Gabriela Fedor, Frank-Olaf Mähling, Christoph Wincierz, Thilo Krapfl
Evonik Operations GmbH – Özel Katkılar Birimi, Darmstadt, Almanya
Justin Langston
Evonik Industries, Horsham, ABD
Juno Shin
Evonik Korea Ltd, Seul, Güney Kore
Özet
Rüzgar türbinleri, sürdürülebilir enerji üretimi alanında önde gelen bir teknolojidir. On yıldan fazla bir süredir türbinlerin sayısı ve boyutu küresel olarak büyüdü. Bugün en yüksek büyüme oranlarına sahip olan Çin’de yüksek kaliteli yağ talebi de artıyor.
Rüzgar türbini dişli kutularının yağlanması sektördeki en zorlu uygulamalardan biridir. Rüzgar türbini dişli yağları, çok çeşitli ve genellikle zorlu çalışma koşullarında performans göstermelidir. Meteorolojik koşullar ve güç üretme talepleri değişkendir. Buna ek olarak, dişliler sistemdeki titreşimlerden etkilenir ve olağanüstü güvenilirlik ve dayanıklılıkla performans göstermeleri beklenir.
Dayanıklı oldukları için sentetik ISO VG 320 yağları rüzgar türbini dişlilerinde en yaygın kullanılan yağlardır. Bu yağlar büyük ölçüde yüksek dereceli polialfaolefinler (PAO’lar) ile formüle edilmiş olup, aşınma ve yıpranmaya karşı koruma, termal ve oksidatif stabilite, köpük direnci ve kesme stabilitesi sağlar. Sentetik yağlayıcılar, bu kritik ihtiyaçları karşılamanın yanı sıra, uzun yağ ömrü ve yüksek mekanik verim de sunar.
Son on yılda, rüzgar türbini dişli uygulamaları için polialfaolefin baz yağlara alternatifler geliştirildi ve test edildi. VISCOBASE® sentetik baz yağları içeren yeni bir rüzgar türbini dişli yağı sınıfı olan NUFLUX™ teknolojisi, saha deneyimleri neticesinde giderek daha fazla ilgi görüyor. VISCOBASE® ürünleri, Grup I yağlarının çözünürlüğüne ve Grup IV bazlı sıvılara benzer bir performansa sahip yağların formüle edilmesini sağlıyor. Ulusal ve uluslararası endüstri standartları ve OEM spesifikasyonları ile tanımlanan performans gereksinimlerini karşılıyor veya ötesine geçiyor.
1. Giriş
Rüzgar türbinleri rüzgar enerjisini elektrik enerjisine dönüştürür. Rüzgar verimini maksimize etmek için rüzgar türbinlerinin boyutları büyümüş ve bu sistemleri çalıştıran dişli kutularına büyük bir yük binmiştir. Dişli kutusu bileşenlerinin değiştirilmesiyle ilgili zorluklar nedeniyle çalışma koşulları zorludur ve kullanım ömrü beklentisi yüksektir. Kaliteli bir yağlayıcı, yük taşıma, dayanıklılık ve uzun yağ değişim aralıkları özelliklerini sunmak için dişli kutusu tasarımının temel bir unsuru haline gelir. Sentetik sıvılar, rüzgar türbini yağlaması için tercih edilir.
Çoğu modern rüzgar türbini için, elektrik jeneratörüne bağlı bir dişli kutusu temel mekanik bileşendir. Dişliler, düşük hızlı bir şaftı yüksek hızlı bir şafta bağlar ve dönme hızlarını yaklaşık 20 rpm’den 1500 rpm’ye çıkarır; bu, çoğu jeneratör tarafından elektrik üretmek için gereken tipik hızdır [1]. Buna paralel olarak, rotor kanatlarından gelen yüksek tork girdisinde de bir azalma olur.
Dişli kutusu genellikle en az bir planet kademeden ve torku daha da azaltan ve dönme hızını artıran birkaç helisel düz dişliden oluşur. Dişliler, sistemden gelen gücü alan makaralı ve konik makaralı rulmanlar ile şanzıman kafesine monte edilir [2].
Rüzgâr türbini dişli kutularında kullanılan yağlayıcının özelliklerinin, rulmanları ve dişlileri mekanik hasarlardan korumak için çok önemli olduğu açıktır. Yakın dönemde dişlilerdeki mikro çukurlaşma ve sürtünme nedeniyle veya yatak arızaları nedeniyle bir dizi dişli kutusu arızasının meydana geldiği görülmüştür [3].
Bu nedenlerle, bu uygulamada, yüksek koruma, güvenilirlik ve uzun ömür sunan sentetik formülasyonlar daha çok tercih edilir. OEM onaylarına sahip piyasadaki rüzgar türbini dişli yağı formülasyonlarının çoğunda, katkı maddesi uyumluluğunu iyileştirmek için esterlerle birlikte PAO tipi baz yağlar kullanılmaktadır.
Alternatif yüksek viskoziteli baz yağlarla yapılan formülasyonlar nadirdir ve sadece niş uygulamalarda kullanılır. Örneğin, tamamen ester bazlı formülasyonlar, çevresel hassasiyeti olan alanlarla biyolojik olarak parçalanabilirlik sağlar, ancak maliyetlidir ve hidrolitik kararlılık açısından dezavantajları vardır. Poliglikoller, sonsuz dişli içeren dişli kutuları gibi yüksek kayma seviyelerine sahip dişli kutularında mükemmel performans sunar. Ancak higroskopiktir ve geleneksel yağlayıcılarla sınırlı uyumluluğa sahiptir, bu da genellikle boya ve kaplamalarda sorunlara neden olur.
Bu makale, API Grup III veya IV baz yağlarla harmanlanmış, yüksek viskoziteli oligomerik metakrilat baz yağları VISCOBASE® ile üretilmiş sentetik rüzgar türbini dişli yağları için yeni formülasyon seçeneklerini ele alır. Yeni yüksek viskoziteli baz yağları, polialfaolefinlerin stabilitesi ve performansı ile birlikte Grup I baz yağlara benzer bir polarite sunar. Ortaya çıkan formülasyonlar, NUFLUX™ teknolojisi, standart endüstriyel dişli yağlarının gereksinimlerini ve rüzgar türbini dişli kutusu uygulamaları için en önemli OEM standartlarını karşılar.
2. Teknik gereksinimler
Dişli kutusu kullanıcılarına uygun bir yağlayıcı seçimi için temel sağlamak amacıyla, çeşitli uygulamalar için minimum gereksinimleri tanımlamak üzere çeşitli ulusal ve uluslararası kuruluşlar tarafından standartlar belirlenmiştir. Rüzgar türbini dişli yağları, Avrupa’da DIN 51517-3, Kuzey Amerika’da AGMA 9005-F16 ve Çin’de GB/T 33540 gibi genel endüstri spesifikasyonlarını karşılamalıdır. Bu standartlar için resmi bir onay süreci bulunmamaktadır.
Arızalar [4] dahil olmak üzere, saha deneyimlerinden faydalanan OEM’ler ve dişli kutusu üreticileri kendi kriterlerini ve onay listelerini oluşturmuştur. Bu spesifikasyonlar daha katıdır; düşük sıcaklık gereksinimleri [5] ve dişli kutusu bileşenleriyle malzeme uyumluluğu dahil olmak üzere gerçek çalışma koşullarını daha doğru bir şekilde yansıtır. Madeni yağ üreticileri ve satıcıları, teknik gelişmeler ile performans bakımından rekabette farklılaşabilir ve son kullanıcılar daha yüksek performans, güvenilirlik ve dayanıklılık talep eder.
OEM ve dişli kutusu üretici spesifikasyonlarının, Şekil 1’de gösterildiği üzere dört ayağı vardır:
1- DIN 51517-3 CLP, AGMA 9005-F16, ISO 12925-1 veya IEC 61400-4 gibi en önemli endüstri standartları.
2- Şanzıman üreticilerinin özel testleri ve ek standart testler: Dişli kutusu üreticileri, rulmanlar, contalar ve kaplamalar gibi bileşenleri ve malzemeleri için testler geliştirir. Flender, dişli kutusunun tek tek bileşenlerini dikkate alan şeffaf karmaşık test programıyla bir endüstri için bir dayanaktır.
3- Rüzgar türbini uygulaması için kendi test programlarına sahip olan FAG Schaeffler gibi rulman üreticileri, çok yönlü rulman korumasına odaklandı.
4- Şanzıman üreticileri, saha testi için onaylarının bir parçası olarak, kurum içi test donanımlarında tam şanzıman testi isteyebilir.
5- Kendi yağlayıcı onaylarına sahip olan rüzgar türbini üreticileri ve rüzgar türbini dişli kutusu üreticileri, uzun süreler boyunca saha testi talep eder. Rüzgar türbini OEM’leri çoğunlukla tam onay vermek için farklı üreticilerin dişli kutuları ile çeşitli tip ve boyutlarda rüzgar türbini kombinasyonlarını test etmeyi ister. Rüzgar dışı uygulamalar için bazı OEM’ler ve dişli kutusu üreticileri de onaylarının bir parçası olarak saha testi ister.
OEM’lerden ve dişli kutusu üreticilerinden alınan yağlayıcı onayları, genellikle formülasyonun değişmediği süre boyunca geçerlidir. Bununla birlikte, bireysel testlerin geçerlilik süresi genellikle 5 ila 10 yıl arasında değişir. OEM’ler ve dişli kutusu üreticileri, onaylı yağların ayrı bir listesini yayınlar veya düzenli olarak güncellenen kılavuzlarına onaylı yağ listesini koyar.
Rüzgar uygulamalarında, saha testi için rüzgar türbini dişli kutusu üreticisinden onay almak için Schaeffler, Svenska Kullager Fabriken (SKF) ve Nippon Seiko K.K. gibi rulman tedarikçilerinin ek testleri ve onayları olmasına rağmen, Flender spesifikasyonu, performans açısından bir temel çizgi olarak geniş kabul görmektedir. Saha testi, rüzgar türbini dişli kutusu üretici onayının son adımıdır.
Rüzgar türbini / dişli kutusu kombinasyonları üzerinde birkaç yıl boyunca saha denemeleri yapmadan önce, OEM’lere ürün tedarik eden dişli kutusu üreticilerinin onaylarına ihtiyaç vardır. Saha testi aşaması genellikle bir ila üç yıl arasında sürer ve düzenli yağ izlemeye dayanır. Bu kapsamda, birincil olarak viskozite, aşınma partikül konsantrasyonunun analizi ve katkı maddesi tükenme durumlarının izlenmesi gibi parametrelere odaklanır.
Şekil 1: Farklı onay düzeylerinde endüstriyel dişli yağlarının teknik gereksinimleri
3. Sıvı alternatifleri
Ticari rüzgar türbini dişli yağlarının çoğu, ISO 320 viskozite derecesine göre formüle edilmiştir. Çoğu durumda bu sıvılar, PAO 40 ve 100 gibi daha yüksek PAO veya mPAO bazlıdır. Madeni yağlar, Aşınma önleyici, korozyon önleyici, EP ve köpük önleyici gibi bir dizi katkı maddesi içerir. Katkı paketlerinin sıvıya karışmasını sağlamak amacıyla, yüzey aktif bileşenler için stabil bir ortam sağlamak üzere baz yağın çözünürlüğünün ayarlanması gerekir. PAO bazlı sıvılar tipik olarak baz yağın polaritesini değiştirmek için ester yağı veya alkile naftalin ilavesiyle ayarlanır. Polialfaolefinler genellikle nihai formülasyonun ağırlıkça %80-90’ına eşittir.
Katkı paketleri için ideal çözücülük değeri Grup I baz yağlar için verilir. Şekil 2’de paylaşıldığı gibi, Grup I, Grup IV ve NUFLUX™ teknolojisinin Anilin noktalarına yakından bakıldığında, PAO’ların düşük polaritesi ve zayıf çözücülük gücü görülmektedir. Bu, çeşitli yağlayıcı özellikleri için bir dezavantaj olarak yorumlanır.
Polar olmayan sentetik yağlar, vernik oluşturan bozunma yan ürününü askıya almakta zorlanabilir. Belirli contalarda, metallerde, boyalarda veya kaplamalarda malzeme uyumluluğu sorunları ortaya çıkabilir. Öte yandan, birçok ester tipi sentetikler, su varlığında iyi performans göstermez ve hidrolize olma eğilimindedir.
Şekil 2: Baz yağlar ve karışımlarının anilin noktaları
Yüksek kaliteli mineral baz yağlar, genel endüstriyel uygulamalar için formüle edilmiş çoğu dişli yağında iyi performans gösterir. Bununla birlikte, bu uygulamaların birçoğu, rüzgar türbini uygulamasının aksine, geniş çalışma sıcaklığı penceresi için katı gereksinimlere sahip değildir. Şekil 3’te görüleceği gibi, NUFLUX™ teknolojisi, PAO bazlı akışkanlarla aynı çalışma sıcaklığı aralığında kullanılabilir.
Şekil 3: Farklı IGO sınıflarında çalışma sıcaklığı aralığı
Mineral formülasyonlar, sentetik yağlardan daha yüksek basınç-viskozite katsayılarına sahiptir ve çalışma viskozitelerinde daha fazla film kalınlığı sağlar. Bununla birlikte, birçok sentetik baz yağ, doğası gereği daha iyi oksidatif ve termal stabilite gösterir, bu da onları yüksek çalışma sıcaklıkları olan ve uzun servis aralıklarının gerekli olduğu uygulamalar için tercih edilir hale getirir.
Yüksek viskozite indeksine ve düşük akma noktalarına sahip sentetik dişli yağları giderek daha fazla kullanım alanı bulmuştur ve rüzgar türbini dişli kutuları için yaygın bir seçim haline gelmiştir. Mükemmel düşük sıcaklık viskoziteleri, geniş bir çalışma sıcaklığı penceresinde kullanım sağlar. Yüksek VI değerine sahip sentetik yağlara örnek olarak, PAO, PAG ve VISCOBASE® yüksek viskoziteli baz yağlar verilebilir.
Stabil viskoziteler, mükemmel conta uyumluluğu, kaplama uyumluluğu ve oksidasyon direnci sayesinde, zorlu çalışma koşullarında uzun yağ değişim aralıkları sunar.
İstenen rüzgar türbini dişli yağını formüle etmek için daha yüksek ve daha düşük viskoziteli baz yağların bir kombinasyonu kullanılır. Tablo 1‘deki karşılaştırma, bir ISO VG 320 yağının 6 veya 8 cSt Grup III baz yağ ve yüksek viskoziteli baz yağ olarak düşük moleküler ağırlıklı polialkilmetakrilat (VISCOBASE®) ile formüle edilebileceğini ve geleneksel olarak PAO/ester formülasyonlarında kullanılanlara benzer viskozimetrik özellikler elde ettiğini göstermektedir. Esasen, viskozite-sıcaklık davranışı açısından NUFLUX™ teknolojisi, mineral yağ ve PAO/ester formülasyonlarına göre avantajlara sahiptir.
Tablo 1: Endüstri onaylı çeşitli rüzgar türbini dişli yağlarında kullanılanla benzer kullanım miktarında piyasada bulunan aynı katkı paketi ile formüle edilmiş ISO VG 320 rüzgar türbini dişli yağlarının karşılaştırması
NUFLUX™ teknolojisinin çok yönlülüğü, farklı düşük viskoziteli baz yağ bileşenlerinin kullanıldığı Tablo 2‘de gösterilmektedir. İstenilen KV 40, yüksek ve düşük viskoziteli baz yağ oranı ile ayarlanabilmektedir. Daha yüksek Viskozite İndeksleri, daha yüksek VISCOBASE® fraksiyonları ile veya PAO8 gibi yüksek Viskozite İndeksine sahip düşük viskoziteli baz yağ bileşeni kullanılarak elde edilebilir.
NUFLUX™ formülasyonlarında, PAO bazlı baz yağlarla kombine edilerek kullanılmadıkça, ancak tam PAO formülasyonlarından önemli ölçüde düşük kullanım oranlarında kullanıldığında, katkı maddelerini çözmek için polar uyumlaştırıcılara ihtiyaç yoktur. PAO bazlı rüzgar türbini formülasyonları, katkı çözünürlüğünü artırmak ve bulanıklığı önlemek için tipik olarak yaklaşık %10 ila 25 w. ester veya alkile naftalin içerir.
Tablo 2: NUFLUXTM ISO VG 320 formülasyon seçeneklerinin karşılaştırması. “Katkı Maddeleri”, performans paketi, PPD ve emülsiyon çözücünün bütünü için kullanılmıştır.
4. NUFLUXTM teknolojisi ile dayanıklılık testleri
NUFLUX™ teknolojisinin performansı Amerika Birleşik Devletleri, Avrupa, Afrika ve Asya’da sahada test edilmiştir. Performans gösterimleri madencilik endüstrisi, su arıtma endüstrisi ve rüzgar endüstrisi gibi alanlarda gerçekleştirilmiştir.
Moventas tarafından yürütülen kurum içi testler
NUFLUX™ teknolojisi Moventas tarafından bir dişli kutusunda başarıyla test edilmiştir. Testte, arka arkaya çalıştırılan iki PLH-1400 dişli kutusu kullanılmıştır. Bir dişli kutusu NUFLUX™ ISO VG 320 ile, diğeri ticari bir PAO dişli yağı ile doldurulmuştur. Sıcaklık 8 farklı noktada, yağ basıncı 3 farklı noktada ölçülmüştür. Temas noktalarını incelemek için dişliler Şekil 4 a ve b’de görüldüğü gibi boyanmıştır. Moventas, temas noktalarında herhangi bir anormal davranış görülmediğini belirtmiştir. Tüm temas noktaları iyi durumdadır ve hiçbir sert uç teması veya parçacık izi tespit edilmemiştir. Bu nedenle NUFLUX™ ISO VG 320 fabrika testini geçmiştir ve saha testlerine izin verilmiştir.
Şekil 4 a: NUFLUX™ ISO VG 320, Moventas tarafından test edilmiştir. Test çalışması öncesi boyalı dişliler, solda jeneratör tarafı ve sağda rotor tarafı görülmektedir.
Şekil 4 b: Moventas’ta test edilen NUFLUX™ ISO VG 320. Test çalışmasından sonra dişliler, solda jeneratör tarafı ve sağda rotor tarafı görülmektedir. Temas noktaları tamamen hasarsızdır.
Saha deneyimi
NUFLUX™ ISO VG 320, performansını 40’tan fazla rüzgar türbini dişlisinde kanıtlamıştır. Çoğu müşteri, Evonik’in desteğiyle saha denemelerini kendileri gerçekleştirmiştir.
Avrupa’da 20 rüzgar türbini, 6 yıldan uzun bir süre boyunca Winergy, Moventas ve ZF Wind dişli kutularında yağ değişimi olmadan NUFLUX™ ISO VG 320 ile çalışmıştır. Mevcut sıvılarla karşılaştırıldığında, NUFLUX™ daha düşük çalışma sıcaklıkları göstermiştir, güvenilir yağlama ve daha uzun yağ değişim aralığı sağlamıştır. Teksas, Iowa ve California’da (ABD), birçoğu normal çalışma moduna geçmiş olan GE, Winergy ve Rexroth marka (tümü 1,5 MW) dişli kutuları üzerinde daha fazla deneme yapılmıştır. Üstün oksidasyon kararlılığı, tortu oluşumunu önleme ve mükemmel ekipman koruması gözlenmiştir. Daha yakın bir tarihte, Hindistan, Çin ve ABD’de daha fazla performans gösterimleri başlatılmıştır. Dayanıklılık testleri, NUFLUX™ teknolojisinin sahadaki avantajlarını kanıtlamıştır.
Son kullanıcılar, Şekil 5’te gösterilen mevcut WTGO formülasyonlarına kıyasla 5 °C’ye kadar daha düşük rulman sıcaklıkları gözlemlemiştir. Dişlilerin daha verimli çalışması sayesinde ekipman çalışma sıcaklıklarının düşmesi ile birlikte daha uzun yağ hizmet ömrü, daha az yağ bozulması, daha az aşınma metali seviyesi ve daha temiz yataklar görülmüştür.
Şekil 5: NUFLUX™ ISO VG 320 ve PAO bazlı VG320 referans yağı ile ölçülen rüzgar türbini yatak sıcaklıkları.
→Daha düşük yatak sıcaklıkları
→Daha az yağ bozulması ve kimyasal etki
Saha denemelerinde kullanılan dişli kutularından bazıları, NUFLUX™ sıvısı ile denemeye başlamadan önce yüksek miktarda kalıntı içermekteydi. NUFLUX™ teknolojisinin temizleme etkisi Şekil 6‘da gösterilmiştir. Çeşitli saha denemelerinde daha az vernik, tortu ve kalıntı gözlemlenmiştir.
Şekil 6: NUFLUX™ ISO VG 320, dişlileri temizler, tortu ve vernik oluşmasını önler. Resimler, NUFLUX™ ISO VG 320 ile yağ değişiminden önceki (2014) ve sonraki (2015) dişlileri göstermektedir.
NUFLUX™ teknolojisinin iyi aşınma performansı, tüm rüzgar türbini performans gösterimleri süresince düşük seviyede ICP aşınma metalleri ile doğrulanmıştır. Resmi bir rüzgar türbini dişli testi sırasında 18 ay boyunca ayrıntılı bir inceleme gerçekleştirilmiştir. Test sonucu Şekil 7‘de verilmiştir.
Şekil 7: NUFLUX™ ISO VG 320 ile 18 aylık saha denemesi süresince ölçülen demir aşınma konsantrasyonları
Demir, bakır ve diğer metallerin konsantrasyonları, yüksek referans PAO bazlı ISO VG 320 sıvılarıyla karşılaştırıldığında aynı veya daha düşük seviyelerde bulunmuştur. Anormal aşınma gözlenmemiştir. Su konsantrasyonları ve aşınma önleyici paket elementleri, kükürt ve fosfor, 18 aylık saha denemesinin tamamı boyunca stabil kalmıştır.
5. Sonuçlar
Bu makale, yeni bir rüzgar türbini dişli yağı sınıfının formülasyonlarını ve performansını ortaya koymaktadır. NUFLUX™ teknolojisi, Grup III veya IV baz yağlar gibi düşük viskoziteli hidrokarbonlar ile harmanlanmış sentetik yüksek viskoziteli polimerik baz yağı VISCOBASE® 5-220’nin bir karışımına dayanır. Ortaya çıkan formülasyonlar, aynı katkı paketini kullanan PAO ve Ester bazlı formülasyonlar düzeyinde performans gösterir. Endüstriyel dişli yağlarının teknik gereksinimlerini yanı sıra bileşen OEM’lerinin ve rüzgar türbini üreticilerinin özel gereksinimlerini karşılar veya ötesine geçer.
Tablo 3: Önemli özelliklere göre farklı endüstriyel dişli yağı teknolojilerinin performans sıralaması
Tablo 3 mineral bazlı, PAO bazlı ve NUFLUX™ teknolojisi bazlı endüstriyel dişli yağlarının performans seviyelerini karşılaştırmalı olarak göstermektedir. PAO bazlı yağlarla karşılaştırıldığında NUFLUX™ teknolojisi, esterler gibi bu tür formülasyonların maliyetini artıran çözücülük artırıcılar eklenmeden iyi performans gösterir. NUFLUX™ ISO VG 320 formülasyonu, rüzgar türbini uygulamalarında tüm malzeme uyumluluğu taleplerini de karşılamaktadır.
Gerçek hayatta rüzgar türbinlerinde yapılan uzun dönemli çalışmalardan elde edilen sonuçlar, NUFLUX™ teknolojisinin genel dişli kutusu verimliliğine ve genel sistem dayanıklılığına olumlu katkıda bulunabileceğini göstermektedir.
NUFLUX™ teknolojisi, tamamen PAO bazlı rüzgar türbini dişli yağlarının kanıtlanmış bir alternatifidir.
- Referanslar
[1] Wind Turbine Oil Trends and Best Practices by Shalini Magats, North American Lubricants, ChevronTexaco.
[2] F.-D. Krull; Tribologische Aspekte und Schmierstoffkriterien für Getriebe in Windenergieanlagen; Tribologie und Schmierungstechnik; 56 Jahrgang; 4/2009.
[3] Improving Wind Turbine Gearbox Reliability; W. Musial, S. Butterfield, B. McNiff; 2007 European Wind Energy Conference; Milan, Italy
[4] http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/ article2010/06/wind-turbine-gearbox-reliability
[5] D. Barr; Modern Wind Turbines: A Lubrication
Challenge; Machinery Lubrication, 9/2002.
1. Kısım sonu.
Performans, malzeme uyumluluk testi sonuçları ve WTGO onay süreci 2. Kısım’da ele alınacaktır.
