Termal Genleşmenin Şaft Hizasızlığına ve Rotor Dinamiğine Etkisi

•Kojenerasyon amaçlı kullanılan bir buhar türbini – dişli kutusu – jeneratör makine dizisinde meydana gelen yüksek titreşim ve salınım sonuçları, ekipmanın alarm limitlerini geçerek trip seviyesine ulaşmasına sebep olmuştur.

• Ekipmanda meydana gelen yüksek titreşim ve salınım sonuçlarının sebebinin araştırılması adına servis çalışması gerçekleştirilmiştir. Servis kapsamında, şaft hizasızlığı ihtimallerinin belirlenmesi adına Rotalign Touch®, titreşim sonuçlarının ölçülmesi içinse Vibxpert II ® cihazı kullanılmıştır. Ayrıca türbin üzerinde Bently Nevada 3500 koruma sistemi ve bu sisteme ait yaklaşım sensörleri mevcuttur. Vibxpert II cihazı yardımıyla bu cihazlara bağlantı yapılıp, deplasman grafikleri, hızlanma yavaşlama testleri vb. ölçülmüştür. Pk_Pk toplam değer deplasman sonuçları trend grafiği olarak Bently Nevada sistemi üzerinden elde edilmiş ve incelemeler gerçekleştirilmiştir.

•Ölçüm alınan ekipmanın fotoğrafları ve şematik gösterimleri Şekil-1’de sunulmuştur.

•Ölçümler esnasında 737 yatağı toplam değer salınım trend grafikleri incelendiğinde  titreşim değerlerinin belirli periyotlar ile artıp azaldığı görülmüştür. Bu yataktan alınan Cascade grafiğinde, artış azalışın sadece türbin şaft hızında (1X) meydana geldiği görülmüştür.                   (Grafik 1 -2  ve 3).

•1X titreşiminin zaman bağlı olarak artış ve azalış eğiliminde olması ekipmanda şaft hizasızlığının oluştuğunu düşündürmektedir. Geçmişe dönük hizalama raporları incelendiğinde ekipmanın toleranslar içerisinde hizalandığı görülmektedir. Ancak tüm hizalama işlemleri makine soğukken yapılmıştır. Buhar türbininin çalışma biçiminden dolayı, belirli bir süre çalıştıktan sonra termal genleşmeye maruz kalabileceği düşünülmektedir. Termal genleşmenin sonucunda da şaft hizasının bozulabileceği ve titreşim değerleri artabileceği sonucuna varılmıştır.

•Bu düşünceyi doğrulamak adına, hem jeneratör dişli kutusu arasında hem de dişli kutusu ve türbin arasında lazer ve sensör yerleştirilerek, Live Trend ölçüm yöntemiyle zamana bağlı hizasızlık ölçümü gerçekleştirilmiştir.  Live Trend ölçümü Rotalign cihazlarında bulunan ve hizasızlığının zamana bağlı değişiminin ölçülebildiği ölçüm yöntemidir.

•Ölçümler sırasındaki sensör ve lazerin yerleşimi Şekil 2’de gösterilmiştir.

• Elde edilen sonuçlar incelendiğinde (Grafik 4 ve 5) türbin dişli kutusu arasındaki şaft hizasızlığının zamana bağlı olarak değiştiği görülmüştür. Yaklaşık 2 saatlik çalışma süresi boyunca türbinin, dikey yönde 0,12 mm paralel ve 0,09 mm açısal, yatay yönde ise 0,09 mm paralel ve 0,01 mm açısal olarak hareket ettiği görülmüştür. Bu durum, türbin yatak sıcaklıklarının 38°C’den 47°C’ye çıkması sonucu oluşmuştur.

•1X şaft titreşim değerinin zaman içinde değişmesi, literatürde ‘hafif rotor sürtmesi’ (light rub) durumunun varlığını işaret etmektedir. Bu durum, rotorun bir bölgesinin (özellikle yağ sızdırmazlık labirentleri bölgesinde) diğer bölgelere göre daha çok ısınmasına (heterojen ısınma) ve böylece termal genleşme nedeniyle rotor eğilmesi durumunun ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Hafif sürtme olayı, geometrik hizasızlık problemleri (termal genleşme sonucu şaft hizasızlığı), spesifik yük ve sıcaklık değerleri nedeniyle tetiklenebilmektedir.

•Bu hafif rotor sürtmesi mekanizması da anlık yüksek darbelere neden olan sert sürtme durumunun oluşmasını da tetikleyebilmektedir. Bu yüksek genlikli darbeler de türbin trip noktası titreşim değerinin aşılmasına ve türbinin trip etmesine neden olabilmektedir.

•Hafif rotor sürtmesi olayı genel olarak yağ sızdırmazlık elemanlarının bulunduğu bölgede oluşmakta ve bu bölgede fiziksel olarak bir aşınmaya neden olmaktadır. Yağ sızıntısı gibi bir durum söz konusu ise yağın, yağ labirentlerinde yanması sonucu katı birikintiler oluşmakta ve bu durum da zamanla birikintinin rotora sürtmesine (hafif sürtme) neden olmaktadır. Sürtme sonucu, rotorun bir bölgesinde dengesiz ısınma oluşmakta ve bu ısınma rotorun, termal genleşme ile eğilmesine sebebiyet vermektedir. Bu eğilme durumu, özellikle 1X titreşim genliklerinin artmasını sağlamaktadır. (balanssızlık benzeri bir durum oluşturmaktadır). Sonrasında aynı sürtme etkisiyle katılaşmış yağ dağılmakta ve bu durum da titreşimin tekrar düşmesine neden olmaktadır. Bu mekanizma bu şekilde sürüp gitmekte ve 1X titreşim değerinin zamanla artıp azalmasına neden olmaktadır.

•Sürtme arızası şüphesini güçlendiren diğer belirtiler ise 733 ve 737 yatağından alınan spektrum ve zaman senkronlu zaman dalga formu ölçümleridir. Bu ölçümlerde 1X harmonikleri (özellikle 733 yatağında) net bir şekilde görülmektedir. Spektrumlarda harmonik oluşumu darbe ya da yatak esnekliğinin her yönde benzer değerlerde olmamasıdurumunda ortaya çıkmaktadır (lineer olmayan dinamik davranış).

•Raporun ardından hizalama işlemi Live Trend sonuçlarına göre tekrar gerçekleştirilmiştir. Soğuk durumda hizasız olan ekipman ısındığında hizalanmış duruma gelmektedir. Hizalama işleminin ardından titreşimin periyodik olarak artış azalma durumu ortadan kalkmış ve ekipman Trip durumundan kurtulmuştur.

Şekil-1: Makine yataklarının şematik gösterimi ve makinelerin fotoğrafları

Grafik-1: 737-B yatağı Cascade grafiği. Grafik zamana bağlı olarak elde edilmiş deplasman spektrumlarını göstermektedir.

Grafik-2: 1X salınım değerlerinin zamana bağlı olarak değişimi (trendi)

Grafik – 3: SCADA ekranındaki toplam değer salınım trendinin 1X trendi ile paralel değişim gösterdiği görülmüştür.

Şekil-2: Live Trend ölçüm kurulumu

Grafik – 4: 2 saatlik ölçüm süresinin ardından Live Trend ölçüm sonucu

Grafik – 5: Termal genleşme sonrası (38 oC – 47 oC) türbin ve dişli kutusu arasındaki son durum.

Grafik – 6: 11950 RPM hız altında türbin yatağı Deplasman Spektrumu

Grafik – 7: 11950 RPM hız altında türbin yatağı İvme Spektrumu