니트릴 부타디엔 고무(NBR)는 수십 년 동안 풍력 터빈 씰 소재로 널리 사용되어 왔지만, 폴리우레탄 씰의 제형, 가공 및 설계 기술의 발전으로 업계에서 NBR의 입지가 빠르게 약화되고 있습니다. NBR의 가장 유용한 특성으로는 내마모성, 유체 적합성, 내오존성, 기계적 강도, 그리고 이러한 모든 특성을 저온에서 유지하는 능력이 있습니다.
폴리우레탄은 메인 베어링/발전기, 종방향 및 횡방향 베어링의 밀봉에 이상적인 소재로 자리 잡았습니다. 그러나 기존 구조물의 소재를 단순히 교체하는 것만으로는 충분하지 않은 경우가 많습니다. 따라서 밀봉재는 폴리우레탄을 고려하여 설계해야 합니다.
폴리우레탄의 내마모성을 평가하는 한 가지 방법은 ASTM D5963과 같은 표준화된 드럼 마모 시험을 이용하는 것입니다. 이 방법은 일반적으로 고무를 평가하는 데 사용되지만, 폴리우레탄에도 적용되며, 특히 마모율을 비교할 때 유용합니다. 아래는 클리블랜드에 있는 System Seals에서 테스트한 다양한 소재의 마모 지수입니다. NBR과 HNBR의 ARI는 약 1.5인 반면, 폴리우레탄의 ARI는 4~8입니다. 이는 최대 6배까지 향상된 수치입니다.
폴리우레탄은 시간이 지나도, 특히 유성 유체를 포함한 다양한 유체에 노출되어도 ARI 값을 유지합니다. 이를 확인하는 한 가지 방법은 ASTM D5963 마모 시편을 100°C(수성 유체의 경우 80°C)의 유체에 90일 동안 시효 처리하고 30일마다 시험을 반복하는 것입니다. 아래는 일반적인 결과이지만, 각 유체에 대해 확인하는 것이 좋습니다.
그림 3. 100°C에서 증류 미네랄 오일에 숙성시킨 후 NBR과 가수분해 저항성 폴리우레탄에서 ARI가 유지되는 모습.
사양에는 완제품 유체와의 호환성이 명시되어 있지만, 가속 노화 시험(또는 사용 연수)을 통해 특정 유체에 노출된 재료의 장기적인 성능과 안정성을 확인해야 합니다. System Seals는 표준 168시간 시험 대신 90일 동안 유체 호환성을 시험합니다. System Seals는 168시간의 유체 노출 후에도 주요 재료 특성의 상당한 변화를 지속적으로 감지하기 때문입니다.
맞춤형 폴리우레탄은 풍력 에너지 산업에서 가장 널리 사용되는 윤활제 중 NBR에 비해 향상된 유체 저항성을 보입니다. 아래는 이러한 인기 윤활제들의 호환성 표입니다.
NBR은 오존 분해에 취약한 것으로 알려져 있는데, 이는 오존 분자가 불포화 NBR의 화학 결합을 파괴하는 현상입니다. 니트릴 부타디엔 고무(NBR)는 미세한 변형에도 오존 균열이 흔히 발생합니다. 한 가지 해결책은 NBR에 왁스를 주입하여 NBR을 보호하는 오존 방지막을 만드는 것입니다. 하지만 왁스는 NBR의 화학 결합을 변화시키지 않습니다. NBR이 왁스를 제거하는 환경 조건에 노출되면 다시 분해되기 쉽습니다. 풍력 발전용 씰에 사용되는 일부 특수 폴리우레탄은 자연적으로 오존에 대한 내성을 가지고 있습니다.
폴리우레탄의 탄성 계수, 강도 및 신율은 대부분의 NBR보다 2~3배 높습니다. 따라서 폴리우레탄 씰은 더 큰 기계적 변형과 더 높은 기계적 하중을 견딜 수 있습니다.
일반적인 NBR의 탄성 계수는 10~15MPa이고 인장 강도는 20MPa입니다. 대부분의 폴리우레탄은 탄성 계수가 45~60MPa이고 인장 강도는 50~60MPa입니다. 이는 NBR보다 경도가 낮다는 것을 의미하며, 이는 형태 유지력이 우수하고 압력 하중에 대한 저항성이 더 크다는 것을 의미합니다.
풍력 터빈에서 고온은 일반적으로 문제가 되지 않습니다. 그러나 위치와 고도에 따라 최저 -40°C의 온도는 드물지 않습니다. 표준 NBR의 최소 작동 온도는 -20°C이며, 동적 기계 분석 결과 많은 풍력 발전용 폴리우레탄이 -40°C까지의 온도에 영향을 받지 않는 것으로 나타났습니다.
폴리우레탄은 우수한 기계적 특성, 우수한 오존 저항성, 낮은 마모율, 낮은 작동 온도 덕분에 풍력 발전용 씰에 적합한 선택입니다. 아래는 폴리우레탄이 적합한 두 가지 적용 분야입니다. 왼쪽 이미지는 폴리우레탄 베어링 씰의 시뮬레이션 변형 및 접촉 특성을 보여줍니다. 오른쪽 이미지는 베어링이 회전할 때 윤활유를 저장조로 지속적으로 펌핑하는 메인 베어링 씰인 System Seals 스월 씰을 보여줍니다.
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게시 시간: 2023년 12월 24일