Titreşim Analizi ile Rulman Arızası: HES Ekipmanlarında En Yaygın Sinyaller ve Erken Teşhis Yaklaşımları

Giriş

Hidroelektrik santrallerde türbin ve jeneratör rulmanları, yüksek yük altında ve uzun süreli çalışmaya maruz kalan kritik bileşenlerdir. Bu rulmanlarda oluşan lokal hasarlar, temas anında impulsif titreşimler üretir ve bu titreşimler sistemin dinamik transfer fonksiyonundan geçerek ölçülebilir sinyallere dönüşür [2]. Lokal arızalarda oluşan bu darbeler deterministik değil, stokastik karakter taşır ve çoğu durumda çevresel mekanik sinyaller tarafından maskelenir [1].

Bu nedenle rulman arızalarının erken teşhisi, yalnızca genel titreşim seviyesinin izlenmesiyle değil; impulsif bileşenlerin ayrıştırılması, uygun frekans bantlarının seçilmesi ve envelope analizi gibi ileri sinyal işleme teknikleriyle mümkündür [1]. Özellikle düşük devirli hidro türbinlerinde arıza sinyalleri zayıf ve gürültü altında olduğundan, doğru feature çıkarımı kritik önem taşır.

TL;DR

• Rulman arızaları lokal hasarlarda impulsif titreşim üretir ve bu sinyaller stokastik karakter taşır [1][2].
• Karakteristik arıza frekansları (BPFO, BPFI vb.) demodülasyon ve envelope analizi ile belirginleştirilebilir [1][2].
• Spectral kurtosis ve kurtogram, optimal bant seçimi için etkili yöntemlerdir [3].
• Hidroelektrik santrallerde düşük devir ve yüksek yük koşulları sinyal maskelenmesini artırır [4].
• Titreşim analitiği, erken teşhis ve planlı müdahale için kestirimci bakımın temel bileşenidir.

1. Kavramlar ve Teorik Arka Plan
   • Rulman Arızasında Titreşim Sinyalinin Fiziksel Mantığı

Yuvarlanmalı rulmanlarda lokal bir hasar (örneğin iç bilezik üzerinde bir çatlak), her temas anında kısa süreli bir darbe üretir. Bu darbe, temas geometrisine, yük dağılımına ve mil hızına bağlı olarak tekrar eder [2]. Hasarlı nokta her yuvarlanma elemanı geçişinde uyarıldığından, zaman domeninde sönümlü impuls dizisi oluşur.

Ancak bu sinyal, sistemin dinamik transfer fonksiyonundan geçerken yayılır ve çevredeki diğer mekanik bileşenlerin titreşimleriyle karışır. Bu nedenle ölçülen sinyal, saf periyodik bir dalga değil; stokastik ve impulsif karakterli karmaşık bir yapı gösterir [1].

Randall ve Antoni, lokal rulman arızalarının “pseudo-cyclostationary” olarak modellenebileceğini ve deterministik dişli sinyallerinden ayrıştırılabileceğini göstermiştir [1]. Bu ayrım, arıza teşhisinde kritik öneme sahiptir.

 

• Karakteristik Rulman Arıza Frekansları

Lokal arızalarda spektrumda belirli frekanslar belirginleşir. Bu frekanslar rulman geometrisine ve mil hızına bağlıdır:

• BPFO (Ball Pass Frequency Outer race)
• BPFI (Ball Pass Frequency Inner race)
• BSF (Ball Spin Frequency)
• FTF (Fundamental Train Frequency)

Bu frekanslar, lokal hasarın hangi bileşende olduğunu belirlemeye yardımcı olur. McFadden ve Smith’in modeli, tek nokta arızada demodülasyon sonrası spektrumda bu karakteristik frekansların doğrulandığını göstermiştir [2].

Bu nedenle yalnızca genel RMS titreşim seviyesine bakmak yeterli değildir; frekans domeni analizi şarttır.

 

• Envelope Analizi ve Bant Seçimi

Lokal rulman hasarlarında darbe sinyali genellikle yüksek frekans bantlarında ortaya çıkar. Bu darbenin taşıyıcı rezonans frekansı üzerinden genlik modülasyonu oluşturması nedeniyle, envelope analizi etkili bir teşhis yöntemidir [1].

Ancak doğru bant seçilmezse impuls bileşen maskelenebilir. Spectral kurtosis, hangi frekans bandında impulsif bileşenin yoğunlaştığını belirlemek için kullanılır [3]. Kurtogram yaklaşımı, envelope analizinden önce optimal bant geçiren filtre tasarımına imkân sağlar [3].

Bu teknikler, özellikle düşük devirli hidro türbin rulmanlarında zayıf sinyallerin ayrıştırılmasında kritik rol oynar [4].

Bu hesaplamalar, spektrum yorumlamasında hatalı teşhisi önlemek için kritik öneme sahiptir.

 

2. Titreşim Analitiği Nasıl Çalışır? (Sinyal → Feature → Alarm)

 

(Şekil 1. Titreşim verisinin ham sinyalden operasyonel karara kadar geçtiği analitik süreç adımlarını göstermektedir.)

• Ham Sinyal ve Ön İşleme

Titreşim analizi, ivme sensörlerinden alınan zaman domeni verisi ile başlar. Bu veri genellikle geniş bantlıdır ve hem rulman kaynaklı impulsları hem de şaft, dişli ve hidrolik etkileri içerir. Özellikle hidroelektrik santrallerde düşük hız ve yüksek moment koşulları, sinyal genliğinin düşük fakat yük kaynaklı harmoniklerin güçlü olmasına neden olabilir [4].

Bu aşamada:

• Gürültü azaltma
• Order tracking (devir dalgalanmasının giderilmesi)
• Uygun bant geçiren filtreleme

gibi işlemler uygulanır [1].

Amaç, arıza kaynaklı impuls bileşeni mümkün olduğunca görünür hâle getirmektir.

• Feature Çıkarımı (Özellik Üretimi)

Ham titreşim sinyali doğrudan alarm üretmek için yeterli değildir. Bu nedenle belirli özellikler (features) çıkarılır:

• RMS (genel enerji seviyesi)
• Peak value (ani darbe genliği)
• Kurtosis (impulsiflik göstergesi)
• Envelope spektrum tepe frekansları

Kurtosis değeri, sinyalde ani darbe varlığını istatistiksel olarak gösterir. Spectral kurtosis ise hangi frekans bandında impulsif bileşenin yoğunlaştığını belirlemeye yardımcı olur [3].

Envelope analizi sonrası spektrumda BPFO, BPFI gibi karakteristik frekansların ortaya çıkması, lokal arıza göstergesi olarak değerlendirilir [1][2].

Bu aşama, “sinyal işleme” ile “tanı koyma” arasındaki kritik köprüdür.

 

• Alarm Üretimi ve Eşik Değerlendirmesi

Feature’lar belirlendikten sonra alarm mantığı devreye girer. Bu mantık iki şekilde çalışabilir:

1. Statik eşik yaklaşımı (ISO 20816 gibi standartlara dayalı genel titreşim sınırları)
2. Trend bazlı yaklaşım (zamansal artış eğilimi)

ISO 20816, makinelerin titreşim seviyelerinin kabul edilebilir sınırlarını tanımlar ve genel durum değerlendirmesi için referans sağlar. Ancak lokal rulman arızalarının erken teşhisinde envelope spektrum ve impuls göstergeleri daha hassas yöntemlerdir [1].

Trend analizi, özellikle düşük hızda çalışan hidro türbinlerinde erken uyarı için daha etkilidir; çünkü mutlak genlik artışı sınırlı olabilir.

• Karar Katmanı

Son aşamada elde edilen feature’lar bakım kararına dönüştürülür:

• İzleme (monitor)
• Planlı müdahale
• Acil duruş

Bu karar yalnızca titreşim seviyesine değil; ekipman kritikliğine, yük durumuna ve üretim planına bağlıdır. Hidroelektrik santrallerde üretim kaybı maliyeti yüksek olduğundan, erken ve doğru teşhis operasyonel süreklilik açısından kritiktir [4].

3. HES Ekipmanlarında Yaygın Titreşim Sinyalleri ve Teşhis Zorlukları
   • Düşük Devirli Türbin Rulmanları

Hidroelektrik santrallerde türbin rulmanları genellikle düşük devirde (low RPM) çalışır. Düşük hız, karakteristik arıza frekanslarının da düşük olmasına neden olur. Bu durum iki önemli zorluk yaratır:

1. Arıza frekanslarının spektrumda düşük enerjiyle görünmesi
2. Hidrolik akış kaynaklı geniş bant titreşimlerin maskelenme etkisi

Literatürde hidro güç istasyonlarında titreşim kaynaklarının yalnızca mekanik değil, hidrolik ve elektromanyetik etkilerden de beslendiği belirtilmiştir [4]. Bu nedenle düşük frekanslı rulman arızaları, hidrolik harmoniklerle karışabilir.

Bu ortamda yalnızca genel RMS seviyesine bakmak, erken arızayı tespit etmek için yeterli değildir.

 

• Jeneratör Rulmanları ve Elektromekanik Etkileşim

Jeneratör tarafındaki rulmanlar, türbin tarafına göre farklı dinamik özellikler gösterir. Manyetik alan etkisi ve rotor eksen kaçıklıkları, titreşim spektrumuna ek bileşenler ekleyebilir.

Bu durum, deterministik sinyaller (örneğin rotor frekansı harmonikleri) ile impulsif arıza bileşenlerinin ayrıştırılmasını zorlaştırır. Randall ve Antoni, rulman arıza sinyallerinin deterministik dişli sinyallerinden ayrıştırılmasının sinyal işleme teknikleri ile mümkün olduğunu göstermiştir [1].

Bu nedenle envelope analizi ve uygun bant seçimi, jeneratör rulmanlarında daha da kritik hâle gelir.

 

• Hidrolik Kaynaklı Maskelenme

Hidro türbinlerinde akış düzensizlikleri, kavite oluşumu ve yük değişimleri geniş bant titreşim üretir. Bu titreşimler, lokal rulman arızasından kaynaklanan impulsları bastırabilir.

Spectral kurtosis, bu maskelenme altında impulsif bileşenlerin bulunduğu frekans bantlarını belirlemede etkili bir yöntemdir [3]. Özellikle düşük sinyal-gürültü oranı koşullarında kurtogram yaklaşımı erken teşhis için avantaj sağlar.

 

• Yaygın Gözlenen Rulman Arızaları

HES ekipmanlarında sık karşılaşılan rulman arıza tipleri:

• İç bilezik çatlağı (BPFI baskın)
• Dış bilezik hasarı (BPFO baskın)
• Yuvarlanma elemanı yüzey bozulması (BSF bileşeni)
• Yağlama yetersizliği kaynaklı yüzey aşınması

McFadden ve Smith’in geliştirdiği model, tek nokta lokal hasarda darbe üretiminin tekrarlı ve ölçülebilir olduğunu ortaya koymuştur [2]. Bu nedenle spektrum analizi, hasarın konumunu belirlemede güçlü bir araçtır.

4. Örnek Vaka: Türbin Rulmanında İç Bilezik Hasarının Erken Tespiti

Bir hidroelektrik santralde 18 MW kapasiteli bir Francis türbininde, türbin alt rulmanında titreşim trendinde hafif artış gözlemlenmiştir. Genel RMS değeri ISO 20816 sınırlarının altında kalmasına rağmen, son üç aylık trendde istikrarlı bir yükseliş görülmüştür.

• Zaman Domeni Analizi

Ham ivme sinyalinde belirgin bir periyodik yapı gözlenmemiştir. Ancak yüksek frekans bandında kısa süreli impulslar dikkat çekmiştir. Bu impulslar düzensiz görünse de, order tracking sonrası devirle senkronize tekrar ettiği belirlenmiştir.

Bu tür impulsif yapıların lokal rulman arızalarına işaret edebileceği literatürde belirtilmiştir [1][2].

 

• Spectral Kurtosis ve Bant Seçimi

Spectral kurtosis analizi uygulandığında, 4–6 kHz aralığında belirgin impuls yoğunluğu tespit edilmiştir. Kurtogram çıktısına göre bu bantta envelope analizi yapılmıştır [3].

Bu aşama kritik öneme sahiptir; çünkü yanlış bant seçimi arıza bileşenini maskeyebilir.

 

• Envelope Spektrum Sonucu

 

(Şekil 2. Envelope spektrumunda karakteristik rulman arıza frekanslarının (BPFO ve BPFI) belirginleşmesi lokal hasar göstergesidir.)

Envelope spektrumunda mil hızına bağlı olarak hesaplanan BPFI frekansının harmonikleri belirgin şekilde ortaya çıkmıştır. Bu durum iç bilezik hasarı ihtimalini güçlendirmiştir [2].

Genel RMS değeri henüz alarm seviyesinde olmasa da:

• Kurtosis değeri artmıştır
• Envelope spektrumunda karakteristik frekans belirginleşmiştir
• Trend analizi yukarı yönlüdür

Bu üç gösterge birlikte değerlendirildiğinde, erken aşama iç bilezik hasarı teşhisi konulmuştur.

 

• Müdahale ve Sonuç

Planlı bakım periyodunda rulman sökülmüş ve iç bilezik üzerinde başlangıç çatlağı doğrulanmıştır. Erken teşhis sayesinde:

• Plansız duruş engellenmiş
• Türbin hasarı büyümeden önlenmiş
• Üretim kaybı oluşmamıştır

Bu vaka, impulsif sinyal analizi ve envelope yaklaşımının düşük devirli hidro türbinlerinde dahi etkili olduğunu göstermektedir [1][4].

5. Dijital Analitik Katmanı: Hydrowise ile Titreşim Verisinin Operasyonel Karara Dönüşmesi

Titreşim analizi yalnızca sinyal işleme süreci değildir; doğru altyapı olmadan operasyonel karar mekanizmasına entegre edilemez. Hidroelektrik santrallerde titreşim sensörlerinden gelen yüksek frekanslı verinin SCADA sistemleriyle birlikte değerlendirilmesi gerekir.

Hydrowise platformu bu noktada üç katmanlı bir yaklaşım sunar:

• Veri Toplama ve Senkronizasyon

• SCADA proses verisi (yük, devir, sıcaklık)
• Titreşim sensör verisi (ivme, hız)
• Alarm geçmişi ve bakım kayıtları

Bu veriler senkronize edilerek analiz katmanına aktarılır. Order tracking ve devir senkronizasyonu, özellikle düşük hız dalgalanmalarının olduğu hidro türbinlerinde önemlidir [1].

 

• Feature ve Trend Analitiği

Hydrowise analitik modülü:

• RMS
• Peak
• Kurtosis
• Envelope spektrum tepe frekansları

gibi feature’ları otomatik üretir.

Spectral kurtosis temelli bant seçimi ve envelope analizi algoritmaları ile impulsif arıza bileşenleri ayrıştırılır [3].

Trend analizi sayesinde yalnızca eşik aşımı değil, artış eğilimi de değerlendirilir. Bu yaklaşım, erken aşama lokal hasarlarda kritik avantaj sağlar.

 

• Alarm ve Karar Katmanı

Sistem alarm üretirken yalnızca titreşim seviyesine bakmaz; aşağıdaki parametreleri birlikte değerlendirir:

• Ekipman kritiklik skoru
• Yük seviyesi
• Üretim planı
• Önceki arıza geçmişi

Bu bütünleşik değerlendirme, gereksiz duruşları azaltırken gerçek riskleri erken aşamada görünür kılar.

Hidroelektrik santrallerde üretim kaybı maliyeti yüksek olduğundan, doğru alarm stratejisi operasyonel süreklilik açısından kritik öneme sahiptir [4].

 

• Predictive Maintenance Entegrasyonu

Titreşim feature’ları zaman içinde istatistiksel modele beslenerek kalan faydalı ömür (RUL) tahmini yapılabilir. Literatürde condition monitoring verisinin prognostik modellerle birleştirilmesinin bakım planlamasını iyileştirdiği gösterilmiştir [1].

Bu yaklaşım sayesinde:

• Müdahale zamanı optimize edilir
• Plansız duruş riski azalır
• Bakım maliyetleri dengelenir

Titreşim analitiği bu yapının temel veri kaynağıdır.

 

6. Sonuç ve Değerlendirme

Rulman arızalarının erken teşhisi, özellikle hidroelektrik santraller gibi varlık yoğun tesislerde operasyonel süreklilik açısından kritik öneme sahiptir. Lokal hasarlar impulsif titreşim üretir ve bu sinyaller çoğu zaman genel titreşim seviyesinin altında maskelenmiş şekilde bulunur [1][2].

Envelope analizi, spectral kurtosis ve karakteristik arıza frekanslarının değerlendirilmesi, düşük devirli türbin ve jeneratör rulmanlarında dahi erken teşhis imkânı sunar [1][3]. HES ortamında hidrolik ve elektromekanik etkiler sinyal yorumunu zorlaştırsa da doğru bant seçimi ve trend analizi bu zorlukları aşmada etkilidir [4].

Titreşim verisinin operasyonel karara dönüştürülmesi ise yalnızca sinyal işleme meselesi değil; veri entegrasyonu, trend takibi ve ekipman kritiklik değerlendirmesi ile birlikte ele alınmalıdır.

Bir sonraki adım olarak, mevcut titreşim izleme altyapısının feature üretim kapasitesi ve bant seçimi yöntemleri gözden geçirilmeli; alarm mantığı yalnızca eşik aşımına değil, trend ve karakteristik frekans analizine dayandırılmalıdır. Bu yaklaşım, plansız duruş riskini azaltırken bakım planlamasının öngörülebilirliğini artırır.

7. Sık Sorulan Sorular

1- Genel RMS seviyesi düşükken rulman arızası nasıl tespit edilir?
Lokal rulman hasarları genellikle impulsif karakter taşır ve genel enerji seviyesine (RMS) sınırlı katkı yapabilir. Bu nedenle envelope analizi, kurtosis ve karakteristik frekans takibi gibi yöntemler kullanılmalıdır [1][3].

2- BPFO ve BPFI frekansları neden önemlidir?
Bu frekanslar rulman geometrisine bağlıdır ve lokal hasarın hangi bileşende oluştuğunu gösterir. Envelope spektrumunda bu frekansların harmoniklerinin ortaya çıkması arıza konumunu işaret eder [2].

3- Düşük devirli hidro türbinlerinde titreşim analizi neden daha zordur?
Düşük hız, arıza frekanslarının düşük enerji seviyesinde kalmasına neden olur. Ayrıca hidrolik kaynaklı geniş bant titreşimler impulsif bileşenleri maskeyebilir [4].

4- Spectral kurtosis her durumda gerekli midir?
Gürültü ve maskelenme etkisinin yüksek olduğu ortamlarda spectral kurtosis bant seçimini optimize ederek erken teşhise katkı sağlar [3]. Ancak yüksek sinyal-gürültü oranında klasik envelope analizi yeterli olabilir.

5- ISO 20816 erken rulman arızasını tespit etmek için yeterli midir?
ISO 20816 genel titreşim seviyelerine dayalı durum değerlendirmesi sağlar. Ancak lokal rulman arızalarının erken tespiti için envelope ve frekans analizi gereklidir [1].