Čo sú výkovky prevodovky veterných turbín?

Výkovky pre prevodovku veterných turbín sú presne tvarované oceľové komponenty, ktoré tvoria vnútornú štruktúru prenosu energie prevodovky veternej turbíny, vyrobené procesom kovania za tepla alebo v uzavretej zápustke, ktoré vyrovnávajú štruktúru zŕn ocele pre maximálnu odolnosť proti únave a nosnosť. Primárne kované komponenty v prevodovke veternej turbíny sú korunové koleso, planétové kolesá, planétový nosič, centrálne koleso, vstupné a výstupné hriadele a pastorkové kolesá. Tieto diely sú skôr kované ako odlievané, pretože prevodovka pracuje pri nepretržitom striedavom zaťažení z premenlivých vstupov vetra a hustá kovová konštrukcia bez defektov vyrobená kovaním poskytuje únavovú životnosť potrebnú na splnenie typickej 20-ročnej konštrukčnej životnosti modernej veternej turbíny (Zdroj: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier). Kovanie nie je zameniteľné s odlievaním komponentov prevodovky, pretože rozdiely v mechanických vlastnostiach medzi týmito dvoma procesmi priamo určujú, ako dlho prevodovka vydrží pri reálnom prevádzkovom zaťažení.

Úloha prevodovky vo veternej turbíne

Aby sme pochopili, prečo tak záleží na kvalite kovania komponentov prevodovky, je potrebné pochopiť, čo prevodovka robí vo vnútri turbíny a aké je mechanické prostredie, v ktorom pracuje.

Rotor veternej turbíny sa pomaly otáča v reakcii na vietor, zvyčajne medzi 10 a 22 otáčkami za minútu pre veľkú multi-megawattovú turbínu. Generátor, ktorý premieňa mechanickú energiu na elektrickú, sa musí točiť pri oveľa vyšších rýchlostiach, zvyčajne 1 000 až 1 500 otáčok za minútu alebo viac. Prevodovka tento rozdiel otáčok premosťuje. Fuhong Steel popisuje funkciu priamo: veterná prevodovka je základnou súčasťou veternej turbíny, pričom jej hlavnou funkciou je premieňať kinetickú energiu generovanú veterným kolesom pôsobením vetra na mechanickú energiu a nakoniec ju prenášať do generátora (Zdroj: Fuhong Steel, Special Steel for Wind Power Equipment Forgings). Patentová prihláška popisujúca zostavu prevodovky potvrdila, že hriadeľ rotora poskytuje nízkorýchlostný vstup s vysokým krútiacim momentom do prevodovky, ktorá je potom nakonfigurovaná na konverziu tohto vstupu na vysokorýchlostný výstup s nižším krútiacim momentom, ktorý poháňa generátor (Zdroj: patent USPTO 11085421, Planétový nosič of a Wind Turbine Gearbox with Improved Lubricant Path).

Mechanické nároky tejto prestavby sú extrémne. Prevodovka musí zvládnuť plynule meniteľné zaťaženie krútiaceho momentu pri kolísaní rýchlosti vetra, náhlych nárazových zaťaženiach pri nárazoch, nepretržitej cyklickej únave počas 20 a viac rokov a to všetko spoľahlivo v gondole umiestnenej vysoko nad zemou, kde je servis nákladný a výmena hlavných komponentov môže stáť státisíce dolárov za akciu. Tieto požiadavky sú dôvodom, prečo je každý hlavný konštrukčný komponent vo vnútri prevodovky špecifikovaný ako výkovok a nie ako odliatok.

Primárne kované komponenty v prevodovke veternej turbíny

Prevodovka veternej turbíny nie je jediný kovaný diel. Ide o zostavu niekoľkých odlišných kovaných komponentov, z ktorých každý vykonáva špecifickú funkciu v stupňoch planétového a špirálového prevodu, ktoré tvoria hnacie ústrojenstvo zvyšujúce plnú rýchlosť.

Ozubené krúžky (Anulus Gear)

Ozubené koleso je veľké vonkajšie ozubené koleso s vnútornými zubami, ktoré tvorí vonkajšie ohraničenie stupňa planétového súkolesia. Planétové ozubené kolesá pri obiehaní okolo centrálneho kolesa zaberajú s jeho vnútorným povrchom a ozubené koleso buď zostáva nehybné, alebo sa otáča v závislosti od konštrukcie prevodovky. Pretože korunové koleso prenáša plné krútiace zaťaženie planétového stupňa a je v neustálom kontakte zubov s tromi alebo viacerými planétovými kolesami súčasne, jeho materiálové vlastnosti a rozmerová presnosť sú rozhodujúce pre výkon celej prevodovky. Patent USPTO popisujúci proces výroby ozubeného venca poznamenáva, že ozubené koliesko sa vo všeobecnosti vytvára kovaním a musí byť následne tepelne spracované, aby sa získala požadovaná tvrdosť, a že rozmerová presnosť prostredníctvom procesu kovania a tepelného spracovania je kritická, pretože tepelné spracovanie môže spôsobiť rozmerové skreslenie, ktoré si vyžaduje korekciu obrábania (Zdroj: Patent USPTO 10495210, Integral Arming Gear Gear and Turbine Box).

Planet Gears

Planétové ozubené kolesá sú medziľahlé ozubené kolesá, ktoré obiehajú medzi korunovým kolesom a centrálnym kolesom a prenášajú medzi nimi krútiaci moment a zároveň sa otáčajú okolo svojich vlastných osí. V planétovom stupni veľkej veternej turbíny zvyčajne tri alebo štyri planétové kolesá zdieľajú celkové zaťaženie a rozdeľujú ho medzi viaceré zubové kontakty súčasne. Toto usporiadanie dosahuje vysokú hustotu krútiaceho momentu v kompaktnom balení, ale tiež to znamená, že každé planétové koleso nesie významnú časť celkového zaťaženia pri nepretržitom cyklovaní únavy. Zhangqiu Heavy Forging potvrdzuje, že po tepelnom spracovaní kalením a popúšťaním dokážu kované nosiče planétových prevodov vydržať dlhodobé striedavé namáhanie so životnosťou, ktorá je 2 až 3 krát dlhšie než komponenty vyrábané bežnými procesmi, pomer, ktorý platí rovnako pre samotné planétové kolesá (Zdroj: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Planet Carrier

Planétový nosič je konštrukčný komponent, ktorý drží hriadele planétového kolesa v ich správnych orbitálnych polohách voči sebe navzájom a voči prstencovým a centrálnym kolesám. Musí udržiavať presnú polohovú presnosť pri zaťažení, aby súčasne udržali všetky planétové kolesá v správnom zábere, čo si vyžaduje vysokú tuhosť a vynikajúcu odolnosť proti únave. Zhangqiu Heavy Forging popisuje kľúčové požiadavky na kovaný planétový nosič: proces tvarovania v blízkosti siete v kombinácii s precíznym spracovaním zaisťuje prísnu kontrolu presnosti veľkosti a polohovej tolerancie, zaisťuje presnú spoluprácu s planétovými kolesami, centrálnymi kolesami a výstupnými hriadeľmi, čím znižuje straty a hluk v prevodovke (Zdroj: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier). Materiály používané pre planétové nosiče zahŕňajú vysokopevnostné legované ocele 42CrMo, 20CrMnTi a 35CrMo s postupmi tepelného spracovania kalením a popúšťaním plus nauhličovaním na dosiahnutie správnej rovnováhy medzi tvrdosťou povrchu a húževnatosťou jadra (Zdroj: Zhangqiu Heavy Forging).

Slnečné ozubené koleso a pastorkové ozubené kolesá

Centrálne koleso je umiestnené v strede planétového stupňa a súčasne zaberá so všetkými planétovými kolesami, zatiaľ čo pastorkové kolesá sa objavujú v špirálových stupňoch viacstupňovej prevodovky, kde je potrebné dodatočné zvýšenie rýchlosti. Oba typy musia byť vykované z legovaných ocelí s dostatočnou prekaliteľnosťou, aby sa docielili cementovaním alebo nitridáciou po hrubom obrábaní bokov zubov cementovaním, čím sa poskytuje povrchová tvrdosť potrebná na to, aby odolala jamkovej korózii a únave bokov zubov počas desaťročí cyklického zaťaženia.

Vstupné a výstupné hriadele

Vstupný hriadeľ spája hriadeľ hlavného rotora s prvým planétovým stupňom prevodovky a vysokorýchlostný výstupný hriadeľ spája koncový prevodový stupeň so spojkou generátora. Oba hriadele majú rozdielne profily zaťaženia: vstupný hriadeľ nesie vysoký krútiaci moment pri nízkych otáčkach s vysokými ohybovými momentmi z rotora, zatiaľ čo výstupný hriadeľ nesie nižší krútiaci moment pri vysokej rýchlosti s torznou únavou z prechodov zaťaženia generátora. Tiptop Heavy Forging poznamenáva, že vysokorýchlostný hriadeľ v systéme veternej turbíny je umiestnený za prevodovkou, otáča sa oveľa rýchlejšie, ale prenáša nižší krútiaci moment na generátor, a že oba typy hriadeľov vyžadujú veľké rozmery a silné kované materiály (Zdroj: Tiptop Heavy Forging, Shaft of a Wind Turbine: Structure, Materials and Forging).

Prečo je kovanie nevyhnutným procesom pre komponenty prevodovky

Rozhodnutie radšej kovať ako odlievať komponenty prevodovky nie je preferenciou; je to požiadavka vyvolaná požiadavkami na únavovú životnosť prevádzky veterných turbín.

Tok zŕn a mechanická prevaha

Kovanie tvaruje kov pri vysokej tlakovej sile, ktorá uzatvára vnútorné dutiny, zjemňuje štruktúru zŕn a vyrovnáva tok zŕn pozdĺž geometrie dielu. To vytvára komponent s výrazne vyššou medzou klzu, pevnosťou v ťahu a odolnosťou proti únave ako pri rovnakej geometrii vyrobenej odlievaním z rovnakej zliatiny. Tiptop Heavy Forging vysvetľuje, že kovanie mení vnútornú štruktúru kovu spôsobmi, ktoré pomáhajú pri výrobe veľkých a spoľahlivých komponentov pre náročnú prevádzku, a že hlavné hriadele veterných turbín sú zvyčajne vyrobené z kovanej ocele a nie sú špeciálne odlievané z dôvodu tohto štrukturálneho rozdielu (Zdroj: Tiptop Heavy Forging, Shaft of a Wind Turbine).

Únavový život pri cyklickom zaťažení

Komponenty prevodovky veternej turbíny sú vystavené únavovému zaťaženiu pri každej otáčke rotora a 20-ročná konštrukčná životnosť pri prevádzkovej rýchlosti zodpovedá stovkám miliónov namáhacích cyklov naprieč zubami ozubeného kolesa a prierezom hriadeľa. Liate komponenty obsahujú pórovitosť zmršťovania, plynové inklúzie a náhodnú orientáciu zŕn, ktoré vytvárajú koncentrácie napätia, pri ktorých sa môžu iniciovať a šíriť únavové trhliny. Kované komponenty s uzavretou pórovitosťou a zarovnanou štruktúrou zŕn poskytujú výrazne vyššiu medzu únavy, čo im umožňuje udržať rovnakú amplitúdu napätia oveľa viac cyklov pred iniciáciou trhliny. Dokumentácia spoločnosti Zhangqiu Heavy Forging o kovaných nosičoch planétových prevodov, ktoré dosahujú 2 až 3-krát dlhšiu životnosť ako bežné procesy, priamo kvantifikuje túto výhodu únavy v termínoch špecifických pre aplikáciu (Zdroj: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Rozmerová stabilita pri zaťažení

Presnosť ozubenia závisí od rozmerovej stability každého kovaného dielu pri statickom aj dynamickom zaťažení. Ak sa planétový nosič pri zaťažení vychýli tak, že zmení vzájomnú polohu hriadeľov planétových súkolesí, rozdelenie zaťaženia medzi planétové súkolesie sa stane nerovnomerným a preťažené planétové súkolesie predčasne zlyhá. Kované komponenty s predvídateľnými, jednotnými materiálovými vlastnosťami sa ľahšie modelujú a navrhujú pre požiadavky na tuhosť ako odliatky s premenlivými vlastnosťami v priereze.

Akosti ocele používané vo výkovkoch prevodoviek veterných turbín

Výber materiálu pre výkovky prevodoviek vyvažuje kaliteľnosť, húževnatosť, opracovateľnosť a dostupnosť v rámci globálnych dodávateľských reťazcov.

Spoločnosť Fuhong Steel potvrdzuje, že 18CrNiMo7-6 a 8620 sú typy ocele, ktoré používajú najmä európski a americkí zákazníci pre prevodovky na veternú energiu, čo odráža rôzne preferencie štandardných materiálov, ktoré sa vyvinuli na každom hlavnom trhu (zdroj: oceľ Fuhong, špeciálna oceľ pre výkovky zariadení na veternú energiu). Voľba medzi týmito triedami závisí od funkcie ozubeného kolesa, požadovanej hĺbky puzdra po nauhličení, tvrdosti jadra požadovanej pre konkrétny stav napätia a certifikačných požiadaviek OEM.

Sekvencie tepelného spracovania pre výkovky prevodovky

Výkovok v kovanom stave nemá mechanické vlastnosti požadované pre servis prevodovky. Tepelné spracovanie po kovaní a hrubom obrábaní je nevyhnutné na dosiahnutie kombinácie povrchovej tvrdosti a húževnatosti jadra, ktorú ozubenie ozubených kolies a prierezy hriadeľov vyžadujú.

1. Normalizácia: aplikuje sa po kovaní na uvoľnenie zvyškových napätí, homogenizáciu štruktúry a prípravu materiálu na následné obrábanie a tepelné spracovanie bez deformácií, ktoré sa môžu vyskytnúť pri nenormalizovaných výkovkoch
2. Kalenie a popúšťanie: používa sa pre konštrukčné komponenty, ako sú planétové nosiče a hriadele na dosiahnutie vysokej pevnosti a húževnatosti jadra; rýchlosť ochladzovania a temperovacia teplota sa vyberajú tak, aby sa zamerali na špecifickú medzu klzu a energiu nárazu požadovanú konštrukčnou normou
3. Nauhličovanie a kalenie: používa sa na ozubenie na planétových kolesách, centrálnych kolesách, ozubených kolieskach a pastorkoch; uhlík je rozptýlený do povrchovej vrstvy do špecifikovanej hĺbky puzdra, po ktorom nasleduje kalenie, aby sa dosiahla povrchová tvrdosť typicky v rozsahu 58 až 62 HRC, zatiaľ čo jadro zostáva húževnaté
4. Nitridácia: používa sa tam, kde je deformácia z nauhličovania neprijateľná alebo kde je zloženie zliatiny vhodné na vytvrdzovanie difúziou dusíka; dosahuje tvrdé puzdro pri nižších teplotách a s menšou rozmerovou zmenou ako pri nauhličovaní
5. Indukčné kalenie: používa sa pre vybrané povrchy hriadeľa, ako sú napríklad sedlá ložísk, kde je potrebné lokálne kalenie povrchu bez nákladov na úplné nauhličovanie

Zhangqiu Heavy Forging popisuje výber materiálu a tepelného spracovania pre planétové nosiče: používajú sa preferované procesy zápustkového kovania a voľného kovania s materiálmi vrátane vysokopevných legovaných ocelí 42CrMo, 20CrMnTi a 35CrMo kombinovaných s kalením a popúšťaním plus nauhličovaním a kalením, aby sa dosiahla rovnováha medzi pevnosťou a húževnatosťou (pevnosť a húževnatosť) kovaný nosič planétového súkolia).

Normy kvality a testovania pre výkovky prevodoviek veterných turbín

Výkovky prevodoviek veterných turbín sa vyrábajú podľa vysledovateľných materiálových a rozmerových noriem so zdokumentovanými záznamami skúšok, ktoré sprevádzajú komponenty v rámci dodávateľského reťazca a zostávajú dostupné počas životnosti turbíny.

1. Overenie chemického zloženia spektrografickou analýzou každého tepla na potvrdenie kvality materiálu v rámci špecifikačných limitov príslušnej normy
2. Skúšanie mechanických vlastností na vzorkách kupónu z výkovku alebo zo skúšobného kusu kovaného za rovnakých podmienok, vrátane pevnosti v ťahu, medze klzu, predĺženia, zmenšenia plochy a energie nárazu Charpyho pri špecifikovanej skúšobnej teplote
3. Ultrazvukové testovanie celého objemu výkovku na zistenie vnútorných chýb, inklúzií alebo segregácií, ktoré nie sú viditeľné na povrchu, ale znížili by únavovú pevnosť v prevádzke
4. Magnetická kontrola častíc alebo kontrola povrchov penetračným farbivom na zistenie povrchových trhlín vzniknutých počas kovania alebo tepelného spracovania
5. Kontrola rozmerov až po tolerancie výkresov pomocou súradnicových meracích strojov pre zložité geometrie a presné meranie pre kritické priemery otvorov a drážky
6. Overenie tvrdosti testovaním podľa Brinella alebo Rockwella na špecifikovaných miestach, aby sa potvrdilo, že tepelným spracovaním sa dosiahli požadované vlastnosti v priereze

Proces ACE Výkovky pre prevodovku veterných turbín sú vyrábané v súlade s týmto úplným štandardom kvality, s materiálovými certifikáciami, správami o mechanických skúškach, záznamami o nedeštruktívnom preskúmaní a dokumentáciou o rozmerovej kontrole, ktorá sa dodáva s každým výkovkom na podporu sledovateľnosti a certifikačných požiadaviek výrobcov OEM veterných turbín a ich certifikačných orgánov.