ポリウレタンは風力発電のシールに最適であることが証明されています

WPED 寄稿者 | 2020年10月16日

システム シール社製品開発マネージャー Kurt Sassmannshausen 氏

ニトリルブタジエンゴム (NBR) は何十年にもわたって風力タービンのシールの定番でしたが、ポリウレタンの配合、加工、シール設計の進歩により、業界における NBR の地位は急速に失われつつあります。 最も有益であると証明されている品質には、耐摩耗性、流体適合性、耐オゾン性、機械的強度、および低温でこれらすべての特性を維持する能力が含まれます。

ポリウレタンは、メイン/ジェネレーター、ピッチおよびヨーベアリングのシールに理想的な材料として浮上しています。 それにもかかわらず、既存のデザインのマテリアルを単に交換するだけでは不十分なことがよくあります。 シールはポリウレタンを考慮して設計する必要があります。

ポリウレタンの耐摩耗性を評価する 1 つの方法は、ASTM D5963 などの標準化されたドラム摩耗試験です。 これは多くの場合、ゴムの評価に使用されますが、特に摩耗率を比較する場合には、ポリウレタンにも同様に効果的です。 以下は、クリーブランドのシステム シールでテストされたさまざまな素材の耐摩耗性指数の値です。 NBR と HNBR の ARI は約 1.5 ですが、ポリウレタンの ARI は 4 ～ 8 であることに注意してください。これは最大 6 倍の改善です。

図 1: エラストマーとポリウレタンの ARI

ポリウレタンは、時間の経過とともに、さまざまな液体、特に油ベースの液体にさらされた後でも、その ARI 値を維持します。 これを判断する 1 つの方法は、ASTM D5963 摩耗サンプルを液体中で 100°C (水ベースの液体の場合は 80°C) で 90 日間エージングし、30 日ごとにテストを繰り返すことです。 以下は代表的な結果ですが、流体ごとに確認することをお勧めします。

図 2: 80°C の蒸留水中で熟成後の NBR および耐加水分解性 PU の ARI 保持率

図 3: 100°C の蒸留鉱油中で熟成後の NBR および耐加水分解性 PU の ARI 保持率

仕様書にはすぐに使用できる流体の適合性が示されていますが、加速老化試験 (または何年ものアプリケーションの実行時間) によって、特定の流体にさらされた材料の長期的な性能と安定性が判断されるはずです。 システム シールは、168 時間の流体接触後も重要な材料特性の重大な変化を一貫して発見しているため、業界標準の 168 時間テストに対して、90 日間の流体適合性テストを実施します。

NBR と比較して、カスタム配合されたポリウレタンは、風力産業で最も一般的なグリースに対する流体耐性が向上しています。 以下は、これらの一般的なグリースの互換性表です。

図 4: グリースの老化スコア。 低いほど良い

NBR は、オゾン分子が不飽和 NBR の化学結合を分離するオゾン分解の影響を受けやすいことで知られています。 オゾンクラッキングは、NBR に最小限の歪みが発生した場合によく発生します。 解決策の 1 つは、NBR にワックスを注入し、NBR を保護するオゾン防止バリアを形成することです。 残念ながら、ワックスは NBR の化学結合を変化させません。 NBR がワックスを除去するような環境条件にさらされると、再び劣化しやすくなります。 風力エネルギーのシールに使用される一部の特殊ポリウレタンは、もともと耐オゾン性があります。

ポリウレタンは、ほとんどの NBR よりも 2 ～ 3 倍高い引張弾性率、強度、伸びを持っています。 このため、ポリウレタン シールは、より大きな機械的変形に耐え、より高い機械的負荷に耐えることができます。

一般的な NBR の引張弾性率は 10 ～ 15 MPa、引張強度は 20 MPa です。 ほとんどのポリウレタンの弾性率は 45 ～ 60 MPa、引張強度は 50 ～ 60 MPa です。 これは、NBR よりも柔軟性が低いより硬い材料を意味し、圧力下での形状保持力が高く、応力負荷能力が高いことを意味します。

風力発電用途では通常、高温は問題になりません。 ただし、場所や標高によっては、最低気温がマイナス40度になることも珍しくありません。 標準的な NBR の最低使用温度は -20°C ですが、多くの風力発電ポリウレタンは、動的機械解析によって決定されるように、-40°C まで影響を受けません。

図 5: 最低使用温度を決定するためのガラス転移温度 (Tg) の比較

図 6: 正規化された特性スコアのレーダー プロット、高いほど望ましい

ポリウレタンは、より優れた機械的特性、より優れた耐オゾン性、低い摩耗率、より低い使用温度を備えているため、風力エネルギーのシールに最適です。 以下に、ポリウレタンが適している 2 つのアプリケーション ファミリを示します。 左の画像は、ポリウレタン ピッチ ベアリング シールのシミュレーションされた変形と接触の特徴を示しています。 右の画像は、システム シールのボルテックス シールを示しています。これは、ベアリングが回転するときにグリースをリザーバに継続的にポンプで戻すメイン ベアリング シールです。

図 7: ピッチ シール FEA (左) と Vortex メイン ベアリング シー (右)