Kuuma teräksen taonta tuuliteollisuudelle: Vaihteiston komponentit selitetty perusteellisesti

10 MW:n offshore-tuuliturbiinin vaihteisto välittää vääntöä riittävästi tavaraveturin liikuttamiseen, mutta sen on mahduttava tuulivoimalan konepellin sisään sadan metrin korkeuteen maanpinnasta. Vaihteiston sisällä olevat planeettakannattimet, planeettavaihteet, aurinkopyörät ja rengashammaspyörät valmistetaan kuumasta teräksestä. Jos jossakin näistä takeista on sisäinen vika, tuloksena ei ole yksinkertainen osan vaihto. Se tarkoittaa nosturialusta, voimansiirron irrottamista ja viikkoja menetettyä energiantuotantoa. Tästä syystä tuuliteollisuuden kuumaterästaonta on mieluummin turvallisuuskriittistä vaihetta kuin rutiininomaista metallin muotoilutyötä.

Miksi kuumataonta tuulikomponenteille

Kuumataonta on suositeltavin menetelmä tuulivaihteiston osille, koska se tuottaa jatkuvan viljavirran ja sulkee sisäiset ontelot, joita valu ei pysty luotettavasti poistamaan.

Kun teräs jähmettyy muotissa, se kehittää kutistuvia onteloita, kaasuhuokoisuutta ja paikallista erottelua. Kuumataonta puristaa aihion 1150-1250 Celsius-asteen lämpötiloissa, rikkoen nämä epätäydellisyydet ja jalostaa raerakennetta. Tuloksena on suurempi tiheys, parempi väsymislujuus ja tasaisemmat mekaaniset ominaisuudet koko komponentissa. Tuuliturbiinien voimansiirrot kokevat täydellisen jännityssyklin jokaisen roottorin kierroksen yhteydessä, joten väsymiskestävyys määrää käyttöiän enemmän kuin staattinen lujuus. 42CrMo4-teräksellä tehdyt testit osoittavat, että taottu materiaali voi tuottaa noin 30–40 prosenttia korkeamman väsymisrajan kuin samassa lajikkeessa valumuodossa. Tämä marginaali erottaa usein 20 vuoden voimansiirron ennenaikaisesta keski-iän epäonnistumisesta.

Yllä oleva tutkakaavio vertailee kuumataontaa ja -valua kuuden tuulivoimansiirron osille tärkeän kriteerin mukaan. Taotulla teräksellä on selvä etu väsymiskestävyyden ja raerakenteen suhteen, koska muodonmuutosprosessi kohdistaa metallivirran kuormitusreittiin. Takomoissa myös sisäinen kestävyys on parempi, koska puristusporrashitsaukset sulkevat valuosissa jäljellä olevan kutistumishuokoisuuden. Valu saa paremman kustannustehokkuuden ja läpimenoajan, minkä vuoksi suuria vaihteistokoteloita ja kuormittamattomia kansia valmistetaan edelleen valuina. Vääntö- ja taivutuskuormia kantavat komponentit määritellään kuitenkin aina takomoiksi. Jos luokittelet nämä kriteerit niiden vaikutuksen mukaan turbiinien saatavuuteen, taottu reitti voittaa voimansiirron osien.

Taotut komponentit tuulivaihteiston sisällä

Useimmat tuulivaihteistot käyttävät planeettarakennetta roottorin nopeuden kertomiseen noin 10 rpm:stä generaattorin vaatimaan 1000 rpm:ään. Taotut osat keskittyvät planeettavaiheisiin, joissa vääntömomentti on suurin.

Planeetan kantaja

Planeetan kantaja on jokaisen planeettavaiheen rakenteellinen ydin. Se pitää kolmesta kuuteen planeettavaihteiston akselia tarkassa radiaalisessa asennossa ja välittää samalla turbiinin täyden vääntömomentin. 5-10 MW:n vaihteistossa taottu planeetta-aihio painaa tyypillisesti 1200-2800 kg. Takomisen tulee luoda tasainen raevirtaus tappien reikien ympärille, koska näillä alueilla on suurin syklinen jännitys. Yksiosainen taottu kannatin välttää hitsaussaumat, jotka muutoin muodostuisivat väsymisen alkamispaikoiksi.

Taottu Planet Carrier 3-10 MW tuuliturbiinivaihteistoille Tämä yksiosainen taottu kannatin sopii 5-10 MW:n vaihteiston vaiheisiin, joissa tasainen viljavirtaus tappireikien ympärillä kestää suurta syklistä rasitusta. Tutustu luotettaviin suurikapasiteettisiin turbiinivoimansiirtoihin. Näytä tuote →

Planet Gear ja Sun Gear

Planet-hammaspyörät kohtaavat aurinkopyörän ja rengashammaspyörän samanaikaisesti, mikä jakaa siirretyn kuorman useiden hammaskoskettimien kesken. 5–10 MW:n turbiinissa ensimmäisen vaiheen planeettavaihteisto kuljettaa suurimman vääntömomentin pienimmällä nopeudella. Aurinkopyörät pyörivät nopeammin ja vaativat kotelokarkaistua terästä hampaiden kylkien kulumisen estämiseksi. Molemmat komponentit on tavallisesti taottu 18CrNiMo7-6:sta tai vastaavasta hiiletyslaadusta. Taottu aihio on karkeasti työstetty, hammaspyörästetty, kotelokarkaistu ja hiottu lopulliseen profiiliin.

Kotelokarkaistu Planet Gear -takiot 5-10 MW vaihteistoille Ensimmäisen vaiheen planeettavaihteet kuljettavat suurimman vääntömomentin alhaisella nopeudella, joten taotut 18CrNiMo7-6-aihiot, joissa on hiiltyneet pinnat, ovat välttämättömiä. Tämä tuote kattaa kaikki kolme planeettavaihetta. Näytä tuote →

Ring Gear

Hammaspyörä on halkaisijaltaan suuri rengas, jossa on sisäiset hampaat. Se voidaan valmistaa yksiosaisena rengastakona tai segmentoituna hitsattavana kokoonpanona, mutta yksiosaiset takeet jakavat kuorman paremmin, koska mikään hitsisauma ei ylitä jännitysvyöhykettä. Rengasvalssaus pystysuorassa rengasmyllyssä luo hampaan juuren suuntaa seuraavan jyväsuunnan, mikä parantaa taivutusväsymiskestävyyttä. 5-10 MW:n vaihteiston rengasvaihde-aihio voi painaa 1800-3500 kg vaihdelaatikon arkkitehtuurista riippuen.

Yksiosaiset rengashammastakit 5-10 MW tuuliturbiineille Suurihalkaisijaiset, jopa 3500 kg painavat hammaspyöräaihiot hyötyvät rengasvalssausrakeiden suuntauksesta eikä hitsaussaumoista. Tämä tuote tukee suuritehoista siirtoa tarkkuushiotuilla sisähampailla. Näytä tuote →

Yllä oleva vaakasuuntainen pylväskaavio näyttää tyypilliset taotut aihion painot 5-10 MW:n tuulivaihteiston pyöriville pääkomponenteille. Hammaspyörät ovat sarjan raskaimmat aihiot, jotka painavat usein yli 3500 kg ennen lämpökäsittelyä ja karkeatyöstöä. Planeetan kannattimet ovat toiseksi painavin ryhmä, koska ne ovat halkaisijaltaan suuria levyjä, joissa on useita tappireiät. Hammaspyörän akselit sijaitsevat keskialueella, kun taas planeetta- ja aurinkopyörät ovat kevyempiä, mutta vaativat silti runsasseosteista terästä ja huolellista takomisen vähentämistä. Nämä painot määrittävät tarvittavan vasaran tai puristimen kapasiteetin, lämmitysuunin koon ja koneistusvaipan. Toimittaja, jolla on 15 tonnin vasarakapasiteetti ja 1,5 metrin rengasvalssaamo, voi kattaa koko valikoiman jakamatta tilauksia useiden toimittajien kesken.

Kuumataontaprosessi aihiosta aihioon

Teräsaihion muuntaminen sertifioiduksi tuulivaihteiston taokseksi seuraa hallittua sekvenssiä, jossa yhdistyvät muodonmuutos, lämpökäsittely ja tarkastus.

1. Aihion tarkastus. Ultraäänitestaus suoritetaan tulevalle aihiolle sisäisen eheyden varmistamiseksi ennen töiden aloittamista.
2. Lämmitys. Aihio esilämmitetään hitaasti ja liotetaan sitten 1150-1250 celsiusasteessa kaasulämmitteisessä uunissa.
3. Järkyttävää. Aksiaalinen puristus hajottaa valurakenteen ja jalostaa rakeita.
4. Esimuotoilu. Piirtäminen ja sulkeminen luo väligeometrian lähelle lopullista aihiota.
5. Lopullinen taonta. Suljetun tai avoimen muotin muotoilu määrittää ulkomuodon ja kriittiset paksuudet.
6. Rengas pyörii. Pystyrengasvalssaamo laajentaa aihion halkaisijaltaan ja poikkileikkaukseltaan vaadittuun rengashammaspyörään ja muihin rengasmaisiin osiin.
7. Ohjattu jäähdytys. Hidas ja tasainen jäähdytys estää hilseilyä ja jäännösjännityksen muodostumista.
8. Karkea koneistus ja uudelleentarkastus. Aihio karkealla sorvataan kalkki- ja pintavirheiden poistamiseksi, minkä jälkeen suoritetaan toinen ultraääni.

Yllä oleva viivakaavio näyttää, kuinka offshore-tuuliturbiinien nimelliskapasiteetti on noussut vuoden 2016 4 MW:sta 12 MW:iin vuonna 2026. Jokainen turbiinin tehon askel pakottaa vaihteiston siirtämään enemmän vääntömomenttia saman fyysisen verhon läpi. Suurempi vääntömomentti tarkoittaa suurempia planeettakannattimia, suurempia rengasvaihteita ja raskaampia taottuja aihioita. Takomisen toimittajan on siksi investoitava suurempiin vasaroihin, isompiin rengasmyllyihin ja syvempiin lämpökäsittelyuuneihin seuratakseen tätä kehitystä. Ostajien, jotka suunnittelevat 12 MW:n alustan, tulee varmistaa, että heidän taontakumppaninsa pystyy käsittelemään yli 4000 kg painavia aihioita. Tämä kapasiteetin tarkistus on tärkeämpi kuin hinta, kun voimansiirron suunnittelu riippuu siitä.

Materiaalin valinta tuulilaatuisille takoille

Tuulivaihteiston takeissa käytetyt teräslajit kuuluvat kahteen perheeseen: karkaistut ja karkaistut seosteräkset kannattimiin ja akseleihin sekä kotelokarkaistut teräkset hammaspyörän hampaille, jotka tarvitsevat kovaa, kulutusta kestävää pintaa.

42CrMo4:ää käytetään laajalti planeettakannattimissa ja hammaspyörien akseleissa, koska siinä yhdistyy hyvä lujuus ja vakaa läpikarkaisu. Kantotaskualueiden väsymismuotoilu on rajoittava tekijä, joten taontavähennyssuhteen on oltava riittävän korkea ydinrakenteen jalostamiseksi. 34CrNiMo6 tarjoaa suuremman lujuuden raskaille rengasvaihteille ja suurille akseleille. 18CrNiMo7-6 on tarkoitettu planeetta- ja aurinkovaihteille, joiden on kestettävä kosketusväsymistä hiiletyksen jälkeen.

Yllä olevassa sarakekaaviossa verrataan kolmen laadun vähimmäismyötölujuutta taottuna ja valetussa kunnossa. Taotut versiot osoittavat jatkuvan noin 230-300 MPa:n edun verrattuna saman kemian valumateriaaliin. Tällä erolla on merkitystä vaihteiston suunnittelussa, koska myötölujuus asettaa rajan taivutusjännitykselle hampaan juuressa ja kannatintapin reikissä. Suurempi myötöraja mahdollistaa joko kompaktimman vaihteiston tai suuremman turvamarginaalin samassa koossa. Valutuotanto vaatisi raskaampia osia samanlaisen kantavuuden saavuttamiseksi, mikä lisää vaihteiston massaa ja vaikeuttaa koneen rakennetta. Tästä syystä tuulivaihteiston suunnittelukatsauksessa määritellään lähes aina taotut aihiot jokaiseen vääntömomenttipolun osaan.

Lämpökäsittely ja polku lopullisiin ominaisuuksiin

Kuumataonta muotoilee aihion, mutta lämpökäsittely määrää lopulliset mekaaniset ominaisuudet. Tuulivaihteiston taot käyvät läpi normaalisti hampaiden kylkien normalisoinnin, karkaisun ja karkaisun sekä joissakin tapauksissa pintakarkaisun. Jokaista vaihetta on valvottava, jotta kovuus pysyy tasaisena suurilla poikkileikkauksilla. 300 mm paksu hammaspyöräosa vaatii karkaisuprosessin, joka jäähdyttää sydämen riittävän nopeasti saavuttaakseen vaaditun martensiittisen rakenteen ilman, että muodostuu halkeamia. Uunin lataus, karkaisuaine ja karkaisujakso vaikuttavat kaikki lopulliseen sitkeyteen ja jäännösjännitykseen. Toimiva tietämys metallin lämpökäsittelyn perusteet auttaa hankintaryhmiä keskustelemaan näistä parametreista toimittajien kanssa ja varmistamaan, että suunniteltu sykli vastaa laatua ja osien kokoa.

Kuinka arvioida kuumataontatoimittaja tuulisovelluksia varten

Tuulikomponenttien kuumataontakumppanin on osoitettava enemmän kuin kyky iskeä aihioon. Arvioinnin tulisi kattaa koko prosessiketju ja sitä ympäröivät valvontajärjestelmät.

• Taontakapasiteetti. Tarkista vasaran tai puristimen vetoisuus, rengasrullauskyky ja aihion enimmäispaino, joka voidaan lämmittää ja takoa.
• Talon sisäinen lämpökäsittely. Karkaisu ja karkaisu on tehtävä valvotuissa uuneissa, joissa on dokumentoidut lämpötilakäyrät.
• Tuhoamaton testaus. Ultraäänitarkastus takomisen ja karkean koneistuksen jälkeen on pakollinen tuulilaatuisille aihioille.
• Jäljitettävyys. Jokainen aihio on linkitettävä sen lämpönumeroon, taontatietueeseen ja lämpökäsittelyraporttiin.
• Kokemusta suurista tuuliaihioista. Pyydä referenssejä 3-10 MW vaihteistosegmentistä.

Oman lämpökäsittelyn merkitystä usein aliarvioidaan, kunnes toimitus viivästyy ulkoistamisen vuoksi. Keskustele suoraan prosessiinsinöörien kanssa eikä vain myyntitiimin kanssa. Pyydä todelliset lämpökäyrät ja ultraääniraportit aikaisemmista tuulitaontatilauksista. Toimittaja, kuten ACE Machinery kattaa koko reitin aihion lämmittämisestä valmiiseen aihioon, mikä lyhentää viestintälinjoja ja pitää laadukkaat tiedot yhdessä paikassa. Näiden ominaisuuksien tarkistaminen ennen tilauksen tekemistä on tehokkain tapa välttää laatuongelmia myöhemmin.

Tuuliteollisuuden kuumaterästaonta on edelleen vaativa, mutta hyvin ymmärretty ala. Komponentit ovat suuria, kuormitukset ovat syklisiä ja epäonnistumisen kustannukset ovat äärimmäiset. Toimittaja, jolla on riittävä vasarakapasiteetti, kontrolloitu lämpökäsittely ja järjestelmällinen tarkastus, voi toimittaa tuulilaatuisia takeita, jotka toimivat luotettavasti turbiinin koko suunnittelun ajan.