Rüzgar türbini dişli kutusu dövmelerindeki en yaygın arıza nedenleri nelerdir?

Başarısızlığın en yaygın nedenleri Rüzgar Türbini Şanzıman Dövme Parçaları öyle malzeme yorgunluğu, yüzey altı içerme kusurları, yetersiz ısıl işlem, yanlış hizalamanın neden olduğu stres konsantrasyonları ve yağlama bozulması . Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı'nın (NREL) çalışmaları, dişli kutusu arızalarının yaklaşık olarak sorumlu olduğunu göstermektedir. Rüzgar türbini aksama süresinin %20'si Bu da onları sektördeki en büyük plansız bakım maliyeti kaynağı haline getiriyor. Dövme ve malzeme düzeyindeki temel nedenleri anlamak, erken arızayı önlemenin en etkili yoludur.

Malzeme Yorgunluğu: Önde Gelen Mekanik Arıza Modu

Rüzgar türbinlerinin çalıştırılmasındaki dişli kutusu dövme arızalarının çoğundan yorgunluk sorumludur. Statik aşırı yükten farklı olarak yorulma hasarı, çatlak yüzeye yayılmadan önce milyonlarca yük döngüsü boyunca görünmez bir şekilde birikir.

Dövmelerde Yorgunluk Nasıl Başlar?

Dişli kutusu halka dişlilerinde, planet taşıyıcılarda ve çıkış millerinde döngüsel bükülme ve burulma yükleri, kama yuvaları, dolgular ve çapraz delik kesişimleri gibi gerilim yoğunlaşma noktalarında mikro çatlaklar oluşturur. 2019 yılında yayınlanan bir analize göre Rüzgar Enerjisi (Wiley), Dişli arızalarının %60'ından fazlası Rüzgar türbini dişli kutularındaki çatlaklar, temas yüzeyinde veya hemen altında başlayan yorulma çatlaklarından kaynaklanır.

Değişken Yük Spektrumu Yorgunluğu Arttırıyor

Rüzgar türbinleri oldukça düzensiz yük spektrumlarına maruz kalır. Rüzgar, türbülans ve başlatma-durdurma döngüleri, dişli kutusu bileşenlerinin nadiren sabit durum yüküne maruz kaldığı anlamına gelir. Bu değişken genlikli yükleme, sabit genlikli laboratuvar test koşullarıyla karşılaştırıldığında yorulma hasarı birikimini hızlandırır; bu nedenle birçok standart yorulma derecelendirmesi, gerçek dünyadaki hizmet ömrünü hafife alır.

Yeraltı Kalıntıları ve İç Kusurlar

Yüksek kaliteli bir dövme bile, erken çatlama için başlangıç noktası görevi gören iç kusurları barındırabilir. En sorunlu olanı, çelik üretimi sırasında ortaya çıkan veya yetersiz işlem nedeniyle tutulan metalik olmayan kalıntılardır (oksitler, sülfürler ve silikatlar).

Dahil Etme Türleri ve Etkileri

Kaynak: ASM Uluslararası, Isıl İşlem Görmüş Çelik Bileşenlerin Arıza Analizi , 2008.

Büyük dişli kutusu dövmeleri için (3 MW'lık türbinlerde 2.000 kg'ın üzerindeki gezegen taşıyıcıları yaygındır), dövme sonrası yavaş soğutma veya tavlama prosedürlerine sıkı bir şekilde uyulmadığı takdirde hidrojen kaynaklı pullanma özellikle ciddi bir risk oluşturur.

Yetersiz Isıl İşlem ve Yüzey Sertleştirme Arızaları

Dövme dişli kutusu, sert, aşınmaya dayanıklı bir yüzey katmanı ile sert, sünek bir çekirdek arasında hassas bir denge kurmalıdır. Isıl işlem iyi kontrol edilmediğinde bu denge bozulur ve serviste hızla arızalar meydana gelir.

Yaygın Isıl İşlem Hataları

• Karbürlenmiş veya nitrürlenmiş dişlilerde yetersiz kasa derinliği, alt kasa yorulma çatlamasına neden olur
• Yetersiz su verme çalkalaması nedeniyle eşit olmayan sertleşme, dövmede yumuşak noktalar bırakıyor
• Dövme veya normalleştirme sırasında yüzey katmanının dekarbürizasyonu, yüzey yorulma mukavemetini %10'a kadar azaltır. %30 (Kaynak: AGMA 923-B05, Çelik Dişlilerin Metalurji Şartnamesi)
• Kalın kesitli bileşenlerde aşırı termal değişimlerden kaynaklanan çatlakları söndürün
• Servis stresi altında dönüşen ve boyutsal kararsızlığa neden olan, kabul edilebilir eşiklerin üzerinde tutulan ostenit

Duvar kalınlıkları 150 mm'yi aşan rüzgar türbini dişli kutusu halka dişlileri için, tek biçimli sertleşmenin sağlanması, yeterli sertleşebilirliğe (tipik olarak 18CrNiMo7-6 veya 20MnCr5) sahip dikkatle seçilmiş çelik kalitelerini ve hassas şekilde kontrol edilen söndürme ortamını ve sıcaklık profillerini gerektirir.

Dövme Akış Hattı Kusurları ve Zayıf Tane Yapısı

Tamamlanmış bir dişli kutusu dövme işleminin mekanik özellikleri, dövme işlemi sırasında oluşturulan iç tane akışı tarafından doğrudan belirlenir. Kötü tasarlanmış dövme kalıpları veya yanlış redüksiyon oranları, bileşen hizmet dışı kalana kadar gizli kalan kusurlar yaratabilir.

Dövme Uygulamasından Kaynaklanan Temel Yapısal Kusurlar

• Turlar ve soğuk kapanmalar: Kalıp doldurma sırasında metalin kendi üzerine katlanmasıyla oluşur ve önceden var olan bir çatlak gibi davranan bir dikiş oluşturur
• Akış kusurları: Malzeme maçaların veya mandrellerin etrafından yanlış aktığında ve tane sürekliliğini bozduğunda meydana gelir
• Kaba tane bantları: Yetersiz sıcak iş azaltımından veya tane irileşme sıcaklığının üzerinde yeniden ısıtmadan kaynaklanır ve darbe dayanıklılığını yaklaşık olarak azaltır. %40 ince taneli mikroyapılarla karşılaştırıldığında (Kaynak: ASTM E112 tane boyutu standartları ve endüstri dövme verileri)
• Ayırma merkez çizgileri: Büyük çaplı şaft dövmelerinde, orijinal külçeden alaşım ayrılması, dövme işleminden sonra bile devam edebilir ve farklı sertlik ve yorulma direncine sahip bölgeler oluşturabilir.

Yüksek kaliteli üreticiler bu riskleri, yeterli dövme azaltma oranları (genellikle külçeden minimum 4:1 azalma), kontrollü yeniden ısıtma sıcaklıkları ve EN 10228-3 veya ASTM A388 gibi standartlara göre tüm bitmiş dövme parçalarının zorunlu ultrasonik testini (UT) içeren sıkı süreç tasarımı yoluyla ele alır.

Yağlama Arızası ve Dövme Yüzey Kalitesiyle Bağlantısı

Yağlama arızası genellikle tamamen operasyonel bir sorun olarak ele alınır, ancak dişli kutusu dövmelerinin yüzey kalitesi ve boyutsal doğruluğu, yağ filminin yük altında ne kadar iyi korunacağını doğrudan belirler.

Yüzey Durumu Aşınmayı Nasıl Hızlandırır?

Pürüzlü veya düzensiz dövme yüzeyleri (işlemeden sonra bile) elastohidrodinamik (EHL) yağlayıcı filmini delecek yüksek sertlikte temas basınçları oluşturur. Metal-metal teması meydana geldiğinde, mikro temas noktalarındaki yüzey sıcaklıkları aşılabilir. 300 derece C yerel olarak (Kaynak: Tribology International, Cilt 44, 2011), mikro-kaynağa, sürtünmeye ve mikro karıncalanma olarak bilinen hızlı yüzey yorulmasına yol açar.

NREL Şanzıman Güvenilirlik İşbirliği (GRC), sahadan geri dönen dişli kutularında gezegen ve güneş dişlisi dişlerindeki mikro karıncalanmayı birincil hasar modu olarak tanımladı; Ra 0,4 mikronun üzerindeki yüzey pürüzlülük değerleri, doğru yağlayıcı viskozitesinde bile mikro karıncalanma riskini önemli ölçüde artırıyor.

Dövme Kalıntılarından Kaynaklanan Yağlayıcı Kirliliği

Şanzıman mahfazalarının veya içi boş millerin iç boşluklarında kalan tortu, oksit parçacıkları veya artık kumlama ortamı servis yağında dolaşarak, yatak yataklarına ve dişli yanlarına tasarım tahminlerinden çok daha hızlı zarar veren aşındırıcı üç gövdeli aşınmaya neden olabilir.

Yanlış Hizalama ve Montajın Neden Olduğu Gerilme Konsantrasyonları

Mükemmel üretilmiş bir dişli kutusu dövmesi bile, dişli kutusunun yanlış monte edilmesi veya aktarma organlarının yanlış hizalanmasının, dişli kutusu mahfazasına ve millerine beklenmedik bükülme momentleri iletmesi durumunda zamanından önce arızalanabilir.

Rüzgar Türbini Aktarma Organlarındaki Yanlış Hizalama Kaynakları

• Dişli kutusu giriş milini asimetrik olarak yükleyen rotor mili sapmasına neden olan ana yatak aşınması
• Kule yerleşimi veya motor kaportası taban plakası distorsiyonu, dişli kutusu ile jeneratör arasında açısal yanlış hizalamaya neden olur
• Yanlış tork kolu burcu kurulumu, reaksiyon kuvvetlerinin dişli kutusu muhafazası dövmesi üzerindeki belirli noktalarda yoğunlaşması
• Planet taşıyıcı deliği hizasızlığı aşıldı 0,05 mm bazı planet dişlilerinin yükünü boşaltırken diğerlerinin aşırı yüklenmesine neden olur; erken planet dişlisi ve yatak arızalarına katkıda bulunduğu bilinen bir faktördür (Kaynak: GL Garrad Hassan Rüzgar Türbini Teknolojisi, 2012)

Korozyon ve Çevresel Bozunma

Açık deniz ve kıyı rüzgar türbinleri, dişli kutusu bileşenlerini neme, tuz spreyine ve korozyon yorgunluğunu hızlandıran sıcaklık döngüsüne maruz bırakır; bu, mekanik yorgunluk ve aşındırıcı saldırının birleşimi olup, her iki faktörün tek başına olduğundan daha fazla zarar verir.

Dergide yayınlanan araştırma Uluslararası Yorgunluk Dergisi (2017), korozyon yorulmasının, düşük alaşımlı çelik dişli kutusu millerinin yorulma sınırını şu şekilde azalttığını göstermiştir: %50'ye kadar kuru havada yapılan testlerle karşılaştırıldığında. Korozyondan kaynaklanan yüzey çukurları, işlenmiş çentiklerle karşılaştırılabilecek etkili gerilim yoğunluğu faktörlerine sahip gerilim yoğunlaştırıcılar olarak görev yapar.

Açık deniz uygulamaları için dişli kutusu dövme spesifikasyonları, yalnızca karadaki bileşen standartlarına dayanmak yerine, malzeme seçimi, koruyucu kaplamalar ve sızdırmaz yağlama sistemleri yoluyla korozyon direncini ele almalıdır.

Yüksek Kaliteli Dövmeler Arıza Riskini Nasıl Azaltır?

Titiz bir kalite yönetimi altında üretilen dövme parçaların seçilmesi, yukarıda sıralanan temel nedenleri doğrudan ele alır. Belirlenecek temel kalite göstergeleri şunları içerir:

1. Kalıntı içeriğini en aza indirmek için vakumlu gaz giderme (VD) veya vakumlu ark yeniden eritme (VAR) ile temiz çelik üretimi
2. Tutarlı tane akışı sağlamak için kontrollü dövme azaltma oranları ve doğrulanmış kalıp tasarımları
3. Her parti için zaman-sıcaklık çizelgeleri de dahil olmak üzere ısıl işlem kayıtlarının tam izlenebilirliği
4. EN 10228-3 Sınıf 3 veya eşdeğerine göre %100 ultrasonik test (UT) ve ayrıca tüm bitmiş yüzeylerin manyetik parçacık muayenesi (MPI)
5. Bileşenle bütünleşik olarak dövülmüş test uzatmalarından kesilen numunelerden alınan mekanik test sertifikaları (çekme, darbe, sertlik)

Dövme tedarikçilerini değerlendiren tedarik ekipleri ve rüzgar türbini OEM'leri için, Rüzgar Türbini Şanzıman Dövme Parçaları öyle manufactured to meet these exacting standards -- covering ring gears, planet carriers, output shafts, and housing components for turbines from 1.5 MW to 6 MW class, with full material certification and NDE documentation supplied with every order.

Özet: Bir Bakışta Başarısızlık Nedenleri