Qual è lo scopo dei pezzi fucinati dei riduttori delle turbine eoliche?

Forgiati del cambio della turbina eolica hanno uno scopo fondamentale: fornire il integrità strutturale, resistenza alla fatica e precisione dimensionale richiesto dai componenti portanti critici all’interno di un riduttore di una turbina eolica che converte la rotazione lenta del rotore nella rotazione dell’albero ad alta velocità necessaria per generare elettricità. Poiché i riduttori delle turbine eoliche operano in condizioni di carichi di coppia estremi e costantemente variabili, forze d’urto e stress ambientali per una durata di progettazione di 20 anni o più, i componenti al loro interno devono essere fabbricati secondo standard di proprietà meccaniche che solo il processo di forgiatura può raggiungere costantemente nella scala richiesta.

I pezzi forgiati all'interno dei riduttori delle turbine eoliche non sono intercambiabili con equivalenti fusi o lavorati. La lavorazione termomeccanica del metallo durante la forgiatura produce una struttura a grana raffinata, porosità interna eliminata e flusso di fibre allineato che insieme forniscono resistenza alla fatica, resistenza agli urti e valori di resistenza alla propagazione delle cricche che i componenti fusi della stessa lega e geometria non possono eguagliare. Per un cambio di turbina eolica previsto per il completamento centinaia di milioni di cicli di carico nel corso della sua vita operativa in località remote o offshore dove l'accesso per la manutenzione è costoso e difficile, questa differenza nella qualità del materiale è la differenza tra l'affidabilità sul campo accettabile e inaccettabile.

Come funziona il riduttore di una turbina eolica e perché crea richieste estreme di componenti

Per capire perché i componenti forgiati all'interno di un riduttore per turbine eoliche devono soddisfare specifiche così impegnative, è necessario comprendere la funzione meccanica svolta dal riduttore e le forze che deve gestire continuamente per tutta la sua vita utile.

La funzione di conversione della velocità

Il rotore di una moderna turbina eolica di grandi dimensioni ruota a circa Da 5 a 15 giri al minuto (RPM) in condizioni di vento operative tipiche (fonte: Agenzia internazionale per le energie rinnovabili, IRENA Wind Power Technology Brief, 2016). I generatori elettrici standard richiedono velocità di ingresso dell'albero di Da 1.000 a 1.800 giri/min per produrre in modo efficiente l’elettricità alla frequenza di rete. Il cambio colma questo divario attraverso una serie di stadi di ingranaggi planetari ed elicoidali, ottenendo in genere un rapporto di trasmissione complessivo di da 50:1 a 100:1 in configurazioni di turbine multi-megawatt. Ogni componente di questo treno di ingranaggi deve trasmettere questa coppia trasformata in modo continuo, resistendo allo spettro completo di variazioni di carico indotte dal vento, dalle condizioni di calma alle raffiche di tempesta.

L'ambiente di carico variabile e d'urto

A differenza dei riduttori industriali nelle fabbriche o nelle centrali elettriche che funzionano con carichi relativamente costanti, i riduttori delle turbine eoliche sperimentano ingresso di coppia a variazione continua che tiene traccia delle fluttuazioni della velocità del vento in tempo reale. Le condizioni di vento turbolento impongono rapide inversioni di carico, impulsi d'urto torsionali derivanti da eventi di frenatura del rotore e momenti flettenti dovuti all'asimmetria del peso del rotore che, collettivamente, creano uno degli ambienti di carico di fatica più impegnativi incontrati in qualsiasi sistema meccanico. Il Fraunhofer Institute for Wind Energy Systems (IWES) ha documentato nei suoi studi sull'affidabilità dei riduttori che i riduttori delle turbine eoliche accumulano danni da fatica a tassi che sarebbero considerati gravi praticamente in qualsiasi altro contesto di macchinari rotanti, con alcune aree di contatto dei denti degli ingranaggi ad alto carico che sperimentano cicli di sollecitazione al limite del limite di resistenza del materiale su base di routine (fonte: Fraunhofer IWES, Gearbox Reliability Collaborative Report, 2015).

La conseguenza del guasto dei componenti

Il guasto del riduttore è costantemente l’evento di manutenzione non pianificata più costoso nel funzionamento delle turbine eoliche. Solitamente la sostituzione completa del riduttore su una turbina onshore multi-megawatt ha un costo Da 200.000 a 400.000 dollari compresa la mobilitazione delle gru, i componenti e la manodopera, con sostituzioni offshore che costano da due a cinque volte di più a seconda della disponibilità della nave e delle finestre meteorologiche (fonte: National Renewable Energy Laboratory, NREL Gearbox Reliability Collaborative Final Report, 2021). Questi costi rendono la qualità dei materiali dei pezzi forgiati interni degli ingranaggi una variabile finanziaria diretta nell’economia della produzione di energia eolica, non semplicemente un dettaglio delle specifiche tecniche.

Componenti specifici del cambio forgiati e perché

I pezzi fucinati dei riduttori delle turbine eoliche comprendono un insieme definito di componenti interni la cui geometria, percorso di carico e requisiti di fatica rendono la forgiatura il processo di produzione preferito rispetto alla fusione, alla saldatura o alla lavorazione da barra.

Corona dentata

La corona dentata è l'elemento esterno dello stadio dell'ingranaggio planetario e uno dei pezzi fucinati più grandi nel gruppo del cambio. Trasmette l'intera coppia in ingresso dall'albero del rotore attraverso il profilo interno del dente e deve mantenere la precisione della geometria del dente per decenni di carico ciclico. Le corone dentate per le turbine multi-megawatt sono generalmente forgiate Acciaio da cementazione 18CrNiMo7-6 o 17CrNiMo6 , raggiungendo valori di durezza superficiale compresi tra 58 e 62 HRC dopo la cementazione e la tempra, pur mantenendo un nucleo tenace e duttile che resiste alla frattura della radice del dente sotto carichi d'urto. Il flusso continuo dei grani attorno alla circonferenza dell'anello in una corona dentata correttamente forgiata fornisce una resistenza alla propagazione delle cricche che un equivalente fuso non può replicare.

Portatori di pianeti

Il portasatelliti è un pezzo forgiato strutturalmente complesso che trattiene e posiziona gli ingranaggi planetari all'interno dello stadio planetario trasmettendo la coppia tra la corona dentata e l'ingranaggio centrale attraverso gli alberi dell'ingranaggio planetario. Sperimenta complessi stati di sollecitazione tridimensionale tra cui torsione, flessione e carichi radiali simultaneamente. I portasatelliti per turbine di grandi dimensioni pesano da diverse centinaia di chilogrammi a oltre due tonnellate, rendendoli tra i pezzi fucinati tecnicamente più impegnativi nella scatola del cambio. La loro forgiatura richiede presse idrauliche di grande capacità e precise sequenze di stampi multi-fase per ottenere la combinazione richiesta di uniformità dello spessore delle pareti, tolleranza dimensionale e affinamento dei grani in tutta la geometria complessa.

Alberi dell'ingranaggio solare

L'albero dell'ingranaggio solare si trova al centro dello stadio planetario e funziona alla massima velocità di rotazione all'interno di quello stadio, rendendolo soggetto contemporaneamente a fatica ad alto numero di cicli dovuta a sollecitazioni torsionali e di flessione. Gli alberi degli ingranaggi solari sono forgiati per ottenere a microstruttura a grana fine attraverso l'intera sezione trasversale , verificato mediante test di macroincisione e ispezione a ultrasuoni, senza segregazione interna, ritiro o porosità che potrebbero fungere da siti di innesco di crepe da fatica in condizioni di carico ad alto numero di cicli.

Alberi di uscita e alberi intermedi

Gli alberi intermedio e di uscita degli stadi di ingranaggi elicoidali che collegano il gruppo planetario al generatore trasportano velocità di rotazione progressivamente più elevate e coppie inferiori man mano che il rapporto di trasmissione aumenta attraverso la trasmissione. Questi alberi devono mantenere tolleranze strette sul diametro del perno, sull'eccentricità e sulla finitura superficiale nelle aree di appoggio dei cuscinetti, requisiti che si ottengono meglio forgiando un grezzo di forma quasi netta che riduca al minimo la rimozione del materiale e preservi l'integrità della superficie forgiata nei punti critici.

Sbozzi per ingranaggi per ingranaggi a stadio elicoidale

Gli ingranaggi elicoidali degli stadi intermedio e ad alta velocità sono lavorati da ingranaggi grezzi forgiati che forniscono la corretta composizione chimica della lega, distribuzione delle proprietà meccaniche e struttura del grano per le successive operazioni di dentatura, rettifica e trattamento termico. I grezzi forgiati assicurano che il profilo del dente finito tragga vantaggio dalle sollecitazioni residue di compressione sotto la superficie e dall'allineamento dei grani del materiale forgiato, entrambi i quali contribuiscono alla resistenza alla fatica di flessione del dente che determina la durata di servizio degli ingranaggi in condizioni di carico di cicli elevati.

Perché la forgiatura supera la fusione per i componenti del cambio

La scelta della forgiatura anziché della fusione per i componenti dei riduttori delle turbine eoliche non è semplicemente una pratica convenzionale. È supportato da differenze quantificate delle proprietà meccaniche che si traducono direttamente in prestazioni di durata utile sul campo.

Confronto della resistenza alla fatica

La resistenza alla fatica, l'ampiezza dello stress al di sotto della quale un materiale può sostenere un carico ciclico illimitato, è la proprietà meccanica più critica per i componenti soggetti a centinaia di milioni di cicli di carico. I componenti in acciaio forgiato dimostrano costantemente valori di resistenza alla fatica Dal 20 al 40 per cento in più rispetto ai componenti in acciaio fuso con composizione e condizioni di trattamento termico nominalmente identici, grazie all'eliminazione di porosità, stringhe di inclusione e segregazione dendritica che fungono da siti di innesco di cricche da fatica nei getti (fonte: Forging Industry Association, Forging vs Casting Technical Comparison, 2019).

Resistenza all'impatto

La resilienza Charpy, che misura la resistenza di un materiale alla propagazione delle cricche sotto carichi improvvisi, è direttamente rilevante per i componenti del cambio delle turbine eoliche che subiscono carichi d'urto derivanti da eventi di frenata di emergenza e transitori di squilibrio del rotore. I componenti in acciaio forgiato raggiungono abitualmente valori di impatto Charpy con intaglio a V di Da 80 a 120 Joule a -20 gradi Celsius , valori particolarmente importanti per le installazioni in climi freddi dove le basse temperature ambientali riducono la tenacità intrinseca del lubrificante del cambio e aumentano la gravità del carico d'urto nelle operazioni di avviamento a freddo. Gli equivalenti di fusione spesso raggiungono solo da 40 a 60 Joule nelle stesse condizioni.

Coerenza dimensionale e tolleranza

I processi di forgiatura di precisione producono grezzi con variazioni dimensionali significativamente più strette rispetto alla fusione in sabbia o a cera persa, riducendo la rimozione di materiale richiesta nelle successive operazioni di lavorazione e garantendo che il profilo del dente dell'ingranaggio finito e la geometria della sede del cuscinetto siano ricavati da materiale con proprietà costanti e prevedibili. Questa coerenza è fondamentale per mantenere la precisione del modello di contatto degli ingranaggi e l'allineamento dei cuscinetti che sono precondizioni per ottenere la durata a fatica degli ingranaggi e dei cuscinetti progettata.

Confronto quantificato delle proprietà

Fonte: serie di dati tecnici della Forging Industry Association, 2019; Allegato sugli standard di calcolo degli ingranaggi ISO 6336, 2019.

Materiali utilizzati nei pezzi fucinati dei riduttori delle turbine eoliche

La scelta della lega per i forgiati dei riduttori delle turbine eoliche è regolata dalla combinazione specifica di durezza superficiale, tenacità del nucleo, profondità di temprabilità e stabilità dimensionale dopo il trattamento termico richiesta per ciascun tipo di componente. Diverse famiglie di leghe consolidate dominano l’attuale pratica di forgiatura di cambi.

Acciai da cementazione per componenti di ingranaggi

Gli acciai da cementazione che raggiungono un'elevata durezza superficiale attraverso la cementazione seguita dalla tempra, pur mantenendo un nucleo tenace e duttile, sono la famiglia di materiali standard per corone dentate, ingranaggi centrali, ingranaggi planetari e semilavorati per ingranaggi nei riduttori delle turbine eoliche. I gradi più ampiamente specificati includono:

• 18CrNiMo7-6 (EN10084): La lega dominante per i forgiati di ingranaggi delle turbine eoliche ad alte prestazioni a livello globale. La sua lega di cromo-nichel-molibdeno fornisce una profonda temprabilità in grandi sezioni trasversali e il suo contenuto di nichel garantisce un'eccellente tenacità del nucleo a basse temperature. La durezza della cassa cementata da 58 a 62 HRC con una durezza del nucleo da 30 a 45 HRC è ottenibile in sezioni fino a 200 mm di diametro.
• 17CrNiMo6 (EN 10084): Strettamente correlato al 18CrNiMo7-6 con un contenuto di carbonio leggermente inferiore, preferito in alcune specifiche europee dei riduttori per componenti in cui la distorsione dimensionale durante la cementazione deve essere ridotta al minimo.
• 20MnCr5 (EN 10084): Utilizzato per la forgiatura di ingranaggi più piccoli nelle fasi intermedie e ad alta velocità dove la dimensione della sezione è inferiore e non è richiesta la temprabilità profonda dei gradi di lega superiore. Costo inferiore rispetto alle qualità CrNiMo pur soddisfacendo i requisiti delle specifiche per queste applicazioni.

Acciai da bonifica per componenti strutturali

I portasatelliti, le flange dell'alloggiamento e gli alberi forgiati che richiedono proprietà meccaniche uniformi su tutta la sezione trasversale anziché una cassa cementata sono generalmente forgiati da acciai legati a tempra completa:

• 42CrMo4 (EN10083): Un acciaio al cromo-molibdeno ampiamente utilizzato per la forgiatura di portasatelliti e alberi, che fornisce una resistenza alla trazione compresa tra 900 e 1100 MPa dopo il trattamento di tempra e rinvenimento in sezioni di dimensioni rilevanti.
• 34CrNiMo6 (EN 10083): Acciaio altamente legato a tempra completa utilizzato per portasatelliti di grande sezione e forgiature di alberi di uscita in turbine multi-megawatt in cui le dimensioni della sezione superano la capacità di temprabilità del 42CrMo4.
• 30CrNiMo8 (EN 10083): Il grado di temprabilità più elevato per tempra completa nell'uso comune nella forgiatura di scatole di ingranaggi, specifico per i più grandi pezzi fucinati di portasatelliti e alberi di uscita forgiati in turbine offshore dove è richiesta la massima tenacità a basse temperature insieme ad un'elevata resistenza.

Processo di produzione: come vengono realizzati i pezzi fucinati dei riduttori delle turbine eoliche

La produzione della forgiatura di un riduttore per turbine eoliche è un processo in più fasi che inizia con la selezione della lega e termina con i test finali non distruttivi, in cui ogni passaggio intermedio influisce in modo critico sulle proprietà meccaniche finali e sulla qualità dimensionale del componente.

Fusione dell'acciaio e lingotti o colata continua

Il materiale di partenza per i forgiati di ingranaggi di grandi dimensioni è tipicamente un lingotto di acciaio degasato sotto vuoto (VD) o rifuso ad arco sotto vuoto (VAR), o in alcuni casi un blumo colato in continuo di sezione trasversale appropriata. Il degasaggio sotto vuoto rimuove l'idrogeno disciolto e riduce il contenuto di ossigeno, entrambi i quali riducono il contenuto di inclusioni e migliorano le proprietà di fatica e tenacità della forgiatura finita. Per le applicazioni più impegnative, come i portasatelliti di grandi dimensioni e le corone dentate, è possibile specificare la rifusione dell'elettroscoria (ESR) per ottenere la massima pulizia e omogeneità compositiva possibili.

Riscaldamento e forgiatura a stampo aperto o chiuso

In genere, il lingotto o la billetta vengono riscaldati nell'intervallo di temperature di forgiatura 1150-1250 gradi Celsius per gli acciai legati utilizzati nella forgiatura di cambi, in forno ad atmosfera controllata. Il materiale riscaldato viene poi lavorato su presse idrauliche con capacità che vanno da 2.000 a 12.000 tonnellate a seconda delle dimensioni del componente. La sequenza di forgiatura deve raggiungere un rapporto di riduzione totale sufficiente per scomporre la struttura dendritica come fusa e affinare la dimensione del grano in tutta la sezione trasversale. Un rapporto minimo di riduzione della forgiatura di 4:1 è generalmente specificato per i pezzi fucinati di ingranaggi per garantire la completa ricristallizzazione e l'affinamento del grano (fonte: ASTM A668, Specifiche standard per forgiati di acciaio, carbonio e leghe, per uso industriale generale).

Trattamento termico

Il trattamento termico post-forgiatura è un passaggio fondamentale che sviluppa le proprietà meccaniche finali della forgiatura. La sequenza del trattamento termico dipende dalla lega e dall'applicazione:

1. Normalizzazione o ricottura: Eseguito immediatamente dopo la forgiatura per alleviare le sollecitazioni di forgiatura e produrre una microstruttura uniforme adatta alla lavorazione.
2. Lavorazione di sgrossatura: La forgiatura viene lavorata con una forma quasi netta, lasciando il grezzo per la lavorazione di finitura dopo la tempra.
3. Tempra e rinvenimento (per qualità a tutta tempra): Austenitizzazione a 840-880 gradi Celsius seguita da raffreddamento con olio o polimero, quindi rinvenimento a 550-650 gradi Celsius per ottenere la combinazione richiesta di resistenza e tenacità.
4. Cementazione e cementazione (per acciai per ingranaggi): La cementazione a gas o sotto vuoto a una temperatura compresa tra 900 e 950 gradi Celsius crea una cassa arricchita di carbonio con una profondità compresa tra 0,8 e 1,5 mm, seguita dalla tempra per indurire sia la cassa che il nucleo secondo le specifiche.
5. Sollievo dallo stress a bassa temperatura: Il rinvenimento finale a una temperatura compresa tra 150 e 180 gradi Celsius allevia le sollecitazioni di raffreddamento nella cassa cementata senza ridurre significativamente la durezza superficiale.

Controlli non distruttivi e verifica della qualità

I pezzi forgiati dei riduttori delle turbine eoliche sono soggetti a test non distruttivi (NDT) approfonditi prima dell'accettazione. I requisiti NDT standard includono:

• Test ad ultrasuoni (UT) ai criteri di accettazione della norma EN10228-3 o ASTM A388, verificando l'assenza di difetti interni al di sopra del livello di accettazione specificato in tutto il volume di forgiatura.
• Ispezione con particelle magnetiche (MPI) di tutte le superfici lavorate accessibili secondo EN10228-1 per rilevare discontinuità superficiali e vicine alla superficie in punti critici, comprese le radici dei denti degli ingranaggi, le superfici dei fori e i raggi di transizione.
• Test di durezza in posizioni specificate per verificare la risposta al trattamento termico e la profondità dell'involucro dopo la cementazione.
• Test delle proprietà meccaniche di pezzi di prova testimoni forgiati e trattati termicamente con ciascun lotto di produzione per verificare che la resistenza alla trazione, la resistenza allo snervamento, l'allungamento, la riduzione dell'area e i valori di impatto Charpy soddisfino le specifiche alla temperatura di prova richiesta.
• Controllo dimensionale alle tolleranze di disegno concordate utilizzando macchine di misura a coordinate (CMM) per geometrie complesse come i portasatelliti.

Norma internazionali che regolano i pezzi fucinati dei riduttori delle turbine eoliche

I pezzi fucinati dei riduttori delle turbine eoliche sono prodotti e testati in conformità con una serie strutturata di standard internazionali che regolano la chimica dei materiali, le proprietà meccaniche, il trattamento termico, le tolleranze dimensionali e i criteri di accettazione dei test non distruttivi. Gli standard chiave includono:

La norma IEC 61400-4 è lo standard generale che affronta specificamente la progettazione dei riduttori delle turbine eoliche e i requisiti dei materiali e fa direttamente riferimento agli standard relativi ai materiali, al trattamento termico e ai test sopra elencati. La conformità alla norma IEC 61400-4 è un prerequisito per la certificazione delle turbine da parte di organismi riconosciuti tra cui DNV, Bureau Veritas e TUV, che a sua volta è richiesta per il finanziamento di progetti nella maggior parte dei mercati dell'energia eolica a livello globale (fonte: IEC 61400-4:2012, Wind Turbines - Parte 4: Requisiti di progettazione per riduttori di turbine eoliche).

Il ruolo della qualità della forgiatura dei riduttori nell’economia del ciclo di vita delle turbine eoliche

Gli aspetti economici dei progetti di turbine eoliche vengono valutati su una durata di progettazione compresa tra 20 e 25 anni per i progetti onshore e tra 25 e 30 anni per i progetti offshore. L'integrità meccanica dei pezzi forgiati del cambio ha un impatto diretto e quantificabile sul costo totale della generazione di energia in questo periodo attraverso il suo effetto sulla durata utile del cambio, sulla frequenza di manutenzione non pianificata e sui costi di sostituzione dei componenti.

Tassi di guasto del cambio e loro implicazioni sui costi

L’analisi dei dati sul tasso di guasto delle turbine eoliche provenienti da diversi mercati europei mostra che i guasti ai riduttori rappresentano solo approssimativamente Dal 3 al 5% degli eventi di guasto totali per conteggio, ma sono responsabili Dal 25 al 35% del tempo di inattività totale e una percentuale ancora più elevata di costi di manutenzione a causa del costo elevato e della complessità di ogni intervento di riparazione del riduttore (fonte: SINTEF Energy Research, Reliability Data for Wind Turbines: Status 2005-2015, 2016). Migliorare l’affidabilità dei componenti del cambio anche di pochi punti percentuali attraverso una migliore qualità della forgiatura e la conformità alle specifiche produce un miglioramento sproporzionatamente ampio nell’economia a livello di flotta.

Differenziale dei costi di manutenzione offshore

Per le turbine eoliche offshore, dove la mobilitazione delle navi per la riparazione del riduttore può comportare dei costi Da 150.000 a 300.000 USD per operazione indipendentemente dai costi delle parti e della manodopera (fonte: NREL Offshore Wind Turbine O&M Cost Model, 2019), il premio economico giustificato per una qualità di forgiatura superiore è sostanzialmente più elevato rispetto alle applicazioni onshore. Gli operatori offshore specificano sempre più standard di forgiatura migliorati, tra cui materie prime rifuse sotto vuoto e test ultrasonici volumetrici al 100%, specificamente per ridurre la probabilità di guasto precoce dei componenti del cambio.

Valore di estensione della vita del componente

Man mano che la prima generazione di parchi eolici su scala industriale si avvicina e supera la sua vita di progettazione originale, il mercato dei pezzi forgiati sostitutivi dei componenti del cambio che estendono la vita operativa oltre il periodo di progettazione iniziale di 20 anni sta crescendo in modo significativo. Le corone dentate di ricambio, i portasatelliti e gli alberi forgiati prodotti secondo le attuali specifiche migliorate possono prolungare ulteriormente la durata di servizio del cambio 10-15 anni a un costo che in genere è pari al 15-25% del ripotenziamento completo della turbina, rendendo i forgiati sostitutivi di alta qualità un’alternativa altamente economica al ripotenziamento delle turbine in posizioni favorevoli (fonte: WindEurope, Making the Most of Europe’s Wind Energy Resource, 2020).

Pratiche di garanzia della qualità che distinguono i fornitori di forgiatura premium

Per gli OEM di turbine eoliche, i produttori di riduttori e gli operatori di parchi eolici che acquistano componenti sostitutivi, le pratiche di garanzia della qualità di un fornitore di forgiatura sono importanti tanto quanto le specifiche nominali del materiale nel determinare le effettive prestazioni sul campo dei componenti consegnati. Le seguenti pratiche distinguono i fornitori in grado di soddisfare costantemente i severi requisiti delle applicazioni di riduttori per turbine eoliche:

• Tracciabilità completa del materiale dal calore di fusione alla forgiatura finita: Ogni forgiatura di riduttori di turbine eoliche dovrebbe essere tracciabile attraverso i registri di produzione fino allo specifico calore di fusione dell'acciaio, al numero di lingotti, alla sequenza delle presse di forgiatura e al lotto di trattamento termico. Questa tracciabilità è essenziale per le indagini sul campo quando si verificano guasti e per la gestione del richiamo se viene identificato un difetto del lotto.
• Test assistiti da terze parti: I principali clienti dell'energia eolica richiedono sempre più che i test sulle proprietà meccaniche e gli NDT dei pezzi fucinati critici per la sicurezza siano assistiti da un ente di ispezione indipendente di terze parti come DNV, Bureau Veritas o TUV. I fornitori con programmi consolidati di controllo di terze parti dimostrano un livello di maturità e trasparenza del sistema di qualità che è un forte indicatore di qualità di produzione costante.
• Controllo statistico del processo (SPC) sui parametri critici di forgiatura: I fornitori che applicano l'SPC alla temperatura di forgiatura, al rapporto di riduzione, al tempo e alla temperatura di immersione del trattamento termico e ai risultati NDT possono dimostrare indici di capacità di processo (Cpk) che quantificano la loro capacità di soddisfare costantemente i limiti delle specifiche, piuttosto che fare affidamento solo sui test di fine processo per distinguere il prodotto conforme da quello non conforme.
• Investimenti in attrezzature per la forgiatura di grande capacità: I pezzi fucinati del portasatelliti e della corona dentata per turbine multi-megawatt richiedono una capacità della pressa idraulica di 5.000 tonnellate o più per ottenere il rapporto di riduzione richiesto in grandi sezioni trasversali. I fornitori con un'adeguata capacità di pressa e attrezzature di forgiatura per questi componenti di grandi dimensioni possono consegnarli secondo le specifiche, mentre i fornitori che tentano di produrli con attrezzature inadeguate non possono ottenere l'affinamento del grano richiesto attraverso l'intera sezione trasversale, indipendentemente dalla qualità del materiale.
• Storico di consegna comprovato secondo le specifiche OEM dell'energia eolica: Gli OEM di riduttori per turbine eoliche mantengono rigorosi processi di qualificazione dei fornitori approvati che includono l'ispezione del primo articolo, l'approvazione delle parti di produzione e audit di sorveglianza continui. La qualificazione nell'elenco dei fornitori approvati da un OEM di energia eolica è l'indicatore più affidabile della capacità di un fornitore di forgiatura in questa applicazione.

Il Forgiati del cambio della turbina eolica disponibili su aceprocess.com sono prodotti nell'ambito di un quadro completo di gestione della qualità che comprende la tracciabilità completa del materiale dal calore alla forgiatura, test meccanici e NDT assistiti da terze parti e la conformità agli standard sui materiali IEC 61400-4 e EN 10084/EN 10083 che regolano i gradi di lega utilizzati nelle applicazioni di riduttori per turbine eoliche, supportando i requisiti di garanzia della qualità degli OEM di energia eolica e programmi indipendenti di riparazione e sostituzione dei riduttori a livello globale.

Tendenze che guidano la domanda di forgiati per cambi ad alte prestazioni

Diverse tendenze importanti nel settore dell’energia eolica stanno contemporaneamente aumentando le esigenze tecniche sui forgiati per i riduttori delle turbine eoliche e espandendo il volume totale di forgiati richiesto a livello globale.

Aumento delle dimensioni e della potenza della turbina

Il average rated capacity of newly installed onshore wind turbines has grown from approximately Da 1,5 MW nel 2005 a oltre 4,5 MW nel 2023 , con turbine offshore ora comunemente valutate tra 12 e 15 MW e unità prototipo che superano i 20 MW in fase di sviluppo (fonte: IRENA, Renewable Power Generation Costs in 2022, 2023). Questo aumento di dimensioni ridimensiona i carichi di coppia sui componenti del cambio in modo approssimativamente proporzionale alla potenza nominale, richiedendo sezioni trasversali di forgiatura, qualità di leghe e profondità di trattamento termico che sfidano i limiti di capacità della pratica di forgiatura convenzionale. I pezzi fucinati della corona dentata per le turbine della classe 10 MW possono superare 3 metri di diametro esterno e 5 tonnellate di peso , che richiedono le più grandi presse per forgiatura disponibili e attrezzature altamente specializzate per la movimentazione e il trattamento termico.

Espansione eolica offshore

Si prevede che la capacità installata globale dell’energia eolica offshore crescerà da circa 64 GW nel 2022 a oltre 380 GW entro il 2032 (fonte: Global Wind Energy Council, GWEC Global Offshore Wind Report, 2023). Le turbine offshore impongono i requisiti più severi ai forgiati dei riduttori a causa della combinazione di dimensioni massime dei componenti, elevata umidità e atmosfera carica di sale che accelerano la corrosione in corrispondenza di qualsiasi difetto superficiale, e ai costi estremi di accesso per la manutenzione che rendono eccezionalmente costoso qualsiasi guasto precoce dei componenti. Questa tendenza sta portando a una maggiore specifica delle pratiche di forgiatura premium, tra cui l’acciaio ESR, l’UT volumetrico al 100% e test di impatto a bassa temperatura migliorati come requisiti standard anziché opzionali.

Estensione della vita delle flotte che invecchiano

Poiché l’ampio numero di turbine eoliche installate tra il 2000 e il 2015 raggiunge e supera la durata di progettazione originale di 20 anni, il mercato dei pezzi forgiati sostitutivi delle scatole del cambio si sta espandendo rapidamente. I componenti sostitutivi devono essere fabbricati almeno secondo le specifiche originali e idealmente secondo gli attuali standard migliorati, creando una domanda continua di fornitori di forgiatura in grado di produrre geometrie di componenti legacy nelle attuali leghe premium e specifiche di processo.

Sommario: Perché i pezzi fucinati dei riduttori delle turbine eoliche sono indispensabili

Il purpose of wind turbine gearbox forgings is to provide the fondamenta meccaniche su cui è costruita la generazione di energia eolica affidabile e di lunga durata . Ogni kilowattora generato da una turbina eolica passa attraverso il percorso della coppia che questi pezzi forgiati definiscono e sostengono. La loro superiore resistenza alla fatica, resistenza agli urti, precisione dimensionale e assenza di difetti interni determinano direttamente se un riduttore di una turbina eolica raggiunge la durata di servizio di 20 anni progettata con costi di manutenzione gestibili, o si guasta prematuramente e impone gli enormi costi non pianificati che rendono le singole turbine economicamente marginali ed erodono l’economia complessiva dei progetti di energia eolica.

Man mano che le turbine diventano più grandi, si spostano sempre più al largo e operano in ambienti sempre più impegnativi, i requisiti tecnici sui forgiati dei riduttori continuano ad aumentare. La combinazione di corretta selezione della lega, processo di forgiatura ottimizzato, trattamento termico preciso e rigorosa garanzia di qualità che insieme definiscono una forgiatura di riduttori per turbine eoliche di alta qualità non è una specifica di lusso ma lo standard minimo richiesto per supportare le aspettative di affidabilità dei moderni progetti di energia eolica.

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