Nyomógyűrűs kovácsolás és lengőgyűrűs kovácsolás: folyamatok, anyagok és szélturbina-alkalmazások

Mik vannak Pitch Ring kovácsolás és a Yaw Ring kovácsolás?

Egy szélturbinában két nagy átmérőjű kovácsolt gyűrű alapvetően eltérő, de egyformán kritikus funkciókat lát el. A karikagyűrű kovácsolás képezi a dőlésszögű csapágy szerkezeti magját, lehetővé téve, hogy minden lapát a hossztengelye körül forogjon, és beállítsa szögét a bejövő szélhez képest. A yaw ring kovácsolás A gondola alján elhelyezett, lehetővé teszi a teljes gondola és rotor szerelvény vízszintes forgását és a szélirány változásainak követését.

Mindkét alkatrész nagy átmérőjű hengerelt kovácsolt gyűrűhöz tartozik - jellemzően től kezdve 1000 mm és több mint 3000 mm között külső átmérőben a turbinaosztálytól függően – és mindkettőnek több tízmillió terhelési ciklust kell kibírnia egy 20-30 éves működési élettartam alatt. Bármelyik alkatrész idő előtti meghibásodásának következménye a turbina teljes leállása, így a nyersanyag kiválasztása és a kovácsolási folyamat szabályozása nem megtárgyalható tényező a gyártás során.

Kovácsolási folyamat: a tuskótól a kész gyűrűig

Mind a dőlésszögű, mind a ferde gyűrűket a melegen hengerelt gyűrűs kovácsolási eljárás , amely kiváló mechanikai tulajdonságokat biztosít az öntéshez vagy a lemezgyártáshoz képest. A tipikus gyártási sorrend a következő:

1. Téglavágás és fűtés — Az acéltuskót a számított térfogatra vágják, és a megfelelő kovácsolási hőmérsékletre (ötvözött acéloknál jellemzően 1100–1250 °C) melegítik.
2. Felkavaró és ütés — A tuskót egy présen felborítják, hogy csökkentsék a magasságot és növeljék az átmérőt, majd kilyukasztják a központi lyukat, így fánk alakú előformát alakítanak ki.
3. Tüske és radiális hengerlés — Az előformát egy gyűrűs hengerműre helyezik, ahol a hajtóhenger és a tüske folyamatos radiális és axiális nyomást fejt ki, csökkentve a falvastagságot és növelve a gyűrű átmérőjét a célméretek eléréséig.
4. Hőkezelés — Jellemzően a kvencselést és temperálást (Q&T) alkalmazzák a kívánt keménységi profil elérése érdekében 260-320 HB dőlésszögű és ferde gyűrűs alkalmazásokhoz.
5. Durva és simító megmunkálás — A CNC esztergálás, marás, fogaskerekes hornyolás (fogazott ferde gyűrűkhöz) és fúrás teljesíti a méretkövetelményeket.
6. Roncsolásmentes vizsgálat (NDT) — Az ultrahangos vizsgálat (UT) és a mágneses részecskevizsgálat (MPI) igazolja a belső szilárdságot és a felületi integritást a szállítás előtt.

Ez az eljárás teljesen megmunkált, szemcsékkel finomított mikrostruktúrát hoz létre a szálas áramlási vonalakkal, amelyek kerülete mentén vannak elhelyezve – ez az ideális orientáció a torziós és hajlítási terhelésekkel szemben, amelyeket a dőlésszögű és ferde gyűrűk működés közben tapasztalnak.

Anyagválasztás: A szélenergia-szabványoknak megfelelő ötvözetminőségek

A dőlésszögű és ferde gyűrűs kovácsolt anyagok anyagválasztását a nagy szilárdság, az alacsony hőmérsékleten való megfelelő szívósság és a vastag szakaszokon a jó edzhetőség egyensúlyának szükségessége szabályozza. A következő fokozatokat határozzák meg a legszélesebb körben:

Offshore vagy sarkvidéki létesítményekhez, nulla alatti Charpy ütésállóság (jellemzően ≥27 J -40 °C-on) kötelező előírássá válik. Ezekben az esetekben előnyben részesítik a nikkel-ötvözött minőségeket, például a 34CrNiMo6-ot vagy a normalizált finomszemcsés szerkezeti acélokat a standard króm-molibdén minőségekkel szemben.

Főbb különbségek a pitch Ring és Yaw Ring kovácsolás

Bár mindkét alkatrész ugyanazt a magkovácsolási utat követi, a tervezési követelményeik a gyakorlatban jelentősen eltérnek:

• Mennyiség turbinánként: Három lapátos turbinát használnak három karikagyűrű (pengénként egy), de csak egy ívelt gyűrű .
• Fogaskerék fogai: Az orrgyűrűk szinte mindig belső vagy külső fogazatú (hobbed fogaskerék gyűrű), amelyet több elforduló hajtómotor hajt meg. Az OEM-specifikációtól függően a gyűrűk fogazottak vagy fogaskerék-szegmenses kialakításúak lehetnek.
• Karakter betöltése: Pitch rings tapasztalat oszcilláló, nagyfrekvenciás mikromozgások mivel a lapátemelkedést a turbina működése közben folyamatosan állítják. Az orrgyűrűk átesnek lassabb, nagyobb nyomatékú forgások a szélirány követésekor.
• Versenypálya keménységi követelményei: A dőlésszögű gyűrűk általában indukciósan edzett futópályákat igényelnek ( 58–62 HRC ), hogy ellenálljon a gördülési érintkezési kifáradásnak a nagy ciklusú mikromozgások során. A lengéscsillapító gyűrűk gyakran valamivel alacsonyabb felületi keménységet adnak meg, de kiváló fogaskerék-foggyökér-fáradásállóságot igényelnek.
• Mérettűrés: Mindkettő precíziós alkatrész, de a lengési gyűrű gömbölyűsége és a fogaskerekek álláspontossága különösen kritikus fontosságú, mivel a hibák közvetlenül átterjednek a gondolabeállításba és a hajtásrendszer hatékonyságába.

Minőségi szabványok és tanúsítási követelmények

A szélturbinás kovácsolású és ferde gyűrűs kovácsolt termékekre a kovácsiparban a legszigorúbb minőségi követelmények vonatkoznak. A beszerzési előírások általában az alábbiakra hivatkoznak vagy igazodnak:

• EN 10228-3 / EN 10228-4 — Acélkovácsolt anyagok roncsolásmentes vizsgálata (ultrahangos és mágneses részecskevizsgálat)
• ASTM A388 — Nehéz acélkovácsolás ultrahangos vizsgálata
• ISO 6336 — Fogaskerekes teherbírás számítások (fogazott gyűrűs szakaszokhoz)
• DNV-ST-0361 / GL irányelvek — A szélturbinák csapágyaira és szerkezeti kovácsolására vonatkozó típusalkalmassági követelmények
• IEC 61400-1 — A szélturbina tervezési követelményei, beleértve a szerkezeti alkatrészek kifáradási élettartamát

A gyakorlatban a legtöbb első osztályú OEM kiegészíti ezeket a nyilvános szabványokat saját beszállítói minősítési auditjaival, az első cikk szerinti vizsgálati protokollokkal és az acélolvadék hőjére visszanyúló anyagok nyomon követhetőségi követelményeivel. Harmadik fél szemtanúi ellenőrzése olyan szervezetek, mint a Bureau Veritas, a TÜV vagy az SGS a kovácsolás, a hőkezelés és a végső megmunkálás során gyakori a nagy offshore turbinaszerződéseknél.

Trendek ösztönzik az innovációt a pitch és yaw ring kovácsolás terén

Ahogy a szélturbinák névleges kapacitása tovább növekszik – a tengeri modellek mára meghaladja 15 MW egységenként — a dőlésszögű és ferde gyűrűs kovácsolások új méret- és teljesítményhatárok elé kerülnek. Számos fejlesztés alakítja át ezen alkatrészek tervezését és gyártását:

• Nagyobb gyűrűátmérők: A 12-15 MW-os platformok lehajlási gyűrűi elérhetik a külső átmérőt 3500-4500 mm 500 tonnát meghaladó kapacitású gyűrűs hengerműveket és speciális hőkezelő kemencéket igényel.
• Integrált csapágygyűrű kialakítások: Egyes következő generációs dőlésszögű rendszerek a kovácsolt monoblokk forgógyűrűk felé haladnak, amelyek egyetlen kovácsolt alkatrészben egyesítik a csapágypályát, a fogaskerekek fogait és a szerkezeti karimát, csökkentve az összeszerelési felületeket és javítva a fáradási élettartamot.
• Haladó szimuláció: A FEA-alapú kovácsolási folyamat szimulációját (például DEFORM vagy Simufact használatával) egyre gyakrabban használják a szemcseáramlás optimalizálására, a kovácsolási hibák minimalizálására és az anyaghulladék arányának csökkentésére az első fizikai próba előtt.
• Tisztább acél olvasztása: A vákuumos gáztalanítást (VD/VOD) és az elektrosalak-újraolvasztást (ESR) gyakrabban határozzák meg a hidrogéntartalom alatti elérése érdekében 1,5 ppm és ultra-alacsony záródási besorolás, meghosszabbítva a fáradási élettartamot a nagy ciklusú hangmagasságú alkalmazásoknál.
• Az ellátási lánc lokalizációja: Ahogy a szélenergia elterjedése felgyorsul Ázsiában, Észak-Amerikában és Európában, az OEM-ek regionális kovácsolási beszállítókat minősítenek, hogy csökkentsék e nagy, nehéz alkatrészek átfutási idejét és logisztikai költségeit.