Mitä ovat tuuliturbiinivaihteiston takoot?

Tuuliturbiinin vaihdelaatikon takoot ovat tarkkuusmuovattuja teräskomponentteja, jotka muodostavat tuuliturbiinin vaihteiston sisäisen voimansiirtorakenteen ja jotka on valmistettu kuuma- tai suljetulla taontaprosesseilla, jotka kohdistavat teräksen raerakenteen maksimaalisen väsymiskestävyyden ja kantokyvyn saavuttamiseksi. Tuuliturbiinin vaihteiston ensisijaiset taotut komponentit ovat hammaspyörä, planeettavaihteet, planeettakannatin, aurinkovaihde, tulo- ja lähtöakselit sekä hammaspyörät. Nämä osat on taottu mieluummin kuin valettu, koska vaihteisto toimii jatkuvan vaihtelevan tuulen aiheuttaman kuormituksen alaisena, ja takomalla tuotettu tiheä, virheetön metallirakenne tarjoaa väsymisiän, joka tarvitaan nykyaikaisen tuuliturbiinin tyypilliseen 20 vuoden suunniteltuun käyttöikään (Lähde: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier). Taonta ei ole vaihdettavissa vaihteistolaatuisten komponenttien valun kanssa, koska näiden kahden prosessin väliset mekaanisten ominaisuuksien erot määräävät suoraan, kuinka kauan vaihteisto kestää todellisissa käyttökuormissa.

Vaihteiston rooli tuuliturbiinissa

Ymmärtääksemme, miksi vaihteistokomponenttien taontalaatu on niin tärkeä, on ymmärrettävä, mitä vaihteisto tekee turbiinin sisällä ja kuinka vakavia mekaanisessa ympäristössä se toimii.

Tuuliturbiinin roottori pyörii hitaasti tuulen vaikutuksesta, tyypillisesti 10-22 kierrosta minuutissa suuressa usean megawatin turbiinissa. Generaattorin, joka muuntaa mekaanisen energian sähköksi, on pyörittävä paljon suuremmilla nopeuksilla, tyypillisesti 1 000 - 1 500 kierrosta minuutissa tai enemmän. Vaihteisto ylittää tämän nopeuseron. Fuhong Steel kuvaa toimintaa suoraan: tuulivoiman vaihteisto on tuuliturbiinin ydinkomponentti, jonka päätehtävänä on muuttaa tuulipyörän tuulen vaikutuksesta tuottama kineettinen energia mekaaniseksi energiaksi ja lopulta siirtää se generaattoriin (Lähde: Fuhong Steel, Special Steel for Wind Power Equipment Forgings). Vaihteistokokoonpanoa kuvaava patenttihakemus vahvisti, että roottorin akseli antaa hitaan nopeuden ja suuren vääntömomentin vaihteistoon, joka sitten konfiguroidaan muuttamaan tämä tulo nopeaksi, alhaisemman vääntömomentin ulostuloksi, joka käyttää generaattoria (Lähde: USPTO Patent 11085421 of a Luubrurant Improverant with Winebrardipperi Polku).

Tämän muunnoksen mekaaniset vaatimukset ovat äärimmäiset. Vaihteiston on kestettävä portaattomasti muuttuvat momenttikuormat tuulen nopeuden vaihtelut, äkilliset iskukuormitukset puuskien aikana, jatkuva syklinen väsymys yli 20 vuoden ajan, ja tämä kaikki luotettavasti korkealla maanpinnan yläpuolella sijaitsevassa koneistossa, jossa huolto on kallista ja tärkeimpien komponenttien vaihtaminen voi maksaa satoja tuhansia dollareita tapahtumaa kohden. Näiden vaatimusten vuoksi kaikki vaihteiston sisällä olevat tärkeät rakenneosat on määritelty takomoiksi eikä valukappaleiksi.

Tuuliturbiinin vaihteiston ensisijaiset taotut komponentit

Tuuliturbiinin vaihdelaatikko ei ole yksittäinen taottu osa. Se on kokoonpano useista erillisistä taotuista komponenteista, joista jokainen suorittaa tietyn toiminnon planeetta- ja kierrevaihteistovaiheissa, jotka muodostavat täyden nopeuden lisäävän voimansiirron.

Ring Gear (rengasvaihde)

Kehähammaspyörä on suuri ulkohammaspyörä, jossa on sisäiset hampaat ja joka muodostaa planeettavaihteiston ulkorajan. Planeetan hammaspyörät osuvat sen sisäpintaa vasten kiertäessään aurinkopyörää, ja rengas joko pysyy paikallaan tai pyörii vaihdelaatikon rakenteesta riippuen. Koska rengas välittää planeettavaiheen täyden vääntömomentin ja on jatkuvassa hammaskosketuksessa kolmen tai useamman planeettapyörän kanssa samanaikaisesti, sen materiaaliominaisuudet ja mittatarkkuus ovat kriittisiä koko vaihteiston suorituskyvyn kannalta. USPTO-patentti, joka kuvaa rengashammaspyörän valmistusprosessia, toteaa, että rengashammaspyörä muodostetaan yleensä takomalla ja sen jälkeen se on lämpökäsiteltävä vaaditun kovuuden saavuttamiseksi, ja että mittojen tarkkuus taonta- ja lämpökäsittelyprosessissa on kriittinen, koska lämpökäsittely voi aiheuttaa mittavääristymiä, jotka vaativat koneistuksen korjausta (Lähde: USPTO Patent R210, torqueal5 arm. Turbiinivaihteisto).

Planet Gears

Planeettavaihteet ovat välihammaspyörät, jotka kiertävät rengashammaspyörän ja aurinkopyörän välillä siirtäen vääntömomenttia näiden kahden välillä samalla kun ne pyörivät omilla akseleillaan. Suuressa tuuliturbiinin planeettavaiheessa tyypillisesti kolme tai neljä planeettapyörää jakavat kokonaiskuorman, jakaen sen useiden hammaskoskettimien välillä samanaikaisesti. Tällä järjestelyllä saavutetaan korkea vääntömomenttitiheys kompaktissa paketissa, mutta se tarkoittaa myös sitä, että jokainen planeettavaihteisto kantaa merkittävän osan kokonaiskuormasta jatkuvassa väsymissyklissä. Zhangqiu Heavy Forging vahvistaa, että karkaisun ja karkaisun lämpökäsittelyn jälkeen taotut planeettapyöränkannattimet kestävät pitkäaikaista vaihtelevaa rasitusta, jonka käyttöikä on 2-3 kertaa pidempi kuin tavallisilla prosesseilla valmistetut komponentit, suhde, joka koskee yhtä lailla planeettavaihteita itseään (Lähde: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Planeetan kantaja

Planeettakannatin on rakenteellinen komponentti, joka pitää planeettavaihteiston akselit oikeissa kiertorata-asennoissaan suhteessa toisiinsa sekä rengas- ja aurinkovaihteisiin. Sen on säilytettävä tarkka asennon tarkkuus kuormituksen alaisena, jotta kaikki planeettapyörät pysyvät oikeissa verkoissa samanaikaisesti, mikä vaatii sekä suurta jäykkyyttä että erinomaista väsymiskestävyyttä. Zhangqiu Heavy Forging kuvaa taotun planeettakannattimen tärkeimmät vaatimukset: lähes verkon muotoiluprosessi yhdistettynä tarkaan käsittelyyn varmistaa koon tarkkuuden ja sijaintitoleranssin tiukan valvonnan, varmistaa tarkan yhteistyön planeettavaihteiden, aurinkovaihteiden ja ulostuloakseleiden kanssa, mikä vähentää voimansiirron häviötä ja melua (Lähde: Zhangqiu Heavy Planetary, Geargedri). Planeettakannattimissa käytettyjä materiaaleja ovat 42CrMo-, 20CrMnTi- ja 35CrMo-seosteräkset, joissa on lämpökäsittelyjaksot karkaisu ja karkaisu sekä hiiletys oikean pinnan kovuuden ja ytimen sitkeyden tasapainon saavuttamiseksi (Lähde: Zhangqiu Heavy Forging).

Aurinkovarusteet ja hammaspyörät

Aurinkovaihde sijaitsee planeettavaiheen keskellä ja yhtyy kaikkiin planeettavaihteisiin samanaikaisesti, kun taas hammaspyörät ilmestyvät monivaiheisen vaihteiston kierreportaisiin, joissa tarvitaan lisänopeutta. Molempia tyyppejä on taottu seosteräslajeista, joiden karkaistuvuus on riittävä, jotta saadaan aikaan karkaistuja hampaiden kylkiä karburoinnin tai typpityksen avulla karkean työstön jälkeen, jolloin saadaan tarvittava pinnan kovuus kestämään pistesyöpymistä ja hampaiden kylkien väsymistä vuosikymmenien jaksollisen kuormituksen aikana.

Tulo- ja lähtöakselit

Tuloakseli yhdistää pääroottorin akselin vaihteiston ensimmäiseen planeettavaiheeseen ja nopea ulostuloakseli yhdistää viimeisen vaihteiston generaattorin kytkimeen. Molemmilla akseleilla on erilaiset kuormitusprofiilit: tuloakseli kuljettaa suurta vääntömomenttia alhaisella nopeudella roottorin suurilla taivutusmomentilla, kun taas ulostuloakselilla on pienempi vääntömomentti suurella nopeudella generaattorin kuormitustransienttien aiheuttaman vääntöväsymisen vuoksi. Tiptop Heavy Forging huomauttaa, että tuuliturbiinijärjestelmän nopea akseli sijaitsee vaihteiston jälkeen, pyörien paljon nopeammin, mutta välittää pienemmän vääntömomentin generaattoriin, ja että molemmat akselityypit vaativat suuria mittoja ja vahvoja taottuja materiaaleja (Lähde: Tiptop Heavy Forging, Shaft of a Wind Turbine: rakenne, materiaalit ja taonta).

Miksi taonta on pakollinen prosessi vaihteiston komponenteille

Päätös takoa vaihteistolaatuisten komponenttien sijaan ei ole etusijalla; se on vaatimus, jota ohjaavat tuuliturbiinin toiminnan väsymiskestovaatimukset.

Viljan virtaus ja mekaaninen ylivoima

Takominen muotoilee metallia suurella puristusvoimalla, mikä sulkee sisäisiä aukkoja, jalostaa raerakennetta ja kohdistaa raevirtauksen kappaleen geometriaa pitkin. Tämä tuottaa komponentin, jolla on huomattavasti korkeampi myötöraja, vetolujuus ja väsymiskestävyys kuin sama geometria, joka on valmistettu valamalla samasta seoksesta. Tiptop Heavy Forging selittää, että taonta muuttaa metallin sisärakennetta tavoilla, jotka auttavat tuottamaan suuria, luotettavia komponentteja raskaaseen käyttöön, ja että tuuliturbiinin pääakselit on yleensä valmistettu taotusta teräksestä eikä valettu nimenomaan tämän rakenteellisen eron vuoksi (Lähde: Tiptop Heavy Forging, Shaft of a Wind Turbine).

Väsymys syklisessä kuormituksessa

Tuuliturbiinin vaihteiston komponentit kokevat väsymiskuormituksen jokaisesta roottorin kierroksesta, ja 20 vuoden suunniteltu käyttöikä käyttönopeudella vastaa satoja miljoonia jännitysjaksoja hammaspyörän hampaiden ja akselin poikkileikkauksissa. Valukomponentit sisältävät kutistumishuokoisuutta, kaasusulkeumaa ja satunnaista rakeiden suuntausta, jotka luovat jännityspitoisuuksia, joissa väsymishalkeamat voivat alkaa ja levitä. Taotut komponentit, joilla on suljettu huokoisuus ja kohdistettu raerakenne, tarjoavat huomattavasti korkeamman väsymisrajan, jolloin ne voivat ylläpitää samaa jännitysamplitudia paljon useamman syklin ajan ennen halkeaman alkamista. Zhangqiu Heavy Forgingin dokumentaatio taotuista planeettavaihteiden kannattimista, joiden käyttöikä on 2–3 kertaa tavallisia prosesseja pidempi, ilmaisee suoraan tämän väsymisedun sovelluskohtaisesti (Lähde: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Mittojen vakaus kuormitettuna

Hammaspyörän verkon tarkkuus riippuu jokaisen taotun komponentin mittastabiilisuudesta sekä staattisen että dynaamisen kuormituksen alaisena. Jos planeettakannatin poikkeaa kuormituksen alaisena tavalla, joka muuttaa planeettavaihteiston akselien suhteellisia asentoja, planeettavaihteiden välinen kuormanjako muuttuu epätasaiseksi ja ylikuormitetut planeettavaihteet rikkoutuvat ennenaikaisesti. Taotut komponentit, joilla on ennustettavat, tasaiset materiaaliominaisuudet, on helpompi mallintaa ja suunnitella jäykkyysvaatimusten mukaan kuin valukappaleet, joiden ominaisuudet vaihtelevat poikkileikkaukseltaan.

Tuulivoimaloiden vaihteiston takeissa käytetyt teräslaadut

Vaihteiston taomien materiaalivalinnalla tasapainotetaan karkaisua, sitkeyttä, työstettävyyttä ja saatavuutta maailmanlaajuisissa toimitusketjuissa.

Fuhong Steel vahvistaa, että 18CrNiMo7-6 ja 8620 ovat terästyyppejä, joita eurooppalaiset ja amerikkalaiset asiakkaat käyttävät pääasiassa tuulivoiman vaihteistoissa, mikä kuvastaa kullakin suurella markkinoilla kehittyneitä erilaisia materiaalistandardeja (lähde: Fuhong Steel, Special Steel for Wind Power Equipment Forgings). Valinta näiden laatujen välillä riippuu vaihteiston toiminnasta, vaaditusta kotelon syvyydestä hiiletyksen jälkeen, ytimen kovuudesta, joka vaaditaan erityistä jännitystilaa varten, ja OEM:n sertifiointivaatimuksia.

Lämpökäsittelyjaksot vaihdelaatikon takoille

Taotussa kunnossa olevalla takomalla ei ole vaihteiston huollon edellyttämiä mekaanisia ominaisuuksia. Lämpökäsittely takomisen ja karkean koneistuksen jälkeen on välttämätöntä, jotta saavutetaan vaihteiston hampaiden ja akselin poikkileikkausten vaatima pintakovuuden ja ytimen sitkeys.

1. Normalisointi: levitetään takomisen jälkeen jäännösjännitysten lievittämiseksi, rakenteen homogenisoimiseksi ja materiaalin valmistelemiseksi myöhempää työstöä ja lämpökäsittelyä varten ilman vääristymiä, joita voi esiintyä normalisoimattomissa takeissa
2. Karkaisu ja karkaisu: käytetään rakenneosissa, kuten planeettakannattimissa ja akseleissa korkean sydämen lujuuden ja sitkeyden kehittämiseksi; vaimennusnopeus ja temperointilämpötila valitaan suunnittelustandardin edellyttämän myötörajan ja iskuenergian mukaan
3. Hiiletys ja kotelon karkaisu: käytetään hammaspyörien hampaisiin planeettavaihteissa, aurinkovaihteissa, rengashammaspyörissä ja hammaspyörissä; hiiltä diffundoituu pintakerrokseen määrättyyn kotelon syvyyteen, mitä seuraa karkaisu, jotta pinnan kovuus saavutetaan tyypillisesti alueella 58-62 HRC, samalla kun ydin pysyy sitkeänä
4. Nitraus: käytetään silloin, kun hiiletyksen aiheuttama vääristymä ei ole hyväksyttävää tai kun seoskoostumus soveltuu typen diffuusiokarkaisuun; saavuttaa kovan kotelon alhaisemmissa lämpötiloissa ja pienemmällä mittamuutoksella kuin hiiletys
5. Induktiokarkaisu: käytetään valituille akselipinnoille, kuten laakerin istukkaille, joissa tarvitaan paikallista pintakarkaisua ilman täyden hiiletyksen kustannuksia

Zhangqiu Heavy Forging kuvaa planeettakannattimien materiaali- ja lämpökäsittelyn valintaa: käytetään suositeltavia taonta- ja vapaataontaprosesseja materiaaleilla, kuten 42CrMo-, 20CrMnTi- ja 35CrMo-seosteräksillä yhdistettynä karkaisuun ja karkaisuun sekä karburointiin ja karkaisuun, jotta saavutetaan tasapaino: lujuuden ja riippuvuuden vaatiman lähdekomponentin välillä. Taottu, taottu planeettapyörän kantaja).

Laatu- ja testausstandardit tuuliturbiinin vaihdelaatikon takomoille

Tuuliturbiinin vaihteiston taotut valmistetaan jäljitettävien materiaali- ja mittastandardien mukaisesti dokumentoiduilla testikirjoilla, jotka seuraavat komponentteja toimitusketjun läpi ja ovat saatavilla turbiinin käyttöiän ajan.

1. Kemiallisen koostumuksen tarkastus kunkin lämmön spektrografisella analyysillä materiaalin laadun varmistamiseksi sovellettavan standardin spesifikaatiorajoissa
2. Taotusta tai samoissa olosuhteissa taotusta testikappaleesta otettujen kuponkikappaleiden mekaanisten ominaisuuksien testaus, mukaan lukien vetolujuus, myötöraja, venymä, pinta-alan pienentäminen ja Charpy-iskuenergia määritetyssä testilämpötilassa
3. Täyden taontatilavuuden ultraäänitestaus sisäisten vikojen, sulkeumien tai erottumien havaitsemiseksi, jotka eivät näy pinnalla, mutta jotka vähentävät väsymislujuutta käytössä
4. Magneettinen hiukkastarkastus tai pintojen väriaineen tunkeutumistarkastus takomisen tai lämpökäsittelyn aikana syntyneiden pintahalkeamien havaitsemiseksi
5. Mittatarkastus toleranssien piirtämiseen koordinaattimittauskoneilla monimutkaisiin geometrioihin ja tarkkuusmittaukseen kriittisten poraushalkaisijoiden ja kiilaurien osalta
6. Kovuuden tarkastus Brinell- tai Rockwell-testillä tietyissä kohdissa sen varmistamiseksi, että lämpökäsittely on saavuttanut vaaditut ominaisuudet osan läpi

ACE-prosessi Tuuliturbiinin vaihdelaatikon takoot on valmistettu tämän täydellisen laatustandardin mukaisesti, ja jokaisen takomisen mukana toimitetaan materiaalisertifikaatit, mekaaniset testiraportit, ainetta rikkomattomat tarkastustiedot ja mittatarkastusasiakirjat, jotka tukevat tuuliturbiinien OEM-valmistajien ja niiden sertifiointielinten jäljitettävyys- ja sertifiointivaatimuksia.