Kovanie horúcej ocele pre veterný priemysel: Hĺbkové vysvetlenie komponentov prevodovky

Prevodovka veternej turbíny na mori s výkonom 10 MW prenáša dostatočný krútiaci moment na pohyb nákladnej lokomotívy, no napriek tomu sa musí zmestiť do gondoly veternej turbíny sto metrov nad zemou. Planétové unášače, planétové kolesá, centrálne kolesá a korunové kolesá vo vnútri tejto prevodovky sa vyrábajú kovaním za tepla. Ak má jeden z týchto výkovkov vnútornú chybu, výsledkom nie je jednoduchá výmena dielu. Znamená to plavidlo žeriavu, odstránenie hnacieho ústrojenstva a týždne stratenej výroby energie. To je dôvod, prečo sa kovanie ocele za tepla pre veterný priemysel považuje skôr za bezpečnostne kritický krok než za rutinnú prácu pri tvarovaní kovov.

Prečo kovanie veterných komponentov za tepla

Kovanie za tepla je preferovanou metódou pre časti prevodovky veternej prevodovky, pretože vytvára kontinuálny tok zrna a uzatvára vnútorné dutiny, ktoré odlievanie nemôže spoľahlivo odstrániť.

Keď oceľ tuhne vo forme, vytvára sa v nej zmršťovacie dutiny, plynová pórovitosť a miestna segregácia. Kovanie za tepla stláča predvalok pri teplotách medzi 1150 a 1250 Celziami, rozbíja tieto nedokonalosti a zjemňuje štruktúru zŕn. Výsledkom je vyššia hustota, lepšia únavová pevnosť a konzistentnejšie mechanické vlastnosti naprieč komponentom. Hnacie ústrojenstvo veterných turbín zažíva úplný cyklus namáhania pri každej otáčke rotora, takže odolnosť proti únave určuje životnosť viac ako statická pevnosť. Testy na oceli 42CrMo4 ukazujú, že kovaný materiál môže poskytnúť medzu únavy približne o 30 až 40 percent vyššiu ako rovnaká trieda v odlievanej forme. Táto rezerva často oddeľuje 20-ročné hnacie ústrojenstvo od predčasného zlyhania v polovici životnosti.

Vyššie uvedená radarová tabuľka porovnáva kovanie a odlievanie za tepla podľa šiestich kritérií, ktoré sú dôležité pre časti pohonu vetra. Kovaná oceľ vykazuje jasnú výhodu v odolnosti proti únave a štruktúre zŕn, pretože proces deformácie vyrovnáva tok kovu s dráhou zaťaženia. Vnútorná pevnosť je tiež lepšia vo výkovkoch, pretože krok kompresie uzatvára pórovitosť zmršťovania, ktorá zostáva v odliatkoch. Odlievanie má vyššiu nákladovú efektívnosť a dodaciu dobu, a preto sa veľké skrine prevodoviek a nezaťažené kryty stále vyrábajú ako odliatky. Komponenty, ktoré prenášajú krútiaci moment a ohybové zaťaženie, sú však vždy špecifikované ako výkovky. Ak zoradíte tieto kritériá podľa ich vplyvu na dostupnosť turbíny, pre súčiastky prevodovky vyhráva kovaná cesta.

Kované komponenty vo vnútri veternej prevodovky

Väčšina veterných prevodoviek používa planétovú konštrukciu na znásobenie rýchlosti rotora z približne 10 otáčok za minútu na 1000 otáčok za minútu požadovaných generátorom. Kované diely sú sústredené v planétových stupňoch, kde je najvyšší krútiaci moment.

Planétový nosič

Nosič planét je štrukturálnym jadrom každého planetárneho stupňa. Drží tri až šesť hriadeľov planétového súkolesia v presných radiálnych polohách, pričom prenáša plný krútiaci moment turbíny. V prevodovke s výkonom 5 až 10 MW kovaný polotovar planétového nosiča zvyčajne váži medzi 1200 a 2800 kg. Proces kovania musí vytvoriť rovnomerný tok zrna okolo otvorov kolíkov, pretože tieto oblasti nesú najvyššie cyklické napätie. Jednodielny kovaný nosič zabraňuje zvarom, ktoré by sa inak stali miestami vzniku únavy.

Kovaný planétový nosič pre 3-10 MW prevodovky veterných turbín Tento jednodielny kovaný nosič vyhovuje stupňom prevodovky 5-10 MW s rovnomerným tokom zrna okolo otvorov kolíkov, aby zvládli vysoké cyklické namáhanie. Preskúmajte spoľahlivé vysokokapacitné turbínové hnacie ústrojenstvo. Zobraziť produkt →

Planet Gear a Sun Gear

Planétové kolesá sú v zábere s centrálnym kolesom a korunovým kolesom súčasne, čo rozdeľuje prenášané zaťaženie medzi viaceré zubové kontakty. V turbíne s výkonom 5 až 10 MW nesie planétová prevodovka prvého stupňa najvyšší krútiaci moment pri najnižších otáčkach. Centrálne kolesá sa otáčajú rýchlejšie a vyžadujú cementovanú oceľ, aby odolali opotrebovaniu boku zuba. Obidva komponenty sú bežne kované z 18CrNiMo7-6 alebo ekvivalentného stupňa nauhličovania. Kovaný polotovar je hrubo opracovaný, vyrezaný na ozubenie, cementovaný a brúsený do konečného profilu.

Výkovky planétových ozubených kolies kalené v puzdre pre 5-10 MW prevodovky Planétové prevody prvého stupňa nesú najvyšší krútiaci moment pri nízkej rýchlosti, preto sú nevyhnutné kované 18CrNiMo7-6 polotovary s nauhličenými povrchmi. Tento produkt pokrýva všetky tri planetárne stupne. Zobraziť produkt →

Ring Gear

Kruhové koleso je medzikružie s veľkým priemerom s vnútornými zubami. Môže byť vyrobený ako jednodielny prstencový výkovok alebo ako segmentová zváraná zostava, ale jednodielne výkovky lepšie rozložia zaťaženie, pretože žiadny zvarový šev nepretína oblasť napätia. Prstencové valcovanie na vertikálnom prstencovom mlyne vytvára orientáciu zrna, ktorá sleduje smer koreňa zuba, čím sa zlepšuje odolnosť proti únave v ohybe. Polotovar venca prevodovky s výkonom 5 až 10 MW môže vážiť od 1800 do 3500 kg v závislosti od architektúry prevodovky.

Jednodielne výkovky ozubených kolies pre 5-10 MW veterné turbíny Polotovary ozubených kolies s veľkým priemerom až do 3 500 kg ťažia z orientácie zrna pri valcovaní a bez zvarov. Tento produkt podporuje prenos vysokého výkonu s presne brúsenými vnútornými zubami. Zobraziť produkt →

Vodorovný stĺpcový graf vyššie zobrazuje typické hmotnosti kovaného polotovaru pre hlavné rotujúce komponenty vo veternej prevodovke s výkonom 5 až 10 MW. Ozubené krúžky sú najťažšie polotovary v súprave, často presahujúce 3500 kg pred tepelným spracovaním a hrubým opracovaním. Planétové nosiče sú druhou najťažšou skupinou, pretože ide o disky s veľkým priemerom s viacerými otvormi pre kolíky. Prevodové hriadele sú v strednom rozsahu, zatiaľ čo planétové a centrálne kolesá sú ľahšie, ale stále vyžadujú vysokolegovanú oceľ a starostlivé zníženie kovania. Tieto hmotnosti určujú požadovanú kapacitu kladiva alebo lisu, veľkosť vykurovacej pece a obálku obrábania. Dodávateľ s kapacitou 15-tonového kladiva a 1,5-metrovou valcovňou prstencov môže pokryť celý sortiment bez rozdelenia objednávok medzi viacerých predajcov.

Proces kovania za tepla od polotovaru po polotovar

Konverzia oceľového predvalku na certifikované kovanie veternej prevodovky sa riadi riadenou sekvenciou, ktorá kombinuje deformáciu, tepelné spracovanie a kontrolu.

1. Kontrola predvalkov. Pred začatím akejkoľvek práce sa na prichádzajúcom bloku vykonáva ultrazvukové testovanie, aby sa potvrdila vnútorná spoľahlivosť.
2. Kúrenie. Predvalok sa pomaly predhrieva a potom sa máča pri teplote 1150 až 1250 Celzia v plynovej peci.
3. Rozrušujúce. Axiálna kompresia rozbíja štruktúru odliatku a zjemňuje zrno.
4. Predtvarovanie. Vytiahnutie a blokovanie vytvorí medziľahlú geometriu blízko konečného polotovaru.
5. Finálne kovanie. Tvarovanie v uzavretej alebo otvorenej forme určuje vonkajší obrys a kritické hrúbky.
6. Váľanie krúžkov. Pre prstencové ozubené kolesá a iné prstencové diely vertikálna prstencová valcovacia stolica rozširuje predlisok na požadovaný priemer a prierez.
7. Riadené chladenie. Pomalé a rovnomerné chladenie zabraňuje odlupovaniu a zvyšovaniu zvyškového napätia.
8. Hrubé opracovanie a opätovná kontrola. Polotovar je hrubo sústružený, aby sa odstránili šupiny a povrchové chyby, po čom nasleduje ďalší priechod ultrazvukom.

Čiarový graf vyššie ukazuje, ako sa menovitá kapacita veterných turbín na mori vyšplhala zo 4 MW v roku 2016 na 12 MW v roku 2026. Každý krok nahor v hodnotení turbíny núti prevodovku prenášať väčší krútiaci moment cez rovnakú fyzickú obálku. Väčší krútiaci moment znamená väčšie nosiče planét, väčšie ozubené kolieska a ťažšie kované polotovary. Dodávateľ kovania preto musí investovať do väčších bucharov, väčších prstencových mlynov a hlbších pecí na tepelné spracovanie, aby nasledoval tento trend. Kupujúci, ktorí plánujú platformu s výkonom 12 MW, by si mali overiť, že ich kováčsky partner dokáže spracovať prírezy nad 4 000 kg. Táto kontrola kapacity je dôležitejšia ako cena, keď od nej závisí dizajn hnacieho ústrojenstva.

Výber materiálu pre veterné výkovky

Druhy ocele používané vo výkovkoch veterných prevodoviek patria do dvoch skupín: kalené a temperované legované ocele pre unášače a hriadele a cementačné ocele pre zuby ozubených kolies, ktoré potrebujú tvrdý povrch odolný voči opotrebovaniu.

42CrMo4 je široko používaný pre planétové nosiče a ozubené hriadele, pretože kombinuje dobrú pevnosť so stabilným kalením. Únavový dizajn oblastí vreciek nosiča je limitujúcim faktorom, takže pomer redukcie kovania musí byť dostatočne vysoký na zdokonalenie štruktúry jadra. 34CrNiMo6 ponúka vyššiu pevnosť pre ťažké ozubené kolesá a veľké hriadele. 18CrNiMo7-6 je určený pre planétové a centrálne kolesá, ktoré musia odolávať kontaktnej únave po nauhličení.

Stĺpcový graf vyššie porovnáva minimálnu medzu klzu troch tried v kovanom a odlievanom stave. Kované verzie vykazujú stálu výhodu približne 230 až 300 MPa oproti odlievanému materiálu rovnakej chémie. Tento rozdiel je dôležitý pri konštrukcii prevodovky, pretože medza klzu určuje limit ohybového napätia v päte zuba a v otvoroch nosného kolíka. Vyššia medza klzu umožňuje buď kompaktnejšie súkolesie alebo vyššiu bezpečnostnú rezervu pri rovnakej veľkosti. Výroba odliatkov by si vyžadovala ťažšie sekcie na dosiahnutie podobnej nosnosti, čo zvyšuje hmotnosť prevodovky a komplikuje konštrukciu gondoly. To je dôvod, prečo preskúmanie konštrukcie veternej prevodovky takmer vždy špecifikuje kované polotovary pre každú časť v dráhe krútiaceho momentu.

Tepelné spracovanie a cesta ku konečným vlastnostiam

Kovanie za tepla tvaruje polotovar, ale tepelné spracovanie určuje konečné mechanické vlastnosti. Výkovky veternej prevodovky bežne prechádzajú normalizáciou, kalením a popúšťaním a v niektorých prípadoch povrchovým kalením bokov zubov. Každý krok musí byť kontrolovaný, aby sa udržala jednotná tvrdosť na veľkých prierezoch. Sekcia korunového kolesa s hrúbkou 300 mm vyžaduje proces kalenia, ktorý ochladzuje jadro dostatočne rýchlo na dosiahnutie požadovanej martenzitickej štruktúry bez vytvárania trhlín. Zaťaženie pece, kaliace médium a cyklus popúšťania ovplyvňujú konečnú húževnatosť a zvyškové napätie. Pracovná znalosť základy tepelného spracovania kovov pomáha obstarávacím tímom prediskutovať tieto parametre s dodávateľmi a overiť, či plánovaný cyklus zodpovedá triede a veľkosti sekcie.

Ako hodnotiť dodávateľa kovania za tepla pre veterné aplikácie

Schopný partner kovania za tepla pre komponenty vetra musí preukázať viac než len schopnosť udrieť do bloku. Hodnotenie by malo pokrývať celý procesný reťazec a riadiace systémy okolo neho.

• Kapacita kovania. Skontrolujte tonáž kladiva alebo lisu, schopnosť valcovania prstencov a maximálnu hmotnosť predvalkov, ktoré je možné zahriať a kovať.
• Vlastné tepelné spracovanie. Kalenie a popúšťanie sa musí vykonávať v riadených peciach s dokumentovanými teplotnými krivkami.
• Nedeštruktívne testovanie. Ultrazvuková kontrola po kovaní a po hrubom opracovaní je povinná pre veterné polotovary.
• Vysledovateľnosť. Každý polotovar by mal byť spojený s jeho tepelným číslom, záznamom o kovaní a protokolom o tepelnom spracovaní.
• Skúsenosti s veľkými veternými blankami. Vyžiadajte si referencie v segmente prevodoviek 3 až 10 MW.

Dôležitosť vlastného tepelného spracovania sa často podceňuje, kým sa dodávka oneskorí outsourcingom. Hovorte priamo s procesnými inžiniermi a nie len s predajným tímom. Požiadajte o skutočné vykurovacie krivky a ultrazvukové správy z predchádzajúcich objednávok kovania pomocou vetra. Dodávateľ ako napr Stroje ACE pokrýva kompletnú trasu od ohrevu predvalkov až po hotový prírez, čím sa skracuje komunikačné vedenie a kvalitné dáta sú na jednom mieste. Overenie týchto schopností pred zadaním objednávky je najefektívnejším spôsobom, ako sa neskôr vyhnúť problémom s kvalitou.

Kovanie ocele za tepla pre veterný priemysel zostáva náročnou, ale dobre pochopenou disciplínou. Komponenty sú veľké, zaťaženia sú cyklické a náklady na zlyhanie sú extrémne. Dodávateľ s primeranou kapacitou kladiva, riadeným tepelným spracovaním a systematickou kontrolou môže dodať výkovky veternej kvality, ktoré spoľahlivo slúžia počas celej konštrukčnej životnosti turbíny.