Forgiatura dell'acciaio a caldo per l'industria eolica: i componenti del cambio spiegati in modo approfondito

Il riduttore di una turbina eolica offshore da 10 MW trasmette una coppia sufficiente per muovere una locomotiva merci, ma deve essere inserito nella navicella di una turbina eolica a cento metri dal suolo. I portasatelliti, gli ingranaggi planetari, gli ingranaggi centrali e le corone dentate all'interno del cambio sono prodotti mediante forgiatura dell'acciaio a caldo. Se uno di questi pezzi forgiati presenta un difetto interno, il risultato non è una semplice sostituzione del pezzo. Ciò significa una nave con gru, la rimozione della trasmissione e settimane di perdita di produzione di energia. Ecco perché la forgiatura dell’acciaio a caldo per l’industria eolica viene considerata una fase critica per la sicurezza piuttosto che un lavoro di routine per la formatura dei metalli.

Perché lo stampaggio a caldo per componenti eolici

La forgiatura a caldo è il metodo preferito per le parti di trasmissione del cambio eolico perché produce un flusso continuo di grani e chiude i vuoti interni che la fusione non può eliminare in modo affidabile.

Quando l'acciaio solidifica in uno stampo, sviluppa cavità da ritiro, porosità da gas e segregazione locale. La forgiatura a caldo comprime la billetta a temperature comprese tra 1150 e 1250 gradi Celsius, rompendo quelle imperfezioni e affinando la struttura del grano. Il risultato è una densità più elevata, una migliore resistenza alla fatica e proprietà meccaniche più costanti in tutto il componente. Le trasmissioni delle turbine eoliche subiscono un ciclo di sollecitazione completo ad ogni rivoluzione del rotore, quindi la resistenza alla fatica determina la durata di servizio più della resistenza statica. I test sull'acciaio 42CrMo4 mostrano che il materiale forgiato può fornire un limite di fatica superiore di circa il 30-40% rispetto allo stesso grado in forma fusa. Questo margine spesso separa una trasmissione di 20 anni da un guasto prematuro di mezza età.

Il grafico radar qui sopra mette a confronto la forgiatura a caldo e la fusione in base a sei criteri importanti per le parti delle trasmissioni eoliche. L'acciaio forgiato mostra un chiaro vantaggio in termini di resistenza alla fatica e struttura dei grani perché il processo di deformazione allinea il flusso metallico con il percorso del carico. Anche la solidità interna è migliore nei pezzi fucinati, poiché la fase di compressione salda la porosità da ritiro che rimane nelle sezioni fuse. La fusione ottiene risultati più elevati in termini di efficienza dei costi e tempi di consegna, motivo per cui gli alloggiamenti del cambio di grandi dimensioni e le coperture non caricate vengono ancora prodotti come fusioni. I componenti che sopportano carichi di torsione e flessione, tuttavia, sono sempre specificati come forgiati. Se si classificano questi criteri in base al loro impatto sulla disponibilità delle turbine, per le parti di trasmissione vince il percorso del forgiato.

I componenti forgiati all'interno di un riduttore eolico

La maggior parte dei riduttori eolici utilizza un design planetario per moltiplicare la velocità del rotore da circa 10 giri al minuto ai 1000 giri al minuto richiesti dal generatore. Le parti forgiate sono concentrate negli stadi planetari, dove la coppia è massima.

Portatore di pianeti

Il vettore planetario è il nucleo strutturale di ogni stadio planetario. Mantiene da tre a sei alberi di ingranaggi planetari in posizioni radiali precise trasmettendo l'intera coppia della turbina. In un riduttore da 5 a 10 MW, un portasatelliti forgiato pesa tipicamente tra 1200 e 2800 chilogrammi. Il processo di forgiatura deve creare un flusso uniforme del grano attorno ai fori dei perni, perché quelle aree sopportano lo stress ciclico più elevato. Un supporto forgiato in un unico pezzo evita i cordoni di saldatura che altrimenti diventerebbero punti di inizio della fatica.

Portasatelliti forgiato per riduttori di turbine eoliche da 3-10 MW Questo supporto forgiato monopezzo è adatto agli stadi del cambio da 5-10 MW, con flusso uniforme del grano attorno ai fori dei perni per gestire elevate sollecitazioni cicliche. Esploralo per trasmissioni affidabili di turbine di grande capacità. Visualizza il prodotto →

Ingranaggio planetario e ingranaggio solare

Gli ingranaggi planetari si ingranano contemporaneamente con l'ingranaggio centrale e la corona dentata, suddividendo il carico trasmesso su più contatti dei denti. In una turbina da 5 a 10 MW, l'ingranaggio planetario del primo stadio trasporta la coppia più elevata alla velocità più bassa. Gli ingranaggi solari ruotano più velocemente e richiedono acciaio cementato per resistere all'usura del fianco dei denti. Entrambi i componenti sono normalmente forgiati in 18CrNiMo7-6 o un grado di cementazione equivalente. Il pezzo grezzo forgiato viene lavorato grossolanamente, tagliato a ingranaggi, cementato e rettificato fino al profilo finale.

Forgiati per ingranaggi planetari cementati per riduttori da 5-10 MW Gli ingranaggi planetari del primo stadio trasportano la coppia più elevata a bassa velocità, quindi sono essenziali pezzi grezzi forgiati in 18CrNiMo7-6 con superfici carburate. Questo prodotto copre tutte e tre le fasi planetarie. Visualizza il prodotto →

Corona dentata

La corona dentata è una corona dentata di grande diametro con denti interni. Può essere prodotto come anello forgiato in un unico pezzo o come gruppo saldato segmentato, ma i pezzi fucinati in un unico pezzo distribuiscono meglio il carico perché nessun cordone di saldatura attraversa la zona di sollecitazione. La laminazione degli anelli su un mulino ad anelli verticale crea un orientamento del grano che segue la direzione della radice del dente, migliorando la resistenza alla fatica da flessione. Una corona dentata grezza da 5 a 10 MW può pesare da 1.800 a 3.500 kg, a seconda dell'architettura del cambio.

Forgiati per corone dentate in un unico pezzo per turbine eoliche da 5-10 MW I grezzi per corone dentate di grande diametro fino a 3500 kg beneficiano dell'orientamento dei grani della corona e dell'assenza di cordoni di saldatura. Questo prodotto supporta la trasmissione ad alta potenza con denti interni rettificati di precisione. Visualizza il prodotto →

Il grafico a barre orizzontali qui sopra mostra i tipici pesi grezzi forgiati per i principali componenti rotanti in una scatola eolica da 5 a 10 MW. Le corone dentate sono i pezzi grezzi più pesanti del set, spesso superano i 3500 kg prima del trattamento termico e della sgrossatura. I portasatelliti sono il secondo gruppo più pesante perché sono dischi di grande diametro con più fori per i perni. Gli alberi degli ingranaggi si collocano nella gamma media, mentre gli ingranaggi planetari e solari sono più leggeri ma richiedono comunque acciaio altolegato e un'attenta riduzione della forgiatura. Questi pesi determinano la capacità richiesta del martello o della pressa, le dimensioni del forno di riscaldamento e il volume di lavorazione. Un fornitore con una capacità di martello di 15 tonnellate e un laminatoio per anelli da 1,5 metri può coprire l’intera gamma senza dividere gli ordini tra più fornitori.

Il processo di forgiatura a caldo dalla billetta al grezzo

La conversione di una billetta di acciaio in una forgiatura di ingranaggi eolici certificata segue una sequenza controllata che combina deformazione, trattamento termico e ispezione.

1. Ispezione della billetta. I test ad ultrasuoni vengono eseguiti sulla billetta in entrata per confermare la solidità interna prima dell'inizio di qualsiasi lavoro.
2. Riscaldamento. La billetta viene preriscaldata lentamente e poi immersa a una temperatura di 1.150-1.250 gradi Celsius in un forno a gas.
3. Sconvolgente. La compressione assiale rompe la struttura del getto e affina il grano.
4. Preformatura. L'estrazione e il bloccaggio creano una geometria intermedia vicino al pezzo grezzo finale.
5. Forgiatura finale. La modellatura a stampo chiuso o aperto stabilisce il contorno esterno e gli spessori critici.
6. Anello che rotola. Per le corone dentate e altre parti anulari, un laminatoio ad anelli verticale espande la preforma fino al diametro e alla sezione trasversale richiesti.
7. Raffreddamento controllato. Il raffreddamento lento e uniforme previene lo sfaldamento e l'accumulo di tensioni residue.
8. Lavorazione grossolana e nuova ispezione. Il pezzo grezzo viene sgrossato per rimuovere incrostazioni e difetti superficiali, seguito da un altro passaggio ad ultrasuoni.

Il grafico a linee qui sopra mostra come la capacità nominale delle turbine eoliche offshore sia aumentata da 4 MW nel 2016 a 12 MW nel 2026. Ogni aumento nella potenza nominale della turbina costringe il riduttore a trasmettere più coppia attraverso lo stesso involucro fisico. Una coppia maggiore significa portasatelliti più grandi, corone dentate più grandi e grezzi forgiati più pesanti. Il fornitore di forgiatura deve quindi investire in martelli più grandi, mulini ad anello più grandi e forni di trattamento termico più profondi per seguire questa tendenza. Gli acquirenti che progettano una piattaforma da 12 MW dovrebbero verificare che il loro partner di forgiatura possa gestire pezzi grezzi superiori a 4000 kg. Questo controllo della capacità è più importante del prezzo quando il design della trasmissione dipende da questo.

Selezione dei materiali per forgiati resistenti al vento

Le qualità di acciaio utilizzate nei forgiati dei riduttori eolici appartengono a due famiglie: acciai legati da bonifica per supporti e alberi e acciai da cementazione per denti di ingranaggi che necessitano di una superficie dura e resistente all'usura.

Il 42CrMo4 è ampiamente utilizzato per portasatelliti e alberi di ingranaggi perché combina una buona resistenza con una tempra completa stabile. La progettazione a fatica delle aree delle tasche del supporto è il fattore limitante, quindi il rapporto di riduzione della forgiatura deve essere sufficientemente elevato da affinare la struttura del nucleo. 34CrNiMo6 offre maggiore resistenza per corone dentate pesanti e alberi di grandi dimensioni. 18CrNiMo7-6 è specifico per ingranaggi planetari e centrali che devono resistere alla fatica da contatto dopo la cementazione.

Il grafico a colonne qui sopra confronta il carico di snervamento minimo dei tre gradi in condizioni forgiate e fuse. Le versioni forgiate mostrano un vantaggio costante di circa 230-300 MPa rispetto al materiale fuso della stessa chimica. Questa differenza è importante nella progettazione del cambio perché il carico di snervamento stabilisce il limite per lo stress da flessione sulla radice del dente e sui fori del perno portante. Un maggiore carico di snervamento consente un gruppo ingranaggi più compatto o un margine di sicurezza più elevato a parità di dimensioni. La produzione in fusione richiederebbe sezioni più pesanti per ottenere una capacità di carico simile, il che aumenterebbe la massa del cambio e complicherebbe la struttura della navicella. Questo è il motivo per cui la revisione della progettazione di un riduttore eolico specifica quasi sempre pezzi grezzi forgiati per ogni parte nel percorso della coppia.

Trattamento termico e percorso verso le proprietà finali

La forgiatura a caldo modella il pezzo grezzo, ma il trattamento termico determina le proprietà meccaniche finali. I pezzi forgiati delle scatole del cambio eolico normalmente passano attraverso la normalizzazione, l'estinzione e il rinvenimento e in alcuni casi l'indurimento superficiale dei fianchi dei denti. Ogni passaggio deve essere controllato per mantenere la durezza uniforme su sezioni trasversali di grandi dimensioni. Una sezione della corona dentata spessa 300 mm richiede un processo di tempra che raffredda il nucleo abbastanza velocemente da raggiungere la struttura martensitica richiesta senza creare crepe. Il carico del forno, il mezzo di raffreddamento e il ciclo di rinvenimento influenzano tutti la tenacità finale e lo stress residuo. Una conoscenza operativa di nozioni di base sul trattamento termico dei metalli aiuta i team di approvvigionamento a discutere questi parametri con i fornitori e a verificare che il ciclo pianificato corrisponda alla qualità e alle dimensioni della sezione.

Come valutare un fornitore di forgiatura a caldo per applicazioni eoliche

Un partner capace nello stampaggio a caldo di componenti eolici deve dimostrare qualcosa di più della semplice capacità di colpire una billetta. La valutazione dovrebbe coprire l’intera catena del processo e i sistemi di controllo che la circondano.

• Capacità di forgiatura. Controllare il tonnellaggio del martello o della pressa, la capacità di laminazione dell'anello e il peso massimo della billetta che può essere riscaldata e forgiata.
• Trattamento termico interno. Lo spegnimento e il rinvenimento devono essere eseguiti in forni controllati con curve di temperatura documentate.
• Prove non distruttive. L'ispezione ad ultrasuoni dopo la forgiatura e dopo la lavorazione di sgrossatura è obbligatoria per i grezzi resistenti al vento.
• Tracciabilità. Ogni pezzo grezzo dovrebbe essere collegato al numero di colata, al record di forgiatura e al rapporto di trattamento termico.
• Esperienza con grezzi a vento di grandi dimensioni. Richiedi referenze nel segmento dei riduttori da 3 a 10 MW.

L'importanza del trattamento termico interno viene spesso sottovalutata finché la consegna non viene ritardata dall'outsourcing. Parla direttamente con gli ingegneri di processo anziché solo con il team di vendita. Richiedi le curve di riscaldamento effettive e i rapporti sugli ultrasuoni dei precedenti ordini di forgiatura a vento. Un fornitore come ACE Macchinari copre il percorso completo dal riscaldamento della billetta al pezzo grezzo finito, riducendo le linee di comunicazione e conservando i dati sulla qualità in un unico posto. La verifica di queste capacità prima di effettuare un ordine è il modo più efficace per evitare successivi problemi di qualità.

La forgiatura dell’acciaio a caldo per l’industria eolica rimane una disciplina impegnativa ma ben compresa. I componenti sono grandi, i carichi sono ciclici e il costo di un guasto è estremo. Un fornitore con un'adeguata capacità del martello, un trattamento termico controllato e un'ispezione sistematica può fornire forgiati adatti al vento che funzionano in modo affidabile per l'intera vita utile della turbina.