Kucie pierścieni podziałowych i kucie pierścieni odchylających: proces, materiały i zastosowania w turbinach wiatrowych

Jakie są Odkuwki pierścieni podziałowych i odkuwki pierścieni odchylających?

W turbinie wiatrowej dwa kute pierścienie o dużej średnicy pełnią zasadniczo różne, ale równie krytyczne funkcje. The kucie pierścieni smołowych tworzy rdzeń konstrukcyjny łożyska podziałowego, umożliwiając każdemu ostrzu obrót wokół własnej osi wzdłużnej i dostosowanie jego kąta względem napływającego wiatru. The kucie pierścienia odchylającego umieszczony u podstawy gondoli, pozwala całemu zespołowi gondoli i wirnika obracać się w poziomie i śledzić zmiany kierunku wiatru.

Obydwa elementy są klasyfikowane jako odkuwki walcowane o dużej średnicy — zazwyczaj od 1000 mm do ponad 3000 mm średnicy zewnętrznej w zależności od klasy turbiny – przy czym obie turbiny muszą wytrzymać dziesiątki milionów cykli obciążenia w okresie eksploatacji od 20 do 30 lat. Konsekwencją przedwczesnej awarii któregokolwiek elementu jest całkowite wyłączenie turbiny, co sprawia, że ​​dobór surowców i kontrola procesu kucia są czynnikami niepodlegającymi negocjacjom w ich produkcji.

Proces kucia: od kęsa do gotowego pierścienia

Zarówno pierścienie podziałowe, jak i odchylające są wytwarzane przez proces kucia pierścieni walcowanych na gorąco , który zapewnia doskonałe właściwości mechaniczne w porównaniu z odlewaniem lub wytwarzaniem płyt. Typowa sekwencja produkcji jest następująca:

1. Cięcie i podgrzewanie kęsów — Kęs stalowy jest cięty do obliczonej objętości i podgrzewany do odpowiedniej temperatury kucia (zwykle 1100–1250 °C dla stali stopowych).
2. Denerwujące i uderzające — Kęs jest spęczany na prasie w celu zmniejszenia wysokości i zwiększenia średnicy, a następnie dziurkowany w celu utworzenia centralnego otworu, tworząc preformę w kształcie pączka.
3. Walcowanie trzpieniowe i promieniowe — Preformę umieszcza się na walcarce pierścieniowej, gdzie rolka napędowa i trzpień wywierają ciągły nacisk promieniowy i osiowy, zmniejszając grubość ścianki i zwiększając średnicę pierścienia, aż do osiągnięcia docelowych wymiarów.
4. Obróbka cieplna — Zazwyczaj w celu osiągnięcia wymaganego profilu twardości stosuje się hartowanie i odpuszczanie 260–320 HB do zastosowań z pierścieniami odchylającymi i odchylającymi.
5. Obróbka zgrubna i wykańczająca — Toczenie CNC, frezowanie, frezowanie kół zębatych (w przypadku pierścieni zębatych) i wiercenie uzupełniają wymagania wymiarowe.
6. Badania nieniszczące (NDT) — Badania ultradźwiękowe (UT) i inspekcja magnetyczno-proszkowa (MPI) weryfikują przed dostawą solidność wewnętrzną i integralność powierzchni.

W procesie tym powstaje w pełni kuta mikrostruktura o rozdrobnionym ziarnie z włóknistymi liniami przepływu zorientowanymi obwodowo — jest to idealna orientacja, aby przeciwstawić się obciążeniom skrętnym i zginającym, na jakie działają pierścienie pochylenia i odchylenia podczas pracy.

Wybór materiału: gatunki stopów spełniające normy dotyczące energii wiatrowej

Wybór materiału na odkuwki z pierścieniem skośnym i odchylonym zależy od konieczności zrównoważenia wysokiej wytrzymałości, odpowiedniej ciągliwości w niskich temperaturach i dobrej hartowności w grubych przekrojach. Najczęściej określane są następujące gatunki:

W przypadku instalacji morskich lub arktycznych, poniżej zera udarność Charpy’ego (zwykle ≥27 J w temperaturze -40 ° C) staje się specyfikacją obowiązkową. W takich przypadkach preferowane są gatunki stopowe niklu, takie jak 34CrNiMo6 lub normalizowane drobnoziarniste stale konstrukcyjne w porównaniu ze standardowymi gatunkami chromowo-molibdenowymi.

Kluczowe różnice między pierścieniem podziałowym a Odkuwki pierścieni odchylających

Chociaż obydwa komponenty podążają tą samą drogą kucia rdzenia, w praktyce ich wymagania projektowe znacznie się od siebie różnią:

• Ilość na turbinę: Wykorzystuje turbinę trójłopatkową trzy pierścienie podziałowe (jeden na ostrze), ale tylko jeden pierścień odchylenia .
• Zęby przekładni: Pierścienie odchylenia są prawie zawsze uzębione wewnętrznie lub zewnętrznie (pierścień zębaty z rowkiem), napędzany wieloma silnikami napędowymi odchylenia. Pierścienie podziałowe mogą być zębate lub mieć konstrukcję zębnikowo-segmentową, w zależności od specyfikacji OEM.
• Załaduj znak: Doświadczenie z pierścieniami podziałowymi oscylacyjne mikroruchy o wysokiej częstotliwości ponieważ nachylenie łopatek jest stale regulowane podczas pracy turbiny. Pierścienie odchylenia ulegają wolniejsze obroty z większym momentem obrotowym podczas śledzenia kierunku wiatru.
• Wymagania dotyczące twardości bieżni: Pierścienie podziałowe zazwyczaj wymagają bieżni hartowanych indukcyjnie ( 58–62 HRC ), aby wytrzymać zmęczenie styku tocznego pod wpływem mikroruchów o dużej liczbie cykli. Pierścienie odchylające często wymagają nieco niższej twardości powierzchni, ale wymagają doskonałej odporności zmęczeniowej nasady zębów przekładni.
• Tolerancja wymiarowa: Obydwa są komponentami precyzyjnymi, ale nieokrągłość pierścienia obrotu i dokładność skoku przekładni są szczególnie krytyczne, ponieważ błędy przenoszą się bezpośrednio na ustawienie gondoli i wydajność układu napędowego.

Standardy jakości i wymagania certyfikacyjne

Odkuwki podziałowe i pierścienie odchylające turbin wiatrowych podlegają najbardziej rygorystycznym wymaganiom jakościowym w przemyśle kuźniczym. Specyfikacje zamówień zazwyczaj odwołują się do:

• EN 10228-3 / EN 10228-4 — Badania nieniszczące odkuwek stalowych (inspekcja ultradźwiękowa i magnetyczno-proszkowa)
• ASTM A388 — Badania ultradźwiękowe ciężkich odkuwek stalowych
• ISO6336 — Obliczenia nośności przekładni (dla sekcji pierścieni zębatych)
• Wytyczne DNV-ST-0361/GL — Wymagania dotyczące certyfikacji typu dla łożysk turbin wiatrowych i odkuwek konstrukcyjnych
• IEC 61400-1 — Wymagania projektowe turbin wiatrowych, w tym trwałość zmęczeniowa elementów konstrukcyjnych

W praktyce większość producentów OEM pierwszego poziomu uzupełnia te standardy publiczne własnymi audytami kwalifikacji dostawców, protokołami kontroli pierwszego artykułu i wymaganiami dotyczącymi identyfikowalności materiałów, sięgającymi aż do ciepła stopionej stali. Kontrola w obecności strony trzeciej przez organizacje takie jak Bureau Veritas, TÜV lub SGS podczas kucia, obróbki cieplnej i obróbki końcowej jest powszechne w przypadku dużych kontraktów na turbiny morskie.

Trendy napędzające innowacje w kuciu pierścieni podziałowych i odchylających

Ponieważ moc znamionowa turbin wiatrowych stale rośnie – modele offshore obecnie ją przekraczają 15 MW na jednostkę — odkuwki pierścieni podziałowych i odchylających są przesuwane do nowych granic wymiarów i wydajności. Kilka udoskonaleń zmienia sposób projektowania i wytwarzania tych komponentów:

• Większe średnice pierścieni: Pierścienie odchylające dla platform o mocy 12–15 MW mogą osiągać średnice zewnętrzne 3500–4500 mm , wymagających walcowni pierścieniowych o wydajnościach przekraczających 500 ton i specjalistycznych pieców do obróbki cieplnej.
• Zintegrowane konstrukcje pierścieni łożyskowych: Niektóre układy podziałowe nowej generacji zmierzają w kierunku kutych konstrukcji monoblokowych pierścieni obrotowych, które łączą bieżnię łożyska, zęby koła zębatego i kołnierz konstrukcyjny w jednym kutym elemencie, redukując liczbę styków montażowych i poprawiając trwałość zmęczeniową.
• Zaawansowana symulacja: Symulacja procesu kucia oparta na FEA (np. przy użyciu DEFORM lub Simufact) jest coraz częściej stosowana w celu optymalizacji przepływu ziaren, minimalizacji wad odkuwki i zmniejszenia ilości złomu materiału przed pierwszą próbą fizyczną.
• Czystsze topienie stali: Odgazowanie próżniowe (VD/VOD) i przetapianie elektrożużlowe (ESR) są coraz częściej stosowane w celu uzyskania zawartości wodoru poniżej 1,5 ppm i bardzo niski współczynnik włączenia, wydłużający trwałość zmęczeniową w zastosowaniach o dużej liczbie cykli.
• Lokalizacja łańcucha dostaw: W miarę przyspieszania wdrażania energii wiatrowej w Azji, Ameryce Północnej i Europie producenci OEM kwalifikują regionalnych dostawców kucia, aby skrócić czas realizacji i koszty logistyki tych dużych, ciężkich komponentów.