هدف از فورجینگ های گیربکس توربین بادی چیست؟

فورجینگ های گیربکس توربین بادی در خدمت یک هدف اساسی: ارائه یکپارچگی ساختاری، مقاومت در برابر خستگی و دقت ابعادی مورد نیاز اجزای باربر حیاتی داخل گیربکس توربین بادی است که چرخش آهسته روتور را به چرخش شفت با سرعت بالا که برای تولید الکتریسیته لازم است تبدیل می کند. از آنجایی که گیربکس های توربین بادی تحت بارهای گشتاور شدید و دائما متغیر، نیروهای شوک و تنش های محیطی در طول عمر طراحی 20 سال یا بیشتر کار می کنند، اجزای داخل آنها باید مطابق با استانداردهای خواص مکانیکی ساخته شوند که فقط فرآیند آهنگری می تواند به طور مداوم در مقیاس مورد نیاز به دست آورد.

آهنگری در داخل گیربکس های توربین بادی با معادل های ریخته گری یا ماشین کاری شده قابل تعویض نیستند. کار ترمومکانیکی فلز در حین آهنگری باعث ایجاد ساختار دانه ای تصفیه شده، حذف تخلخل داخلی و جریان الیاف هم تراز می شود که با هم استحکام خستگی، چقرمگی ضربه و مقاومت در برابر انتشار ترک را ارائه می دهند که اجزای ریخته گری یک آلیاژ و هندسه با هم مطابقت ندارند. برای یک گیربکس توربین بادی که انتظار می رود تکمیل شود صدها میلیون چرخه بار در طول عمر عملیاتی آن در مکان‌های دورافتاده یا فراساحلی که دسترسی به تعمیر و نگهداری پرهزینه و دشوار است، این تفاوت در کیفیت مواد، تفاوت بین قابلیت اطمینان میدان قابل قبول و غیرقابل قبول است.

گیربکس توربین بادی چگونه کار می کند و چرا تقاضای قطعات فوق العاده ای را ایجاد می کند

برای درک اینکه چرا اجزای آهنگری داخل گیربکس توربین بادی باید چنین مشخصات سختی را برآورده کنند، لازم است عملکرد مکانیکی گیربکس و نیروهایی که باید به طور مداوم در طول عمر مفید خود مدیریت کند، درک کنیم.

تابع تبدیل سرعت

روتور توربین بادی بزرگ مدرن تقریباً با سرعت می چرخد 5 تا 15 دور در دقیقه (RPM) تحت شرایط معمول باد عملیاتی (منبع: آژانس بین المللی انرژی های تجدیدپذیر، IRENA Wind Power Technology Brief، 2016). ژنراتورهای الکتریکی استاندارد به سرعت ورودی شفت نیاز دارند 1000 تا 1800 دور در دقیقه برای تولید کارآمد برق فرکانس شبکه گیربکس این شکاف را از طریق یک سری مراحل چرخ دنده سیاره ای و مارپیچی پر می کند و معمولاً به یک نسبت دنده کلی دست می یابد. 50:1 تا 100:1 در تنظیمات توربین چند مگاواتی. هر جزء در این قطار دنده باید این گشتاور تبدیل شده را به طور پیوسته منتقل کند در حالی که طیف کاملی از تغییرات بار ناشی از باد را از شرایط آرام تا تندبادهای طوفان تحمل می کند.

محیط بار متغیر و شوک

برخلاف گیربکس های صنعتی در کارخانه ها یا نیروگاه ها که تحت بارهای نسبتاً ثابت کار می کنند، گیربکس های توربین بادی تجربه می کنند. ورودی گشتاور متغیر پیوسته که نوسانات سرعت باد را در زمان واقعی ردیابی می کند. شرایط باد آشفته باعث وارونه شدن سریع بار، پالس های شوک پیچشی ناشی از رویدادهای ترمز روتور، و ممان خمشی ناشی از عدم تقارن وزن روتور می شود که در مجموع یکی از سخت ترین محیط های بارگذاری خستگی را ایجاد می کند که در هر سیستم مکانیکی با آن مواجه می شویم. مؤسسه Fraunhofer برای سیستم‌های انرژی بادی (IWES) در مطالعات قابلیت اطمینان گیربکس خود مستند کرده است که گیربکس‌های توربین بادی آسیب خستگی را با نرخ‌هایی انباشته می‌کنند که تقریباً در هر زمینه ماشین‌های دوار دیگر شدید در نظر گرفته می‌شود، با برخی از نواحی تماس با دندان‌دنده با بار بالا که چرخه‌های تنش را در مرز مواد مقاومتی فرع بر اساس محدودیت‌های مقاومتی در نظر گرفته می‌شوند. IWES، گزارش مشارکتی قابلیت اطمینان گیربکس، 2015).

پیامد خرابی کامپوننت

خرابی گیربکس به طور مداوم پرهزینه ترین رویداد تعمیر و نگهداری برنامه ریزی نشده در عملکرد توربین بادی است. تعویض کامل گیربکس در یک توربین خشکی چند مگاواتی معمولاً هزینه دارد 200000 تا 400000 تومان از جمله جابجایی جرثقیل، قطعات و نیروی کار، با هزینه جایگزینی در دریا دو تا پنج برابر بیشتر بسته به در دسترس بودن کشتی و پنجره های آب و هوایی (منبع: آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر، گزارش نهایی مشارکتی قابلیت اطمینان گیربکس NREL، 2021). این هزینه ها باعث می شود که کیفیت مواد آهنگری گیربکس داخلی یک متغیر مالی مستقیم در اقتصاد تولید انرژی بادی باشد، نه صرفاً جزئیات مشخصات فنی.

اجزای گیربکس خاص که جعلی هستند و چرا

آهنگری های گیربکس توربین بادی مجموعه ای تعریف شده از اجزای داخلی را در بر می گیرد که هندسه، مسیر بار و نیازهای خستگی، آهنگری را به فرآیند تولید انتخابی نسبت به ریخته گری، جوشکاری یا ماشینکاری از استوک میله تبدیل می کند.

چرخ دنده های حلقه

چرخ دنده حلقه ای عنصر بیرونی مرحله دنده سیاره ای و یکی از بزرگترین آهنگری ها در مجموعه گیربکس است. گشتاور ورودی کامل را از شفت روتور در طول پروفیل دندان داخلی خود منتقل می کند و باید دقت هندسه دندان را در طول چندین دهه بارگذاری چرخه ای حفظ کند. چرخ دنده های حلقه ای برای توربین های چند مگاواتی معمولاً از جعلی ساخته می شوند فولاد سخت کننده 18CrNiMo7-6 یا 17CrNiMo6 ، دستیابی به مقادیر سختی سطحی 58 تا 62 HRC پس از کربوریزه کردن و کوئنچ در حالی که یک هسته سخت و انعطاف پذیر را حفظ می کند که در برابر شکستگی ریشه دندان تحت بارهای ضربه ای مقاومت می کند. جریان پیوسته دانه در اطراف محیط حلقه در یک چرخ دنده حلقه ای که به درستی آهنگری شده است مقاومت در برابر انتشار ترک را فراهم می کند که معادل ریخته گری نمی تواند آن را تکرار کند.

حامل های سیاره

حامل سیاره یک آهنگری ساختاری پیچیده است که چرخ دنده های سیاره را در مرحله سیاره ای نگه می دارد و در حالی که گشتاور را بین چرخ دنده حلقه ای و چرخ دنده خورشیدی از طریق شفت چرخ دنده سیاره ای منتقل می کند. حالتهای تنش سه بعدی پیچیده شامل بارهای پیچشی، خمشی و شعاعی را به طور همزمان تجربه می کند. حامل های سیاره ای برای توربین های بزرگ از چند صد کیلوگرم تا بیش از دو تن وزن دارند که آنها را به یکی از چالش برانگیزترین قطعات فورجینگ در گیربکس تبدیل می کند. آهنگری آنها به پرس های هیدرولیک با ظرفیت زیاد و توالی های قالب چند مرحله ای دقیق برای دستیابی به ترکیب مورد نیاز از یکنواختی ضخامت دیواره، تحمل ابعادی و پالایش دانه در سراسر هندسه پیچیده نیاز دارد.

شفت دنده خورشیدی

شفت چرخ دنده خورشیدی در مرکز مرحله سیاره ای قرار دارد و با بالاترین سرعت چرخشی در آن مرحله عمل می کند و باعث می شود که در معرض خستگی چرخه بالا ناشی از تنش پیچشی و خمشی به طور همزمان باشد. شفت دنده خورشیدی برای دستیابی به a ریزساختار دانه ریز از طریق سطح مقطع کامل ، با آزمایش ماکرو اچ و بازرسی اولتراسونیک تأیید شده است، بدون جداسازی داخلی، انقباض، یا تخلخل که می تواند به عنوان محل شروع ترک خستگی تحت شرایط بارگذاری چرخه بالا عمل کند.

شفت های خروجی و شفت های میانی

شفت‌های میانی و خروجی مراحل چرخ دنده مارپیچی که مجموعه سیاره‌ای را به ژنراتور متصل می‌کنند، با افزایش نسبت دنده در پیشرانه، سرعت‌های چرخشی بیشتر و گشتاورهای کمتری را حمل می‌کنند. این شفت‌ها باید تلورانس‌های محکمی را روی قطر ژورنال، ریزش و پرداخت سطح در نواحی نشیمن‌گاه یاتاقان‌ها حفظ کنند، الزاماتی که به بهترین وجه با ساختن یک ورقه‌ای نزدیک به شبکه به دست می‌آیند که حذف مواد را به حداقل می‌رساند و یکپارچگی سطح آهنگری را در مکان‌های بحرانی حفظ می‌کند.

جاهای خالی چرخ دنده برای چرخ دنده های مرحله حلزونی

چرخ دنده های مارپیچی مراحل متوسط و سرعت بالا از روکش های چرخ دنده آهنگری ماشین کاری می شوند که شیمی آلیاژ، توزیع خواص مکانیکی و ساختار دانه را برای عملیات سنگ زنی، سنگ زنی و عملیات حرارتی بعدی ارائه می دهند. روکش های فورج شده تضمین می کند که پروفیل دندان تمام شده از تنش های پسماند فشاری زیرسطحی و تراز دانه های مواد آهنگری سود می برد، که هر دو به استحکام خستگی خمشی دندان کمک می کنند که طول عمر چرخ دنده را تحت بارگذاری چرخه بالا تعیین می کند.

چرا آهنگری بهتر از ریخته گری برای اجزای گیربکس است؟

انتخاب آهنگری بر روی ریخته گری برای اجزای گیربکس توربین بادی صرفاً یک روش معمولی نیست. این توسط تفاوت‌های خواص مکانیکی کمی پشتیبانی می‌شود که مستقیماً به عملکرد عمر مفید در این زمینه ترجمه می‌شود.

مقایسه قدرت خستگی

استحکام خستگی، دامنه تنشی که زیر آن یک ماده می‌تواند بارگذاری چرخه‌ای نامحدود را تحمل کند، حیاتی‌ترین ویژگی مکانیکی برای قطعاتی است که در معرض صدها میلیون چرخه بار قرار می‌گیرند. قطعات فولادی آهنگری به طور مداوم مقادیر مقاومت خستگی را نشان می دهند 20 تا 40 درصد بیشتر است نسبت به اجزای فولاد ریخته‌گری با ترکیب اسمی و شرایط عملیات حرارتی یکسان، به دلیل حذف تخلخل، رشته‌های گنجاندن و جداسازی دندریتی که به عنوان محل شروع ترک خستگی در ریخته‌گری عمل می‌کنند (منبع: انجمن صنعت فورج، مقایسه فنی فورج در مقابل ریخته‌گری، 2019).

چقرمگی ضربه

چقرمگی ضربه چارپی، که مقاومت یک ماده را در برابر انتشار ترک تحت بارگذاری ناگهانی اندازه گیری می کند، به طور مستقیم به اجزای گیربکس توربین بادی که بارهای شوک ناشی از حوادث ترمز اضطراری و عدم تعادل روتور را تجربه می کنند، مرتبط است. اجزای فولادی فورج شده به طور معمول به مقادیر ضربه شارپی V-notch می رسند 80 تا 120 ژول در -20 درجه سانتیگراد ، مقادیری که مخصوصاً برای تاسیسات در آب و هوای سرد که در آن دمای پایین محیط باعث کاهش چقرمگی ذاتی روان کننده گیربکس شده و شدت بارگذاری ضربه در عملیات شروع سرد را افزایش می دهد بسیار مهم است. معادل های بازیگری اغلب تنها 40 تا 60 ژول را در شرایط یکسان به دست می آورند.

سازگاری و تحمل ابعادی

فرآیندهای آهنگری دقیق، پرهای با تغییرات ابعادی بسیار تنگ‌تر نسبت به ریخته‌گری شن و ماسه یا سرمایه‌گذاری تولید می‌کنند، که حذف مواد مورد نیاز در عملیات ماشین‌کاری بعدی را کاهش می‌دهد و تضمین می‌کند که پروفیل دندانه چرخ دنده نهایی و هندسه صندلی یاتاقان از مواد با خواص ثابت و قابل پیش‌بینی در سراسر بریده می‌شوند. این ثبات برای حفظ دقت الگوی تماس دنده و تراز یاتاقان که پیش‌شرط دستیابی به چرخ دنده طراحی شده و عمر خستگی بلبرینگ است، حیاتی است.

مقایسه اموال کمی

منبع: سری داده های فنی انجمن صنایع آهنگری، 2019؛ پیوست استانداردهای محاسبه دنده ISO 6336، 2019.

مواد مورد استفاده در فورجینگ های گیربکس توربین بادی

انتخاب آلیاژ برای فورجینگ های گیربکس توربین بادی توسط ترکیب خاصی از سختی سطح، چقرمگی هسته، عمق سختی پذیری و پایداری ابعادی پس از عملیات حرارتی مورد نیاز برای هر نوع جزء کنترل می شود. چندین خانواده آلیاژی به خوبی تثبیت شده بر روش فعلی آهنگری گیربکس غالب هستند.

فولادهای مورد سختی برای قطعات چرخ دنده

فولادهای سخت شونده که از طریق کربوریزه کردن و سپس خاموش کردن به سختی سطح بالایی می رسند، در حالی که یک هسته انعطاف پذیر سخت را حفظ می کنند، خانواده مواد استاندارد برای چرخ دنده های حلقوی، چرخ دنده های خورشیدی، چرخ دنده های سیاره ای و قطعات چرخ دنده در گیربکس های توربین بادی هستند. به طور گسترده ای درجات مشخص شده عبارتند از:

• 18CrNiMo7-6 (EN 10084): آلیاژ غالب برای آهنگری چرخ دنده توربین بادی با کارایی بالا در سطح جهانی. آلیاژ کروم-نیکل-مولیبدن آن سختی عمیقی را در مقاطع بزرگ ایجاد می کند و محتوای نیکل آن چقرمگی هسته عالی را در دماهای پایین تضمین می کند. سختی کیس کربن دار 58 تا 62 HRC با سختی هسته 30 تا 45 HRC در مقاطع تا قطر 200 میلی متر قابل دستیابی است.
• 17CrNiMo6 (EN 10084): نزدیک به 18CrNiMo7-6 با محتوای کربن کمی کمتر، ترجیح داده شده در برخی از مشخصات جعبه دنده اروپایی برای قطعاتی که اعوجاج ابعادی در طول سخت شدن جعبه باید به حداقل برسد.
• 20MnCr5 (EN 10084): برای آهنگری های دنده های کوچکتر در مراحل متوسط و سرعت بالا که اندازه بخش کوچکتر است و سختی عمیق گریدهای آلیاژی بالاتر مورد نیاز نیست استفاده می شود. هزینه کمتر از نمرات CrNiMo در حالی که الزامات مشخصات برای این برنامه ها را برآورده می کند.

فولادها از طریق سخت شدن برای اجزای ساختاری

حامل های سیاره ای، فلنج های محفظه و آهنگری های شافت که به خواص مکانیکی یکنواخت از طریق سطح مقطع کامل نیاز دارند، به جای یک بدنه کربن دار، معمولاً از فولادهای آلیاژی سخت شونده ساخته می شوند:

• 42CrMo4 (EN 10083): یک فولاد کروم-مولیبدن که به طور گسترده برای آهنگری های حامل سیاره و شفت استفاده می شود و استحکام کششی 900 تا 1100 مگاپاسکال را پس از عملیات خاموش کردن و تمپر در اندازه های بخش مربوطه ارائه می دهد.
• 34CrNiMo6 (EN 10083): فولاد سخت‌شونده با آلیاژ بالاتر برای حامل‌های سیاره‌ای با بخش بزرگ و آهنگری‌های شافت خروجی در توربین‌های چند مگاواتی که اندازه بخش از قابلیت سخت‌شدگی 42CrMo4 بیشتر است، استفاده می‌شود.
• 30CrNiMo8 (EN 10083): بالاترین درجه سختی پذیری از طریق سخت شدن در استفاده از آهنگری گیربکس رایج، مشخص شده برای بزرگ‌ترین آهنگرهای حامل سیاره و آهنگری‌های شافت خروجی در توربین‌های دریایی که حداکثر چقرمگی در دمای پایین در کنار استحکام بالا مورد نیاز است.

فرآیند ساخت: چگونه فورجینگ های گیربکس توربین بادی ساخته می شوند

تولید آهنگری گیربکس توربین بادی یک فرآیند چند مرحله‌ای است که با انتخاب آلیاژ شروع می‌شود و با آزمایش‌های غیرمخرب نهایی پایان می‌یابد و هر مرحله میانی بر خواص مکانیکی نهایی و کیفیت ابعادی قطعه تأثیر می‌گذارد.

ذوب فولاد و شمش یا ریخته گری مداوم

ماده اولیه برای آهنگری های گیربکس بزرگ معمولاً یک شمش فولادی گاز زدایی شده با خلاء (VD) یا ذوب مجدد قوس خلاء (VAR) یا در برخی موارد یک بلوم ریخته گری پیوسته با مقطع مناسب است. گاز زدایی با خلاء هیدروژن محلول را حذف می کند و محتوای اکسیژن را کاهش می دهد، که هر دوی این موارد باعث کاهش میزان گنجایش و بهبود خواص خستگی و چقرمگی آهنگری تمام شده می شود. برای سخت‌ترین کاربردها مانند حامل‌های سیاره‌ای بزرگ و چرخ‌دنده‌های حلقه‌ای، ممکن است ذوب مجدد الکتروسرباره (ESR) برای دستیابی به بالاترین تمیزی و همگنی ترکیبی مشخص شود.

گرمایش و قالب باز یا بسته

شمش یا شمش معمولاً تا محدوده دمای آهنگری گرم می شود 1150 تا 1250 درجه سانتیگراد برای فولادهای آلیاژی مورد استفاده در آهنگری گیربکس، در یک کوره با جو کنترل شده. سپس مواد گرم شده تحت پرس های هیدرولیک با ظرفیت های 2000 تا 12000 تن بسته به اندازه قطعه کار می شود. دنباله آهنگری باید به نسبت کاهش کل کافی برای شکستن ساختار دندریتی به عنوان ریخته گری و اصلاح اندازه دانه در سراسر مقطع دست یابد. حداقل نسبت کاهش آهنگری از 4:1 به طور کلی برای آهنگری گیربکس برای اطمینان از تبلور مجدد کامل و پالایش دانه مشخص شده است (منبع: ASTM A668، مشخصات استاندارد برای آهنگری فولاد، کربن و آلیاژ، برای مصارف صنعتی عمومی).

عملیات حرارتی

عملیات حرارتی پس از آهنگری یک مرحله مهم است که خواص مکانیکی نهایی آهنگری را توسعه می دهد. ترتیب عملیات حرارتی به آلیاژ و کاربرد بستگی دارد:

1. نرمال کردن یا بازپخت: بلافاصله پس از آهنگری برای کاهش تنش های آهنگری و ایجاد یک ریزساختار یکنواخت مناسب برای ماشین کاری انجام می شود.
2. ماشینکاری خشن: آهنگری به شکل نزدیک به شبکه تراشیده می شود و پس از سخت شدن، ذخایر برای ماشینکاری نهایی باقی می ماند.
3. کوئنچ و تمپر (برای درجات سخت شدنی): آستنیته کردن در دمای 840 تا 880 درجه سانتیگراد و سپس کوئنچ با روغن یا پلیمر، سپس حرارت دادن در دمای 550 تا 650 درجه سانتیگراد برای دستیابی به ترکیب استحکام و چقرمگی مورد نیاز.
4. کربورسازی و سخت شدن کیس (برای فولادهای دنده): کربن‌سازی گاز یا خلاء در دمای 900 تا 950 درجه سانتی‌گراد، یک محفظه غنی‌شده با کربن با عمق 0.8 تا 1.5 میلی‌متر ایجاد می‌کند، و سپس خاموش می‌شود تا هم کیس و هم هسته بر اساس مشخصات سخت شود.
5. کاهش استرس در دمای پایین: تمپر نهایی در دمای 150 تا 180 درجه سانتیگراد بدون کاهش قابل توجهی از سختی سطح، تنش‌های کوئنچ را در کیس کربوریزه کاهش می‌دهد.

تست غیر مخرب و تایید کیفیت

آهنگری های گیربکس توربین بادی قبل از پذیرش تحت آزمایش غیر مخرب جامع (NDT) قرار می گیرند. الزامات استاندارد NDT عبارتند از:

• تست اولتراسونیک (UT) مطابق با معیارهای پذیرش EN 10228-3 یا ASTM A388، بررسی عدم وجود عیوب داخلی بالاتر از سطح پذیرش مشخص شده در سراسر حجم آهنگری.
• بازرسی ذرات مغناطیسی (MPI) تمام سطوح ماشین‌کاری شده در دسترس طبق EN 10228-1 برای تشخیص ناپیوستگی‌های سطحی و نزدیک به سطح در مکان‌های بحرانی از جمله ریشه‌های دندانه چرخ دنده، سطوح سوراخ و شعاع انتقال.
• تست سختی در مکان های مشخص شده برای بررسی پاسخ عملیات حرارتی و عمق مورد پس از کربورسازی.
• تست خواص مکانیکی قطعات آزمایش شاهد آهنگری و عملیات حرارتی با هر دسته تولید برای تأیید استحکام کششی، استحکام تسلیم، ازدیاد طول، کاهش سطح و مقادیر ضربه Charpy مطابق با مشخصات در دمای آزمایش مورد نیاز است.
• بازرسی ابعادی به تلورانس های ترسیم توافق شده با استفاده از ماشین های اندازه گیری مختصات (CMM) برای هندسه های پیچیده مانند حامل های سیاره.

استانداردهای بین المللی حاکم بر آهنگری گیربکس توربین بادی

آهنگری های گیربکس توربین بادی مطابق با مجموعه ای ساختاریافته از استانداردهای بین المللی که بر شیمی مواد، خواص مکانیکی، عملیات حرارتی، تحمل ابعادی و معیارهای پذیرش تست های غیر مخرب حاکم است، تولید و آزمایش می شوند. استانداردهای کلیدی عبارتند از:

IEC 61400-4 استانداردی کلی است که به طور خاص به طراحی گیربکس توربین بادی و الزامات مواد می پردازد و مستقیماً به مواد، عملیات حرارتی و استانداردهای تست ذکر شده در بالا اشاره می کند. انطباق با IEC 61400-4 یک پیش نیاز برای صدور گواهینامه توربین توسط ارگان های شناخته شده از جمله DNV، Bureau Veritas و TUV است که به نوبه خود برای تامین مالی پروژه در بیشتر بازارهای انرژی بادی در سطح جهان مورد نیاز است (منبع: IEC 61400-4:2012، Wind Turbines - Part 4).

نقش کیفیت آهنگری گیربکس در اقتصاد چرخه عمر توربین بادی

اقتصاد پروژه توربین بادی در طول عمر طراحی 20 تا 25 سال برای پروژه های خشکی و 25 تا 30 سال برای پروژه های فراساحلی ارزیابی می شود. یکپارچگی مکانیکی آهنگری‌های گیربکس از طریق تأثیر آن بر عمر سرویس گیربکس، فرکانس نگهداری برنامه‌ریزی نشده و هزینه‌های تعویض قطعه، تأثیر مستقیم و قابل سنجشی بر هزینه کل تولید انرژی در این دوره دارد.

نرخ خرابی گیربکس و پیامدهای هزینه آنها

تجزیه و تحلیل داده‌های نرخ خرابی توربین‌های بادی از چندین بازار اروپایی نشان می‌دهد که خرابی‌های گیربکس تنها به طور تقریبی به حساب می‌آیند. 3 تا 5 درصد از کل رویدادهای شکست با شمارش، اما مسئول هستند 25 تا 35 درصد از کل خرابی و حتی نسبت بالاتری از هزینه های تعمیر و نگهداری به دلیل هزینه و پیچیدگی بالا هر رویداد تعمیر گیربکس (منبع: تحقیقات انرژی SINTEF، داده های قابلیت اطمینان برای توربین های بادی: وضعیت 2005-2015، 2016). بهبود قابلیت اطمینان اجزای گیربکس حتی با چند درصد از طریق افزایش کیفیت آهنگری و انطباق با مشخصات، باعث بهبود نامتناسب بزرگی در اقتصاد سطح ناوگان می شود.

تفاوت هزینه تعمیر و نگهداری فراساحل

برای توربین‌های بادی دریایی، جایی که بسیج کشتی برای تعمیر گیربکس می‌تواند هزینه داشته باشد 150000 تا 300000 دلار در هر عملیات مستقل از هزینه های قطعات و نیروی کار (منبع: مدل هزینه O&M توربین بادی دریایی NREL، 2019)، حق بیمه اقتصادی توجیه شده برای کیفیت برتر آهنگری به طور قابل توجهی بیشتر از کاربردهای خشکی است. اپراتورهای دریایی به طور فزاینده ای استانداردهای پیشرفته آهنگری را مشخص می کنند، از جمله مواد اولیه ذوب شده در خلاء و آزمایش 100 درصد اولتراسونیک حجمی، به ویژه برای کاهش احتمال خرابی زودهنگام اجزای گیربکس.

ارزش افزایش طول عمر کامپوننت

با نزدیک شدن به نسل اول نیروگاه های بادی در مقیاس کاربردی و سپری شدن عمر طراحی اولیه خود، بازار آهنگری های جایگزین اجزای گیربکس که عمر عملیاتی را فراتر از دوره طراحی اولیه 20 ساله افزایش می دهد، به طور قابل توجهی در حال رشد است. چرخ دنده های حلقه ای جایگزین، حامل های سیاره ای، و آهنگری های شفت ساخته شده با مشخصات پیشرفته فعلی می توانند عمر مفید گیربکس را تا حدی افزایش دهند. 10 تا 15 سال با هزینه ای که معمولاً 15 تا 25 درصد از انرژی کامل توربین است، و آهنگری جایگزین با کیفیت بالا را به یک جایگزین بسیار مقرون به صرفه برای تجدید نیرو برای توربین ها در مکان های مساعد تبدیل می کند (منبع: WindEurope، استفاده بهینه از منابع انرژی بادی اروپا، 2020).

روش های تضمین کیفیت که تامین کنندگان فورج ممتاز را متمایز می کند

برای OEMهای توربین بادی، سازندگان گیربکس و اپراتورهای مزرعه بادی که قطعات جایگزین را تامین می‌کنند، روش‌های تضمین کیفیت تامین‌کننده آهنگری به اندازه مشخصات اسمی مواد در تعیین عملکرد میدانی واقعی اجزای تحویل‌شده مهم هستند. شیوه های زیر تامین کنندگانی را متمایز می کند که قادر به برآوردن مستمر الزامات مورد نیاز برنامه های گیربکس توربین بادی هستند:

• قابلیت ردیابی کامل مواد از حرارت مذاب تا آهنگری نهایی: هر آهنگری گیربکس توربین بادی باید از طریق سوابق تولید تا گرمای مذاب فولاد خاص، تعداد شمش، ترتیب پرس آهنگری و دسته عملیات حرارتی قابل ردیابی باشد. این قابلیت ردیابی برای بررسی میدانی در صورت بروز خرابی و برای مدیریت فراخوان در صورت شناسایی نقص دسته ای ضروری است.
• آزمایش شاهد شخص ثالث: مشتریان عمده انرژی بادی به طور فزاینده ای نیاز دارند که آزمایش خواص مکانیکی و NDT آهنگری های حیاتی ایمنی توسط یک آژانس بازرسی شخص ثالث مستقل مانند DNV، Bureau Veritas یا TUV مشاهده شود. تأمین‌کنندگان با برنامه‌های شاهد شخص ثالث، سطحی از بلوغ و شفافیت سیستم کیفیت را نشان می‌دهند که یک شاخص قوی از کیفیت تولید ثابت است.
• کنترل فرآیند آماری (SPC) بر روی پارامترهای مهم آهنگری: تامین کنندگانی که SPC را برای دمای آهنگری، نسبت کاهش، زمان و دمای خیساندن عملیات حرارتی، و نتایج NDT اعمال می‌کنند، می‌توانند شاخص‌های قابلیت فرآیند (Cpk) را نشان دهند که توانایی آن‌ها را برای برآوردن مداوم محدودیت‌های مشخصات کمی نشان می‌دهد، نه اینکه به تنهایی به آزمایش پایان فرآیند برای مرتب‌سازی انطباق از محصول ناسازگار تکیه کنند.
• سرمایه گذاری در تجهیزات آهنگری با ظرفیت بالا: آهنگری سیاره ای و چرخ دنده حلقه ای برای توربین های چند مگاواتی به ظرفیت پرس هیدرولیک 5000 تن یا بیشتر برای دستیابی به نسبت کاهش مورد نیاز در مقاطع بزرگ نیاز دارد. تامین کنندگان با ظرفیت پرس مناسب و ابزار آهنگری برای این قطعات بزرگ می توانند آنها را به مشخصات تحویل دهند، در حالی که تامین کنندگانی که تلاش می کنند آنها را بر روی تجهیزات ناکافی تولید کنند، نمی توانند بدون توجه به کیفیت مواد، از طریق سطح مقطع کامل به پالایش دانه مورد نیاز دست یابند.
• سابقه تحویل اثبات شده به مشخصات OEM انرژی باد: OEM های گیربکس توربین بادی فرآیندهای تایید صلاحیت تامین کننده مورد نیاز را حفظ می کنند که شامل بازرسی مقاله اول، تایید قطعه تولید و ممیزی های نظارتی مداوم است. صلاحیت در لیست تامین کننده تایید شده OEM انرژی بادی قابل اعتمادترین شاخص توانایی تامین کننده آهنگری در این برنامه است.

این فورجینگ های گیربکس توربین بادی در دسترس از طریق aceprocess.com تحت یک چارچوب مدیریت کیفیت جامع تولید می شود که شامل قابلیت ردیابی کامل مواد گرما به آهنگری، آزمایش مکانیکی و NDT توسط شخص ثالث، و انطباق با IEC 61400-4 و استانداردهای مواد EN 10084/EN 10083 است که بر الزامات آلیاژی مورد استفاده در جعبه بادی باکیفیت استفاده می شود. OEM ها و برنامه های تعمیر و تعویض گیربکس مستقل در سطح جهانی.

روندهای افزایش تقاضا برای آهنگری گیربکس با کارایی بالاتر

چندین روند اصلی در صنعت انرژی بادی به طور همزمان باعث افزایش تقاضاهای فنی در مورد آهنگری گیربکس توربین بادی و افزایش حجم کل آهنگری مورد نیاز در سطح جهانی می شود.

افزایش اندازه و رتبه توربین

این average rated capacity of newly installed onshore wind turbines has grown from approximately 1.5 مگاوات در سال 2005 به بیش از 4.5 مگاوات در سال 2023 ، با توربین های دریایی که اکنون معمولاً دارای توان 12 تا 15 مگاوات هستند و واحدهای نمونه اولیه بیش از 20 مگاوات در حال توسعه هستند (منبع: IRENA، هزینه های تولید برق تجدیدپذیر در سال 2022، 2023). این افزایش اندازه، بارهای گشتاور را بر روی اجزای گیربکس تقریباً متناسب با توان نامی مقیاس می‌کند، که به سطوح مقطع، درجه‌های آلیاژ و عمق عملیات حرارتی نیاز دارد که مرزهای قابلیت آهنگری معمولی را به چالش می‌کشد. آهنگری چرخ دنده برای توربین های کلاس 10 مگاوات ممکن است بیشتر شود 3 متر قطر بیرونی و 5 تن وزن ، نیاز به بزرگترین پرس آهنگری موجود و تجهیزات بسیار تخصصی حمل و عملیات حرارتی دارد.

گسترش باد فراساحلی

پیش بینی می شود ظرفیت نصب شده بادی فراساحلی جهانی از حدود 64 گیگاوات در سال 2022 به بیش از 380 گیگاوات تا سال 2032 افزایش یابد (منبع: شورای جهانی انرژی بادی، گزارش جهانی باد فراساحلی GWEC، 2023). توربین های دریایی به دلیل ترکیب حداکثر اندازه اجزا، رطوبت بالا و جو مملو از نمک که باعث تسریع خوردگی در هر عیب سطحی می شود و هزینه بسیار زیاد دسترسی به تعمیر و نگهداری که باعث می شود هر خرابی اولیه جزء به طور استثنایی گران تمام شود، سخت ترین الزامات را برای فورجینگ های گیربکس اعمال می کنند. این روند باعث افزایش مشخصات روش‌های آهنگری ممتاز از جمله فولاد ESR، 100 درصد UT حجمی و افزایش تست ضربه در دمای پایین به‌عنوان استاندارد به جای الزامات اختیاری می‌شود.

افزایش عمر ناوگان پیر

از آنجایی که جمعیت زیادی از توربین‌های بادی نصب شده بین سال‌های 2000 و 2015 به عمر طراحی اولیه 20 ساله خود می‌رسند و از آن فراتر می‌روند، بازار فورجینگ‌های گیربکس جایگزین به سرعت در حال گسترش است. اجزای جایگزین باید حداقل با مشخصات اولیه و در حالت ایده‌آل مطابق با استانداردهای پیشرفته فعلی ساخته شوند و تقاضای مداوم برای تامین‌کنندگان آهنگری که قادر به تولید هندسه‌های اجزای قدیمی در مشخصات آلیاژی ممتاز و فرآیند هستند، ایجاد شود.

خلاصه: چرا فورجینگ های گیربکس توربین بادی ضروری هستند؟

این purpose of wind turbine gearbox forgings is to provide the پایه مکانیکی که بر روی آن تولید انرژی بادی قابل اعتماد و با عمر طولانی ساخته شده است . هر کیلووات ساعت تولید شده توسط یک توربین بادی از مسیر گشتاوری می گذرد که این آهنگرها تعریف و حفظ می کنند. استحکام بالای خستگی، چقرمگی ضربه، دقت ابعادی و عاری از عیوب داخلی مستقیماً تعیین می‌کند که آیا گیربکس توربین بادی به عمر مفید 20 ساله خود با هزینه‌های نگهداری قابل مدیریت دست می‌یابد یا زود از موعد خراب می‌شود و هزینه‌های برنامه‌ریزی‌نشده هنگفتی را تحمیل می‌کند که باعث می‌شود توربین‌های فردی از نظر اقتصادی حاشیه‌ای باشند و انرژی بادی کل پروژه را از بین ببرند.

با بزرگ‌تر شدن توربین‌ها، حرکت بیشتر به سواحل، و عملکرد در محیط‌های سخت‌تر، الزامات فنی در فورجینگ‌های گیربکس همچنان افزایش می‌یابد. ترکیبی از انتخاب صحیح آلیاژ، فرآیند آهنگری بهینه، عملیات حرارتی دقیق و تضمین کیفیت دقیق که در کنار هم آهنگری گیربکس توربین بادی ممتاز را تعریف می‌کنند، یک مشخصات لوکس نیست، بلکه حداقل استاندارد مورد نیاز برای پشتیبانی از انتظارات قابلیت اطمینان پروژه‌های مدرن انرژی بادی است.

برای مشخصات دقیق، گواهینامه های مواد، و مشاوره فنی در مورد تهیه فورجینگ های گیربکس توربین بادی برای تجهیزات جدید یا برنامه‌های تعمیر و نگهداری ناوگان و برنامه‌های افزایش عمر، منابع مهندسی و کیفیت موجود از طریق aceprocess.com عمق فنی و قابلیت تولید مورد نیاز برای برآورده کردن سخت‌ترین مشخصات جعل گیربکس انرژی باد را فراهم می‌کند.