Mục đích của việc rèn hộp số tuabin gió là gì?

Rèn hộp số tuabin gió phục vụ một mục đích cơ bản: cung cấp tính toàn vẹn cấu trúc, khả năng chống mỏi và độ chính xác kích thước được yêu cầu bởi các bộ phận chịu tải quan trọng bên trong hộp số tuabin gió giúp chuyển đổi vòng quay rôto chậm thành vòng quay trục tốc độ cao cần thiết để tạo ra điện. Do hộp số tuabin gió hoạt động dưới tải trọng mô-men xoắn cực đại và thay đổi liên tục, lực sốc và ứng suất môi trường trong suốt tuổi thọ thiết kế từ 20 năm trở lên nên các bộ phận bên trong chúng phải được sản xuất theo tiêu chuẩn đặc tính cơ học mà chỉ có quá trình rèn mới có thể đạt được nhất quán ở quy mô yêu cầu.

Các bộ phận rèn bên trong hộp số tuabin gió không thể thay thế được với các bộ phận tương đương được đúc hoặc gia công. Hoạt động cơ nhiệt của kim loại trong quá trình rèn tạo ra cấu trúc hạt tinh tế, loại bỏ độ xốp bên trong và dòng sợi thẳng hàng cùng nhau mang lại độ bền mỏi, độ bền va đập và các giá trị khả năng chống lan truyền vết nứt mà các thành phần đúc của cùng một hợp kim và hình học không thể sánh được. Đối với hộp số tuabin gió dự kiến hoàn thành hàng trăm triệu chu kỳ tải trong suốt thời gian hoạt động của nó ở những địa điểm xa xôi hoặc ngoài khơi, nơi việc tiếp cận bảo trì tốn kém và khó khăn, sự khác biệt về chất lượng vật liệu này là sự khác biệt giữa độ tin cậy hiện trường có thể chấp nhận được và không thể chấp nhận được.

Hộp số tuabin gió hoạt động như thế nào và tại sao nó tạo ra nhu cầu cực lớn về linh kiện

Để hiểu lý do tại sao các bộ phận được rèn bên trong hộp số tuabin gió phải đáp ứng các thông số kỹ thuật khắt khe như vậy, cần phải hiểu chức năng cơ học mà hộp số thực hiện và các lực mà nó phải quản lý liên tục trong suốt thời gian sử dụng.

Chức năng chuyển đổi tốc độ

Một cánh quạt tuabin gió lớn hiện đại quay với tốc độ xấp xỉ 5 đến 15 vòng quay mỗi phút (RPM) trong điều kiện gió vận hành điển hình (nguồn: Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế, Tóm tắt Công nghệ Điện gió IRENA, 2016). Máy phát điện tiêu chuẩn yêu cầu tốc độ đầu vào trục là 1.000 đến 1.800 vòng/phút để sản xuất điện tần số lưới một cách hiệu quả. Hộp số thu hẹp khoảng cách này thông qua một loạt các giai đoạn bánh răng hành tinh và bánh răng xoắn ốc, thường đạt được tỷ số truyền tổng thể là 50:1 đến 100:1 trong cấu hình tuabin nhiều megawatt. Mọi bộ phận trong bộ truyền bánh răng này phải truyền mô-men xoắn biến đổi này một cách liên tục trong khi chịu được toàn bộ sự thay đổi tải trọng do gió gây ra từ điều kiện yên tĩnh đến gió giật.

Môi trường tải thay đổi và sốc

Không giống như hộp số công nghiệp trong các nhà máy hay nhà máy điện hoạt động với tải trọng tương đối ổn định, hộp số tuabin gió có trải nghiệm đầu vào mô-men xoắn thay đổi liên tục theo dõi biến động tốc độ gió trong thời gian thực. Điều kiện gió hỗn loạn tạo ra sự đảo ngược tải nhanh chóng, xung sốc xoắn từ các sự kiện hãm rôto và mômen uốn do sự bất đối xứng của trọng lượng rôto tạo ra một trong những môi trường tải mỏi đòi hỏi khắt khe nhất gặp phải trong bất kỳ hệ thống cơ khí nào. Viện Hệ thống Năng lượng Gió Fraunhofer (IWES) đã ghi lại trong các nghiên cứu về độ tin cậy của hộp số rằng hộp số tuabin gió tích lũy hư hỏng do mỏi ở mức độ được coi là nghiêm trọng trong hầu hết mọi bối cảnh máy móc quay khác, với một số khu vực tiếp xúc với răng của bánh răng chịu tải cao trải qua các chu kỳ ứng suất ở ranh giới giới hạn độ bền của vật liệu trên cơ sở thường xuyên (nguồn: Fraunhofer IWES, Báo cáo hợp tác về độ tin cậy của hộp số, 2015).

Hậu quả của sự cố thành phần

Hư hỏng hộp số luôn là sự kiện bảo trì ngoài kế hoạch tốn kém nhất trong quá trình vận hành tuabin gió. Việc thay thế toàn bộ hộp số trên một tuabin trên bờ có công suất nhiều megawatt thường tốn kém 200.000 USD đến 400.000 USD bao gồm việc huy động cần cẩu, các bộ phận và nhân công, với việc thay thế ngoài khơi có chi phí cao hơn từ hai đến năm lần tùy thuộc vào tình trạng sẵn có của tàu và thời tiết (nguồn: Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia, Báo cáo cuối cùng về độ tin cậy của hộp số NREL, 2021). Những chi phí này làm cho chất lượng vật liệu của bộ phận rèn hộp số bên trong trở thành một biến số tài chính trực tiếp về mặt kinh tế sản xuất năng lượng gió chứ không chỉ đơn thuần là chi tiết thông số kỹ thuật.

Các thành phần hộp số cụ thể được rèn và tại sao

Các bộ phận rèn hộp số tuabin gió bao gồm một tập hợp xác định các bộ phận bên trong có các yêu cầu về hình học, đường dẫn tải và độ mỏi giúp cho quá trình rèn được lựa chọn thay vì đúc, hàn hoặc gia công từ phôi thanh.

Bánh răng vòng

Bánh răng vành là bộ phận bên ngoài của tầng bánh răng hành tinh và là một trong những bộ phận rèn lớn nhất trong cụm hộp số. Nó truyền toàn bộ mô-men xoắn đầu vào từ trục rôto qua biên dạng răng bên trong của nó và phải duy trì độ chính xác về hình dạng răng qua nhiều thập kỷ chịu tải theo chu kỳ. Bánh răng vòng cho tua-bin nhiều megawatt thường được rèn từ Thép cứng vỏ 18CrNiMo7-6 hoặc 17CrNiMo6 , đạt được giá trị độ cứng bề mặt từ 58 đến 62 HRC sau khi cacbon hóa và làm nguội trong khi vẫn giữ được lõi dẻo, dẻo có khả năng chống gãy chân răng dưới tải trọng va đập. Dòng hạt liên tục xung quanh chu vi vòng trong một bánh răng được rèn chính xác mang lại khả năng chống lan truyền vết nứt mà vật đúc tương đương không thể tái tạo được.

Người vận chuyển hành tinh

Bộ phận mang hành tinh là một vật rèn có cấu trúc phức tạp giúp giữ và định vị các bánh răng hành tinh trong giai đoạn hành tinh đồng thời truyền mô-men xoắn giữa bánh răng vành và bánh răng mặt trời thông qua các trục bánh răng hành tinh. Nó trải qua các trạng thái ứng suất ba chiều phức tạp bao gồm tải trọng xoắn, uốn và hướng tâm cùng một lúc. Giá đỡ hành tinh cho các tuabin lớn có trọng lượng từ vài trăm kg đến hơn hai tấn, khiến chúng trở thành một trong những vật liệu rèn có thách thức nhất về mặt kỹ thuật trong hộp số. Quá trình rèn của chúng đòi hỏi máy ép thủy lực công suất lớn và trình tự khuôn nhiều bước chính xác để đạt được sự kết hợp cần thiết giữa độ đồng đều của thành, dung sai kích thước và sàng lọc hạt trong toàn bộ hình dạng phức tạp.

Trục bánh răng mặt trời

Trục bánh răng mặt trời nằm ở trung tâm của giai đoạn hành tinh và hoạt động ở tốc độ quay cao nhất trong giai đoạn đó, khiến nó phải chịu hiện tượng mỏi chu kỳ cao do ứng suất xoắn và uốn đồng thời. Trục bánh răng mặt trời được rèn để đạt được cấu trúc vi hạt mịn thông qua toàn bộ mặt cắt ngang , được xác minh bằng thử nghiệm khắc vĩ mô và kiểm tra siêu âm, không có sự phân tách bên trong, độ co ngót hoặc độ xốp có thể đóng vai trò là vị trí bắt đầu vết nứt mỏi trong điều kiện tải trọng chu kỳ cao.

Trục đầu ra và trục trung gian

Trục trung gian và trục đầu ra của các giai đoạn bánh răng xoắn ốc kết nối cụm hành tinh với máy phát mang tốc độ quay cao hơn dần dần và mô men xoắn thấp hơn khi tỷ số truyền hình thành thông qua hệ thống truyền động. Các trục này phải duy trì dung sai chặt chẽ về đường kính trục, độ đảo và độ hoàn thiện bề mặt tại các khu vực tiếp điểm ổ trục, các yêu cầu này đạt được tốt nhất bằng cách rèn một khoảng trống hình dạng gần như lưới giúp giảm thiểu việc loại bỏ vật liệu và duy trì tính toàn vẹn của bề mặt rèn tại các vị trí quan trọng.

Khoảng trống bánh răng cho bánh răng giai đoạn xoắn ốc

Các bánh răng xoắn ốc của giai đoạn trung gian và tốc độ cao được gia công từ phôi bánh răng rèn để cung cấp hóa học hợp kim chính xác, phân bổ tính chất cơ học và cấu trúc hạt cho các hoạt động mài, mài và xử lý nhiệt tiếp theo. Các phôi được rèn đảm bảo rằng biên dạng răng hoàn thiện được hưởng lợi từ ứng suất dư nén dưới bề mặt và sự liên kết hạt của vật liệu rèn, cả hai đều góp phần vào độ bền mỏi khi uốn của răng quyết định tuổi thọ của bánh răng khi chịu tải chu kỳ cao.

Tại sao rèn lại tốt hơn đúc cho các thành phần hộp số

Việc lựa chọn rèn qua đúc cho các bộ phận của hộp số tuabin gió không chỉ đơn thuần là thông lệ. Nó được hỗ trợ bởi sự khác biệt về đặc tính cơ học được định lượng, chuyển trực tiếp thành hiệu suất tuổi thọ sử dụng tại hiện trường.

So sánh sức mạnh mỏi

Độ bền mỏi, biên độ ứng suất mà dưới đó vật liệu có thể chịu tải theo chu kỳ không giới hạn, là đặc tính cơ học quan trọng nhất đối với các bộ phận chịu hàng trăm triệu chu kỳ tải. Các thành phần thép rèn luôn thể hiện các giá trị độ bền mỏi cao hơn 20 đến 40 phần trăm hơn các thành phần thép đúc có thành phần và điều kiện xử lý nhiệt giống hệt nhau về mặt danh nghĩa, do loại bỏ độ xốp, các sợi bao gồm và sự phân tách đuôi gai đóng vai trò là vị trí bắt đầu vết nứt do mỏi trong vật đúc (nguồn: Hiệp hội Công nghiệp rèn, So sánh kỹ thuật rèn và đúc, 2019).

Độ bền va đập

Độ bền va đập Charpy, đo lường khả năng chống lại sự lan truyền vết nứt của vật liệu khi chịu tải đột ngột, có liên quan trực tiếp đến các bộ phận của hộp số tuabin gió chịu tải sốc từ các sự kiện phanh khẩn cấp và chuyển tiếp mất cân bằng rôto. Các bộ phận thép rèn thường xuyên đạt được giá trị va đập Charpy V-not là 80 đến 120 Joules ở -20 độ C , các giá trị đặc biệt quan trọng đối với việc lắp đặt ở vùng có khí hậu lạnh, nơi nhiệt độ môi trường xung quanh thấp làm giảm độ bền vốn có của chất bôi trơn hộp số và tăng mức độ nghiêm trọng của tải sốc khi vận hành khởi động nguội. Vật đúc tương đương thường chỉ đạt được 40 đến 60 Joules trong cùng điều kiện.

Tính nhất quán về kích thước và dung sai

Các quy trình rèn chính xác tạo ra các phôi có sự thay đổi kích thước chặt chẽ hơn đáng kể so với cát hoặc đúc đầu tư, giảm việc loại bỏ vật liệu cần thiết trong các hoạt động gia công tiếp theo và đảm bảo rằng biên dạng răng bánh răng thành phẩm và hình dạng ổ trục được cắt từ vật liệu có các đặc tính nhất quán và có thể dự đoán được xuyên suốt. Tính nhất quán này rất quan trọng để duy trì độ chính xác của kiểu tiếp xúc bánh răng và độ thẳng hàng của ổ trục, là điều kiện tiên quyết để đạt được tuổi thọ mỏi của bánh răng và vòng bi được thiết kế.

So sánh tài sản được định lượng

Nguồn: Chuỗi dữ liệu kỹ thuật của Hiệp hội Công nghiệp rèn, 2019; Phụ lục tiêu chuẩn tính toán bánh răng ISO 6336, 2019.

Vật liệu được sử dụng trong quá trình rèn hộp số tuabin gió

Việc lựa chọn hợp kim để rèn hộp số tuabin gió được điều chỉnh bởi sự kết hợp cụ thể giữa độ cứng bề mặt, độ bền lõi, độ sâu độ cứng và độ ổn định kích thước sau khi xử lý nhiệt cần thiết cho từng loại thành phần. Một số họ hợp kim lâu đời thống trị thực hành rèn hộp số hiện nay.

Thép cứng cho các bộ phận bánh răng

Thép làm cứng vỏ đạt được độ cứng bề mặt cao thông qua quá trình cacbon hóa, sau đó được làm nguội, trong khi vẫn giữ được lõi dẻo dai, là họ vật liệu tiêu chuẩn cho bánh răng vòng, bánh răng mặt trời, bánh răng hành tinh và phôi bánh răng trong hộp số tuabin gió. Các lớp được chỉ định rộng rãi nhất bao gồm:

• 18CrNiMo7-6 (EN 10084): Hợp kim chủ đạo để rèn bánh răng tuabin gió hiệu suất cao trên toàn cầu. Hợp kim crom-niken-molypden của nó mang lại độ cứng sâu ở các mặt cắt ngang lớn và hàm lượng niken của nó đảm bảo độ bền lõi tuyệt vời ở nhiệt độ thấp. Độ cứng của vỏ được cacbon hóa từ 58 đến 62 HRC với độ cứng lõi từ 30 đến 45 HRC có thể đạt được ở các phần có đường kính lên tới 200mm.
• 17CrNiMo6 (EN 10084): Liên quan chặt chẽ với 18CrNiMo7-6 với hàm lượng carbon thấp hơn một chút, được ưu tiên trong một số thông số kỹ thuật hộp số Châu Âu dành cho các bộ phận phải giảm thiểu biến dạng kích thước trong quá trình làm cứng vỏ.
• 20MnCr5 (EN 10084): Được sử dụng để rèn bánh răng nhỏ hơn ở giai đoạn trung bình và tốc độ cao trong đó kích thước phần nhỏ hơn và không cần độ cứng sâu của các loại hợp kim cao hơn. Chi phí thấp hơn các loại CrNiMo trong khi đáp ứng các yêu cầu về thông số kỹ thuật cho các ứng dụng này.

Thép tôi cứng xuyên suốt cho các bộ phận kết cấu

Các giá đỡ hành tinh, mặt bích vỏ và bộ phận rèn trục yêu cầu các đặc tính cơ học đồng nhất trên toàn bộ mặt cắt thay vì vỏ được chế hòa khí thường được rèn từ thép hợp kim tôi cứng hoàn toàn:

• 42CrMo4 (EN 10083): Một loại thép crom-molypden được sử dụng rộng rãi để rèn hành tinh và rèn trục, cung cấp độ bền kéo từ 900 đến 1100 MPa sau khi xử lý tôi và tôi ở các kích thước phần có liên quan.
• 34CrNiMo6 (EN 10083): Thép được tôi cứng hoàn toàn bằng hợp kim cao hơn được sử dụng cho các vật mang hành tinh có tiết diện lớn và rèn trục đầu ra trong các tuabin nhiều megawatt có kích thước tiết diện vượt quá khả năng làm cứng của 42CrMo4.
• 30CrNiMo8 (EN 10083): Cấp độ cứng thông qua độ cứng cao nhất trong ứng dụng rèn hộp số thông thường, được chỉ định cho các vật rèn mang hành tinh lớn nhất và rèn trục đầu ra trong các tuabin ngoài khơi nơi cần có độ bền tối đa ở nhiệt độ thấp cùng với độ bền cao.

Quy trình sản xuất: Quá trình rèn hộp số tuabin gió được thực hiện như thế nào

Việc sản xuất rèn hộp số tuabin gió là một quá trình gồm nhiều giai đoạn bắt đầu bằng việc lựa chọn hợp kim và kết thúc bằng thử nghiệm không phá hủy cuối cùng, với mỗi bước trung gian ảnh hưởng nghiêm trọng đến các tính chất cơ học cuối cùng và chất lượng kích thước của bộ phận.

Luyện thép và phôi hoặc đúc liên tục

Vật liệu ban đầu để rèn hộp số lớn thường là phôi thép được khử khí chân không (VD) hoặc nung lại bằng hồ quang chân không (VAR), hoặc trong một số trường hợp là phôi đúc liên tục có mặt cắt ngang thích hợp. Khử khí chân không loại bỏ hydro hòa tan và giảm hàm lượng oxy, cả hai đều làm giảm hàm lượng tạp chất và cải thiện đặc tính mỏi và độ dẻo dai của quá trình rèn thành phẩm. Đối với các ứng dụng đòi hỏi khắt khe nhất như vật mang hành tinh lớn và bánh răng vành, việc nấu chảy lại xỉ điện (ESR) có thể được chỉ định để đạt được độ sạch cao nhất có thể và tính đồng nhất về thành phần.

Gia nhiệt và rèn khuôn mở hoặc đóng

Phôi hoặc phôi được nung nóng đến phạm vi nhiệt độ rèn, thường là 1150 đến 1250 độ C đối với thép hợp kim được sử dụng trong rèn hộp số, trong lò khí quyển được kiểm soát. Vật liệu được nung nóng sau đó được gia công dưới máy ép thủy lực với công suất từ ​​2.000 đến 12.000 tấn tùy thuộc vào kích thước bộ phận. Trình tự rèn phải đạt được tỷ lệ giảm tổng đủ đủ để phá vỡ cấu trúc đuôi gai đúc sẵn và tinh chỉnh kích thước hạt trên toàn mặt cắt ngang. Tỷ lệ giảm rèn tối thiểu là 4:1 thường được chỉ định cho việc rèn hộp số để đảm bảo quá trình kết tinh lại hoàn toàn và sàng lọc hạt (nguồn: ASTM A668, Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho thép rèn, cacbon và hợp kim, dùng trong công nghiệp nói chung).

Xử lý nhiệt

Xử lý nhiệt sau rèn là một bước quan trọng nhằm phát triển các tính chất cơ học cuối cùng của quá trình rèn. Trình tự xử lý nhiệt phụ thuộc vào hợp kim và ứng dụng:

1. Bình thường hóa hoặc ủ: Được thực hiện ngay sau khi rèn để giảm bớt ứng suất rèn và tạo ra cấu trúc vi mô đồng nhất phù hợp cho gia công.
2. Gia công thô: Việc rèn được gia công thành hình dạng gần như lưới, để lại phôi để gia công hoàn thiện sau khi đông cứng.
3. Làm dịu và ôn hòa (đối với các lớp đã cứng lại): Austenit hóa ở nhiệt độ 840 đến 880 độ C, sau đó làm nguội bằng dầu hoặc polyme, sau đó ủ ở nhiệt độ 550 đến 650 độ C để đạt được sự kết hợp độ bền và độ dẻo dai cần thiết.
4. Chế hòa khí và làm cứng vỏ (đối với thép bánh răng): Quá trình cacbon hóa bằng khí hoặc chân không ở nhiệt độ 900 đến 950 độ C tạo nên lớp vỏ giàu carbon có độ sâu 0,8 đến 1,5mm, sau đó được làm nguội để làm cứng cả vỏ và lõi theo thông số kỹ thuật.
5. Giảm căng thẳng ở nhiệt độ thấp: Quá trình ủ cuối cùng ở nhiệt độ 150 đến 180 độ C làm giảm ứng suất làm nguội trong trường hợp được cacbon hóa mà không làm giảm đáng kể độ cứng bề mặt.

Kiểm tra không phá hủy và xác minh chất lượng

Việc rèn hộp số tuabin gió phải được kiểm tra không phá hủy toàn diện (NDT) trước khi được chấp nhận. Các yêu cầu NDT tiêu chuẩn bao gồm:

• Kiểm tra siêu âm (UT) theo tiêu chí chấp nhận của EN 10228-3 hoặc ASTM A388, xác minh không có khuyết tật bên trong trên mức chấp nhận được chỉ định trong toàn bộ khối lượng rèn.
• Kiểm tra hạt từ tính (MPI) của tất cả các bề mặt gia công có thể truy cập theo EN 10228-1 để phát hiện sự không liên tục trên bề mặt và gần bề mặt tại các vị trí quan trọng bao gồm chân răng bánh răng, bề mặt lỗ khoan và bán kính chuyển tiếp.
• Kiểm tra độ cứng tại các vị trí được chỉ định để xác minh phản ứng xử lý nhiệt và độ sâu của vỏ sau khi cacbon hóa.
• Kiểm tra tính chất cơ học chứng kiến các mẫu thử được rèn và xử lý nhiệt theo từng lô sản xuất để xác minh độ bền kéo, cường độ chảy, độ giãn dài, giảm diện tích và các giá trị va đập Charpy đáp ứng thông số kỹ thuật ở nhiệt độ thử nghiệm yêu cầu.
• Kiểm tra kích thước theo dung sai bản vẽ đã thỏa thuận bằng cách sử dụng máy đo tọa độ (CMM) cho các hình học phức tạp như vật mang hành tinh.

Tiêu chuẩn quốc tế quản lý việc rèn hộp số tuabin gió

Các bộ phận rèn hộp số tuabin gió được sản xuất và thử nghiệm tuân thủ một bộ tiêu chuẩn quốc tế có cấu trúc chi phối hóa học vật liệu, tính chất cơ học, xử lý nhiệt, dung sai kích thước và tiêu chí chấp nhận thử nghiệm không phá hủy. Các tiêu chuẩn chính bao gồm:

IEC 61400-4 là tiêu chuẩn tổng thể đề cập cụ thể đến các yêu cầu về vật liệu và thiết kế hộp số tuabin gió, đồng thời tham chiếu trực tiếp đến các tiêu chuẩn thử nghiệm, xử lý nhiệt và vật liệu được liệt kê ở trên. Việc tuân thủ IEC 61400-4 là điều kiện tiên quyết để được chứng nhận tuabin bởi các tổ chức được công nhận bao gồm DNV, Bureau Veritas và TUV. Đây là yêu cầu bắt buộc để tài trợ dự án ở hầu hết các thị trường năng lượng gió trên toàn cầu (nguồn: IEC 61400-4:2012, Tua bin gió - Phần 4: Yêu cầu thiết kế cho hộp số tuabin gió).

Vai trò của chất lượng rèn hộp số trong kinh tế vòng đời tuabin gió

Tính kinh tế của dự án tuabin gió được đánh giá trong vòng đời thiết kế từ 20 đến 25 năm đối với các dự án trên bờ và 25 đến 30 năm đối với các dự án ngoài khơi. Tính toàn vẹn cơ học của việc rèn hộp số có tác động trực tiếp và có thể định lượng được đến tổng chi phí sản xuất năng lượng trong giai đoạn này thông qua ảnh hưởng của nó đến tuổi thọ của hộp số, tần suất bảo trì ngoài kế hoạch và chi phí thay thế linh kiện.

Tỷ lệ hỏng hộp số và ý nghĩa chi phí của chúng

Phân tích dữ liệu về tỷ lệ hỏng hóc tuabin gió từ nhiều thị trường châu Âu cho thấy lỗi hộp số chỉ chiếm khoảng 3 đến 5 phần trăm tổng số sự cố thất bại theo số lượng, nhưng chịu trách nhiệm về 25 đến 35 phần trăm tổng thời gian ngừng hoạt động và tỷ lệ chi phí bảo trì thậm chí còn cao hơn do chi phí cao và độ phức tạp của mỗi lần sửa chữa hộp số (nguồn: Nghiên cứu Năng lượng SINTEF, Dữ liệu Độ tin cậy cho Tua bin Gió: Trạng thái 2005-2015, 2016). Việc cải thiện độ tin cậy của thành phần hộp số thậm chí chỉ vài điểm phần trăm thông qua việc nâng cao chất lượng rèn và tuân thủ thông số kỹ thuật sẽ tạo ra sự cải thiện lớn một cách không cân đối về tính kinh tế ở cấp độ đội xe.

Chênh lệch chi phí bảo trì ở nước ngoài

Đối với các tuabin gió ngoài khơi, việc huy động tàu để sửa chữa hộp số có thể tốn kém 150.000 đến 300.000 USD mỗi ca phẫu thuật Không phụ thuộc vào chi phí linh kiện và nhân công (nguồn: Mô hình chi phí vận hành và bảo trì tuabin gió ngoài khơi NREL, 2019), phí bảo hiểm kinh tế được chứng minh cho chất lượng rèn vượt trội cao hơn đáng kể so với các ứng dụng trên bờ. Các nhà khai thác ở nước ngoài ngày càng chỉ định các tiêu chuẩn rèn nâng cao, bao gồm nguyên liệu được nung lại trong chân không và thử nghiệm siêu âm thể tích 100%, đặc biệt để giảm khả năng hỏng thành phần hộp số sớm.

Giá trị kéo dài tuổi thọ thành phần

Khi thế hệ trang trại gió quy mô tiện ích đầu tiên sắp hết tuổi thọ thiết kế ban đầu, thị trường rèn thay thế bộ phận hộp số giúp kéo dài tuổi thọ hoạt động ngoài giai đoạn thiết kế 20 năm ban đầu đang tăng lên đáng kể. Các bánh răng vòng, bộ phận mang hành tinh và bộ phận rèn trục thay thế được sản xuất theo các thông số kỹ thuật nâng cao hiện tại có thể kéo dài tuổi thọ sử dụng hộp số thêm một thời gian nữa. 10 đến 15 năm với chi phí thường bằng 15 đến 25% toàn bộ quá trình phục hồi tuabin, khiến việc rèn thay thế chất lượng cao trở thành giải pháp thay thế có hiệu quả cao về mặt chi phí cho việc cấp lại năng lượng cho tuabin ở những vị trí thuận lợi (nguồn: WindEurope, Tận dụng tối đa nguồn năng lượng gió của Châu Âu, 2020).

Thực tiễn đảm bảo chất lượng giúp phân biệt các nhà cung cấp rèn cao cấp

Đối với các OEM tuabin gió, nhà sản xuất hộp số và nhà vận hành trang trại gió tìm nguồn cung ứng linh kiện thay thế, biện pháp đảm bảo chất lượng của nhà cung cấp rèn cũng quan trọng như thông số kỹ thuật danh nghĩa của vật liệu trong việc xác định hiệu suất thực tế tại hiện trường của các linh kiện được giao. Các phương pháp thực hành sau đây giúp phân biệt các nhà cung cấp có khả năng đáp ứng nhất quán các yêu cầu khắt khe về ứng dụng hộp số tuabin gió:

• Truy xuất nguồn gốc vật liệu đầy đủ từ nhiệt nóng chảy đến quá trình rèn thành phẩm: Mỗi quá trình rèn hộp số tuabin gió phải được truy nguyên thông qua hồ sơ sản xuất về nhiệt nóng chảy thép cụ thể, số phôi, trình tự ép rèn và lô xử lý nhiệt. Khả năng truy xuất nguồn gốc này rất cần thiết cho việc điều tra tại hiện trường khi xảy ra lỗi và quản lý thu hồi nếu xác định được lỗi của lô.
• Thử nghiệm có sự chứng kiến của bên thứ ba: Các khách hàng lớn về năng lượng gió ngày càng yêu cầu việc kiểm tra đặc tính cơ học và NDT của các sản phẩm rèn có yêu cầu an toàn phải được chứng kiến bởi cơ quan kiểm tra độc lập bên thứ ba như DNV, Bureau Veritas hoặc TUV. Các nhà cung cấp có chương trình chứng minh bên thứ ba được thiết lập chứng tỏ mức độ hoàn thiện và minh bạch của hệ thống chất lượng, đây là một chỉ số mạnh mẽ về chất lượng sản xuất nhất quán.
• Kiểm soát quy trình thống kê (SPC) trên các thông số rèn quan trọng: Các nhà cung cấp áp dụng SPC cho nhiệt độ rèn, tỷ lệ giảm, thời gian và nhiệt độ ngâm xử lý nhiệt cũng như kết quả NDT có thể chứng minh các chỉ số khả năng xử lý (Cpk) định lượng khả năng của họ để đáp ứng nhất quán các giới hạn thông số kỹ thuật, thay vì chỉ dựa vào thử nghiệm cuối quy trình để phân loại sản phẩm phù hợp với sản phẩm không phù hợp.
• Đầu tư thiết bị rèn công suất lớn: Việc rèn bánh răng hành tinh và bánh răng cho tuabin nhiều megawatt yêu cầu công suất ép thủy lực từ 5.000 tấn trở lên để đạt được tỷ lệ giảm yêu cầu ở mặt cắt ngang lớn. Các nhà cung cấp có công suất ép và dụng cụ rèn phù hợp cho các bộ phận lớn này có thể cung cấp chúng theo thông số kỹ thuật, trong khi các nhà cung cấp cố gắng sản xuất chúng trên thiết bị không đầy đủ không thể đạt được độ tinh lọc hạt cần thiết thông qua mặt cắt ngang đầy đủ bất kể chất lượng vật liệu như thế nào.
• Lịch sử giao hàng đã được chứng minh đối với các thông số kỹ thuật OEM về năng lượng gió: Các OEM hộp số tuabin gió duy trì các quy trình kiểm định chất lượng nhà cung cấp được phê duyệt đòi hỏi khắt khe, bao gồm kiểm tra bài viết đầu tiên, phê duyệt bộ phận sản xuất và kiểm tra giám sát liên tục. Trình độ chuyên môn trong danh sách nhà cung cấp được phê duyệt của OEM năng lượng gió là chỉ số đáng tin cậy nhất về năng lực của nhà cung cấp rèn trong ứng dụng này.

các Rèn hộp số tuabin gió có sẵn thông qua aceprocess.com được sản xuất theo khuôn khổ quản lý chất lượng toàn diện bao gồm truy xuất nguồn gốc vật liệu từ nhiệt đến rèn hoàn toàn, thử nghiệm cơ học và NDT có sự chứng kiến ​​của bên thứ ba cũng như tuân thủ các tiêu chuẩn vật liệu IEC 61400-4 và EN 10084/EN 10083 chi phối các loại hợp kim được sử dụng trong các ứng dụng hộp số tuabin gió, hỗ trợ các yêu cầu đảm bảo chất lượng của các OEM năng lượng gió cũng như các chương trình thay thế và sửa chữa hộp số độc lập trên toàn cầu.

Xu hướng thúc đẩy nhu cầu rèn hộp số hiệu suất cao hơn

Một số xu hướng chính trong ngành năng lượng gió đang đồng thời làm tăng nhu cầu kỹ thuật về việc rèn hộp số tuabin gió và mở rộng tổng khối lượng rèn được yêu cầu trên toàn cầu.

Tăng kích thước và xếp hạng tuabin

các average rated capacity of newly installed onshore wind turbines has grown from approximately 1,5 MW năm 2005 lên trên 4,5 MW năm 2023 , với các tuabin ngoài khơi hiện nay thường có công suất định mức từ 12 đến 15 MW và các tổ máy nguyên mẫu có công suất vượt quá 20 MW đang được phát triển (nguồn: IRENA, Chi phí phát điện tái tạo năm 2022, 2023). Việc tăng kích thước này làm tăng tải mô-men xoắn trên các bộ phận hộp số xấp xỉ tỷ lệ với công suất định mức, yêu cầu rèn mặt cắt, cấp hợp kim và độ sâu xử lý nhiệt thách thức ranh giới khả năng của thực hành rèn thông thường. Việc rèn bánh răng vòng cho tuabin cấp 10 MW có thể vượt quá Đường kính ngoài 3 mét và trọng lượng 5 tấn , đòi hỏi máy ép rèn lớn nhất hiện có cũng như thiết bị xử lý nhiệt và xử lý chuyên dụng cao.

Mở rộng gió ngoài khơi

Công suất lắp đặt gió ngoài khơi toàn cầu được dự đoán sẽ tăng từ khoảng 64 GW vào năm 2022 lên hơn 380 GW vào năm 2032 (nguồn: Hội đồng Năng lượng Gió Toàn cầu, Báo cáo Gió Ngoài khơi Toàn cầu của GWEC, 2023). Tua bin ngoài khơi đặt ra những yêu cầu khắt khe nhất đối với việc rèn hộp số do sự kết hợp giữa kích thước bộ phận tối đa, độ ẩm cao và bầu không khí chứa nhiều muối làm tăng tốc độ ăn mòn ở bất kỳ khuyết tật bề mặt nào và chi phí bảo trì cực cao khiến cho bất kỳ hỏng hóc bộ phận sớm nào cũng trở nên đặc biệt tốn kém. Xu hướng này đang thúc đẩy các thông số kỹ thuật rèn cao cấp ngày càng tăng bao gồm thép ESR, UT thể tích 100% và thử nghiệm tác động ở nhiệt độ thấp nâng cao theo tiêu chuẩn thay vì các yêu cầu tùy chọn.

Kéo dài tuổi thọ của đội tàu già đi

Khi số lượng lớn tuabin gió được lắp đặt từ năm 2000 đến năm 2015 đạt và vượt quá tuổi thọ thiết kế 20 năm ban đầu, thị trường rèn hộp số thay thế đang mở rộng nhanh chóng. Các bộ phận thay thế phải được sản xuất ít nhất theo thông số kỹ thuật ban đầu và lý tưởng nhất là theo các tiêu chuẩn nâng cao hiện tại, tạo ra nhu cầu liên tục về các nhà cung cấp rèn có khả năng sản xuất hình học bộ phận cũ theo thông số kỹ thuật quy trình và hợp kim cao cấp hiện tại.

Tóm tắt: Tại sao việc rèn hộp số tuabin gió là không thể thiếu

các purpose of wind turbine gearbox forgings is to provide the nền tảng cơ khí để xây dựng việc sản xuất năng lượng gió lâu dài, đáng tin cậy . Mỗi kilowatt giờ do tuabin gió tạo ra đều đi qua đường mô-men xoắn mà các bộ phận rèn này xác định và duy trì. Độ bền mỏi vượt trội, độ bền va đập, độ chính xác về kích thước và không có khuyết tật bên trong sẽ trực tiếp quyết định liệu hộp số tuabin gió có đạt được tuổi thọ sử dụng 20 năm theo thiết kế với chi phí bảo trì có thể quản lý được hay hỏng hóc sớm và gây ra những chi phí khổng lồ ngoài kế hoạch khiến từng tuabin riêng lẻ bị hạn chế về mặt kinh tế và làm xói mòn tính kinh tế tổng thể của các dự án năng lượng gió.

Khi các tuabin phát triển lớn hơn, di chuyển xa hơn ra ngoài khơi và hoạt động trong những môi trường đòi hỏi khắt khe hơn, các yêu cầu kỹ thuật về rèn hộp số tiếp tục tăng. Sự kết hợp giữa lựa chọn hợp kim chính xác, quy trình rèn tối ưu, xử lý nhiệt chính xác và đảm bảo chất lượng nghiêm ngặt cùng xác định việc rèn hộp số tuabin gió cao cấp không phải là một thông số kỹ thuật xa xỉ mà là tiêu chuẩn tối thiểu cần thiết để hỗ trợ kỳ vọng về độ tin cậy của các dự án năng lượng gió hiện đại.

Để biết thông số kỹ thuật chi tiết, chứng nhận vật liệu và tư vấn kỹ thuật về mua sắm Rèn hộp số tuabin gió đối với các chương trình bảo trì và kéo dài tuổi thọ thiết bị mới hoặc đội xe, tài nguyên kỹ thuật và chất lượng có sẵn thông qua aceprocess.com cung cấp chiều sâu kỹ thuật và khả năng sản xuất cần thiết để đáp ứng các thông số kỹ thuật rèn hộp số năng lượng gió đòi hỏi khắt khe nhất.