Heet staal smeden voor de windindustrie: versnellingsbakcomponenten diepgaand uitgelegd

Een tandwielkast voor een offshore windturbine van 10 Mw brengt voldoende koppel over om een goederenlocomotief voort te bewegen, maar moet toch in de gondel van een windturbine passen, honderd meter boven de grond. De planeetdragers, planeetwielen, zonnewielen en ringwielen in die versnellingsbak worden geproduceerd door heet smeden van staal. Als een van deze smeedstukken een intern defect vertoont, is het resultaat geen eenvoudige vervanging van onderdelen. Het betekent een kraanschip, het verwijderen van de aandrijflijn en wekenlang verloren energieproductie. Dat is de reden waarom het smeden van heet staal voor de windindustrie wordt behandeld als een veiligheidskritische stap in plaats van als een routinematige metaalbewerking.

Waarom heet smeden voor windcomponenten

Heet smeden is de voorkeursmethode voor transmissieonderdelen van windtandwielkasten, omdat het een continue graanstroom produceert en interne holtes sluit die door gieten niet op betrouwbare wijze kunnen worden geëlimineerd.

Wanneer staal in een mal stolt, ontwikkelt het krimpholtes, gasporositeit en lokale segregatie. Heet smeden comprimeert de knuppel bij temperaturen tussen 1150 en 1250 graden Celsius, waardoor deze onvolkomenheden worden verbroken en de korrelstructuur wordt verfijnd. Het resultaat is een hogere dichtheid, betere vermoeiingssterkte en consistentere mechanische eigenschappen van het hele onderdeel. Aandrijflijnen van windturbines ondergaan bij elke rotoromwenteling een volledige spanningscyclus, waardoor weerstand tegen vermoeiing de levensduur meer bepaalt dan statische sterkte. Tests op 42CrMo4-staal laten zien dat gesmeed materiaal een vermoeidheidsgrens kan opleveren die ongeveer 30 tot 40 procent hoger is dan dezelfde kwaliteit in gegoten vorm. Die marge scheidt vaak een aandrijflijn van twintig jaar van een voortijdige midlife-uitval.

Het radardiagram hierboven vergelijkt heet smeden en gieten op basis van zes criteria die van belang zijn voor onderdelen van de windaandrijflijn. Gesmeed staal vertoont een duidelijk voordeel wat betreft weerstand tegen vermoeidheid en korrelstructuur, omdat het vervormingsproces de metaalstroom op één lijn brengt met het belastingspad. De interne stevigheid is ook beter bij smeedstukken, omdat de compressiestap de krimpporositeit sluit die in gegoten delen overblijft. Gietwerk scoort hoger qua kostenefficiëntie en doorlooptijd, waardoor grote tandwielkasten en onbelaste deksels nog steeds als gietstuk worden geproduceerd. De componenten die koppel- en buigbelastingen dragen, worden echter altijd gespecificeerd als smeedstukken. Als je deze criteria rangschikt op basis van hun impact op de beschikbaarheid van turbines, wint de gesmede route voor transmissieonderdelen.

De gesmede componenten in een windversnellingsbak

De meeste windtandwielkasten gebruiken een planetair ontwerp om de rotorsnelheid te vermenigvuldigen van ongeveer 10 tpm tot de 1000 tpm die de generator nodig heeft. De gesmede onderdelen zijn geconcentreerd in de planetaire fasen, waar het koppel het hoogst is.

Planeet Vervoerder

De planeetdrager is de structurele kern van elke planetaire fase. Het bevat drie tot zes planeettandwielassen in nauwkeurige radiale posities terwijl het volledige turbinekoppel wordt overgebracht. In een versnellingsbak van 5 tot 10 MW weegt een gesmede planeetdrager doorgaans tussen de 1200 en 2800kg. Het smeedproces moet een uniforme graanstroom rond de penboringen creëren, omdat deze gebieden de hoogste cyclische spanningen dragen. Een gesmede drager uit één stuk vermijdt de lasnaden die anders plekken zouden worden waar vermoeidheid kan ontstaan.

Gesmede planeetdrager voor 3-10 MW windturbineversnellingsbakken Deze gesmede drager uit één stuk is geschikt voor versnellingsbakken van 5-10 MW, met een uniforme graanstroom rond de penboringen om hoge cyclische spanningen aan te kunnen. Ontdek het voor betrouwbare turbineaandrijflijnen met grote capaciteit. Bekijk Product →

Planeetuitrusting en zonneuitrusting

Planeetwielen grijpen tegelijkertijd in op het zonnewiel en het ringwiel, waardoor de overgebrachte belasting over meerdere tandcontacten wordt verdeeld. In een turbine van 5 tot 10 MW heeft het planeetwiel van de eerste trap het hoogste koppel bij de laagste snelheid. Zonnewielen draaien sneller en vereisen gehard staal om slijtage van de tandflanken te weerstaan. Beide componenten zijn normaal gesproken gesmeed uit 18CrNiMo7-6 of een gelijkwaardige carboneerkwaliteit. De gesmede plano wordt ruw bewerkt, tandwiel gesneden, gehard en geslepen tot het uiteindelijke profiel.

Gehard planeetwielsmeedwerk voor versnellingsbakken van 5-10 MW Planeettandwielen van de eerste trap hebben het hoogste koppel bij lage snelheid, dus gesmede 18CrNiMo7-6 blanks met gecarbureerde oppervlakken zijn essentieel. Dit product omvat alle drie de planetaire stadia. Bekijk Product →

Ringuitrusting

Het ringwiel is een ring met een grote diameter en interne tanden. Het kan worden geproduceerd als een ringsmeedstuk uit één stuk of als een gesegmenteerd lassamenstel, maar smeedstukken uit één stuk verdelen de belasting beter omdat er geen lasnaad de spanningszone kruist. Ringwalsen op een verticale ringmolen creëert een korreloriëntatie die de tandwortelrichting volgt, waardoor de weerstand tegen buigvermoeidheid wordt verbeterd. Een blanco tandwiel van 5 tot 10 MW kan 1800 tot 3500 kg wegen, afhankelijk van de architectuur van de versnellingsbak.

Ringtandwielsmeedstukken uit één stuk voor windturbines van 5-10 MW Ringwiel-plano's met een grote diameter tot 3500 kg profiteren van ringrollende korreloriëntatie en geen lasnaden. Dit product ondersteunt een krachtige transmissie met nauwkeurig geslepen interne tanden. Bekijk Product →

Het horizontale staafdiagram hierboven toont typische vervalste blanco gewichten voor de belangrijkste roterende componenten in een windversnellingsbak van 5 tot 10 MW. Ringtandwielen zijn de zwaarste blanks in de set, vaak meer dan 3500 kg vóór warmtebehandeling en ruwe bewerking. Planeetdragers vormen de op een na zwaarste groep omdat het schijven met een grote diameter en meerdere penboringen zijn. Tandwielassen bevinden zich in het middenbereik, terwijl planeet- en zonnewielen lichter zijn, maar nog steeds hooggelegeerd staal en zorgvuldige smeedreductie vereisen. Deze gewichten bepalen de vereiste hamer- of perscapaciteit, de grootte van de verwarmingsoven en het bewerkingsbereik. Een leverancier met een hamercapaciteit van 15 ton en een ringwalserij van 1,5 meter kan het volledige assortiment afdekken zonder orders over meerdere leveranciers te verdelen.

Het hete smeedproces van blok tot blanco

Het omzetten van een stalen knuppel in een gecertificeerd smeden van een windtandwielkast volgt een gecontroleerde reeks die vervorming, thermische behandeling en inspectie combineert.

1. Billet-inspectie. Er worden ultrasone tests uitgevoerd op de binnenkomende knuppel om de interne deugdelijkheid te bevestigen voordat er met de werkzaamheden wordt begonnen.
2. Verwarming. De knuppel wordt langzaam voorverwarmd en vervolgens geweekt bij 1150 tot 1250 graden Celsius in een gasgestookte oven.
3. Verontrustend. Axiale compressie verbreekt de gegoten structuur en verfijnt de korrel.
4. Voorvormen. Uittrekken en blokkeren creëert een tussengeometrie dicht bij de uiteindelijke plano.
5. Laatste smeden. Vormgeving met gesloten matrijs of open matrijs bepaalt de buitencontour en kritische diktes.
6. Ringrollen. Voor ringwielen en andere ringvormige onderdelen expandeert een verticale ringwalserij de voorvorm tot de vereiste diameter en dwarsdoorsnede.
7. Gecontroleerde koeling. Langzame en gelijkmatige koeling voorkomt schilfering en opbouw van restspanning.
8. Ruwe bewerking en herinspectie. De plano wordt ruw gedraaid om aanslag en oppervlaktedefecten te verwijderen, gevolgd door nog een ultrasone passage.

Het lijndiagram hierboven laat zien hoe het nominale vermogen van offshore windturbines is gestegen van 4 MW in 2016 naar 12 MW in 2026. Elke stap omhoog in het turbinevermogen dwingt de versnellingsbak om meer koppel over hetzelfde fysieke bereik over te brengen. Een groter koppel betekent grotere planeetdragers, grotere tandwielen en zwaardere gesmede onderdelen. De smeedleverancier moet daarom investeren in grotere hamers, grotere ringmolens en diepere warmtebehandelingsovens om deze trend te volgen. Kopers die een platform van 12 MW plannen, moeten valideren dat hun smeedpartner losse stukken van meer dan 4000 kg kan verwerken. Deze capaciteitscontrole is belangrijker dan de prijs als het ontwerp van de aandrijflijn ervan afhangt.

Materiaalkeuze voor smeedstukken van windkwaliteit

De staalsoorten die worden gebruikt bij het smeedwerk van windtandwielkasten behoren tot twee families: gehard en getemperd gelegeerd staal voor dragers en assen, en gehard staal voor tandwieltanden die een hard, slijtvast oppervlak nodig hebben.

42CrMo4 wordt veel gebruikt voor planeetdragers en tandwielassen omdat het een goede sterkte combineert met een stabiele doorharding. Vermoeiingsontwerp van de dragerzakgebieden is de beperkende factor, dus de smeedreductieverhouding moet hoog genoeg zijn om de kernstructuur te verfijnen. 34CrNiMo6 biedt hogere sterkte voor zware tandkransen en grote assen. 18CrNiMo7-6 is gespecificeerd voor planeet- en zonnewielen die contactmoeheid moeten weerstaan ​​na het carbureren.

In het bovenstaande kolomdiagram wordt de minimale vloeigrens van de drie kwaliteiten in gesmede en gegoten toestand vergeleken. De gesmede versies vertonen een consistent voordeel van ongeveer 230 tot 300 MPa ten opzichte van gegoten materiaal met dezelfde chemie. Dat verschil is van belang bij het ontwerp van de versnellingsbak, omdat de vloeigrens de limiet bepaalt voor de buigspanning bij de tandwortel en bij de boringen van de draagpennen. Een hogere vloeigrens maakt een compactere tandwielset mogelijk of een hogere veiligheidsmarge bij dezelfde maat. Voor de gegoten productie zijn zwaardere secties nodig om een ​​vergelijkbaar laadvermogen te bereiken, waardoor de massa van de versnellingsbak toeneemt en de gondelstructuur ingewikkelder wordt. Dit is de reden dat de ontwerpbeoordeling van een windtandwielkast vrijwel altijd gesmede onderdelen specificeert voor elk onderdeel in het koppelpad.

Warmtebehandeling en het pad naar definitieve eigenschappen

Heet smeden vormt de plano, maar warmtebehandeling bepaalt de uiteindelijke mechanische eigenschappen. Smeedstukken voor windtandwielkasten ondergaan normaal gesproken normalisatie, afschrikken en temperen, en in sommige gevallen oppervlakteharding van de tandflanken. Elke stap moet worden gecontroleerd om de hardheid uniform te houden over grote dwarsdoorsneden. Een 300 mm dik tandkransgedeelte vereist een afschrikproces dat de kern snel genoeg afkoelt om de vereiste martensitische structuur te bereiken zonder scheuren te veroorzaken. De ovenbelasting, het afschrikmedium en de tempereercyclus hebben allemaal invloed op de uiteindelijke taaiheid en restspanning. Een praktische kennis van Basisprincipes van warmtebehandeling van metaal helpt inkoopteams deze parameters met leveranciers te bespreken en te verifiëren dat de geplande cyclus overeenkomt met de kwaliteit en sectiegrootte.

Hoe u een leverancier van warmsmeedwerk voor windtoepassingen kunt beoordelen

Een capabele heetsmeedpartner voor windcomponenten moet meer demonstreren dan alleen het vermogen om een knuppel te slaan. De evaluatie moet de volledige procesketen en de controlesystemen daaromheen bestrijken.

• Smeedvermogen. Controleer het hamer- of perstonnage, het ringrolvermogen en het maximale blokgewicht dat kan worden verwarmd en gesmeed.
• Warmtebehandeling in eigen huis. Het afschrikken en temperen moet worden uitgevoerd in gecontroleerde ovens met gedocumenteerde temperatuurcurven.
• Niet-destructief onderzoek. Ultrasone inspectie na het smeden en na het ruw bewerken is verplicht voor onbewerkte stukken van windkwaliteit.
• Traceerbaarheid. Elke blanco moet worden gekoppeld aan het warmtenummer, het smeedstuk en het warmtebehandelingsrapport.
• Ervaring met grote windblanks. Vraag naar referenties in het versnellingsbaksegment van 3 tot 10 MW.

Het belang van een eigen warmtebehandeling wordt vaak onderschat totdat een levering vertraging oploopt door uitbesteding. Spreek rechtstreeks met de procesingenieurs in plaats van alleen met het verkoopteam. Vraag naar de actuele stookcurven en ultrasone rapporten van eerdere windsmeedopdrachten. Een leverancier als ACE-machines bestrijkt het volledige traject van blokverwarming tot afgewerkte blanco, waardoor de communicatielijnen worden verkort en kwaliteitsgegevens op één plek worden bewaard. Verificatie van deze mogelijkheden voordat u een bestelling plaatst, is de meest effectieve manier om later kwaliteitsproblemen te voorkomen.

Het smeden van heet staal voor de windindustrie blijft een veeleisende maar goed begrepen discipline. De componenten zijn groot, de belastingen zijn cyclisch en de kosten van falen zijn extreem. Een leverancier met voldoende hamercapaciteit, gecontroleerde warmtebehandeling en systematische inspectie kan smeedstukken van windkwaliteit leveren die betrouwbaar dienst doen gedurende de volledige ontwerplevensduur van de turbine.