Cosa sono i forgiati dei riduttori delle turbine eoliche?

Forgiati del cambio della turbina eolica sono componenti in acciaio formati con precisione che costituiscono la struttura interna di trasmissione della potenza di un riduttore di una turbina eolica, prodotti attraverso processi di forgiatura a caldo o a stampo chiuso che allineano la struttura dei grani dell'acciaio per la massima resistenza alla fatica e capacità di carico. I principali componenti forgiati in una scatola del cambio di una turbina eolica sono la corona dentata, gli ingranaggi planetari, il supporto planetario, l'ingranaggio solare, gli alberi di ingresso e di uscita e i pignoni. Queste parti sono forgiate anziché fuse perché il riduttore funziona sotto carichi alternati continui provenienti da input variabili del vento e la struttura metallica densa e priva di difetti prodotta dalla forgiatura fornisce la durata a fatica necessaria per soddisfare la tipica durata di progettazione di 20 anni di una moderna turbina eolica (Fonte: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier). La forgiatura non è intercambiabile con la fusione per i componenti di qualità del cambio perché le differenze di proprietà meccaniche tra i due processi determinano direttamente per quanto tempo il cambio sopravvive sotto carichi operativi reali.

Il ruolo del riduttore in una turbina eolica

Per capire perché la qualità della forgiatura dei componenti del cambio è così importante, è necessario capire cosa fa il cambio all'interno della turbina e la gravità dell'ambiente meccanico in cui opera.

Il rotore di una turbina eolica gira lentamente in risposta al vento, tipicamente tra 10 e 22 giri al minuto per una grande turbina multi-megawatt. Il generatore che converte l’energia meccanica in elettricità deve girare a velocità molto più elevate, in genere da 1.000 a 1.500 giri al minuto o più. Il cambio colma questa differenza di velocità. Fuhong Steel descrive direttamente la funzione: il riduttore dell'energia eolica è il componente principale della turbina eolica, la sua funzione principale è convertire l'energia cinetica generata dalla ruota eolica sotto l'azione del vento in energia meccanica e infine trasferirla al generatore (Fonte: Fuhong Steel, Special Steel for Wind Power Equipment Forgings). Un brevetto che descrive il gruppo del cambio ha confermato che l'albero del rotore fornisce un ingresso a bassa velocità e coppia elevata al cambio, che è quindi configurato per convertire tale ingresso in un'uscita ad alta velocità e coppia inferiore che aziona il generatore (Fonte: Brevetto USPTO 11085421, Portatore di pianeti of a Wind Turbine Gearbox with Improved Lubricant Path).

Le esigenze meccaniche di questa conversione sono estreme. Il cambio deve gestire carichi di coppia continuamente variabili alle variazioni della velocità del vento, ai carichi d'urto improvvisi durante le raffiche, alla fatica ciclica continua per 20 o più anni, e tutto questo in modo affidabile in una navicella situata in alto sopra il suolo dove la manutenzione è costosa e la sostituzione dei componenti principali può costare centinaia di migliaia di dollari per evento. Queste esigenze sono il motivo per cui ogni componente strutturale principale all'interno del cambio è specificato come forgiato piuttosto che come fusione.

I componenti forgiati primari di un riduttore di turbine eoliche

Il riduttore di una turbina eolica non è un unico pezzo forgiato. Si tratta di un insieme di diversi componenti forgiati distinti, ciascuno dei quali svolge una funzione specifica negli stadi degli ingranaggi planetari ed elicoidali che compongono l'intera trasmissione ad aumento di velocità.

Corona dentata (ingranaggio anulare)

La corona dentata è il grande ingranaggio esterno con denti interni che forma il confine esterno dello stadio dell'ingranaggio planetario. Gli ingranaggi planetari si ingranano contro la sua superficie interna mentre orbitano attorno all'ingranaggio solare e la corona dentata rimane fissa o ruota a seconda del design del cambio. Poiché la corona dentata trasmette l'intero carico di coppia dello stadio planetario ed è in costante contatto dei denti con tre o più ingranaggi planetari contemporaneamente, le proprietà del materiale e la precisione dimensionale sono fondamentali per le prestazioni dell'intero riduttore. Un brevetto USPTO che descrive il processo di produzione della corona dentata rileva che la corona dentata è generalmente formata tramite forgiatura e deve successivamente essere trattata termicamente per ottenere la durezza richiesta e che l'accuratezza dimensionale attraverso il processo di forgiatura e trattamento termico è fondamentale poiché il trattamento termico può causare distorsioni dimensionali che richiedono una correzione della lavorazione (Fonte: Brevetto USPTO 10495210, Integral Ring Gear and Torque Arm for a Wind Turbine Gearbox).

Ingranaggi del pianeta

Gli ingranaggi planetari sono gli ingranaggi intermedi che orbitano tra la corona dentata e l'ingranaggio centrale, trasmettendo la coppia tra i due e ruotando anche sui propri assi. In uno stadio planetario di una turbina eolica di grandi dimensioni, in genere tre o quattro ingranaggi planetari condividono il carico totale, distribuendolo su più contatti dei denti contemporaneamente. Questa disposizione consente di ottenere un'elevata densità di coppia in un pacchetto compatto, ma significa anche che ciascun ingranaggio planetario trasporta una frazione significativa del carico totale nel ciclo di fatica continuo. Zhangqiu Heavy Forging conferma che dopo il trattamento termico di tempra e rinvenimento, i porta ingranaggi epicicloidali forgiati possono resistere a sollecitazioni alternate a lungo termine con una durata di servizio che è 2 o 3 volte più a lungo rispetto ai componenti prodotti mediante processi ordinari, un rapporto che si applica ugualmente agli stessi ingranaggi planetari (Fonte: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Planet Carrier

Il portasatelliti è il componente strutturale che mantiene gli alberi degli ingranaggi planetari nelle loro posizioni orbitali corrette l'uno rispetto all'altro e rispetto all'anello e agli ingranaggi solari. Deve mantenere una precisione di posizionamento precisa sotto carico per mantenere simultaneamente tutti gli ingranaggi planetari in una posizione corretta, il che richiede sia un'elevata rigidità che un'eccellente resistenza alla fatica. Zhangqiu Heavy Forging descrive i requisiti chiave per un portasatelliti forgiato: il processo di modellatura quasi netta combinato con un'elaborazione precisa garantisce un controllo rigoroso dell'accuratezza delle dimensioni e della tolleranza di posizione, garantendo una cooperazione precisa con ingranaggi planetari, ingranaggi solari e alberi di uscita, riducendo la perdita di trasmissione e il rumore (Fonte: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier). I materiali utilizzati per i portasatelliti includono acciai legati ad alta resistenza 42CrMo, 20CrMnTi e 35CrMo, con sequenze di trattamento termico di tempra e rinvenimento più cementazione per ottenere il giusto equilibrio tra durezza superficiale e tenacità del nucleo (Fonte: Zhangqiu Heavy Forging).

Ingranaggi solari e pignoni

L'ingranaggio solare si trova al centro dello stadio planetario e ingrana contemporaneamente con tutti gli ingranaggi planetari, mentre i pignoni compaiono negli stadi elicoidali di un cambio a più stadi dove sono necessari ulteriori aumenti di velocità. Entrambi i tipi devono essere forgiati da gradi di acciaio legato con temprabilità sufficiente per ottenere fianchi dei denti cementati mediante cementazione o nitrurazione dopo lavorazione di sgrossatura, fornendo la durezza superficiale necessaria per resistere alla vaiolatura e all'affaticamento dei fianchi dei denti per decenni di carico ciclico.

Alberi di ingresso e uscita

L'albero di ingresso collega l'albero del rotore principale al primo stadio planetario del riduttore e l'albero di uscita ad alta velocità collega lo stadio dell'ingranaggio finale all'accoppiamento del generatore. Entrambi gli alberi presentano profili di carico diversi: l'albero di ingresso trasporta una coppia elevata a bassa velocità con elevati momenti flettenti dal rotore, mentre l'albero di uscita trasporta una coppia inferiore ad alta velocità con fatica torsionale dovuta ai transitori di carico del generatore. Tiptop Heavy Forging rileva che l'albero ad alta velocità in un sistema di turbina eolica si trova dopo il riduttore, ruota molto più velocemente ma trasmette una coppia inferiore al generatore e che entrambi i tipi di albero richiedono grandi dimensioni e materiali forgiati resistenti (Fonte: Tiptop Heavy Forging, Shaft of a Wind Turbine: Structure, Materials and Forging).

Perché la forgiatura è il processo richiesto per i componenti del cambio

La decisione di forgiare piuttosto che fondere componenti adatti ai cambi non è una preferenza; si tratta di un requisito dettato dalle esigenze di durata a fatica del funzionamento delle turbine eoliche.

Flusso del grano e superiorità meccanica

La forgiatura modella il metallo sotto un'elevata forza di compressione, che chiude i vuoti interni, affina la struttura dei grani e allinea il flusso dei grani lungo la geometria del pezzo. Ciò produce un componente con carico di snervamento, carico di rottura e resistenza alla fatica significativamente più elevati rispetto alla stessa geometria prodotta mediante fusione della stessa lega. Tiptop Heavy Forging spiega che la forgiatura modifica la struttura interna del metallo in modo da aiutare a produrre componenti grandi e affidabili per servizi pesanti e che gli alberi principali delle turbine eoliche sono normalmente realizzati in acciaio forgiato anziché fuso appositamente a causa di questa differenza strutturale (Fonte: Tiptop Heavy Forging, Shaft of a Wind Turbine).

Vita a fatica in carico ciclico

I componenti della scatola del cambio delle turbine eoliche sono soggetti a carichi di fatica derivanti da ogni rivoluzione del rotore e una durata prevista di 20 anni a velocità operativa corrisponde a centinaia di milioni di cicli di sollecitazione sui denti degli ingranaggi e sulle sezioni trasversali dell'albero. I componenti fusi contengono porosità da ritiro, inclusioni di gas e orientamento casuale dei grani che creano concentrazioni di sollecitazioni alle quali possono iniziare e propagarsi le cricche da fatica. I componenti forgiati con porosità chiusa e struttura dei grani allineati forniscono un limite di fatica significativamente più elevato, consentendo loro di sostenere la stessa ampiezza di sollecitazione per molti più cicli prima dell'innesco della cricca. La documentazione di Zhangqiu Heavy Forging sui supporti per ingranaggi planetari forgiati che raggiungono una durata operativa da 2 a 3 volte maggiore rispetto ai processi ordinari quantifica direttamente questo vantaggio in termini di fatica in termini specifici dell'applicazione (Fonte: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Stabilità dimensionale sotto carico

La precisione dell'ingranamento degli ingranaggi dipende dalla stabilità dimensionale di ogni componente forgiato sotto carico sia statico che dinamico. Se un portasatelliti si flette sotto carico in modo da modificare le posizioni relative degli alberi degli ingranaggi planetari, la condivisione del carico tra gli ingranaggi planetari diventa disuguale e gli ingranaggi planetari sovraccarichi si guastano prematuramente. I componenti forgiati con proprietà del materiale prevedibili e uniformi sono più facili da modellare e progettare per i requisiti di rigidità rispetto ai pezzi fusi con proprietà variabili nella sezione.

Gradi di acciaio utilizzati nei forgiati dei riduttori delle turbine eoliche

La selezione dei materiali per i forgiati dei riduttori bilancia temprabilità, tenacità, lavorabilità e disponibilità nelle catene di fornitura globali.

Fuhong Steel conferma che 18CrNiMo7-6 e 8620 sono i tipi di acciaio utilizzati principalmente dai clienti europei e americani per i riduttori di energia eolica, riflettendo le diverse preferenze standard dei materiali che si sono sviluppate in ciascun mercato principale (Fonte: Fuhong Steel, Special Steel for Wind Power Equipment Forgings). La scelta tra questi gradi dipende dalla funzione dell'ingranaggio, dalla profondità della cassa richiesta dopo la cementazione, dalla durezza del nocciolo richiesta per lo stato di sollecitazione specifico e dai requisiti di certificazione dell'OEM.

Sequenze di trattamento termico per pezzi fucinati di riduttori

Un pezzo forgiato allo stato grezzo non ha le proprietà meccaniche richieste per il servizio del cambio. Il trattamento termico dopo la forgiatura e la sgrossatura è essenziale per ottenere la combinazione di durezza superficiale e tenacità del nucleo richiesta dai denti degli ingranaggi e dalle sezioni trasversali dell'albero.

1. Normalizzazione: applicata dopo la forgiatura per alleviare le tensioni residue, omogeneizzare la struttura e preparare il materiale per la successiva lavorazione meccanica e il trattamento termico senza la distorsione che può verificarsi nelle forgiature non normalizzate
2. Tempra e rinvenimento: utilizzato per componenti strutturali come portasatelliti e alberi per sviluppare elevata resistenza e tenacità del nucleo; la velocità di raffreddamento e la temperatura di rinvenimento sono selezionate per raggiungere il carico di snervamento specifico e l'energia d'impatto richiesti dallo standard di progettazione
3. Carburazione e cementazione: utilizzata per i denti degli ingranaggi su ingranaggi planetari, ingranaggi centrali, corone dentate e pignoni; il carbonio viene diffuso nello strato superficiale fino a una profondità specificata, seguito da un processo di tempra per ottenere una durezza superficiale generalmente compresa tra 58 e 62 HRC mentre il nucleo rimane tenace
4. Nitrurazione: utilizzata dove la distorsione dovuta alla cementazione è inaccettabile o dove la composizione della lega è adatta all'indurimento per diffusione di azoto; raggiunge una custodia dura a temperature più basse e con meno cambiamenti dimensionali rispetto alla cementazione
5. Tempra a induzione: utilizzata per superfici selezionate di alberi come le sedi dei cuscinetti portanti dove è necessario un indurimento superficiale localizzato senza il costo della cementazione completa

Zhangqiu Heavy Forging descrive la selezione del materiale e del trattamento termico per i portasatelliti: vengono utilizzati processi preferiti di forgiatura e forgiatura libera, con materiali tra cui acciai legati ad alta resistenza 42CrMo, 20CrMnTi e 35CrMo combinati con tempra e rinvenimento più cementazione e tempra per ottenere l'equilibrio tra resistenza e tenacità richiesto per questo componente (Fonte: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Standard di qualità e test per i pezzi fucinati dei riduttori delle turbine eoliche

I pezzi forgiati dei riduttori delle turbine eoliche sono prodotti secondo standard materiali e dimensionali tracciabili con registrazioni di test documentati che accompagnano i componenti attraverso la catena di fornitura e rimangono disponibili per tutta la vita della turbina.

1. Verifica della composizione chimica mediante analisi spettrografica di ciascun calore per confermare la qualità del materiale entro i limiti delle specifiche dello standard applicabile
2. Test delle proprietà meccaniche su provini ricavati dalla forgiatura o da un pezzo di prova forgiato nelle stesse condizioni, tra cui resistenza alla trazione, resistenza allo snervamento, allungamento, riduzione dell'area ed energia di impatto Charpy alla temperatura di prova specificata
3. Test ad ultrasuoni dell'intero volume di forgiatura per rilevare difetti interni, inclusioni o segregazioni non visibili sulla superficie ma che ridurrebbero la resistenza alla fatica in servizio
4. Ispezione con particelle magnetiche o ispezione con coloranti penetranti delle superfici per rilevare cricche superficiali introdotte durante la forgiatura o il trattamento termico
5. Ispezione dimensionale per tolleranze di disegno utilizzando macchine di misura a coordinate per geometrie complesse e misurazione di precisione per diametri di fori e sedi di chiavetta critici
6. Verifica della durezza mediante test Brinell o Rockwell in posizioni specifiche per confermare che il trattamento termico ha raggiunto le proprietà richieste attraverso la sezione

Il processo ACE Forgiati del cambio della turbina eolica sono prodotti secondo questo standard di qualità completo, con certificazioni dei materiali, rapporti di test meccanici, registrazioni di esami non distruttivi e documentazione di ispezione dimensionale forniti con ogni pezzo forgiato per supportare i requisiti di tracciabilità e certificazione degli OEM di turbine eoliche e dei loro organismi di certificazione.