Kucie stali na gorąco dla przemysłu wiatrowego: szczegółowe wyjaśnienie elementów skrzyni biegów

Przekładnia morskiej turbiny wiatrowej o mocy 10 MW przenosi moment obrotowy wystarczający do poruszania lokomotywy towarowej, a mimo to musi zmieścić się w gondoli turbiny wiatrowej sto metrów nad ziemią. Nośniki planet, koła planetarne, koła słoneczne i koła koronowe wewnątrz tej skrzyni biegów są produkowane przez kucie stali na gorąco. Jeśli jedna z tych odkuwek ma wadę wewnętrzną, nie jest to prosta wymiana części. Oznacza to statek z dźwigiem, usunięcie układu napędowego i tygodnie utraconej produkcji energii. Dlatego też kucie stali na gorąco dla przemysłu wiatrowego jest traktowane jako krok krytyczny dla bezpieczeństwa, a nie rutynowe zadanie kształtowania metalu.

Dlaczego kucie na gorąco elementów wiatrowych

Kucie na gorąco jest preferowaną metodą w przypadku części przekładni wiatrowej, ponieważ zapewnia ciągły przepływ ziaren i zamyka wewnętrzne puste przestrzenie, których odlewanie nie może niezawodnie wyeliminować.

Kiedy stal krzepnie w formie, powstają wgłębienia skurczowe, porowatość gazowa i lokalna segregacja. Kucie na gorąco ściska kęs w temperaturze od 1150 do 1250 stopni Celsjusza, rozbijając te niedoskonałości i udoskonalając strukturę ziaren. Rezultatem jest większa gęstość, lepsza wytrzymałość zmęczeniowa i bardziej spójne właściwości mechaniczne całego komponentu. Układy napędowe turbin wiatrowych poddawane są pełnemu cyklowi naprężeń przy każdym obrocie wirnika, więc odporność zmęczeniowa determinuje żywotność w większym stopniu niż wytrzymałość statyczna. Testy stali 42CrMo4 pokazują, że kuty materiał może zapewnić granicę zmęczenia o około 30 do 40 procent wyższą niż ten sam gatunek w formie odlewu. Margines ten często oddziela 20-letni układ napędowy od przedwczesnej awarii w średnim okresie eksploatacji.

Powyższy wykres radarowy porównuje kucie i odlewanie na gorąco według sześciu kryteriów mających znaczenie dla części wiatrowego układu napędowego. Stal kuta wykazuje wyraźną przewagę pod względem odporności zmęczeniowej i struktury ziaren, ponieważ proces odkształcania wyrównuje przepływ metalu ze ścieżką obciążenia. Wewnętrzna solidność jest również lepsza w przypadku odkuwek, ponieważ spoiny ze stopniem ściskania zamykają porowatość skurczową pozostającą w kształtownikach odlewanych. Odlewanie charakteryzuje się wyższą efektywnością kosztową i czasem realizacji, dlatego też duże obudowy przekładni i nieobciążone pokrywy są nadal produkowane jako odlewy. Jednakże elementy przenoszące obciążenia momentem obrotowym i zginaniem są zawsze określane jako odkuwki. Jeśli uszeregować te kryteria według ich wpływu na dostępność turbin, w przypadku części do przekładni wygrywa kuta trasa.

Kute elementy wewnątrz przekładni wiatrowej

Większość przekładni wiatrowych wykorzystuje konstrukcję planetarną w celu zwielokrotnienia prędkości wirnika z około 10 obr./min do 1000 obr./min wymaganych przez generator. Kute części są skoncentrowane w stopniach planetarnych, gdzie moment obrotowy jest najwyższy.

Przewoźnik planety

Nośnik planety jest rdzeniem strukturalnym każdego etapu planetarnego. Utrzymuje od trzech do sześciu wałów przekładni planetarnej w precyzyjnych położeniach promieniowych, przenosząc jednocześnie pełny moment obrotowy turbiny. W skrzyni biegów o mocy od 5 do 10 MW kuty półfabrykat nośnika planety waży zwykle od 1200 do 2800 kg. Proces kucia musi zapewniać równomierny przepływ ziaren wokół otworów sworzni, ponieważ obszary te przenoszą największe naprężenia cykliczne. Jednoczęściowy kuty nośnik pozwala uniknąć szwów spawalniczych, które w przeciwnym razie stałyby się miejscami inicjacji zmęczenia.

Kuty nośnik planety do przekładni turbin wiatrowych o mocy 3-10 MW Ten jednoczęściowy kuty nośnik pasuje do stopni przekładni o mocy 5–10 MW i zapewnia równomierny przepływ ziaren wokół otworów sworzni, aby wytrzymać duże obciążenia cykliczne. Zapoznaj się z niezawodnymi turbinowymi układami napędowymi o dużej wydajności. Zobacz produkt →

Przekładnia planetarna i przekładnia słoneczna

Przekładnie planetarne zazębiają się jednocześnie z kołem słonecznym i kołem koronowym, co rozdziela przenoszone obciążenie na wiele styków zębów. W turbinie o mocy od 5 do 10 MW przekładnia planetarna pierwszego stopnia przenosi najwyższy moment obrotowy przy najniższej prędkości. Koła słoneczne obracają się szybciej i wymagają stali nawęglanej, aby wytrzymać zużycie powierzchni bocznych zębów. Obydwa komponenty są zwykle kute z 18CrNiMo7-6 lub równoważnego gatunku do nawęglania. Kuty półfabrykat jest poddawany obróbce zgrubnej, cięciu przekładni, utwardzaniu powierzchniowemu i szlifowaniu do końcowego profilu.

Odkuwki przekładni planetarnej hartowane nawęglanie do skrzyń biegów o mocy 5–10 MW Przekładnie planetarne pierwszego stopnia przenoszą najwyższy moment obrotowy przy niskiej prędkości, dlatego niezbędne są kute półfabrykaty 18CrNiMo7-6 z nawęglanymi powierzchniami. Ten produkt obejmuje wszystkie trzy etapy planetarne. Zobacz produkt →

Pierścień zębaty

Koło koronowe to pierścień o dużej średnicy z zębami wewnętrznymi. Można go wytwarzać jako jednoczęściową odkuwkę pierścieniową lub jako segmentowy zespół spawany, ale odkuwki jednoczęściowe lepiej rozkładają obciążenie, ponieważ żaden szew spawalniczy nie przechodzi przez strefę naprężeń. Walcowanie pierścieni na pionowym młynie pierścieniowym tworzy orientację ziaren zgodną z kierunkiem nasady zęba, poprawiając odporność na zmęczenie zginające. Półfabrykat wieńca przekładni o mocy od 5 do 10 MW może ważyć od 1800 do 3500 kg, w zależności od architektury skrzyni biegów.

Jednoczęściowe odkuwki kół koronowych do turbin wiatrowych o mocy 5-10 MW Półfabrykaty kół koronowych o dużej średnicy do 3500 kg charakteryzują się orientacją ziaren walcowanych na pierścieniach i brakiem szwów spawalniczych. Ten produkt obsługuje transmisję dużej mocy za pomocą precyzyjnie szlifowanych zębów wewnętrznych. Zobacz produkt →

Powyższy poziomy wykres słupkowy przedstawia typowe kute ciężarki głównych elementów obrotowych w przekładni wiatrowej o mocy od 5 do 10 MW. Koła koronowe to najcięższe półfabrykaty w zestawie, często przekraczające 3500 kg przed obróbką cieplną i obróbką zgrubną. Nośniki planet stanowią drugą najcięższą grupę, ponieważ są to dyski o dużej średnicy z wieloma otworami na sworznie. Wały przekładni znajdują się w środkowym zakresie, podczas gdy przekładnie planetarne i słoneczne są lżejsze, ale nadal wymagają stali wysokostopowej i starannej redukcji kucia. Ciężary te określają wymaganą wydajność młota lub prasy, wielkość pieca grzewczego i zakres obróbki. Dostawca dysponujący młotem o udźwigu 15 ton i walcarką pierścieniową o średnicy 1,5 m może pokryć cały asortyment bez dzielenia zamówień między wielu dostawców.

Proces kucia na gorąco od kęsa do półfabrykatu

Przekształcenie kęsa stalowego w certyfikowaną odkuwkę przekładni wiatrowej następuje według kontrolowanej sekwencji, która obejmuje odkształcenie, obróbkę cieplną i kontrolę.

1. Kontrola kęsów. Przed rozpoczęciem jakichkolwiek prac przeprowadza się badanie ultradźwiękowe przychodzącej kęsa, aby potwierdzić jego stan wewnętrzny.
2. Ogrzewanie. Kęs jest powoli podgrzewany, a następnie moczony w temperaturze 1150–1250 stopni Celsjusza w piecu opalanym gazem.
3. Denerwujące. Kompresja osiowa rozbija strukturę odlewu i udoskonala ziarno.
4. Wstępne formowanie. Wyciąganie i blokowanie tworzy pośrednią geometrię bliską ostatecznemu półfabrykatowi.
5. Ostateczne kucie. Kształtowanie w matrycy zamkniętej lub otwartej ustala kontur zewnętrzny i grubość krytyczną.
6. Toczenie pierścienia. W przypadku kół zębatych koronowych i innych części pierścieniowych pionowa walcarka pierścieniowa rozpręża preformę do wymaganej średnicy i przekroju.
7. Kontrolowane chłodzenie. Powolne i równomierne chłodzenie zapobiega łuszczeniu i tworzeniu się naprężeń szczątkowych.
8. Zgrubna obróbka i ponowna kontrola. Półfabrykat jest zgrubnie obrócony w celu usunięcia zgorzeliny i defektów powierzchni, a następnie następuje kolejne przejście ultradźwiękowe.

Powyższy wykres liniowy pokazuje, jak moc znamionowa morskich turbin wiatrowych wzrosła z 4 MW w 2016 r. do 12 MW w 2026 r. Każdy wzrost mocy turbiny zmusza skrzynię biegów do przenoszenia większego momentu obrotowego w tej samej obwiedni fizycznej. Większy moment obrotowy oznacza większe nośniki planet, większe koła koronowe i cięższe kute półfabrykaty. Dostawca kucia musi zatem inwestować w większe młoty, większe młyny pierścieniowe i głębsze piece do obróbki cieplnej, aby podążać za tym trendem. Kupujący planujący platformę o mocy 12 MW powinni sprawdzić, czy ich partner zajmujący się kuciem jest w stanie obsłużyć półfabrykaty o masie powyżej 4000 kg. Ta kontrola wydajności jest ważniejsza niż cena, jeśli od niej zależy projekt układu napędowego.

Wybór materiału na odkuwki wiatroodporne

Gatunki stali stosowane w odkuwkach przekładni wiatrowych należą do dwóch rodzin: ulepszane cieplnie stale stopowe na nośniki i wały oraz stale do nawęglania na zęby przekładni, które wymagają twardej, odpornej na zużycie powierzchni.

42CrMo4 jest szeroko stosowany do nośników planet i wałów przekładni, ponieważ łączy w sobie dobrą wytrzymałość ze stabilnym hartowaniem na wskroś. Czynnikiem ograniczającym jest konstrukcja zmęczeniowa obszarów kieszeni nośnych, dlatego współczynnik redukcji kucia musi być wystarczająco wysoki, aby udoskonalić strukturę rdzenia. 34CrNiMo6 zapewnia wyższą wytrzymałość ciężkich przekładni koronowych i dużych wałów. 18CrNiMo7-6 jest przeznaczony do przekładni planetarnych i słonecznych, które muszą być odporne na zmęczenie kontaktowe po nawęglaniu.

Powyższy wykres kolumnowy porównuje minimalną granicę plastyczności trzech gatunków w stanie kutym i odlewanym. Wersje kute wykazują stałą przewagę wynoszącą około 230 do 300 MPa w porównaniu z materiałem odlewanym o tym samym składzie chemicznym. Ta różnica ma znaczenie w konstrukcji przekładni, ponieważ granica plastyczności wyznacza granicę naprężenia zginającego w stopie zęba i w otworach sworznia nośnego. Wyższa granica plastyczności umożliwia zastosowanie bardziej kompaktowego zestawu przekładni lub większego marginesu bezpieczeństwa przy tym samym rozmiarze. Produkcja odlewów wymagałaby cięższych sekcji, aby osiągnąć podobną nośność, co zwiększa masę skrzyni biegów i komplikuje konstrukcję gondoli. Właśnie dlatego podczas przeglądu projektu przekładni wiatrowej prawie zawsze określa się kute półfabrykaty dla każdej części na ścieżce momentu obrotowego.

Obróbka cieplna i droga do właściwości końcowych

Kucie na gorąco kształtuje półfabrykat, ale obróbka cieplna decyduje o ostatecznych właściwościach mechanicznych. Odkuwki przekładni wiatrowej zwykle poddawane są normalizacji, hartowaniu i odpuszczaniu, a w niektórych przypadkach hartowaniu powierzchniowemu boków zębów. Każdy stopień musi być kontrolowany, aby utrzymać jednolitą twardość w dużych przekrojach. Sekcja koła koronowego o grubości 300 mm wymaga procesu hartowania, który chłodzi rdzeń wystarczająco szybko, aby osiągnąć wymaganą strukturę martenzytyczną bez tworzenia pęknięć. Ładowanie pieca, medium hartujące i cykl odpuszczania wpływają na ostateczną wytrzymałość i naprężenie szczątkowe. Praktyczna wiedza nt podstawy obróbki cieplnej metali pomaga zespołom zakupowym omówić te parametry z dostawcami i zweryfikować, czy planowany cykl odpowiada gatunkowi i rozmiarowi sekcji.

Jak ocenić dostawcę kucia na gorąco do zastosowań wiatrowych

Wykwalifikowany partner w dziedzinie kucia na gorąco elementów wiatrowych musi wykazać się czymś więcej niż tylko umiejętnością uderzenia w kęs. Ocena powinna obejmować cały łańcuch procesu i otaczające go systemy kontroli.

• Wydajność kucia. Sprawdź tonaż młota lub prasy, zdolność walcowania pierścienia i maksymalną masę kęsa, który można podgrzać i kuć.
• Wewnętrzna obróbka cieplna. Hartowanie i odpuszczanie należy przeprowadzać w kontrolowanych piecach z udokumentowanymi krzywymi temperatur.
• Badania nieniszczące. Kontrola ultradźwiękowa po kuciu i po obróbce zgrubnej jest obowiązkowa w przypadku półfabrykatów odpornych na wiatr.
• Identyfikowalność. Każdy półfabrykat powinien być powiązany z numerem wytopu, zapisem kucia i raportem obróbki cieplnej.
• Doświadczenie z dużymi blankami wiatrowymi. Zapytaj o referencje w segmencie przekładni od 3 do 10 MW.

Znaczenie własnej obróbki cieplnej jest często niedoceniane, dopóki dostawa nie zostanie opóźniona przez outsourcing. Rozmawiaj bezpośrednio z inżynierami procesu, a nie tylko z zespołem sprzedaży. Zapytaj o aktualne krzywe nagrzewania i raporty ultradźwiękowe z poprzednich zamówień na kucie wiatrowe. Dostawca taki jak Maszyny ACE obejmuje całą drogę od nagrzania kęsa do gotowego półfabrykatu, co skraca linie komunikacyjne i pozwala zachować dane jakościowe w jednym miejscu. Weryfikacja tych możliwości przed złożeniem zamówienia jest najskuteczniejszym sposobem na uniknięcie późniejszych problemów jakościowych.

Kucie stali na gorąco dla przemysłu wiatrowego pozostaje wymagającą, ale dobrze poznaną dyscypliną. Komponenty są duże, obciążenia cykliczne, a koszt awarii jest ogromny. Dostawca posiadający odpowiednią wydajność młota, kontrolowaną obróbkę cieplną i systematyczne kontrole może dostarczyć odkuwki odporne na wiatr, które będą niezawodnie działać przez cały projektowany okres użytkowania turbiny.