Termik Enerji Üretiminde Kaplinler: Yüksek Hızlı, Yüksek Torklu Türbin-Jeneratör Tahrik Çözümleri

Yorkshire'daki kömürle çalışan bir santral, Teesside'deki gazla çalışan kombine çevrim tesisi veya Batı Midlands'deki endüstriyel kojenerasyon tesisi gibi büyük bir termik santralin içinde, yüksek hızlı buhar türbini ile jeneratör şaftı arasındaki bağlantı, tüm enerji endüstrisindeki mekanik olarak en zorlu bağlantılardan biridir. Bu tek bağlantı, tipik olarak 1.500 rpm ile 3.600 rpm arasında değişen hızlarda birkaç yüz megawatt dönme enerjisini iletmek ve aynı zamanda yüksek sıcaklıklarda çalışan devasa bir çelik rotorun termal genleşmesini karşılamak zorundadır. Arızanın sonuçları felakettir: Planlanmamış bir arıza, Birleşik Krallık'taki bir enerji operatörüne saatte on binlerce sterlinlik üretim kaybına mal olabilir. Bu gerçek, doğru endüstriyel bağlantının ve arkasındaki hassas mühendisliğin seçilmesini, bir emtia satın alımından ziyade stratejik bir mühendislik kararı haline getirir.

Bu bağlamda "kaplin" terimi, iki eş eksenli şaftı birbirine bağlamak, torku iletmek ve üç tür hizalama hatasını (açısal, paralel (radyal) ve eksenel) yönetmek için tasarlanmış hassas mekanik bileşenler ailesini kapsar. Termik santral uygulamalarında kaplin, anormal çalışma olaylarında koruyucu bir mekanik sigorta görevi de görür ve dinamik denge kalitesi, tüm türbin-jeneratör setinin titreşim imzasını doğrudan etkiler. İngiltere genelindeki enerji şirketleri ve EPC yüklenicileri, buhar yolundaki çeşitli konumlar için giderek daha fazla dişli tipi kaplin, disk kaplin ve esnek kiriş kaplin kullanmaktadır; bunların her biri tork aralığı, şaft çapı, termal genleşme payı ve yorulma ömrü gereksiniminin hassas bir değerlendirmesine göre seçilir.

Dişli tipi kaplin (dişli kaplin veya dişli bağlantı olarak da adlandırılır), tıpkı içten dişli bir çift gibi, birbirine geçen dişler aracılığıyla torku iletir, ancak önemli bir geometrik değişiklikle: iç göbekteki (şafta takılan erkek bileşen) dişler, kaplin ekseni boyunca bakıldığında dışbükey bir profile sahiptir. Bu sözde taçlı diş geometrisi, kaplin serisine ve hıza bağlı olarak, göbek ekseni manşon ekseninden 1,5 dereceye kadar açısal olarak sapmış olsa bile diş temasının korunmasını sağlar. Tork transferi, yükü dağıtarak ve temas gerilimini en aza indirerek, dişlerin tüm çevresel dizisi boyunca eş zamanlı olarak gerçekleşir.

Tipik bir termik güç kaplin tertibatında, içten dişli iki manşon (bazen dişli halkaları olarak da adlandırılır), biri türbin ucunda diğeri jeneratör ucunda olmak üzere dıştan dişli iki göbekle kenetlenir. Manşonlar, şaft uçları arasındaki boşluğu kapatan bir ara boru veya flanş ile birleştirilir; bu özellik, özellikle türbin revizyonları sırasında, kaplin ara parçasının rotor yatağı hizalamasını bozmadan çıkarılması gerektiğinde önemlidir. Yağlama çok önemlidir: enerji santrallerindeki çoğu yüksek hızlı dişli kaplin, entegre bir yağ devresi aracılığıyla türbin yağı ile sürekli olarak yağlanır ve dişliler arasında her zaman hidrodinamik bir film tabakası korunur. Yağlayıcı ayrıca açısal yer değiştirmeden kaynaklanan küçük sürtünme ısısını uzaklaştırarak diş yan yüzeylerinin termal bozulmasını önler.

Şaft ekseni boyunca termal genleşmeden kaynaklanan eksenel yer değiştirme, erkek göbeğin dişi manşon içinde eksenel olarak hareket etmesine izin verilerek karşılanır. İyi tasarlanmış bir kaplinde, bu kayma hareketi çok düşük eksenel sınırlama kuvvetiyle gerçekleşir ve türbin itme yataklarının kaplinden ek yüke maruz kalmamasını sağlar. Açısal ve eksenel esneklik, sürekli yağlama ve yüksek tork kapasitesinin birleşimi, dişli kaplini İngiltere ve uluslararası alanda büyük termik santrallerde ana türbin-jeneratör bağlantısı için baskın tercih haline getirir.

Birleşik Krallık'taki enerji üretimi bağlamında, türbin-jeneratör bağlantısı, yüksek basınçlı buharın kinetik enerjisini Ulusal Şebekeye akan elektrik enerjisine dönüştüren dönüşüm sürecinin tam kalbinde yer alır. Kuzey Yorkshire'daki Drax Enerji Santrali veya Nottinghamshire'daki Cottam Geliştirme Merkezi'nde çalışanlar gibi tipik bir 660 MW'lık iki şaftlı düzenlemede, yüksek basınçlı ve orta basınçlı türbinler bağlantı hattının bir ucunu çalıştırırken, düşük basınçlı türbinler ve jeneratör diğer tarafı oluşturur. Son düşük basınçlı türbin ile jeneratör arasındaki bağlantı genellikle en ağır yükü taşır ve 3.000 rpm'de (iki kutup çiftiyle doğrudan şebekeye bağlı 50 Hz'lik makineler için) tam birleşik tork çıkışını taşır.

Bu uygulamadaki termal genleşme sorunu sadece teorik değil. Durma noktasından senkronizasyona kadar soğuk çalıştırma sırasında, rotor sıcaklık gradyanı, buhar iletimi yoluyla hızla ısınan türbin mili ile çevredeki gövdeler arasında diferansiyel termal genleşme yaratır. İngiltere'deki enerji santrallerindeki saha hizalama kayıtları, geçici çalışma dönemlerinde düzenli olarak 0,1 ila 0,3 mm/m arasında açısal yanlış hizalama sapmalarını belgelemektedir. Dişli kaplin, türbin üreticisi ve İngiltere şebeke kodu yönergeleri tarafından gerekli kılınan yakınlık probu izleme sistemlerinde ölçülebilir titreşim artışları olarak kendini gösterecek olan bükme momentlerini rotora geri aktarmadan bu sapmaları absorbe etmelidir.

Kömürle çalışan santrallerin devre dışı kalmasıyla birlikte İngiltere'nin enerji karışımında giderek daha önemli hale gelen gaz türbinli kombine çevrim ünitelerinde, çalışma hızı 60 Hz eşdeğer ihracat tasarımlarında 3.600 rpm'ye ulaşabilir veya sistemde bir dişli kutusu bulunabilir. Burada, burulma sertliği, sıfır boşluklu tork iletimi ve yağlama gereksiniminin olmaması nedeniyle, dişli kutusu çıkış milinin yüksek hızlı ucunda sıklıkla disk kaplinler tercih edilir. Disk kaplinin metalik membranı, disk paketinin elastik bükülmesi yoluyla torku iletir; bu da onu doğal olarak bakım gerektirmeyen ve modern yarım saatlik uzlaşma piyasasında şebeke frekansı dalgalanmaları ve yük döngüsüyle ilişkili yüksek çevrim yorgunluğuna karşı oldukça dayanıklı hale getirir.

Türbin-jeneratör ana bağlantısı en fazla mühendislik ilgisini çekerken, büyük bir termik santralde her biri kendi teknik gereksinimlerini sunan, bağlantıya bağlı düzinelerce başka tahrik sistemi bulunur. Herhangi bir enerji santralindeki en yüksek güçlü yardımcı ekipmanlardan biri olan ve genellikle 10-30 MW gücünde olan kazan besleme pompası, tipik olarak bir hidrolik bağlantı veya elektrik motoruna veya türbin sürücüsüne doğrudan mekanik bağlantı yoluyla tahrik edilir. İngiltere'deki 660 MW'lık santrallerde yaygın olan buharla çalışan kazan besleme pompası türbini (BFPT) düzenlemelerinde, BFPT'den besleme pompasına giden tahrik sistemi, nispeten yüksek hizalama toleransına sahip bir dişli bağlantısı içerir; çünkü 230-250 °C çalışma besleme suyu sıcaklıklarında pompa gövdesinin termal genleşmesi önemli dikey şaft yer değiştirmesine neden olur.

Kömürle çalışan ünitelerde yanma havası akışını sağlayan havalandırma makineleri olan indüklemeli çekiş fanları, cebri çekiş fanları ve birincil hava fanları, büyük indüksiyon motorlarını 3-6 metre uzunluğundaki fan şaftlarına bağlayan esnek şaft kaplinleri aracılığıyla tahrik edilir. Bu kaplinler, hem termal olarak zorlu hem de titreşimsel olarak talepkar bir ortamda çalışır; kömür parçacıklarının kanat uçlarını aşındırması sonucu oluşan büyük fan dengesizlikleri, kaplin üzerinde periyodik şok torkları oluşturur. Esnek kiriş kaplinleri ve elastomerik çeneli kaplinler, düşük güçlü fan tahrik pozisyonlarında sıklıkla kullanılırken, tork taleplerinin elastomerik elemanların kapasitesini aştığı en büyük fanlarda dişli kaplinler tercih edilir.

Soğutma suyu pompası tahrik sistemleri, sirkülasyon suyu pompası tahrik sistemleri ve kondenser ekstraksiyon pompası setlerinin tümü, büyük tesis arızaları arasındaki dönemlerde (genellikle bir Tesis Performans Anlaşması kapsamında çalışan modern bir İngiltere santralinde 12 ila 24 ay) sorunsuz çalışması gereken güvenilir kaplin seçimlerine bağlıdır. Ulusal Elektrik Sistemi Operatörü'nün dengeleme mekanizması gereksinimlerinin yönlendirdiği İngiltere pazarında hızlı yük takibi yeteneğine verilen artan önem, bu yardımcı tahrik kaplinlerinin, temel yük kömür santrallerinin tasarım döneminde hiç tahmin edilmeyen çok daha sık başlatma-durdurma döngüsüne maruz kalması anlamına gelir ve bu da kaplin yorulma tasarım ömrüne ve şok tork emme kapasitesine büyük önem kazandırır.

Birleşik Krallık'ın enerji üretim sektörü aktif bir geçiş sürecindedir. Son faaliyette olan kömürle çalışan enerji santrallerinin kapatılması (2020'lerin ortalarına doğru önemli ölçüde ilerleyen bir süreç), bağlantı elemanı tedarik modellerini kombine çevrimli gaz türbini (CCGT) tesislerine, dizel yedek jeneratörlü açık deniz rüzgar santrallerine, İskoçya ve Galler'deki pompajlı hidroelektrik depolama tesislerine ve şebekeye bağlı AC motor-jeneratör setleriyle birlikte giderek artan sayıda batarya enerji depolama sistemine doğru kaydırmıştır. Bu uygulama türlerinin her biri farklı bağlantı elemanı seçim kriterleri getirmekte olup, Birleşik Krallık merkezli enerji santrali işletmecileri ve mühendislik tedarik yüklenicileri (EPC'ler), bu çeşitliliği yönetebilecek bağlantı elemanı tedarikçilerine ihtiyaç duymaktadır.

Uzun yıllardır hassas çelik üretimi ve uzman mühendislikle özdeşleşen Sheffield, çelik ve enerji sektörleri için yüksek performanslı kaplinler belirleyen şirketlere ev sahipliği yapmaya devam ediyor. Birmingham ve daha geniş Batı Midlands üretim koridoru, enerji üretimi ve ağır proses endüstrilerine yönelik önemli bir kaplin tedarik talebi yaratıyor; bölgede uzman döner ekipman yüklenicileri, bakım mühendisliği firmaları ve enerji santrali operatörlerinin tedarik fonksiyonları yoğunlaşmış durumda. İskoçya'da ise Kuzey Denizi enerji altyapısı ve karasal enerji üretimi, zorlu çevre koşullarına uygun kaplinlere yönelik önemli ve sürekli bir talep yaratıyor.

Birleşik Krallık'taki EPC yüklenicileri ve enerji santrali bakım yöneticileri, buhar türbini uygulamaları için yedek kaplinler tedarik ederken, genellikle mevcut eski tasarımlarla (bazen on yıllar önce kurulan ekipmanlardan kalma) eşleşme sağlamanın yanı sıra, sigorta ve düzenleyici paydaşlarına yedek parçanın orijinal spesifikasyona uygun veya onu aşan nitelikte olduğunu göstermek zorundadırlar. Bu, boyut çizimlerinden tersine mühendislik yapabilen, malzeme sertifikalarını orijinal ekipman kaliteleriyle eşleştirebilen ve PED 2014/68/EU (Birleşik Krallık yasalarında Basınçlı Ekipman (Güvenlik) Yönetmeliği 2016 olarak korunmuştur) ve ilgili EN standartlarına uygun tam malzeme izlenebilirlik dokümantasyonu sağlayabilen bir kaplin tedarikçisi gerektirir. Üretimden sahaya hızlı lojistik de paralel bir gerekliliktir: Birleşik Krallık enerji santrallerindeki plansız türbin arızaları son derece zaman açısından kritiktir ve stoktaki kaplin boyutları için ertesi gün veya 48 saat içinde sevkiyat yeteneği, tesis bakım ekipleri tarafından giderek daha fazla bir ön koşul olarak ele alınmaktadır.

Ever Power: Hassas Kaplin Üretimi ve Küresel Tedarik Zinciri

2024 sonbaharında, Teesside'da bulunan ve Kuzeydoğu İngiltere kimya üretim koridoruna endüstriyel enerji sağlayan kritik bir varlık olan 900 MW'lık kombine çevrimli gaz türbin tesisindeki döner ekipman bakım ekibi, çevrimiçi durum izleme sistemlerini kullanarak yaptıkları rutin veri incelemesi sırasında anormal bir titreşim sinyali tespit etti. Jeneratörün dış yatağındaki yakınlık probu okumaları yukarı doğru bir eğilim gösteriyordu ve 1x titreşim bileşeni, 14 gün içinde devre kesme ayar noktasının aşılacağı bir oranda artıyordu. Erişilebilir kaplin elemanlarının endoskopik muayenesi, gaz türbini ile şanzıman arasındaki dişli kaplininde kabul edilebilir sınırın ötesinde diş aşınmasını doğruladı; bu bileşen, son büyük bakımından bu yana yaklaşık 87.000 saatlik hizmet süresi biriktirmişti.

Tesisin mühendislik ekibi, detaylı boyut çizimleri ve orijinal OEM spesifikasyon sayfalarıyla Ever Power ile iletişime geçti. 48 saat içinde, Ever Power'ın uygulama mühendisliği ekibi, göbek elemanları için 34CrNiMo6 dövme parçaları kullanan doğrudan değiştirme tasarımını onayladı, ISO Sınıf 5'e göre taşlanmış sertleştirilmiş diş yan yüzeylerini belirtti ve müşterinin talep ettiği test hızında G1.0'a göre dinamik denge testini yapmayı taahhüt etti. Komple kaplin tertibatı (göbekler, manşonlar, ara boru ve donanım paketi) onaylanmış satın alma siparişinden sonraki 11 iş günü içinde üretildi, incelendi, dengelendi ve sevk edildi; planlanan değiştirme kesintisi penceresinden önce Teesside tesisine ulaştı.

Planlı 72 saatlik bakım penceresi sırasında yedek kaplin takıldı. Kurulum sonrası titreşim verileri, jeneratör yatağındaki 1× titreşimin ilk dört saatlik çalışma süresi içinde başlangıç ​​seviyelerine düştüğünü ve ünitenin planlandığı gibi tam yükte üretime geri döndüğünü gösterdi. Tesisin bakım müdürü daha sonra Ever Power'dan, tesiste kullanılan en yaygın iki kaplin boyutunun önceden kararlaştırılmış bir envanterini tutmasını talep etti; bu, standart boyutlar için satın alma siparişinden itibaren 5 iş günü içinde teslimatı garanti eden bir çerçeve tedarik anlaşması kapsamında yapıldı ve bu tedarik düzenlemesi o zamandan beri tesisin kritik döner ekipman yedek parça stratejisi için bir model olarak gösterildi.