Derin Okuma — Redüktör

Rüzgarın kestiği hız

Bir rüzgar türbininin kulesine tırmandığınızı düşünün. Kanatlar ağır ağır dönüyor, neredeyse sayılabilir bir ritimle. Ama nacelle'in içindeki jeneratör mili, o ağır kanadın 100 katından fazla hızla dönüyor. İki mil arasındaki bu uçurumu kapatan metal kutu, türbinin en kritik ve en pahalı alt sistemlerinden biri.

Redüktör, bir motorun yüksek hızını düşük hıza, buna karşılık torku yükselterek çeviren dişli kutusudur. Türbinde iş tersine döner. Yavaş kanat hızı jeneratöre yükseltilerek aktarılır. Ama prensip aynıdır. Dişli oranı, hız ile tork arasındaki dengeyi belirler.

Peki bu kutunun içinde tam olarak ne oluyor?

İki dişlinin sessiz pazarlığı

En basit redüktör iki dişliden oluşur. Küçük dişli (pinyon) 20 dişliyse, büyük dişli (çark) 100 dişlidir. Motor pinyonu 1.500 devirde çevirirse, çark 300 devirde döner. Oran 5:1'dir. Tork ise tersine, 5 kat artar.

Takas fizik yasasıdır. Güç sabit kalır, hız düşerse tork yükselir. Bir vinç 10 tonu kaldırabiliyorsa, bunu motorun torkuna değil, redüktörün çevirdiği orana borçludur. Motor 5 Nm üretirken çıkışta 500 Nm görülebilir.

Tek kademe oranı pratikte 6:1 ile 8:1 arasında sınırlıdır. Sınırın nedeni geometridir. Aynı eksende iki dişli çalışırken büyük dişlinin çapı hızla büyür. 8:1 oranında çark, pinyonun sekiz katı çapa ulaşır. Kutu hacmi ve ağırlığı kabul edilemez hale gelir. Daha fazlası istenirse kademeler zincirlenir.

İki kademe 8x8=64, üç kademe 512 kata kadar çıkar. Her kademe verimden bir miktar yer. Tipik olarak yüzde 1-2 kayıp.

Kutunun içindeki dişliler düz (spur), eğik (helisel) veya konik olabilir. Helisel dişliler daha sessiz çalışır ama eksenel kuvvet üretir. O yüzden yataklar daha güçlü seçilir. Helisel açı genelde 8-15 derece arasındadır. Açı büyüdükçe sessizlik artar, eksenel yük de büyür. Eksenel kuvveti dengelemek için dişliler çift helisel (herringbone) yapılır. İki eğik dişli sırt sırta birleştirilir, kuvvetler içeride birbirini yer.

Malzeme seçimi de oranla birlikte değişir. Küçük oranlarda yüzey sertleştirilmiş çelik yeterlidir. 10:1 üstünde dişli çifti genelde sementasyon çeliğidir. 20CrMnTi veya 18CrNiMo7-6 tipik tercihlerdir. Nikel içeren alaşımlar çekirdek tokluğunu artırır, kırılma riskini düşürür.

Planet dişlinin sıkış tepiş düzeni

Endüstriyel robotlarda ve türbinlerde planet (episiklik) redüktör kullanılır. Merkezde bir güneş dişlisi, etrafında 3-5 planet dişlisi, onların dışında sabit bir iç çember (ring) vardır.

Güneş dişlisi döner, planetler hem kendi ekseninde hem ringin içinde yürür. Taşıyıcı (carrier) çıkışa bağlıdır. Yük 3-5 dişliye dağıldığı için aynı hacimde çok daha yüksek tork taşınır. Tek kademede 3:1 ile 10:1 arası oran tipiktir.

Oran hesabı burada farklı işler. Güneş dişlisi sabit tutulup ring döndürülürse oran tamamen değişir. Aynı kutu, hangi elemanın sabit tutulduğuna göre üç farklı oran üretir. O yüzden planet redüktör kataloğunda genelde tek bir oran değil, konfigürasyon tablosu bulunur.

Robot kollarında geri boşluk (backlash) kritik parametredir. Standart redüktörde 10-30 ark-dakika (yaklaşık 0,2-0,5 derece) boşluk normaldir. Hassas robotlarda bu 1 ark-dakikanın altına indirilir. Bir ark-dakika, 1 metrelik kolun ucunda 0,3 mm'lik oynamaya karşılık gelir. 6 eksenli bir robotta her eklemde 1 ark-dakika birikirse, uç noktada milimetre mertebesinde hata oluşur.

O yüzden robot eklemlerinde harmonik veya siklo redüktör tercih edilir. İkisi de sıfıra yakın boşluk verir.

Türbin redüktörleri 20 yıl ömür için tasarlanır. Yağ sıcaklığı 60-80 °C bandında tutulur, üstünde viskozite düşer ve film kopar. O yüzden her nacelle'de yağ soğutma ünitesi bulunur. Bazı platformlarda ek olarak yağ ısıtıcısı da vardır. Soğuk iklimde çalıştırma öncesi yağ 10-15 °C'ye kadar ısıtılır. Aksi halde pompa sirkülasyon yapamaz, dişliler kuru temasla çalışır.

Kayıp nerede saklanıyor

Her dişli çifti gücün bir kısmını ısıya çevirir. Tek kademe helisel dişli verimi yüzde 98-99'dur. Üç kademe üst üste gelince toplam verim yüzde 94-97'ye iner. Yüzde 3 kayıp, 5 MW'lık bir türbinde 150 kW demektir. Küçük bir evi ısıtacak kadar.

Kayıp üç yerden gelir. Dişli sürtünmesi, yatak sürtünmesi ve yağ sıçratma direnci. Yüksek hızlı kutularda yağ sıçratma kaybı toplam kaybın yarısına kadar çıkabilir. O yüzden büyük redüktörlerde sıçratmalı değil, basınçlı yağlama kullanılır. Yağ doğrudan dişli temas noktasına püskürtülür, karterde birikmez.

Sonsuz vida (worm) redüktörde verim çok daha düşüktür, yüzde 40-90 arası. Ama tek kademede 100:1 oranı verir ve kendini kilitleyebilir. Vinç freni bu yüzden çoğu zaman ayrı bir fren gerektirmez. Kendini kilitleme, vida açısının sürtünme açısından küçük olmasıyla sağlanır. Genelde 5 derecenin altındaki vida açılarında görülür. Yüksek verim isteniyorsa açı büyütülür, ama o zaman kilit özelliği kaybolur. Tasarım bu iki hedef arasında bir tercih yapar.

Yağ sadece yağlama yapmaz, ısıyı taşır. Sıçratmalı sistemlerde dişli yağa dalar, pompalı sistemlerde yağ filtrelenip soğutulur. Partikül sayısı ISO 4406 standardıyla izlenir. Temiz sistem 16/14/11 kodunda çalışır. Kod üç sayıdan oluşur, sırasıyla 4, 6 ve 14 mikron üstü partikül sayısını logaritmik ölçekte verir. 16 kodu, 4 mikron üstü partiküllerin mililitrede 320-640 arasında olduğunu söyler. Yeni bir kutu 18/16/13 civarında teslim edilir ve çalışma saatleri boyunca temizlenir.

Rulman ömrü L10 formülüyle hesaplanır. Bu, yüzde 90 güvenle ulaşılan saat sayısıdır. 50.000 saat tipik bir hedeftir, ama yük iki katına çıkarsa ömür sekizde bire düşer. Üstel ilişki tesadüf değildir. Temas yorulması yükün üçüncü kuvvetiyle ölçeklenir. Yüzde 10 fazla yük, ömrü yaklaşık yüzde 27 kısaltır.

Dişlinin yüzeyinde ne oluyor

İki metal yüzey birbirine değmez. Aralarında mikron kalınlığında bir yağ filmi vardır. Film, teması kesen görünmez bir yastıktır. Yük arttıkça film incelir, sıcaklık yükselince viskozite düşer ve yastık söner.

Film kalınlığı lambda oranıyla izlenir. Lambda, film kalınlığının yüzey pürüzlülüğüne bölümüdür. Lambda 1'in altına indiğinde iki tepe noktası birbirine değer. O anda mikroskobik bir kaynak oluşur ve kopar. Yüzeyde küçük bir çukur kalır. Olaya pitting denir.

Pitting yavaş başlar, hızlı biter. İlk çukurlar birkaç mikron çapındadır ve gözle görülmez. Yağ analizinde demir partikülü yükselir. Sonra çukur büyür, dişli yüzeyi bozulur, titreşim spektrumunda diş geçiş frekansı belirir. Frekans, milin devir sayısı ile diş sayısının çarpımıdır. 1.500 devir ve 20 diş, saniyede 500 titreşim demektir.

Titreşim analizinde sadece bu frekansa bakmak yetmez. Diş geçiş frekansının etrafında yan bantlar oluşur. Yan bantlar, frekans ile mil devir frekansının toplamı ve farkıdır. Yan bantlar genişlerse, sorun tek dişte lokalize demektir. Tüm spektrumda taban yükselirse, aşınma yaygındır. İki durum farklı müdahale gerektirir.

Yüzey sertleştirme bu yüzden kritiktir. Dişliler sementasyonla yüzeyden 0,8-1,2 mm derinliğe kadar sertleştirilir. Yüzey 58-62 HRC olur, çekirdek ise 30-40 HRC'de tok kalır. Sert yüzey aşınmaya, tok çekirdek kırılmaya direnir. İkisi birden olmazsa dişli ya aşınır ya kırılır. Sertleştirme derinliği de bir hesaptır.

Diş kökündeki gerilme dağılımı, sertleşmiş tabakanın en az 0,2 katı diş yüksekliğinde olmasını gerektirir. Daha sığ bir tabaka, kök çatlağını yüzeye taşımaz, ama yüzeyde çökme yaratır.

Isı, gürültü ve ömür üçgeni

Redüktörün en büyük düşmanı ısıdır. Her yüzde 10 sıcaklık artışı, yağ ömrünü yarıya indirir. 80 °C'de çalışan bir kutu, 60 °C'de çalışandan dört kat hızlı yaşlanır. O yüzden soğutma ünitesi lüks değil, zorunludur.

Kritik eşik 95 °C'dir. Sıcaklığın üstünde mineral yağlar oksitlenmeye başlar, asidik bileşenler oluşur. Sentetik yağlar 120 °C'ye kadar dayanır. Ama sıcaklık yükseldikçe viskozite düşer, film incelir, pitting riski artar. Zincir birbirini besler. Isı bir sonuçtur, ama yeni sorunların da nedenidir.

Gürültü de bir sinyaldir. Sağlıklı bir redüktör 70-80 dB bandında uğuldar. Dişli aşınması başladığında belirli frekanslar öne çıkar. Titreşim analizcisi bu frekansları izler. Yan bantlar (sideband) belirirse, sorun dişlide değil yatakta olabilir.

Yataklar kutunun sessiz kahramanıdır. Rulman ömrü L10 formülüyle hesaplanır. Yük iki katına çıkarsa ömür sekizde bire düşer. Üstel ilişki, aşırı yüklenmenin neden bu kadar yıkıcı olduğunu açıklar. Yüzde 20 fazla yük, ömrü yarıya indirir.

Servis faktörü bu yüzden vardır. 1,5 servis faktörlü bir kutu, anma torkunun 1,5 katına kısa süreli dayanır. Ani yüklenmeleri emen tampondur.

Ama sürekli 1,5 katında çalıştırılan kutu, tasarım ömrünün çok altında ölür. Servis faktörü kısa süreli şoklar içindir, sürekli çalışma rejimi değil. İki durumu karıştıran işletmeci, garanti kapsamını da kaybeder. Üretici veri sayfasında sürekli tork ile maksimum tork ayrı verilir. Fark genelde iki kattır.

Piyasa Hafızası - 2018, Nordex ve türbin redüktörü krizi

2018 yılında rüzgar türbini üreticisi Nordex, bazı platformlarında redüktör kaynaklı beklenmedik arızalarla karşılaştı. Sorun dişli kırılması değil, yatak yüzeylerindeki mikro çukurlaşmaydı (pitting). Yağ filmi belirli yük bantlarında kopuyor, temas yüzeyi yoruluyordu.

Şirket saha ekiplerini yeniden eğitti, yağ analiz programını sıkılaştırdı ve bazı redüktörleri garanti kapsamında değiştirdi. Maliyet doğrudan parça değil, türbinin duruş süresiydi. Bir türbin bir gün durduğunda kaybedilen üretim, redüktörün kendi fiyatına yaklaşabiliyordu.

Ders şudur. Redüktör arızası nadiren aniden gelir. Yağ analizindeki demir ve bakır partikül artışı, arızadan aylar önce sinyal verir. Sinyali okuyan işletmeci, kutuyu planlı duruşta değiştirir. Okumayan, fırtınalı bir gecede türbini kaybeder.

Küçük Bir Hesap

Temsili bir 3 MW'lık türbin redüktörü için yıllık maliyet zinciri.

Sayılar temsili, mantık gerçek. Dikkat edin. Yağ ve analiz kalemi, toplam maliyetin dörtte birinden fazlası. Kalemi kısan işletmeci, kısa vadede tasarruf eder. Ama duruş riski yüzde 0,5'ten yüzde 2'ye çıkarsa, beklenen maliyet 11.000'den 44.000 dolara fırlar. Yağ analizinden kazanılan 1.200 dolar, 33.000 dolarlık riske karşı bahse girmektir.

Duyarlılık burada yatar. Redüktörün kendisi pahalı değildir. Onu ayakta tutan bakım rejimi pahalıdır. Ve karlıdır.

Kutuyu okumayı öğrenmek

Bir redüktör satın alırken üç sayıya bakın. Oran, anma torku ve servis faktörü. Servis faktörü 1,5 ise, kutu anma torkunun 1,5 katına kısa süreli dayanır. Bu, ani yüklenmeleri emen tampondur.

İşletirken üç sinyali izleyin. Yağ sıcaklığı, titreşim ve partikül sayısı. Üçü birlikte yükseliyorsa, kutu size konuşuyor demektir. Tek başına yükselen sıcaklık genelde soğutma sorunudur, dişli değil.

Ve şu denklemi unutmayın. Redüktör, hızı torka çevirir. Ama güvenilirliği, bakım disiplinine çevirir. Kutunun içindeki dişliler sessizdir. Onları konuşturan, dışarıdaki programdır.