Care sunt principalele tipuri de arbore principal de turbină eoliană și cum sunt fabricate?

Arborele principal al turbinei eoliene - numit și arbore de viteză mică sau arbore rotor - este una dintre cele mai solicitante componente mecanice forjate mari din producția industrială modernă. Transmite cuplul de rotație generat de rotorul turbinei eoliene direct către cutia de viteze (în turbinele cu angrenaje) sau către generator (în turbinele cu antrenare directă), în condiții de încărcare dinamică susținută care combină momente de încovoiere ridicate, stres de torsiune și cicluri de oboseală pe o durată de viață de 20 până la 25 de ani. Calitatea de fabricație a arborelui principal determină în mod direct fiabilitatea structurală a turbinei și costul de întreținere pe durata de viață a acesteia.

Pentru aprovizionarea inginerilor de achiziții și dezvoltatorilor de proiecte componente ale energiei eoliene , înțelegerea principalelor tipuri de arbori utilizate în diferitele arhitecturi ale turbinelor - și procesele de fabricație care asigură integritatea lor structurală - sprijină deciziile informate privind specificațiile și evaluarea capacității furnizorilor.

Rolul arborelui principal într-o transmisie a unei turbine eoliene

Într-o turbină eoliană, arborele principal conectează butucul rotorului - care poartă cele trei pale și se rotește la 5 până la 20 rpm pentru turbinele mari de utilitate - la componentele transmisiei din aval. Arborele trebuie să transmită valori extreme ale cuplului: o turbină modernă de 5 MW pe uscat la puterea nominală generează un cuplu la arborele rotorului în intervalul de la 4 până la 6 MN·m (megawați-metri), iar turbinele offshore de 10-15 MW generează valori în mod corespunzător mai mari ale cuplului care fac din arborele principal una dintre cele mai mari și mai solicitate componente rotative în aplicațiile industriale.

Dincolo de transmiterea cuplului, arborele principal trebuie să susțină întreaga greutate și forța aerodinamică a rotorului - într-o turbină de 5 MW, butucul rotorului și paletele pot cântări între 100 și 200 de tone - și trebuie să reziste momentelor de încovoiere fluctuante și forțelor giroscopice pe care rotorul le impune pe măsură ce viteza și direcția vântului variază. Combinația dintre solicitarea medie ridicată, încărcarea ciclică și cerințele pentru o durată de viață la oboseală de 20 de ani fără acces la inspecție în locații îndepărtate face ca specificațiile arborelui principal și calitatea de fabricație să fie excepțional de exigente.

Tipuri de arbore principal în funcție de arhitectura transmisiei turbinei

Configurația și geometria arborelui principal diferă semnificativ între cele trei arhitecturi dominante ale sistemului de propulsie ale turbinei eoliene de pe piața actuală:

Tip 1: Arbore de suspensie în trei puncte (turbine cu angrenaje)

Cea mai comună configurație este în turbinele eoliene cu angrenaje onshore și offshore. Butucul rotorului este montat pe un arbore principal relativ scurt, cu diametru mare. Arborele este susținut în față de un singur rulment principal mare (sau doi rulmenți distanțați), iar în spate de suportul planetar al cutiei de viteze, care acționează ca rulment din spate. Această configurație de sprijin în trei puncte - un rulment față, un suport spate prin cutia de viteze - simplifică traseul sarcinii și reduce lungimea nacelei, dar înseamnă că cutia de viteze primește o parte din sarcinile fără cuplu (momente de încovoiere și tracțiune) de la rotor, ceea ce crește complexitatea și uzura cutiei de viteze.

Arborele principal în această configurație este în mod obișnuit o componentă tubulară din oțel forjat, cu un capăt frontal conic sau cu flanșă pentru atașarea butucului rotorului, o secțiune a scaunului rulmentului cilindric și o flanșă din spate pentru conexiunea cutiei de viteze. Diametrul exterior al arborelui la turbinele mari este de obicei de 700–1.200 mm, cu un alezaj central pentru reducerea greutății și accesul la inspecție. Lungimea arborelui este de obicei de 2 până la 4 metri, în funcție de dimensiunea turbinei și de structura nacelei.

Tip 2: Arbore de suspensie în patru puncte (turbine cu angrenaje cu doi rulmenți principali)

O configurație alternativă a turbinei cu angrenaje care utilizează doi rulmenți principali separati - față și spate - montați într-un cadru principal integrat sau într-o structură a plăcii de bază, izolând cutia de viteze de sarcinile rotorului fără cuplu. Arborele principal în această configurație este mai lung decât în ​​designul suspensiei în trei puncte, care se întinde între cele două scaune ale rulmentului principal cu cutia de viteze conectată la flanșa din spate.

Designul cu doi rulmenți principale separă complet sarcinile de îndoire a rotorului și sarcinile pe arbore de cutia de viteze, reducând semnificativ uzura cutiei de viteze și extinzând intervalele de întreținere a cutiei de viteze. Compartimentul este o structură principală mai grea, mai complexă și un arbore mai lung care mărește masa nacelei. Această configurație este utilizată pe scară largă în turbinele cu angrenaje la scară medie și mare, unde fiabilitatea cutiei de viteze este o prioritate.

Geometria arborelui principal pentru această configurație este o forjare tubulară alungită, cu două locuri de rulment prelucrate cu precizie, o flanșă butuc în față și o flanșă de cuplare a cutiei de viteze în spate. Diametrul scaunului rulmentului și toleranța sunt esențiale - potrivirile prin interferență pentru rulmenții cu role cilindrice cu alezaj mare sau rulmenții sferici cu role utilizați ca rulmenți principali pentru turbina eoliană necesită toleranțe de prelucrare de câțiva micrometri pentru a asigura o poziție adecvată a rulmentului fără coroziune prin frecare sau defecțiune prematură la oboseală.

Tip 3: arbore cu transmisie directă (turbine fără angrenaje)

Turbinele cu antrenare directă elimină cutia de viteze prin utilizarea unui generator cu magnet permanent (PMG) cu diametru mare care funcționează la viteza rotorului, eliminând funcția de creștere a vitezei a cutiei de viteze prin utilizarea unui generator foarte mare cu multe perechi de poli. Arborele principal dintr-o turbină cu antrenare directă integrează funcția de susținere a butucului rotorului cu suportul rotorului generatorului, creând un element de arbore structural de diametru mare, relativ scurt, care trebuie să transmită sarcinile rotorului direct către generator și structura principală a cadrului.

Arborii principali cu antrenare directă sunt de obicei mult mai mari în diametru (1.500–4.000 mm) și mai scurti decât arborii principali ale turbinei angrenate, deoarece rotorul generatorului este adesea integrat în jurul arborelui structural principal, mai degrabă decât conectat la capăt. Provocarea de fabricație este producerea unei componente de precizie cu diametru foarte mare, cu toleranțe geometrice strânse (rotunzime, cilindricitate) pe o suprafață mare - o provocare de prelucrare care necesită echipamente orizontale de alezat și strunjire de mare capacitate, cu o precizie comparabilă cu componentele mai mici, dar similare din punct de vedere geometric.

Procesul de fabricație pentru axele principale ale turbinelor eoliene

Arborii principali ale turbinei eoliene sunt printre cele mai solicitante piese forjate mari produse de industria de fabricare a componentelor grele. Procesul de fabricație necesită capacități specifice în fiecare etapă:

Etapa 1: Turnarea și forjarea lingoului de oțel

Materia primă pentru axul principal al unei turbine eoliene este un lingou mare de oțel - de obicei 20 până la 80 de tone de oțel aliat de înaltă calitate - turnat dintr-un cuptor cu arc electric sau un cuptor cu oală cu un control chimic atent pentru a obține gradul specificat. Calitățile obișnuite de oțel pentru arborii principali ale turbinei eoliene includ 42CrMo4 (cel mai larg specificat), 34CrNiMo6 și grade personalizate de rezistență ridicată specificate de producătorii de turbine pentru aplicații cu temperaturi extreme la rece (arctic) sau cu oboseală cu ciclu ridicat.

Lingoul este forjat pe o presă hidraulică mare - de obicei o capacitate de 10.000 până la 16.000 de tone pentru forjare cu arbore mare - folosind o secvență de operații de presare, rotire și alungire care forjează lingoul într-un semifabricat de formă aproape de rețea. Forjarea este esențială pentru arborii principali de turbine eoliene din două motive: elimină porozitatea turnării și defectele de segregare care fac oțelul turnat inadecvat pentru aplicații critice la oboseală și orientează fluxul de cereale de oțel de-a lungul axei arborelui, maximizând rezistența la oboseală în direcția orientării tensiunii primare. Structura de cereale forjată a unui semifabricat de arbore principal produs în mod corespunzător este fundamental superioară oricărei rute alternative de fabricație pentru această aplicație.

Etapa 2: Tratament termic

După forjare și prelucrare brută, semifabricatul arborelui este supus unui tratament termic de călire și revenire pentru a dezvolta combinația necesară de rezistență la tracțiune, rezistență la curgere, tenacitate și proprietăți la oboseală. Ciclul de tratament termic - temperatura de austenitizare, rata de stingere și temperatura și durata de revenire - este controlat cu precizie pentru a atinge proprietățile mecanice specificate în standardul de proiectare a turbinei. Verificarea proprietăților mecanice pe cupoanele de testare de la fiecare forjare a arborelui (test de tracțiune, test de impact și studiu de duritate) este o poartă standard de calitate înainte ca arborele să continue prelucrarea.

Etapa 3: Prelucrare brută și de finisare

Prelucrarea arborelui principal al turbinei eoliene se realizează pe centre mari de strunjire și alezaj CNC, capabile să manipuleze componente de 2 până la 6 metri lungime și 0,8 până la 4 metri în diametru, cu greutăți ale componentelor de 5 până la 40 de tone. Secvența de prelucrare implică de obicei:

• strunjire brută: Reducerea semifabricatului forjat la dimensiuni aproape finisate cu stoc adecvat pentru prelucrarea de finisare. Îndepărtează calcarul și materialul de suprafață decarburat, dezvăluie orice defecte de sub suprafață înainte ca o valoare semnificativă de prelucrare să fie adăugată.
• Examinare nedistructivă (NDE): Testarea cu ultrasunete (UT) a arborelui struns brut pentru a detecta defectele interne - goluri, incluziuni, laminari - care ar fi motiv de respingere. Efectuat după strunjirea brută, atunci când starea suprafeței este adecvată pentru scanare și înainte de prelucrarea de finisare, adaugă valoare unei componente potențial defecte.
• Terminarea rotire a scaunelor rulmentului: Diametrele scaunului rulmentului și fețele sunt finisate la toleranța specificată și la finisarea suprafeței. Pentru lagărele principale ale turbinei eoliene, toleranțele tipice sunt IT5–IT6 (aproximativ ±5–12 μm în funcție de diametru), cu rugozitatea suprafeței Ra 0,4–0,8 μm pentru suprafața de fixare prin interferență a rulmentului.
• Prelucrare flanșă butuc și cutie de viteze: Modelele de găuri pentru șuruburi, planeitatea feței și toleranțele diametrului pilot sunt prelucrate conform specificațiilor care asigură alinierea corectă a butucului și a cutiei de viteze.
• Prelucrare alezajului: Pentru arborii tubulari, gaura centrală este găurită adânc și finisată la diametrul și rectitudinea specificate, oferind atât reducerea greutății, cât și o suprafață interioară adecvată pentru inspecție pe durata de viață a arborelui.

Etapa 4: Tratarea suprafeței și inspecția finală

Arborele principal finit este supus unui tratament de suprafață - de obicei acoperire de protecție împotriva coroziunii pe suprafețele expuse, cu scaunele lagărelor și fețele flanșelor protejate în timpul aplicării - și inspecția dimensională finală. Inspecția cu particule magnetice pe toată suprafața (MPI) sau inspecția prin penetrant de colorant (DPI) verifică pentru defecte de rupere a suprafeței pe toate suprafețele prelucrate. Verificarea dimensională în raport cu desenul de inginerie confirmă toate dimensiunile critice înainte ca arborele să fie acceptat pentru expediere.

Cerințe cheie de calitate pentru aprovizionarea cu arborele principal al turbinei eoliene

Întrebări frecvente

Ce cauzează defecțiunile arborelui principal al turbinei eoliene?

Cele mai frecvente cauze ale arborele principal al turbinei eoliene defecțiunile în funcționare sunt fisurarea la oboseală, coroziunea prin frecare la locurile rulmentului și fisurile de gravare albă (WEC) - un mecanism de deteriorare tribochimic asociat cu zona principală de contact a rulmentului. Fisurarea prin oboseală inițiază în mod obișnuit la concentrații de tensiuni - modificări ascuțite ale razei, defecte de suprafață sau gropi de coroziune - și se propagă sub încărcarea ciclică a funcționării turbinei eoliene. Proiectarea corectă a arborelui (razele generoase de tranziție la schimbările de secțiune), curățenia materialului (conținut scăzut de incluziune în oțel) și calitatea suprafeței (rugozitate controlată și lipsa de defecte de prelucrare) sunt principalele apărări împotriva defecțiunii prin oboseală. Coroziunea prin frecare la locurile rulmentului rezultă din micro-mișcarea dintre inelul interior al rulmentului și suprafața arborelui — prevenită prin menținerea dimensiunilor corecte de ajustare prin interferență și a finisării suprafeței pe toată durata de viață a arborelui.

Cât durează fabricarea arborelui principal al unei turbine eoliene?

Ciclul complet de fabricație pentru a arborele principal al turbinei eoliene de la lingoul brut până la finit, componenta inspectată este de obicei de 16 până la 26 de săptămâni, în funcție de dimensiunea arborelui și de sarcina de producție a producătorului. Principalele elemente de timp sunt: ​​turnarea lingoului de oțel (4–6 săptămâni, inclusiv metalurgia cu oală și răcire controlată), forjare și prelucrare brută (4–6 săptămâni), tratament termic (1–2 săptămâni, inclusiv cicluri de încălzire, călire și revenire controlate), prelucrare de finisare și inspecție NDE (4–8 săptămâni) și inspecția finală și tratarea suprafeței (1–2 săptămâni). Cumpărătorii care planifică achiziționarea de componente majore pentru turbinele eoliene ar trebui să țină cont de acest timp de livrare în programarea proiectului și să plaseze comenzi cu o notificare prealabilă adecvată a datelor de livrare necesare.

Care este greutatea și intervalul de dimensiuni ale arborelui principal al turbinei eoliene?

Terminat arborele principal al turbinei eoliene greutățile variază de la aproximativ 5 tone pentru turbinele mici de 1–2 MW până la 30–60 de tone pentru turbinele offshore din clasa 8–15 MW, cei mai mari arbori cu antrenare directă apropiindu-se de 100 de tone în configurații integrate rotor/generator. Diametrele scaunului rulmentului variază de la aproximativ 700 mm pentru turbinele cu angrenaje mai mici până la peste 2.000 mm pentru modelele cu antrenare directă. Dimensiunea acestor componente – combinată cu toleranțele de precizie necesare – plasează arborii principali ale turbinei eoliene la sfârșitul cerințelor de capacitate de prelucrare de precizie a componentelor mari și limitează numărul de producători la nivel global care le pot produce la specificațiile complete.

Arborii principali ale turbinei eoliene pot fi reparați mai degrabă decât înlocuiți?

În cele mai multe cazuri, arborele principal al turbinei eoliene daunele care sunt detectate prin inspecție sau identificate după defecțiune nu sunt reparabile din punct de vedere economic - logistica demontării arborelui de pe nacelă la înălțime, costul reparației sudurii și al tratamentului de reîncălzire și acceptarea riscului necesar pentru returnarea la service a unei componente critice pentru oboseală reparată fac de obicei înlocuirea singura cale viabilă. Înlocuirea preventivă a rulmenților înainte ca deteriorarea prin frecare să progreseze la suprafața arborelui este strategia standard pentru prelungirea duratei de viață a arborelui. În unele cazuri, defectele de suprafață localizate în zonele necritice pot fi reparate în limitele toleranței dimensionale ale desenului original, dar acest lucru necesită aprobarea inginerească din partea producătorului turbinei și o evaluare atentă a impactului asupra distribuției tensiunilor arborelui și a duratei de viață rămase la oboseală.

Axul principal al energiei eoliene și producția de componente mari de la Jiangyin Huanming Machinery

Jiangyin Huanming Machinery Co., Ltd. produce componente de energie eoliană, inclusiv arbori principali, flanșe cu forme speciale și componente structurale mari prelucrate cu precizie pentru trenurile de propulsie ale turbinelor eoliene. Cu echipamente CNC de strunjire și alezat de mare capacitate, capacitate internă de examinare nedistructivă și procese de calitate documentate pentru prelucrarea mare de forjare, Huanming Machinery furnizează producătorilor de componente pentru energie eoliană și producătorilor OEM de turbine piese prelucrate cu precizie care îndeplinesc cerințele dimensionale și de calitate exigente ale industriei energiei eoliene.

Contactați-ne pentru a discuta despre cerințele de prelucrare a arborelui principal al energiei eoliene, specificațiile materialelor și programarea livrării.

Produse înrudite: Componente pentru energie eoliană | Treapta de transmisie de mare viteză | Accesorii pentru turbine cu abur | Forjare și turnare