Mik azok a szélturbinás sebességváltó kovácsolások?

Szélturbinás sebességváltó kovácsolás precíziósan alakított acél alkatrészek, amelyek a szélturbina sebességváltó belső erőátviteli szerkezetét alkotják, és amelyeket forró vagy zárt kovácsolási eljárásokkal állítanak elő, amelyek összehangolják az acél szemcseszerkezetét a maximális fáradtságállóság és teherbíró képesség érdekében. A szélturbina sebességváltójának elsődleges kovácsolt alkatrészei a gyűrűs fogaskerekek, a bolygókerekek, a bolygótartó, a napfogaskerekek, a bemeneti és kimeneti tengelyek, valamint a fogaskerekek. Ezeket az alkatrészeket öntött helyett kovácsolják, mert a sebességváltó folyamatosan váltakozó terhelés alatt működik változó szél bemeneteiből, és a kovácsolással előállított sűrű, hibamentes fémszerkezet biztosítja azt a kifáradási élettartamot, amely egy modern szélturbina tipikus 20 éves tervezési élettartamához szükséges (Forrás: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier). A kovácsolás nem cserélhető fel a hajtómű-minőségű alkatrészek öntésével, mivel a két folyamat közötti mechanikai tulajdonságok közötti különbségek közvetlenül meghatározzák, hogy a hajtómű mennyi ideig bírja ki valós üzemi terhelés mellett.

A sebességváltó szerepe a szélturbinában

Ahhoz, hogy megértsük, miért számít olyan sokat a sebességváltó-alkatrészek kovácsolási minősége, meg kell értenünk, mit csinál a sebességváltó a turbinában, és meg kell értenünk a mechanikai környezet súlyosságát, amelyben működik.

A szélturbina rotorja lassan forog a szél hatására, jellemzően 10 és 22 fordulat/perc között egy nagy, több megawattos turbina esetében. A mechanikai energiát elektromos árammá alakító generátornak sokkal nagyobb fordulatszámon kell forognia, jellemzően 1000-1500 fordulat/perc vagy több. A sebességváltó áthidalja ezt a sebességkülönbséget. A Fuhong Steel közvetlenül írja le a funkciót: a szélerőmű hajtóműve a szélturbina központi eleme, melynek fő feladata a szélkerék által a szél hatására generált mozgási energiát mechanikai energiává alakítani, végül a generátorhoz továbbítani (Forrás: Fuhong Steel, Special Steel for Wind Power Equipment Forgings). A sebességváltó-szerelvényt leíró szabadalmi bejelentés megerősítette, hogy a forgórész tengelye alacsony fordulatszámú, nagy nyomatékú bemenetet biztosít a sebességváltónak, amely azután úgy van konfigurálva, hogy ezt a bemenetet a generátort meghajtó nagy sebességű, kisebb nyomatékú kimenetté alakítsa (Forrás: USPTO Patent 11085421, Luubrodrobinter Winebrobrovanter, Winebrobrovant Útvonal).

Ennek az átalakításnak a mechanikai követelményei rendkívüliek. A sebességváltónak kezelnie kell folyamatosan változó nyomatékterhelések a szélsebesség ingadozása, a széllökések során fellépő hirtelen lökésszerű terhelések, a 20 vagy több éven át tartó folyamatos ciklikus fáradtság, és mindezt megbízhatóan a föld felett magasan elhelyezett gondolában, ahol a szervizelés költséges, és a fő alkatrészek cseréje eseményenként több százezer dollárba kerülhet. Ezen igények miatt a sebességváltón belül minden fontosabb szerkezeti alkatrészt kovácsolt, nem pedig öntvényként határoznak meg.

Elsődleges kovácsolt alkatrészek a szélturbinás sebességváltóban

A szélturbinás sebességváltó nem egyetlen kovácsolt alkatrész. Ez több különálló kovácsolt alkatrészből álló összeállítás, amelyek mindegyike sajátos funkciót lát el a bolygókerekes és a csavarmenet fokozatokban, amelyek a teljes sebességnövelő hajtásláncot alkotják.

Ring Gear (Annulus Gear)

A gyűrűs fogaskerék az a nagy külső fogaskerék, belső fogakkal, amely a bolygókerekes fokozat külső határát képezi. A bolygó fogaskerekei a belső felületéhez simulnak, amikor a napkerék körül keringenek, és a gyűrűs fogaskerék a sebességváltó kialakításától függően vagy álló helyzetben marad, vagy forog. Mivel a gyűrűs fogaskerék a bolygófokozat teljes forgatónyomaték-terhelését továbbítja, és egyidejűleg három vagy több bolygókerekes fogaskerekes fogaskerekes fogaskerekes fogaskerekes fogaskerekes fogaskerekes fogaskerekes fogaskerekeivel van, anyagtulajdonságai és méretpontossága kritikus fontosságúak a teljes sebességváltó teljesítménye szempontjából. A gyűrűs fogaskerekek gyártási folyamatát leíró USPTO szabadalom megjegyzi, hogy a gyűrűs fogaskereket általában kovácsolással alakítják ki, és ezt követően hőkezelni kell a kívánt keménység eléréséhez, és hogy a méretpontosság a kovácsolás és a hőkezelés során kritikus fontosságú, mivel a hőkezelés mérettorzulást okozhat, ami megmunkálási korrekciót igényel (Forrás: USPTO Patent R210, Torqueal5 Arming for 10499 Turbinás sebességváltó).

Planet Gears

A bolygófogaskerekek azok a közbenső fogaskerekek, amelyek a gyűrűs fogaskerék és a napkerék között keringenek, és a nyomatékot a kettő között továbbítják, miközben a saját tengelyükön is forognak. Egy nagy szélturbina bolygóműves fokozatban jellemzően három vagy négy bolygókerekes hajtómű osztozik a teljes terhelésen, és azt egyidejűleg több fogérintkező között osztja el. Ez az elrendezés nagy nyomatéksűrűséget ér el egy kompakt csomagban, de azt is jelenti, hogy minden bolygókerekes hajtómű a teljes terhelés jelentős hányadát viseli a folyamatos fáradási ciklusban. A Zhangqiu Heavy Forging megerősíti, hogy az edzés és a temperálás hőkezelése után a kovácsolt bolygókerekes fogaskerekes fogaskerekek hosszú távú váltakozó igénybevételnek is ellenállnak, és élettartama kb. 2-3-szor hosszabb mint a szokásos eljárásokkal előállított alkatrészek, ez az arány magára a bolygókerekes fogaskerekekre is vonatkozik (Forrás: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Bolygóhordozó

A bolygótartó az a szerkezeti alkatrész, amely a bolygókerekek tengelyeit megfelelő pályahelyzetükben tartja egymáshoz, valamint a gyűrűhöz és a napkerékhez képest. Pontos pozicionálási pontosságot kell fenntartania terhelés alatt, hogy az összes bolygókerekes fogaskerekek egyidejűleg megfelelő hálóban maradjanak, amihez nagy merevség és kiváló fáradtságállóság is szükséges. A Zhangqiu Heavy Forging leírja a kovácsolt bolygóhordozókkal szemben támasztott legfontosabb követelményeket: a hálóhoz közeli alakítási folyamat a precíz megmunkálással kombinálva biztosítja a méretpontosság és a helyzettűrés szigorú ellenőrzését, precíz együttműködést biztosít a bolygókerekes fogaskerekekkel, napfogaskerekekkel és kimenő tengelyekkel, csökkentve az átviteli veszteséget és a zajt (Forrás: Zhangqiu Heavy Forging, Geargedri). A bolygóhordozókhoz használt anyagok közé tartoznak a 42CrMo, 20CrMnTi és 35CrMo nagyszilárdságú ötvözött acélok, hőkezelési szekvenciákkal, oltással és megeresztéssel, valamint karburizálással, hogy elérjék a megfelelő egyensúlyt a felületi keménység és a mag szívóssága között (Forrás: Zhangqiu Heavy Forging).

Sun Gear és Pinion Gears

A napfogaskerék a bolygófokozat közepén helyezkedik el, és egyidejűleg illeszkedik az összes bolygókerekes fogaskerékhez, míg a fogaskerekes fogaskerekek a többfokozatú sebességváltó spirális fokozataiban jelennek meg, ahol további sebességnövelésre van szükség. Mindkét típust ötvözött acélminőségből kell kovácsolni, megfelelő edzettséggel ahhoz, hogy a durva megmunkálás után karburizálással vagy nitridálással karburálás vagy nitridálás révén edzett fogoldalak jöjjenek létre, biztosítva a felületi keménységet, amely ahhoz szükséges, hogy ellenálljon a lyukasztásnak és a fogoldali kifáradásnak több évtizedes ciklikus terhelés során.

Bemeneti és kimeneti tengelyek

A bemenő tengely a fő rotor tengelyét a sebességváltó első bolygófokozatával, a nagy sebességű kimenő tengely pedig a végső fogaskerék fokozatot a generátor tengelykapcsolójával köti össze. Mindkét tengely eltérő terhelési profillal rendelkezik: a bemenő tengely nagy nyomatékot hordoz alacsony fordulatszámon, nagy hajlítónyomatékokkal a rotortól, míg a kimenő tengely kisebb nyomatékot hordoz nagy fordulatszámon, a generátor terhelési tranziensei miatti torziós kifáradás mellett. A Tiptop Heavy Forging megjegyzi, hogy a szélturbinás rendszerben a nagy sebességű tengely a sebességváltó után helyezkedik el, sokkal gyorsabban forog, de kisebb nyomatékot ad át a generátornak, és mindkét tengelytípushoz nagy méretekre és erős kovácsolt anyagokra van szükség (Forrás: Tiptop Heavy Forging, Shaft of a Wind Turbine: Structure, Materials and Forging).

Miért szükséges a kovácsolás a sebességváltó-alkatrészekhez?

Nem előnyben részesítjük azt a döntést, hogy inkább kovácsoljunk, mint öntsünk sebességváltó-minőségű alkatrészeket; ez egy olyan követelmény, amelyet a szélturbinák működésének fáradtsági élettartama vezérel.

Gabonaáramlás és mechanikai fölény

A kovácsolás nagy nyomóerő hatására fémet formál, amely lezárja a belső üregeket, finomítja a szemcseszerkezetet, és az alkatrész geometriája mentén igazítja a szemcseáramlást. Ez lényegesen nagyobb folyáshatárral, szakítószilárdsággal és fáradásállósággal rendelkező alkatrészt eredményez, mint az azonos ötvözetből történő öntéssel előállított azonos geometria. A Tiptop Heavy Forging elmagyarázza, hogy a kovácsolás oly módon változtatja meg a fém belső szerkezetét, hogy segítsen nagy, megbízható alkatrészeket előállítani a nagy igénybevételnek kitett szolgáltatásokhoz, és hogy a szélturbinák főtengelyei általában kovácsolt acélból készülnek, nem pedig kifejezetten e szerkezeti különbség miatt öntöttek (Forrás: Tiptop Heavy Forging, Shaft of a Wind Turbine).

Fáradt élettartam ciklikus terhelésben

A szélturbina hajtómű alkatrészei a rotor minden fordulatánál kifáradási terhelést tapasztalnak, és a 20 éves tervezési élettartam üzemi sebesség mellett több százmillió feszültségciklusnak felel meg a fogaskerekek fogain és a tengely keresztmetszetein. Az öntött alkatrészek zsugorodási porozitást, gázzárványokat és véletlenszerű szemcseorientációt tartalmaznak, amelyek olyan feszültségkoncentrációkat hoznak létre, amelyeknél a fáradási repedések keletkezhetnek és továbbterjedhetnek. A zárt porozitású és összehangolt szemcseszerkezetű kovácsolt alkatrészek lényegesen magasabb kifáradási határt biztosítanak, lehetővé téve számukra, hogy sokkal több cikluson keresztül ugyanazt a feszültségi amplitúdót tartsák fenn a repedés kialakulása előtt. A Zhangqiu Heavy Forging dokumentációja a kovácsolt bolygókerekes hajtóművek hordozóiról, amelyek 2-3-szor hosszabb élettartamot érnek el, mint a szokásos folyamatok, közvetlenül számszerűsíti ezt a kifáradási előnyt alkalmazás-specifikus értelemben (Forrás: Zhangqiu Heavy Forging, Kovácsolt bolygókerekes hajtómű-hordozó).

Méretstabilitás terhelés alatt

A fogaskerék hálópontossága minden kovácsolt alkatrész méretstabilitásától függ mind statikus, mind dinamikus terhelés mellett. Ha egy bolygóhordozó terhelés hatására úgy tér el, hogy megváltozik a bolygókerekek tengelyeinek egymáshoz viszonyított helyzete, akkor a bolygókerekek közötti terheléselosztás egyenlőtlenné válik, és a túlterhelt bolygókerekek idő előtt meghibásodnak. A kiszámítható, egységes anyagtulajdonságokkal rendelkező kovácsolt alkatrészek könnyebben modellezhetők és a merevségi követelményeknek megfelelően tervezhetők, mint a metszetben változó tulajdonságokkal rendelkező öntvények.

A szélturbinás sebességváltó kovácsolásában használt acélminőségek

A sebességváltó-kovácsolt anyagok anyagválasztása egyensúlyban tartja a keménységet, a szívósságot, a megmunkálhatóságot és a rendelkezésre állást a globális ellátási láncokon keresztül.

A Fuhong Steel megerősíti, hogy a 18CrNiMo7-6 és a 8620 az európai és amerikai vásárlók által főként szélenergia-hajtóművekhez használt acéltípusok, tükrözve az egyes nagyobb piacokon kialakult eltérő anyagszabvány-preferenciákat (Forrás: Fuhong Steel, Special Steel for Wind Power Equipment Forgings). A fokozatok közötti választást a hajtómű funkciója, a karburálás után szükséges házmélység, az adott feszültségi állapothoz szükséges magkeménység és az OEM tanúsítási követelményei határozzák meg.

Hőkezelési sorozatok sebességváltó kovácsolásához

A kovácsolt állapotban lévő kovácsolás nem rendelkezik a sebességváltó szervizeléséhez szükséges mechanikai tulajdonságokkal. A kovácsolás és durva megmunkálás utáni hőkezelés elengedhetetlen a felületi keménység és a mag szívóssága kombinációjának eléréséhez, amelyet a fogaskerekek fogai és a tengely keresztmetszete megkövetel.

1. Normalizálás: kovácsolás után alkalmazzák a maradék feszültségek enyhítésére, a szerkezet homogenizálására, valamint az anyag előkészítésére a későbbi megmunkálásra és hőkezelésre a nem normalizált kovácsolásoknál előforduló torzulások nélkül
2. Edzés és temperálás: olyan szerkezeti elemekhez használják, mint a bolygótartók és tengelyek a nagy magszilárdság és szívósság kialakítása érdekében; a kioltási sebességet és a temperálási hőmérsékletet úgy választják meg, hogy megcélozzák a tervezési szabvány által megkövetelt fajlagos folyáshatárt és ütési energiát
3. Karburizálás és tokok keményítése: bolygókerekek, napfogaskerekek, gyűrűs fogaskerekek és fogaskerekek fogaskerekeihez használják; a szén egy meghatározott mélységig diffundálódik a felületi rétegbe, ezt követi a keményítés, hogy a felület keménysége jellemzően az 58-62 HRC tartományban legyen, miközben a mag szívós marad.
4. Nitridálás: ott használják, ahol a karburálás okozta torzulás elfogadhatatlan, vagy ahol az ötvözet összetétele alkalmas nitrogéndiffúziós keményítésre; kemény tokot ér el alacsonyabb hőmérsékleten és kisebb méretváltozással, mint a karburálás
5. Indukciós edzés: kiválasztott tengelyfelületekhez, mint például csapágyfészek, ahol helyi felületedzésre van szükség a teljes karburálás költsége nélkül

A Zhangqiu Heavy Forging leírja a bolygóhordozók anyag- és hőkezelési kiválasztását: előnyben részesített préskovácsolási és szabad kovácsolási eljárásokat alkalmaznak, olyan anyagokkal, mint a 42CrMo, 20CrMnTi és 35CrMo nagyszilárdságú ötvözött acélok, amelyek hűtéssel és megeresztéssel, valamint karburálással és hűtéssel vannak kombinálva a szilárdság és a keménység közötti egyensúly eléréséhez. Kovácsolt, kovácsolt bolygókerekes fogaskerekes tartó).

Minőségi és vizsgálati szabványok a szélturbinás sebességváltó kovácsolásához

A szélturbinás hajtómű kovácsolásait nyomon követhető anyag- és méretszabványok szerint gyártják, dokumentált vizsgálati jegyzőkönyvekkel, amelyek végigkísérik az alkatrészeket az ellátási láncon keresztül, és rendelkezésre állnak a turbina élettartama alatt.

1. A kémiai összetétel ellenőrzése minden egyes hő spektrográfiai analízisével az anyag minőségének megerősítésére a vonatkozó szabvány specifikációs határain belül
2. A kovácsolásból vagy azonos körülmények között kovácsolt próbadarabból származó minták mechanikai tulajdonságainak vizsgálata, beleértve a szakítószilárdságot, a folyáshatárt, a nyúlást, a terület csökkentését és a Charpy ütési energiát a megadott vizsgálati hőmérsékleten
3. A teljes kovácsolt térfogat ultrahangos vizsgálata olyan belső hibák, zárványok vagy elkülönülések kimutatására, amelyek nem láthatók a felületen, de csökkentik a fáradási szilárdságot a használat során
4. Felületek mágneses részecskék vizsgálata vagy festék áthatoló vizsgálata a kovácsolás vagy hőkezelés során keletkezett felületi repedések kimutatására
5. Méretellenőrzés a rajztűrésekig koordináta mérőgépekkel összetett geometriákhoz és precíziós méréshez kritikus furatátmérők és reteszhornyok esetén
6. Keménységellenőrzés Brinell- vagy Rockwell-teszttel meghatározott helyeken annak igazolására, hogy a hőkezelés elérte a kívánt tulajdonságokat a szakaszon keresztül

Az ACE folyamat Szélturbinás sebességváltó kovácsolás ennek a teljes minőségi szabványnak megfelelően készülnek, anyagtanúsítványokkal, mechanikai vizsgálati jegyzőkönyvekkel, roncsolásmentes vizsgálati jegyzőkönyvekkel és méretellenőrzési dokumentációval minden egyes kovácsolással együtt, hogy támogassák a szélturbinák OEM-jei és tanúsító szervezeteik nyomon követhetőségi és tanúsítási követelményeit.