Wat zijn smeedstukken voor windturbineversnellingsbakken?

Smeedstukken voor versnellingsbakken van windturbines zijn nauwkeurig gevormde stalen componenten die de interne krachtoverbrengingsstructuur van een windturbinetandwielkast vormen, geproduceerd door middel van warme of gesloten matrijssmeedprocessen die de korrelstructuur van het staal uitlijnen voor maximale vermoeidheidsweerstand en draagvermogen. De belangrijkste gesmede componenten in een tandwielkast voor een windturbine zijn het ringwiel, de planeetwielen, de planeetdrager, het zonnewiel, de ingaande en uitgaande assen en de rondsels. Deze onderdelen zijn gesmeed in plaats van gegoten, omdat de versnellingsbak onder voortdurende wisselende belastingen werkt door variabele windinvloeden, en de dichte, defectvrije metalen structuur die door het smeden wordt geproduceerd, de levensduur biedt die nodig is om te voldoen aan de typische ontwerplevensduur van 20 jaar van een moderne windturbine (bron: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier). Smeden is niet uitwisselbaar met gieten voor componenten van versnellingsbakkwaliteit, omdat de verschillen in mechanische eigenschappen tussen de twee processen direct bepalen hoe lang de versnellingsbak overleeft onder reële bedrijfsbelastingen.

De rol van de versnellingsbak in een windturbine

Om te begrijpen waarom de smeedkwaliteit van versnellingsbakcomponenten zo belangrijk is, is het noodzakelijk om te begrijpen wat de versnellingsbak binnen de turbine doet en de ernst van de mechanische omgeving waarin deze functioneert.

Een windturbinerotor draait langzaam als reactie op wind, doorgaans tussen 10 en 22 omwentelingen per minuut voor een grote turbine van meerdere megawatt. De generator die mechanische energie omzet in elektriciteit moet met veel hogere snelheden draaien, doorgaans 1.000 tot 1.500 toeren per minuut of meer. De versnellingsbak overbrugt dit snelheidsverschil. Fuhong Steel beschrijft de functie rechtstreeks: de tandwielkast voor windenergie is het kernonderdeel van de windturbine, met als belangrijkste functie het omzetten van de kinetische energie die door het windwiel wordt gegenereerd onder invloed van de wind in mechanische energie en deze uiteindelijk over te dragen aan de generator (Bron: Fuhong Steel, Special Steel for Wind Power Equipment Forgings). Een patentaanvraag waarin het versnellingsbaksamenstel wordt beschreven, bevestigde dat de rotoras een input met laag toerental en hoog koppel levert aan de versnellingsbak, die vervolgens wordt geconfigureerd om die input om te zetten in een output met hoge snelheid en een lager koppel die de generator aandrijft (bron: USPTO-patent 11085421, Planeet Vervoerder of a Wind Turbine Gearbox with Verbeterd Lubricant Path).

De mechanische eisen van deze conversie zijn extreem. De versnellingsbak moet het aankunnen continu variabele koppelbelastingen als de windsnelheid fluctueert, plotselinge schokbelastingen tijdens windstoten, voortdurende cyclische vermoeidheid gedurende 20 jaar of meer, en dit alles op betrouwbare wijze in een gondel die zich hoog boven de grond bevindt, waar onderhoud duur is en vervanging van belangrijke componenten honderdduizenden dollars per gebeurtenis kan kosten. Deze eisen zijn de reden waarom elk belangrijk structureel onderdeel in de versnellingsbak wordt gespecificeerd als smeedstuk in plaats van als gietstuk.

De belangrijkste gesmede componenten in de versnellingsbak van een windturbine

Een tandwielkast voor een windturbine is geen enkel gesmeed onderdeel. Het is een samenstel van verschillende afzonderlijke gesmede componenten, die elk een specifieke functie vervullen in de planetaire en spiraalvormige tandwieltrappen die deel uitmaken van de aandrijflijn die de snelheid opvoert.

Ringtandwiel (Annulus tandwiel)

Het ringwiel is het grote buitenste tandwiel met interne tanden dat de buitengrens vormt van de planetaire tandwieltrap. Planeetwielen grijpen in tegen het binnenoppervlak terwijl ze rond het zonnewiel draaien, en het ringwiel blijft stationair of draait, afhankelijk van het ontwerp van de versnellingsbak. Omdat het ringwiel de volledige koppelbelasting van de planetaire trap overbrengt en voortdurend in tandcontact staat met drie of meer planeetwielen tegelijk, zijn de materiaaleigenschappen en maatnauwkeurigheid van cruciaal belang voor de prestaties van de gehele versnellingsbak. In een USPTO-patent dat het productieproces van ringwielen beschrijft, wordt opgemerkt dat het ringwiel doorgaans wordt gevormd door smeden en vervolgens een warmtebehandeling moet ondergaan om de vereiste hardheid te verkrijgen, en dat maatnauwkeurigheid door het smeed- en warmtebehandelingsproces van cruciaal belang is, aangezien warmtebehandeling dimensionale vervorming kan veroorzaken die machinale correctie vereist (bron: USPTO-patent 10495210, Integral Ring Gear and Torque Arm for a Wind Turbine Gearbox).

Planeet versnellingen

Planeetwielen zijn de tussenliggende tandwielen die tussen het ringwiel en het zonnewiel draaien, waarbij ze koppel tussen de twee overbrengen en tegelijkertijd om hun eigen assen draaien. In een planetaire fase van een grote windturbine delen doorgaans drie of vier planeetwielen de totale belasting, waarbij deze tegelijkertijd over meerdere tandcontacten wordt verdeeld. Deze opstelling bereikt een hoge koppeldichtheid in een compact pakket, maar het betekent ook dat elk planeetwiel een aanzienlijk deel van de totale belasting draagt ​​bij continue vermoeidheidscycli. Zhangqiu Heavy Forging bevestigt dat gesmede planetaire tandwieldragers, na afschrik- en ontlaatwarmtebehandeling, langdurige wisselende spanning kunnen weerstaan met een levensduur die 2 tot 3 keer langer dan componenten geproduceerd door gewone processen, een verhouding die evenzeer van toepassing is op de planeetwielen zelf (Bron: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Planet Carrier

De planeetdrager is het structurele onderdeel dat de planeetwielassen in de juiste baanpositie houdt ten opzichte van elkaar en ten opzichte van de ring- en zonnewielen. Het moet onder belasting een nauwkeurige positioneringsnauwkeurigheid behouden om alle planeetwielen tegelijkertijd in de juiste ingrijping te houden, wat zowel een hoge stijfheid als een uitstekende weerstand tegen vermoeidheid vereist. Zhangqiu Heavy Forging beschrijft de belangrijkste vereisten voor een gesmede planeetwieldrager: het bijna-netvormingsproces gecombineerd met nauwkeurige verwerking zorgt voor een strikte controle van de maatnauwkeurigheid en positionele tolerantie, waardoor een nauwkeurige samenwerking met planetaire tandwielen, zonnewielen en uitgaande assen wordt gegarandeerd, waardoor transmissieverlies en geluid worden verminderd (Bron: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier). Materialen die worden gebruikt voor planeetdragers zijn onder meer 42CrMo, 20CrMnTi en 35CrMo hoogsterkte gelegeerde staalsoorten, met warmtebehandelingssequenties van afschrikken en temperen plus carboneren om de juiste balans te bereiken tussen oppervlaktehardheid en kerntaaiheid (Bron: Zhangqiu Heavy Forging).

Zonnetandwiel en rondsel

Het zonnewiel bevindt zich in het midden van de planetaire trap en grijpt tegelijkertijd in met alle planeetwielen, terwijl rondseltandwielen verschijnen in de spiraalvormige fasen van een meertrapsversnellingsbak waar extra snelheidsverhogingen nodig zijn. Beide typen moeten worden gesmeed uit gelegeerde staalsoorten met voldoende hardbaarheid om geharde tandflanken te verkrijgen door middel van carboneren of nitreren na ruwe bewerking, waardoor de oppervlaktehardheid wordt verkregen die nodig is om putjes en tandflankmoeheid gedurende tientallen jaren van cyclische belasting te weerstaan.

Ingangs- en uitgangsschachten

De ingaande as verbindt de hoofdrotoras met de eerste planetaire trap van de versnellingsbak, en de hogesnelheidsuitgangsas verbindt de laatste tandwieltrap met de generatorkoppeling. Beide assen ervaren verschillende belastingsprofielen: de ingaande as heeft een hoog koppel bij lage snelheid en hoge buigmomenten van de rotor, terwijl de uitgaande as een lager koppel heeft bij hoge snelheid met torsievermoeidheid door transiënten van de generatorbelasting. Tiptop Heavy Forging merkt op dat de hogesnelheidsas in een windturbinesysteem zich na de versnellingsbak bevindt, veel sneller draait maar een lager koppel naar de generator overbrengt, en dat beide astypen grote afmetingen en sterke gesmede materialen vereisen (Bron: Tiptop Heavy Forging, Shaft of a Wind Turbine: Structure, Materials and Forging).

Waarom smeden het vereiste proces is voor versnellingsbakcomponenten

De beslissing om componenten van versnellingsbakkwaliteit te smeden in plaats van te gieten is geen voorkeur; het is een vereiste die wordt bepaald door de eisen die aan de levensduur van windturbines worden gesteld.

Graanstroom en mechanische superioriteit

Smeedwerk vormt metaal onder hoge drukkracht, waardoor interne holtes worden gesloten, de korrelstructuur wordt verfijnd en de korrelstroom wordt uitgelijnd langs de geometrie van het onderdeel. Dit levert een component op met een aanzienlijk hogere vloeigrens, treksterkte en weerstand tegen vermoeidheid dan dezelfde geometrie die wordt geproduceerd door gieten uit dezelfde legering. Tiptop Heavy Forging legt uit dat smeden de interne structuur van het metaal verandert op een manier die helpt bij het produceren van grote, betrouwbare componenten voor zwaar gebruik, en dat de hoofdassen van windturbines normaal gesproken gemaakt zijn van gesmeed staal in plaats van specifiek gegoten te worden vanwege dit structurele verschil (Bron: Tiptop Heavy Forging, Shaft of a Wind Turbine).

Vermoeidheidsleven bij cyclisch laden

De componenten van de tandwielkast van windturbines ondervinden vermoeidheidsbelasting bij elke omwenteling van de rotor, en een ontwerplevensduur van 20 jaar bij operationele snelheid komt overeen met honderden miljoenen spanningscycli over de tandwieltanden en asdoorsneden. Gegoten componenten bevatten krimpporositeit, gasinsluitsels en willekeurige korreloriëntatie die spanningsconcentraties creëren waarbij vermoeiingsscheuren kunnen ontstaan ​​en zich kunnen voortplanten. Gesmede componenten met gesloten porositeit en uitgelijnde korrelstructuur zorgen voor een aanzienlijk hogere vermoeidheidslimiet, waardoor ze dezelfde spanningsamplitude veel meer cycli kunnen aanhouden voordat er scheuren ontstaan. De documentatie van Zhangqiu Heavy Forging over gesmede planetaire tandwieldragers die een 2 tot 3 keer langere levensduur bereiken dan gewone processen, kwantificeert dit vermoeidheidsvoordeel direct in toepassingsspecifieke termen (bron: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Dimensionale stabiliteit onder belasting

De nauwkeurigheid van de tandwielingrijping hangt af van de maatvastheid van elk gesmeed onderdeel onder zowel statische als dynamische belasting. Als een planeetwieldrager onder belasting zodanig doorbuigt dat de relatieve posities van de planeetwielassen veranderen, wordt de belastingsverdeling tussen de planeetwielen ongelijk en vallen overbelaste planeetwielen voortijdig uit. Gesmede componenten met voorspelbare, uniforme materiaaleigenschappen zijn gemakkelijker te modelleren en te ontwerpen voor stijfheidseisen dan gietstukken met variabele eigenschappen over de hele doorsnede.

Staalsoorten die worden gebruikt in de smeedstukken van de versnellingsbakken van windturbines

De materiaalkeuze voor smeedstukken van versnellingsbakken brengt de hardheid, taaiheid, bewerkbaarheid en beschikbaarheid in de mondiale toeleveringsketens in evenwicht.

Fuhong Steel bevestigt dat 18CrNiMo7-6 en 8620 de staalsoorten zijn die voornamelijk door Europese en Amerikaanse klanten worden gebruikt voor tandwielkasten voor windenergie, en weerspiegelen de verschillende materiaalstandaardvoorkeuren die zich in elke grote markt hebben ontwikkeld (bron: Fuhong Steel, Special Steel for Wind Power Equipment Forgings). De keuze tussen deze kwaliteiten wordt bepaald door de functie van het tandwiel, de vereiste kastdiepte na het carbureren, de kernhardheid die vereist is voor de specifieke spanningstoestand en de certificeringsvereisten van de OEM.

Warmtebehandelingssequenties voor smeedstukken van versnellingsbakken

Een smeedstuk in de gesmede toestand heeft niet de mechanische eigenschappen die vereist zijn voor onderhoud aan de versnellingsbak. Warmtebehandeling na smeden en ruwe bewerking is essentieel om de combinatie van oppervlaktehardheid en kerntaaiheid te bereiken die tandwieltanden en asdoorsneden vereisen.

1. Normaliseren: toegepast na het smeden om restspanningen te verlichten, de structuur te homogeniseren en het materiaal voor te bereiden voor daaropvolgende bewerking en warmtebehandeling zonder de vervorming die kan optreden bij niet-genormaliseerde smeedstukken
2. Afschrikken en temperen: gebruikt voor structurele componenten zoals planeetdragers en assen om een ​​hoge kernsterkte en taaiheid te ontwikkelen; de afschriksnelheid en tempertemperatuur worden geselecteerd om te voldoen aan de specifieke vloeigrens en impactenergie die vereist is door de ontwerpnorm
3. Carbureren en verharden van de behuizing: gebruikt voor tandwieltanden op planeetwielen, zonnewielen, ringwielen en rondsels; koolstof wordt tot een bepaalde diepte in de oppervlaktelaag verspreid, gevolgd door afschrikharden om een oppervlaktehardheid te bereiken die doorgaans in het bereik van 58 tot 62 HRC ligt, terwijl de kern taai blijft
4. Nitreren: gebruikt waar vervorming door carboneren onaanvaardbaar is of waar de legeringssamenstelling geschikt is voor stikstofdiffusieharding; bereikt een harde behuizing bij lagere temperaturen en met minder maatverandering dan carboneren
5. Inductieharden: gebruikt voor geselecteerde asoppervlakken zoals aslagerzittingen waar plaatselijke oppervlakteharding nodig is zonder de kosten van volledig carboneren

Zhangqiu Heavy Forging beschrijft de selectie van materialen en warmtebehandelingen voor planeetdragers: er wordt gebruik gemaakt van geprefereerde matrijssmeed- en vrije smeedprocessen, met materialen zoals 42CrMo, 20CrMnTi en 35CrMo hoogsterkte gelegeerde staalsoorten gecombineerd met afschrikken en ontlaten plus carbureren en afschrikken om de balans tussen sterkte en taaiheid te bereiken die vereist is voor dit onderdeel (Bron: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Kwaliteits- en testnormen voor smeedstukken van versnellingsbakken van windturbines

De smeedstukken van tandwielkasten voor windturbines worden geproduceerd volgens traceerbare materiaal- en maatnormen met gedocumenteerde testrapporten die de componenten door de toeleveringsketen begeleiden en beschikbaar blijven gedurende de levensduur van de turbine.

1. Verificatie van de chemische samenstelling door middel van spectrografische analyse van elke hitte om de materiaalkwaliteit te bevestigen binnen de specificatiegrenzen van de toepasselijke norm
2. Testen van mechanische eigenschappen op couponmonsters afkomstig van het smeden of van een proefstuk dat onder dezelfde omstandigheden is gesmeed, inclusief treksterkte, vloeigrens, rek, verkleining van het oppervlak en Charpy-slagenergie bij de gespecificeerde testtemperatuur
3. Ultrasoon testen van het volledige smeedvolume om interne gebreken, insluitsels of segregatie te detecteren die niet zichtbaar zijn op het oppervlak, maar de vermoeiingssterkte tijdens gebruik zouden verminderen
4. Magnetische deeltjesinspectie of kleurpenetrerende inspectie van oppervlakken om oppervlaktescheuren te detecteren die zijn ontstaan tijdens het smeden of warmtebehandeling
5. Dimensionale inspectie tot tekeningtoleranties met behulp van coördinatenmeetmachines voor complexe geometrieën en precisiemetingen voor kritische boordiameters en spiebanen
6. Verificatie van de hardheid door middel van Brinell- of Rockwell-tests op gespecificeerde posities om te bevestigen dat de warmtebehandeling de vereiste eigenschappen door de sectie heeft bereikt

Het ACE-proces Smeedstukken voor versnellingsbakken van windturbines worden geproduceerd volgens deze volledige kwaliteitsnorm, met materiaalcertificeringen, mechanische testrapporten, niet-destructieve onderzoeksrapporten en dimensionale inspectiedocumentatie die bij elk smeedstuk wordt geleverd om de traceerbaarheids- en certificeringsvereisten van OEM's van windturbines en hun certificeringsinstanties te ondersteunen.