Czym są odkuwki przekładni turbin wiatrowych?

Odkuwki przekładni turbin wiatrowych to precyzyjnie formowane elementy stalowe tworzące wewnętrzną konstrukcję przenoszenia mocy przekładni turbiny wiatrowej, produkowane w procesach kucia na gorąco lub w matrycy zamkniętej, które wyrównują strukturę ziaren stali w celu uzyskania maksymalnej odporności zmęczeniowej i nośności. Podstawowymi kutymi elementami przekładni turbiny wiatrowej są koło koronowe, koła obiegowe, nośnik planet, koło słoneczne, wały wejściowe i wyjściowe oraz zębniki. Części te są kute, a nie odlewane, ponieważ skrzynia biegów pracuje pod ciągłym, zmiennym obciążeniem powodowanym przez zmienny dopływ wiatru, a gęsta, pozbawiona defektów konstrukcja metalowa wytworzona przez kucie zapewnia trwałość zmęczeniową niezbędną do spełnienia typowego 20-letniego okresu trwałości projektowej nowoczesnej turbiny wiatrowej (źródło: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier). Kucia nie można zastąpić odlewaniem elementów przeznaczonych do przekładni, ponieważ różnice właściwości mechanicznych pomiędzy tymi dwoma procesami bezpośrednio określają, jak długo skrzynia biegów wytrzyma pod rzeczywistym obciążeniem roboczym.

Rola skrzyni biegów w turbinie wiatrowej

Aby zrozumieć, dlaczego jakość kucia elementów skrzyni biegów ma tak duże znaczenie, konieczne jest zrozumienie, co przekładnia robi wewnątrz turbiny i jak trudne jest środowisko mechaniczne, w którym pracuje.

Wirnik turbiny wiatrowej obraca się powoli w odpowiedzi na wiatr, zwykle od 10 do 22 obrotów na minutę w przypadku dużej turbiny o mocy wielu megawatów. Generator, który przekształca energię mechaniczną w energię elektryczną, musi obracać się ze znacznie większymi prędkościami, zwykle od 1000 do 1500 obrotów na minutę lub więcej. Skrzynia biegów niweluje tę różnicę prędkości. Fuhong Steel opisuje tę funkcję bezpośrednio: przekładnia elektrowni wiatrowej jest podstawowym elementem turbiny wiatrowej, a jej główną funkcją jest przekształcanie energii kinetycznej generowanej przez koło wiatrowe pod działaniem wiatru w energię mechaniczną i ostatecznie przekazywanie jej do generatora (Źródło: Fuhong Steel, Special Steel for Wind Power Equipment Forgings). Zgłoszenie patentowe opisujące zespół skrzyni biegów potwierdziło, że wał wirnika zapewnia sygnał wejściowy przy niskiej prędkości i wysokim momencie obrotowym do skrzyni biegów, która jest następnie konfigurowana w celu przekształcenia tego sygnału wejściowego na sygnał wejściowy charakteryzujący się dużą prędkością i niższym momentem obrotowym, który napędza generator (źródło: patent USPTO 11085421, Przewoźnik planety of a Wind Turbine Gearbox with Improved Lubricant Path).

Wymagania mechaniczne tej konwersji są ekstremalne. Skrzynia biegów musi wytrzymać stale zmienne obciążenia momentem obrotowym przy wahaniach prędkości wiatru, nagłych obciążeniach udarowych podczas podmuchów, ciągłym cyklicznym zmęczeniu przez 20 lub więcej lat, a wszystko to niezawodnie w gondoli umieszczonej wysoko nad ziemią, gdzie serwisowanie jest drogie, a wymiana głównych komponentów może kosztować setki tysięcy dolarów na jedno zdarzenie. Te wymagania powodują, że każdy główny element konstrukcyjny wewnątrz skrzyni biegów jest określany jako odkuwka, a nie odlew.

Główne kute elementy w skrzyni biegów turbiny wiatrowej

Przekładnia turbiny wiatrowej nie jest pojedynczą kutą częścią. Jest to zespół kilku odrębnych kutych elementów, z których każdy pełni określoną funkcję w stopniach przekładni planetarnej i śrubowej, tworzących układ napędowy zwiększający pełną prędkość.

Koło koronowe (przekładnia pierścieniowa)

Koło koronowe to duże koło zewnętrzne z zębami wewnętrznymi, które tworzy zewnętrzną granicę stopnia przekładni planetarnej. Przekładnie planetarne zazębiają się z ich wewnętrzną powierzchnią, gdy krążą wokół koła słonecznego, a koło koronowe pozostaje nieruchome lub obraca się, w zależności od konstrukcji skrzyni biegów. Ponieważ koło koronowe przenosi pełny moment obrotowy stopnia planetarnego i pozostaje w stałym kontakcie zębów z trzema lub większą liczbą przekładni planetarnych jednocześnie, jego właściwości materiałowe i dokładność wymiarowa mają kluczowe znaczenie dla wydajności całej przekładni. W patencie USPTO opisującym proces produkcji koła koronowego zauważono, że koło koronowe jest zwykle formowane przez kucie, a następnie musi zostać poddane obróbce cieplnej w celu uzyskania wymaganej twardości, a dokładność wymiarowa w procesie kucia i obróbki cieplnej ma kluczowe znaczenie, ponieważ obróbka cieplna może powodować zniekształcenia wymiarowe wymagające korekty obróbki (źródło: patent USPTO 10495210, Zintegrowane koło pierścieniowe i ramię reakcyjne do przekładni turbiny wiatrowej).

Przekładnie planety

Przekładnie planetarne to koła pośrednie, które krążą pomiędzy kołem koronowym a kołem słonecznym, przenosząc moment obrotowy między nimi, jednocześnie obracając się wokół własnych osi. W dużym stopniu planetarnym turbiny wiatrowej zazwyczaj trzy lub cztery przekładnie planetarne dzielą całkowite obciążenie, rozkładając je jednocześnie na wiele styków zębów. Takie rozwiązanie zapewnia wysoką gęstość momentu obrotowego w kompaktowej obudowie, ale oznacza również, że każda przekładnia planetarna przenosi znaczną część całkowitego obciążenia w ciągłych cyklach zmęczeniowych. Firma Zhangqiu Heavy Forging potwierdza, że po hartowaniu i odpuszczaniu kute nośniki przekładni planetarnych są w stanie wytrzymać długotrwałe naprężenia przemienne przy żywotności wynoszącej 2-3 razy dłużej niż komponenty wytwarzane w zwykłych procesach, przy czym stosunek ten odnosi się w równym stopniu do samych przekładni planetarnych (źródło: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Planet Carrier

Nośnik planet to element konstrukcyjny, który utrzymuje wały przekładni planetarnej w ich prawidłowych pozycjach orbitalnych względem siebie oraz względem kół zębatych koronowych i słonecznych. Musi utrzymywać precyzyjną dokładność pozycjonowania pod obciążeniem, aby utrzymać jednocześnie wszystkie przekładnie planetarne we właściwym zazębieniu, co wymaga zarówno dużej sztywności, jak i doskonałej odporności na zmęczenie. Zhangqiu Heavy Forging opisuje kluczowe wymagania wobec kutego nośnika planet: proces kształtowania niemal netto w połączeniu z precyzyjną obróbką zapewnia ścisłą kontrolę dokładności wymiarów i tolerancji położenia, zapewniając precyzyjną współpracę z przekładniami planetarnymi, kołami słonecznymi i wałami wyjściowymi, redukując straty w przekładni i hałas (Źródło: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier). Materiały stosowane na nośniki planet obejmują wysokowytrzymałe stale stopowe 42CrMo, 20CrMnTi i 35CrMo, poddane sekwencjom obróbki cieplnej obejmującym hartowanie i odpuszczanie oraz nawęglanie w celu uzyskania właściwej równowagi między twardością powierzchni i wytrzymałością rdzenia (źródło: Zhangqiu Heavy Forging).

Przekładnie słoneczne i zębniki

Koło słoneczne znajduje się pośrodku stopnia planetarnego i zazębia się jednocześnie ze wszystkimi przekładniami planetarnymi, podczas gdy zębniki pojawiają się na śrubowych stopniach wielostopniowej skrzyni biegów, gdzie potrzebne jest dodatkowe zwiększenie prędkości. Obydwa typy muszą być kute z gatunków stali stopowej o wystarczającej hartowności, aby uzyskać nawęglane lub azotowane boki zębów poprzez nawęglanie lub azotowanie po obróbce zgrubnej, zapewniając twardość powierzchni niezbędną do odporności na wżery i zmęczenie boków zębów przez dziesięciolecia cyklicznego obciążenia.

Wały wejściowe i wyjściowe

Wał wejściowy łączy wał główny wirnika z pierwszym stopniem planetarnym skrzyni biegów, a wał wyjściowy wysokiej prędkości łączy końcowy stopień przekładni ze sprzęgłem generatora. Obydwa wały poddawane są różnym profilom obciążenia: wał wejściowy przenosi wysoki moment obrotowy przy niskiej prędkości i duże momenty zginające pochodzące od wirnika, podczas gdy wał wyjściowy przenosi niższy moment obrotowy przy dużych prędkościach ze zmęczeniem skrętnym wynikającym z stanów nieustalonych obciążenia generatora. Tiptop Heavy Forging zauważa, że ​​szybki wał w turbinie wiatrowej znajduje się za skrzynią biegów, obracając się znacznie szybciej, ale przenosząc niższy moment obrotowy do generatora, oraz że oba typy wałów wymagają dużych wymiarów i mocnych kutych materiałów (źródło: Tiptop Heavy Forging, Shaft of a Wind Turbine: Structure, Materials and Forging).

Dlaczego kucie jest wymaganym procesem w przypadku elementów skrzyni biegów

Decyzja o kuciu, a nie odlewaniu elementów przeznaczonych do skrzyni biegów, nie jest decyzją preferowaną; jest to wymóg wynikający z wymagań dotyczących trwałości zmęczeniowej podczas pracy turbiny wiatrowej.

Przepływ ziarna i wyższość mechaniczna

Kucie kształtuje metal pod wpływem dużej siły ściskającej, która zamyka wewnętrzne puste przestrzenie, udoskonala strukturę ziaren i wyrównuje przepływ ziaren wzdłuż geometrii części. W ten sposób powstaje komponent o znacznie wyższej granicy plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie i odporności na zmęczenie niż ta sama geometria wytworzona przez odlewanie z tego samego stopu. Tiptop Heavy Forging wyjaśnia, że ​​kucie zmienia wewnętrzną strukturę metalu w sposób, który pomaga wytwarzać duże, niezawodne komponenty do pracy przy dużych obciążeniach, oraz że główne wały turbin wiatrowych są zwykle wykonane z kutej stali, a nie odlewane specjalnie ze względu na tę różnicę strukturalną (Źródło: Tiptop Heavy Forging, Shaft of a Wind Turbine).

Trwałość zmęczeniowa przy obciążeniu cyklicznym

Elementy przekładni turbiny wiatrowej podlegają obciążeniu zmęczeniowemu przy każdym obrocie wirnika, a 20-letnia żywotność przy prędkości roboczej odpowiada setkom milionów cykli naprężeń na zębach przekładni i przekrojach poprzecznych wału. Elementy odlewane zawierają porowatość skurczową, wtrącenia gazowe i przypadkową orientację ziaren, które tworzą koncentrację naprężeń, przy której mogą inicjować i rozprzestrzeniać się pęknięcia zmęczeniowe. Kute elementy o zamkniętej porowatości i wyrównanej strukturze ziaren zapewniają znacznie wyższą granicę zmęczenia, dzięki czemu mogą wytrzymać tę samą amplitudę naprężeń przez znacznie większą liczbę cykli przed inicjacją pęknięcia. Dokumentacja Zhangqiu Heavy Forging dotycząca kutych nośników przekładni planetarnych osiągających 2 do 3 razy dłuższą żywotność w porównaniu ze zwykłymi procesami bezpośrednio określa ilościowo tę przewagę zmęczeniową w kategoriach specyficznych dla danego zastosowania (źródło: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Stabilność wymiarowa pod obciążeniem

Dokładność zazębienia przekładni zależy od stabilności wymiarowej każdego kutego elementu zarówno pod obciążeniem statycznym, jak i dynamicznym. Jeżeli nośnik planety ugina się pod obciążeniem w sposób, który zmienia względne położenie wałów przekładni planetarnej, podział obciążenia między przekładniami planetarnymi staje się nierówny, a przeciążone przekładnie planetarne przedwcześnie ulegają awariom. Komponenty kute o przewidywalnych, jednolitych właściwościach materiałowych są łatwiejsze do modelowania i projektowania pod kątem wymagań dotyczących sztywności niż odlewy o zmiennych właściwościach w przekroju.

Gatunki stali stosowane w odkuwkach przekładni turbin wiatrowych

Wybór materiałów na odkuwki przekładni równoważy hartowność, wytrzymałość, obrabialność i dostępność w globalnych łańcuchach dostaw.

Fuhong Steel potwierdza, że 18CrNiMo7-6 i 8620 to gatunki stali używane głównie przez europejskich i amerykańskich klientów do produkcji przekładni do elektrowni wiatrowych, co odzwierciedla różne preferencje dotyczące standardów materiałowych, które rozwinęły się na każdym głównym rynku (źródło: Fuhong Steel, Special Steel for Wind Power Equipment Forgings). Wybór pomiędzy tymi gatunkami zależy od funkcji przekładni, wymaganej głębokości obudowy po nawęglaniu, twardości rdzenia wymaganej dla konkretnego stanu naprężenia oraz wymagań certyfikacyjnych producenta OEM.

Sekwencje obróbki cieplnej odkuwek skrzyń biegów

Odkuwka w stanie odkutym nie posiada właściwości mechanicznych wymaganych do eksploatacji przekładni. Obróbka cieplna po kuciu i obróbce zgrubnej jest niezbędna do osiągnięcia połączenia twardości powierzchni i wytrzymałości rdzenia, których wymagają zęby przekładni i przekroje poprzeczne wału.

1. Normalizowanie: stosowane po kuciu w celu złagodzenia naprężeń własnych, ujednolicenia konstrukcji i przygotowania materiału do późniejszej obróbki skrawaniem i obróbki cieplnej bez odkształceń, które mogą wystąpić w odkuwkach nieznormalizowanych
2. Hartowanie i odpuszczanie: stosowane do elementów konstrukcyjnych, takich jak nośniki planet i wały, w celu uzyskania wysokiej wytrzymałości i wytrzymałości rdzenia; szybkość hartowania i temperaturę odpuszczania dobiera się tak, aby odpowiadały określonej granicy plastyczności i energii udaru wymaganej przez normę projektową
3. Nawęglanie i utwardzanie powierzchniowe: stosowane do zębów przekładni obiegowych, kół słonecznych, kół koronowych i zębników; węgiel jest dyfundowany do warstwy powierzchniowej na określoną głębokość osłony, po czym następuje hartowanie w celu uzyskania twardości powierzchniowej, zwykle w zakresie 58 do 62 HRC, przy czym rdzeń pozostaje twardy
4. Azotowanie: stosowane, gdy odkształcenie spowodowane nawęglaniem jest niedopuszczalne lub gdy skład stopu jest odpowiedni do utwardzania dyfuzyjnego azotem; osiąga twardą obudowę w niższych temperaturach i przy mniejszych zmianach wymiarowych niż nawęglanie
5. Hartowanie indukcyjne: stosowane do wybranych powierzchni wałów, takich jak gniazda łożysk poprzecznych, gdzie wymagane jest miejscowe hartowanie powierzchni bez kosztów pełnego nawęglania

Zhangqiu Heavy Forging opisuje wybór materiału i obróbki cieplnej nośników planet: stosowane są preferowane procesy kucia matrycowego i kucia swobodnego, z materiałami obejmującymi wysokowytrzymałe stale stopowe 42CrMo, 20CrMnTi i 35CrMo w połączeniu z hartowaniem i odpuszczaniem oraz nawęglaniem i hartowaniem, aby osiągnąć równowagę pomiędzy wytrzymałością i wiązkością wymaganą dla tego elementu (źródło: Zhangqiu Heavy Forging, Kuta przekładnia planetarna przewoźnik).

Standardy jakości i testowania odkuwek przekładni turbin wiatrowych

Odkuwki przekładni turbin wiatrowych są produkowane zgodnie z identyfikowalnymi materiałami i normami wymiarowymi, z udokumentowanymi zapisami testów, które towarzyszą komponentom w całym łańcuchu dostaw i pozostają dostępne przez cały okres użytkowania turbiny.

1. Weryfikacja składu chemicznego poprzez analizę spektrograficzną każdego ciepła w celu potwierdzenia klasy materiału w granicach specyfikacji obowiązującej normy
2. Badanie właściwości mechanicznych próbek kuponowych odkuwki lub próbki próbnej odkutej w tych samych warunkach, w tym wytrzymałość na rozciąganie, granicę plastyczności, wydłużenie, zmniejszenie powierzchni i energię uderzenia Charpy'ego w określonej temperaturze badania
3. Badanie ultradźwiękowe pełnej objętości odkuwki w celu wykrycia wewnętrznych wad, wtrąceń lub segregacji, które nie są widoczne na powierzchni, ale mogłyby zmniejszyć wytrzymałość zmęczeniową podczas pracy
4. Inspekcja magnetyczno-proszkowa lub inspekcja penetracyjna powierzchni w celu wykrycia pęknięć powierzchni powstałych podczas kucia lub obróbki cieplnej
5. Kontrola wymiarowa do tolerancji rysunku przy użyciu współrzędnościowych maszyn pomiarowych dla złożonych geometrii i precyzyjnych pomiarów krytycznych średnic otworów i rowków wpustowych
6. Weryfikacja twardości za pomocą testów Brinella lub Rockwella w określonych pozycjach w celu potwierdzenia, że obróbka cieplna osiągnęła wymagane właściwości w przekroju

Proces ACE Odkuwki przekładni turbin wiatrowych są produkowane zgodnie z tym pełnym standardem jakości, z certyfikatami materiałowymi, raportami z testów mechanicznych, protokołami badań nieniszczących i dokumentacją kontroli wymiarowej dostarczaną z każdą odkuwką w celu zapewnienia identyfikowalności i wymagań certyfikacyjnych producentów OEM turbin wiatrowych i ich jednostek certyfikujących.