Rüzgar türbinlerinde kullanılan elasto hidrodinamik yağlamalı rulmanların dinamik davranışının incelenmesi
Investigation of dynamic behavior of elasto-hydrodynamic lubricated rolling bearing using in wind turbines
Yazar: HİKMET BAL
Danışman: PROF. NİZAMİ AKTÜRK
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Doğrusal olmayan titreşimler = Nonlinear vibrations ; Elastohidrodinamik yağlama = Elastohydrodynamic lubrication ; Üç boyutlu dinamik sistemler = Three dimensional dynamical systems

Özet:
Rüzgâr turbinlerindeki arıza sebeplerinin başında yer alan, ömür ve enerji verimliliğini etkileyen elasto hidrodinamik yağlamalı rulmanların dinamik davranışı bu tez çalışmasının konusunu oluşturmaktadır. Rüzgâr türbinlerindeki yüksek hızlı ve düşük hızlı şaftların yataklanmasında kullanılan EHL temaslı rulmanların karakteristiği; birleşik dinamik yükler, dönüş hızı, hidrodinamik etkiler ve yük-ezilme ilişkisi nedeniyle doğrusal olmayan temas karakteristiğine bağlı olarak değişmektedir. Bu durum rulmanın basit tasarımına karşın dinamik davranışının incelenmesini karmaşık hale getirmektedir. Dolayısıyla rulmanın dinamik davranışını inceleyebilmek için rulmandaki bilyeler ile bilezikler arasındaki EHL temas kuvvetlerinin formüle edilmesi ve uygun kabullerle şaft-rulman sisteminin modellenmesi gerekmektedir. Bu kapsamda öncelikle rulmanlardaki temas karakteristiğinin ve temas kuvvetlerinin elde edilmesi amacıyla Hertz temas teorisi ve EHL temas teorisi kullanılmıştır. Bilye - bilezik EHL temasındaki katılık ve sönümleme için eşdeğer yay ve sönümleyici kullanılarak rulman modeli oluşturulmuştur. Temasta basitleştirilmiş yuvarlanma temas teorisi kullanılmış kayma olmadığı kabul edilmiştir. Temas açısı ve bileziklerin bilyeye uyguladığı sıkıştırma analitik olarak elde edilmiştir. EHL temas problemlerinin sayısal çözümündeki kararsızlık ve yavaşlık nedeniyle temas kuvvetleri iteratif olarak quasi-statik yöntem ile hesaplanmıştır.  Sonrasında rulman dinamik davranışının incelenmesi amacıyla elasto hidrodinamik yağlamalı açısal temaslı rulmanlarla yataklanmış rijit bir şaft-rulman sistemi 5 serbestlik dereceli olarak modellenmiş ve doğrusal olmayan hareket denklemleri elde edilmiştir.  Son olarak şaft-rulman sisteminin dinamik davranışını ifade edebilmek için doğrusal olmayan hareket denklemleri, farklı çalışma koşulları ve yağlayıcılar için sayısal metotla çözülmüştür. Sonuçlar zaman ve frekans tanım bölgesinde gösterilmiştir. Elde edilen sonuçlardan; EHL temasta katılığının, viskozite ve yükteki artış ile arttığı, sönümleyiciliğin hızdaki artışla ve viskozitedeki azalışla azaldığı, sistemin titreşim davranışının kuru temaslı titreşim davranışına göre daha karmaşık olduğu, doğal frekansların artık hıza da bağlı olduğu, son olarak düşük hızlarda ve özellikle büyük yükler için yağ filmi oluşumunun EHL rejimine uymayıp sınır veya karışık yağlama rejiminin ele alınması gerektiği görülmüştür.

Abstract:
The dynamic behavior of the elasto-hydrodynamic lubricated (EHL) rolling bearings which is one of the main causes of the early failure of wind turbines and affects the life and the energy efficiency, is the subject of this thesis. The characteristics of EHL rolling bearings used in the high speed and low speed shafts in wind turbines vary due to change in combined load, speed, hydro-dynamic effect and load-deformation relationship depending on the non-linear contact characteristics. This behavior complicates the examination of the dynamic of system despite the simple design of the rolling bearing. Hence, in order to analyse the dynamic behavior of the rolling bearing, it is necessary to formulate the EHL contact forces between the ball - raceway contact and to establish a model of the shaft bearing system with appropriate assumption. In this thesis, firstly, Hertz contact theory and EHL theory were used to obtain contact characteristics and EHL contact forces of bearings. The stiffness and damping in the EHL contact are modeled as equivalent spring and damper. Thus overall bearing model established. Simplified rolling contact theory was used for kinematic analyse and pure rolling motion was assumed. The contact angle and the squeeze effect of the rings are obtained analytically. Because of the unstabilities and slowness in the numerical method used in the solution of the EHL contact problem, the contact forces were calculated iteratively by the quasi-static method. Thereafter, a rigid shaft supported by a pair of angular contact ball bearing is modeled in 5 DoF and nonlinear equations of motion are obtained. Finally, the nonlinear equations of motion shaft-bearing system is solved by the numerical method for different operating conditions and lubricants. The results are presented in time and frequency domains. Simulation results indicates that;  stiffness in the EHL contact increase with the viscosity increase and the preload increase, damping in the EHL contact decrease with increase of shaft speed and the decrease of viscosity, the vibration behavior of the shaft - EHL contact rolling bearing system is more complex than the vibration behavior of the shaft-dry contact rolling bearing, the natural frequency of the shaft - EHL contact rolling bearing system depends on shaft speed also, finally for low speed especially large load starvation or mixed lubrication regimes should be considered.