Forjare cu inel de pas și forjare cu inel de rotire: aplicații de proces, materiale și turbine eoliene

Ce sunt Pitch Ring Forjate și forjare a inelului Yaw?

Într-o turbină eoliană, două inele forjate cu diametru mare îndeplinesc funcții fundamental diferite, dar la fel de critice. The forjare inel de pas formează miezul structural al lagărului de pas, permițând fiecărei lame să se rotească în jurul axei sale longitudinale și să își ajusteze unghiul în raport cu vântul care vine. The forjare a inelului de rotire , poziționat la baza nacelei, permite întregului ansamblu nacelă și rotor să se rotească orizontal și să urmărească schimbările de direcție a vântului.

Ambele componente sunt clasificate ca piese forjate cu inele laminate cu diametru mare - de obicei variind de la 1.000 mm până la peste 3.000 mm în diametrul exterior, în funcție de clasa turbinei - și ambele trebuie să suporte zeci de milioane de cicluri de sarcină pe o durată de viață operațională de 20 până la 30 de ani. Consecința defecțiunii premature a oricărei componente este o oprire completă a turbinei, ceea ce face ca selecția materiilor prime și controlul procesului de forjare să fie factori nenegociabili în fabricarea acestora.

Proces de forjare: de la Billet la Finished Ring

Atât inelele de pas, cât și cele de rotire sunt produse prin intermediul proces de forjare cu inele laminate la cald , care oferă proprietăți mecanice superioare în comparație cu turnarea sau fabricarea plăcii. Secvența tipică de producție este următoarea:

1. Tăiere și încălzire a bilețelor — O țagle de oțel este tăiată la volumul calculat și încălzită la temperatura de forjare corespunzătoare (de obicei 1.100–1.250 °C pentru oțelurile aliate).
2. Supărare și pumni — Tagla este răsturnată pe o presă pentru a reduce înălțimea și a crește diametrul, apoi este perforată pentru a crea orificiul central, formând o preformă în formă de gogoși.
3. Mandrin și laminare radială — Preforma este plasată pe un laminor cu inele, unde rola de antrenare și dornul aplică presiune radială și axială continuă, reducând grosimea peretelui și mărind diametrul inelului până la atingerea dimensiunilor țintă.
4. Tratament termic — Călirea și revenirea (Q&T) sunt aplicate pentru a obține profilul de duritate necesar, de obicei 260–320 HB pentru aplicații cu inele de inclinare și rotire.
5. Prelucrare brută și finisată — Strunjirea CNC, frezarea, frezarea angrenajului (pentru inele de rotire dintate) și găurirea completează cerințele dimensionale.
6. Testare nedistructivă (NDT) — Testarea cu ultrasunete (UT) și inspecția cu particule magnetice (MPI) verifică soliditatea internă și integritatea suprafeței înainte de livrare.

Acest proces produce o microstructură complet forjată, rafinată cu granulație, cu liniile de curgere fibroase orientate circumferențial - orientarea ideală pentru a rezista la sarcinile de torsiune și încovoiere pe care inelele de inclinare și rotire le experimentează în funcționare.

Selectarea materialelor: grade de aliaje care îndeplinesc standardele de energie eoliană

Selectarea materialului pentru forjarea cu inele de pas și de rotire este guvernată de necesitatea de a echilibra rezistența ridicată, tenacitatea adecvată la temperaturi scăzute și întăribilitatea bună pe secțiuni groase. Următoarele clase sunt cele mai larg specificate:

Pentru instalații offshore sau arctice, rezistență la impact Charpy sub zero (de obicei ≥27 J la -40 °C) devine o specificație obligatorie. În aceste cazuri, clasele aliate cu nichel, cum ar fi 34CrNiMo6 sau oțelurile structurale cu granulație fină normalizate sunt preferate față de clasele standard de crom-molibden.

Diferențele cheie între Pitch Ring și Piese forjate cu inele de orientare

Deși ambele componente urmează același traseu de forjare de bază, cerințele lor de proiectare diferă semnificativ în practică:

• Cantitate per turbina: O turbină cu trei pale folosește trei inele de pas (unul pe lamă) dar numai un inel de rotire .
• Dintii angrenajului: Inelele de guișă sunt aproape întotdeauna dintate intern sau extern (inel dințat cu blat), acționat de mai multe motoare de antrenare. Inelele de pas pot fi dintate sau pot folosi un design cu pinion și segment, în funcție de specificațiile OEM.
• Încarcă caracter: Pitch rings experiență micro-mișcări oscilante, de înaltă frecvență deoarece pasul palelor este reglat continuu în timpul funcționării turbinei. Inelele de ghiciune sunt supuse rotații mai lente, cu cuplu mai mare la urmărirea direcției vântului.
• Cerințe de duritate a căii de rulare: Inelele de pas necesită de obicei canale de rulare întărite prin inducție ( 58–62 HRC ) pentru a rezista oboselii de contact de rulare sub micro-mișcări cu ciclu înalt. Inelele de rotire specifică adesea o duritate a suprafeței puțin mai mică, dar necesită o rezistență superioară la oboseală la îndoirea rădăcinii dinților angrenajului.
• Toleranta dimensionala: Ambele sunt componente de precizie, dar inelul de rotunjire și precizia pasului angrenajului sunt deosebit de critice, deoarece erorile se propagă direct în alinierea nacelei și în eficiența sistemului de antrenare.

Standarde de calitate și cerințe de certificare

Piesele forjate cu pasul turbinei eoliene și inelele de rotire sunt supuse unora dintre cele mai stricte cerințe de calitate din industria forjării. Specificațiile de achiziție de obicei fac referire sau se aliniază cu:

• EN 10228-3 / EN 10228-4 — Încercarea nedistructivă a pieselor forjate din oțel (inspecție cu ultrasunete și particule magnetice)
• ASTM A388 — Examinarea cu ultrasunete a pieselor forjate grele din oțel
• ISO 6336 — Calcule ale capacității de sarcină a angrenajului (pentru secțiuni cu inele dintate)
• Ghid DNV-ST-0361 / GL — Cerințe de certificare de tip pentru rulmenții turbinelor eoliene și elementele forjate structurale
• IEC 61400-1 — Cerințe de proiectare a turbinei eoliene, inclusiv durata de viață la oboseală a componentelor structurale

În practică, majoritatea OEM-urilor de nivel 1 completează aceste standarde publice cu propriile lor audituri de calificare a furnizorilor, protocoale de inspecție a primului articol și cerințe de trasabilitate a materialelor care se extind până la căldura topiturii oțelului. Inspecție de martori terță parte de către organizații precum Bureau Veritas, TÜV sau SGS în timpul forjării, tratamentului termic și prelucrarea finală este obișnuită în contractele mari cu turbine offshore.

Tendințe care stimulează inovația în forjarea inelului de pas și de înclinare

Pe măsură ce capacitatea nominală a turbinelor eoliene continuă să crească - cu modelele offshore depășind acum 15 MW pe unitate — elementele forjate cu inele de pas și de rotire sunt împinse la noi limite dimensionale și de performanță. Mai multe evoluții modifică modul în care aceste componente sunt proiectate și fabricate:

• Diametre mai mari de inel: Inelele de orientare pentru platforme de 12–15 MW pot atinge diametre exterioare de 3.500–4.500 mm , necesitând laminoare inelare cu capacități care depășesc 500 de tone și cuptoare specializate de tratare termică.
• Modele integrate cu inele de rulment: Unele sisteme de pas de ultimă generație se îndreaptă către modele de inele de rotire monobloc forjate care combină calea rulmentului, dinții angrenajului și flanșa structurală într-o singură componentă forjată, reducând interfețele de asamblare și îmbunătățind durata de viață la oboseală.
• Simulare avansată: Simularea procesului de forjare bazată pe FEA (de exemplu, folosind DEFORM sau Simufact) este din ce în ce mai utilizată pentru a optimiza fluxul de cereale, a minimiza defectele de forjare și a reduce ratele de resturi de material înainte de prima încercare fizică.
• Topire mai curată a oțelului: Degazarea în vid (VD/VOD) și retopirea electrozgurei (ESR) sunt specificate mai frecvent pentru a obține conținutul de hidrogen de mai jos 1,5 ppm și evaluări de incluziune ultra-scăzute, prelungind durata de viață la oboseală în aplicațiile cu pas cu ciclu înalt.
• Localizarea lanțului de aprovizionare: Pe măsură ce implementarea energiei eoliene se accelerează în Asia, America de Nord și Europa, OEM-urile califică furnizorii regionali de forjare pentru a reduce timpii de livrare și costurile logistice pentru aceste componente mari și grele.