Rüzgâr enerjisi sistemlerinde kullanılan rulmanlardan iki kilit faktör talep edilmektedir: Sert koşullar altında yüksek performans ve yüksek hizmet ömrü. Bu gözlem, özellikle rüzgâr türbinlerinin kapasitelerinin artmakta olduğu offshore segmentindeki durumdur. Sonuç olarak NSK, geçtiğimiz günlerde 9.5 MW türbinler için rulmanlar üretmeye ve şimdiden 12 MW sınıfındaki offshore türbinler için rulmanlar geliştirmeye başladı.
Ancak, rüzgâr türbini rulmanlarına yüksek talep oluşturan sadece performans yetenekleri değildir. Denizde, yüksek rüzgâr hızları nedeniyle daha güçlü statik ve dinamik yükler rotorlar ve dolayısıyla tüm tahrikli tren üzerinde etkilidir. Onshore türbinlerde, ana rulmanlar 1 MN’ye kadar olan yükleri taşımaktadır; offshore türbinlerde ise bu daha da fazladır.
Hizmet ömrü beklentileri yükseliyor
Rüzgâr türbinleri için rulmanların çalışma ömründe talepler artmaktadır. Kıyı türbinleri için, üreticiler geleneksel olarak rulmanların, 20 yıl ile eşdeğer olan 175.000 saatlik bir hizmet ömrü için tasarlanması gerektiğini belirtmişlerdir. Ancak, yüksek yatırım maliyetleri ve açık deniz rüzgâr enerjisi sistemlerine erişim zorluğu nedeniyle, son derece yüksek dinamik yükler dikkate alındığında, çok büyük zorluk olan 25 yıllık bir hizmet ömrü tanımlanmıştır.
Ana rulmanlar
Bu yüklerin rulman seçiminde etkisi olduğu çok açıktır. Doğrudan tahrikli rüzgâr türbinlerinde, çift sıralı konik makaralı rulmanlar, ana rulman olarak giderek daha fazla tercih edilmektedir. Geçmişte yaygın olarak kullanılan silindirik makaralı rulmanlar ile karşılaştırıldığında, konik makaralı rulmanlar daha yüksek sistem rijitliği elde etmeyi mümkün kılan ayarlanabilir ön yük avantajı sunar. Bu tip rulmanlar, en son teknoloji tasarım ve üretim kavramlarına meydan okuyan 2,7 metreye kadar iç çaplara sahiptir.
Dişli sistemler söz konusu olduğunda, ek tahrik bileşenlerinin ağırlığı, jeneratörün daha küçük bir tasarıma sahip olması gerçeği ile dengelenir. Her güç kapasitesi sınıfında ana rotor rulmanı için farklı tasarım kavramları bulunmaktadır. 5 MW’a kadar sistemler genellikle oynak makaralı rulmanlar kullanır. 6 MW ve üstü için ise iki konik makaralı rulman veya çift sıralı konik makaralı rulmanlar ile birlikte silindirik makaralı rulman ile yapılan düzenekler tercih edilir.
Entegre rulmanlar
Dişli tahrikli trenlerde, iki veya üç kademeli planet dişli kutuları günümüzde yaygındır. Çoğu zaman bu planet dişliler helisel dişli kademesi ile birleştirilir. Birkaç yıldır entegre planet dişliler olarak bilinen düzenekleri kullanma trendi yükseliyor. Bu uygulama için NSK (dişli üreticisi ile yakın işbirliği içinde) çok sıralı konik ve dış bileziksiz silindirik makaralı rulmanlar geliştirmiştir. Böylece, planet dişlilerin deliği, rulmanın dış bilezik yuvarlanma yolu olarak kullanılır.
Bazı uygulamalarda dört sıralı entegre silindirik makaralı rulmanlar kullanılmaktadır. Aşama başına dört planet ile birlikte, bir rulman takımı toplam 16 sıra içerir. Tüm rulmanlarda eşit bir yük elde etmek için, tüm set için delik ve çevresel çaplar çok sıkı toleranslara sahiptir.
Diğer bir trend ise, türbin için tüm rulmanları tek bir tedarikçiden alınmasıdır. Bu pazar trendi, NSK’nın 20 yıl boyunca dişli kutuları ve jeneratörler için çeşitli rulmanlar geliştirmesine ve üretmesine rağmen, NSK’nın Rüzgâr İş Birimi ürün portföyünü genişletmeye karar vermesinin özel nedenlerinden biri olmuştur.
BAÇ (beyaz aşındırma çatlakları) Araştırması
Offshore rüzgâr türbinleri için gerekli olan rulmanların büyüklüğü ve zor erişilebilirlik nedeniyle rüzgâr endüstrisi, rulman hasarına karşı çok hassastır. Teknik uzmanlık, neredeyse tüm tipik rulman hasarlarının üstesinden gelmeyi mümkün kılar. Örneğin, yüksek seviyede çelik saflığı ile birlikte gelişmiş tasarım yöntemleri, klasik rulman aşınma arızalarının rüzgâr türbini rulmanlarında pratik olarak ortadan kaldırılmasını sağlar.
Bununla birlikte, rulman endüstrisinin hâlâ araştırdığı bir alan BAÇ (beyaz aşındırma çatlakları) alanıdır. Bu çatlaklar, rulmanın kullanım ömründe nispeten erken görünen hasar işaretleridir. Tipik hasar semptomları, çatlakların oluşmasına ve sonuç olarak, rulmanların bozulmasına yol açan, yuvarlanma yolunun altındaki beyaz yapılardır (ismini bu nedenle almıştır).
BAÇ´nin kesin nedeni uzun zamandır bilinmemekle birlikte, bir dizi deney, bu hasarın büyük ihtimalle hidrojen penetrasyonundan kaynaklandığını göstermiştir. Ancak buna rağmen, deneyde hidrojenin kökeni hâlâ tam olarak açıklanmamıştır.
Daha ileri araştırmalar, hidrojen üretiminin operasyon sırasında meydana geldiğini ima etmektedir. İlk varsayım, hidrojenin, yağlayıcıların hidrokarbon zincirlerinden ve bunların katkı maddelerinden gelmesiydi. Bu teori, tipik hasar belirtilerinin belirli tipte yağ ve gres yağı ile bir laboratuvarda elde edilmesi ile tasdik edilmiştir.
Sonuç olarak NSK, hidrojen penetrasyonuna ve hidrojen gevrekleşmesinin neden olduğu çatlakların oluşumuna daha yüksek direnç gösteren yeni bir malzeme geliştirdi. Laboratuvar testleri başarıyla tamamlanırken, bu malzemeden yapılan rulmanlar şu anda saha denemeleri aşamasındadır.
Durum izleme uygulaması
Arıza – güvenlik özellikleri ve uzun hizmet ömrü gereksinimleri nedeniyle rüzgâr enerjisi sistemlerinde bulunan rulmanlar, rulmanın durumunu sürekli olarak izlemek için harici olarak monte edilmiş veya entegre edilmiş sensörler kullanan durum izleme sistemleri (CMS) için ideal adaylardır. Rulmanlarda oluşan hasarı gösteren anomaliler zamanında tespit edilip raporlanabilir.
Günümüzde kullanılan CMS´ler, sistemin bakım döngüsünün buna göre planlanmasına izin vermek için anormallikleri yeterince erken tespit etmek üzere açık deniz rüzgâr çiftlikleri tarafından konuşlandırılmaktadır. NSK, bu tür bir sistem için önemli bir pazar potansiyeli beklemektedir.
