri hakkında şunları söylüyor: “ZF ve Romax’ın her zaman ortak bir hedefi vardı. Birlikte, ZF’nin rüzgar türbini ile buluşması için doğru ortamı yaratmak için çok çalıştık.”