風力産業向けの熱間鍛造: ギアボックスコンポーネントの詳細な説明

10 MW の洋上風力タービンのギアボックスは、貨物機関車を動かすのに十分なトルクを伝達しますが、地上 100 メートルの風力タービンのナセル内に収まる必要があります。そのギヤボックス内の遊星キャリア、遊星ギヤ、サンギヤ、リングギヤは熱間鍛造により製造されています。これらの鍛造品のいずれかに内部欠陥がある場合、単純な部品交換はできません。これは、クレーン船、ドライブトレインの取り外し、そして数週間にわたるエネルギー生産の損失を意味します。そのため、風力産業向けの熱間鋼の鍛造は、日常的な金属成形作業ではなく、安全性が重要なステップとして扱われます。

風力発電用コンポーネントに熱間鍛造が必要な理由

熱間鍛造は、連続的な粒子の流れを生成し、鋳造では確実に除去できない内部空隙を閉じるため、風力ギアボックスのトランスミッション部品に推奨される方法です。

鋼が金型内で凝固すると、収縮キャビティ、ガス気孔、局所偏析が発生します。熱間鍛造では、摂氏 1150 ～ 1250 度の温度でビレットを圧縮し、欠陥を破壊し、結晶粒構造を微細化します。その結果、コンポーネント全体の密度が高まり、疲労強度が向上し、機械的特性がより一貫したものになります。風力タービンのドライブトレインはローターが回転するたびに完全な応力サイクルを受けるため、静的強度よりも耐疲労性の方が耐用年数を決定します。 42CrMo4 鋼のテストでは、鍛造材料は鋳造品の同じグレードよりも約 30 ～ 40% 高い疲労限界を実現できることが示されています。このマージンが、20 年間使用したドライブトレインと中期の早期故障を分けることがよくあります。

上のレーダー チャートは、風力ドライブトレイン部品にとって重要な 6 つの基準にわたって熱間鍛造と鋳造を比較しています。鍛造鋼は、変形プロセスによって金属の流れが荷重経路と一致するため、耐疲労性と粒子構造において明らかな利点を示します。鍛造品では、圧縮ステップの溶接によって鋳造部分に残る収縮気孔が閉じられるため、内部の健全性も向上します。鋳造品はコスト効率とリードタイムの​​点で優れているため、大型ギアボックス ハウジングや非負荷カバーは依然として鋳造品として生産されています。ただし、トルクと曲げ荷重に耐えるコンポーネントは常に鍛造品として指定されます。タービンの可用性への影響によってこれらの基準をランク付けすると、トランスミッション部品では鍛造ルートが優先されます。

風力ギアボックス内の鍛造コンポーネント

ほとんどの風力ギアボックスは、ローター速度を約 10 rpm から発電機に必要な 1000 rpm まで増加させるために遊星設計を使用しています。鍛造部品はトルクが最も高くなる遊星段に集中しています。

プラネットキャリア

遊星キャリアは、各遊星ステージの構造の中核です。タービン トルクをフルに伝達しながら、3 ～ 6 個の遊星歯車シャフトを正確な半径方向位置に保持します。 5 ～ 10 MW のギアボックスでは、鍛造遊星キャリア ブランクの重量は通常 1200 ～ 2800kg になります。鍛造プロセスでは、ピン穴の周囲に均一な粒子の流れを作成する必要があります。これは、ピン穴の領域には最も高い繰り返し応力がかかるためです。一体型の鍛造キャリアは、疲労の開始点となる溶接の継ぎ目を回避します。

3 ～ 10 MW 風力タービン ギアボックス用の鍛造プラネット キャリア この一体型の鍛造キャリアは、5 ～ 10 MW のギアボックス ステージに適しており、ピン ボアの周囲に均一な粒子の流れがあり、高い周期応力に対応します。信頼性の高い大容量タービン ドライブトレインについては、こちらをご覧ください。 製品を見る→

プラネットギアとサンギア

遊星歯車は太陽歯車とリング歯車と同時に噛み合い、伝達された荷重が複数の歯接触部に分散されます。 5 ～ 10 MW のタービンでは、第 1 段の遊星歯車が最低速度で最高のトルクを伝達します。サンギアはより速く回転するため、歯面の摩耗に耐えるために肌焼き鋼が必要です。通常、両方のコンポーネントは 18CrNiMo7-6 または同等の浸炭グレードから鍛造されます。鍛造ブランクは荒加工され、ギアカットされ、表面硬化され、最終プロファイルに研削されます。

5 ～ 10 MW ギアボックス用の肌焼き遊星歯車鍛造品 第 1 段の遊星歯車は低速で最大のトルクを伝達するため、表面が浸炭された鍛造 18CrNiMo7-6 ブランクが不可欠です。この製品は 3 つの惑星ステージすべてをカバーします。 製品を見る→

リングギア

リングギヤは、内歯を備えた大径の環状です。一体型リング鍛造品またはセグメント溶接アセンブリとして製造できますが、一体型鍛造品の方が応力領域を横切る溶接シームがないため、荷重がよりよく分散されます。縦型リングミルでのリングローリングにより、歯元方向に沿った結晶粒配向が得られ、耐曲げ疲労性が向上します。 5 ～ 10 MW のギアボックス リングギア ブランクの重量は、ギアボックスのアーキテクチャに応じて 1800 ～ 3500 kg になることがあります。

5～10 MW 風力タービン用一体型リングギア鍛造品 最大 3500 kg までの大直径リングギアブランクは、リングローリンググレイン配向と溶接継ぎ目のない利点を活用します。精密研磨された内歯により高出力伝動に対応した製品です。 製品を見る→

上の横棒グラフは、5 ～ 10 MW の風力ギアボックスの主要な回転コンポーネントの典型的な鍛造ブランク重量を示しています。リングギアはセット内で最も重いブランクであり、多くの場合、熱処理や粗加工前には 3500 kg を超えます。プラネット キャリアは、複数のピン ボアを持つ大直径のディスクであるため、2 番目に重いグループです。ギア シャフトは中間の範囲にあり、遊星歯車と太陽歯車は軽量ですが、依然として高合金鋼と慎重な鍛造加工が必要です。これらの重量により、必要なハンマーまたはプレスの能力、加熱炉のサイズ、および加工範囲が決まります。 15 トンのハンマー能力と 1.5 メートルのリング圧延機を備えたサプライヤーは、複数のベンダーに注文を分割することなく、全範囲をカバーできます。

ビレットからブランクまでの熱間鍛造プロセス

スチールビレットを認定された風力ギアボックス鍛造品に加工するには、変形、熱処理、検査を組み合わせた制御されたシーケンスに従います。

1. ビレット検査。作業を開始する前に、入荷したビレットに対して超音波検査が実行され、内部の健全性が確認されます。
2. 加熱。ビレットはゆっくりと予熱され、ガス燃焼炉内で摂氏 1150 ～ 1250 度で浸漬されます。
3. 動揺する。軸方向の圧縮により鋳造組織が破壊され、結晶粒が微細化されます。
4. 予備成形。引き出しとブロッキングにより、最終的なブランクに近い中間ジオメトリが作成されます。
5. 最終鍛造。クローズドダイまたはオープンダイの成形により、外側の輪郭と臨界厚さが確立されます。
6. リングローリング。リングギアやその他の環状部品の場合、垂直リングローリングミルはプリフォームを必要な直径と断面に拡張します。
7. 制御された冷却。ゆっくりとした均一な冷却により、剥離や残留応力の蓄積を防ぎます。
8. 荒加工と再検査。ブランクはスケールと表面の欠陥を除去するために荒加工され、その後、もう一度超音波がかけられます。

上の折れ線グラフは、洋上風力タービンの定格容量が 2016 年の 4 MW から 2026 年の 12 MW に向かってどのように上昇したかを示しています。タービンの定格が上がるごとに、ギアボックスは同じ物理的エンベロープを通じてより多くのトルクを伝達する必要があります。トルクが大きくなるということは、プラネットキャリア、リングギアが大きくなり、鍛造ブランクが重くなることを意味します。したがって、鍛造サプライヤーは、この傾向に従うために、より大型のハンマー、より大型のリングミル、より深い熱処理炉に投資する必要があります。 12 MW プラットフォームを計画している購入者は、鍛造パートナーが 4000 kg を超えるブランクを処理できることを検証する必要があります。ドライブトレインの設計が価格に依存する場合、この容量の確認は価格よりも重要です。

風力グレードの鍛造品の材料選択

風力ギアボックスの鍛造品に使用される鋼種は、キャリアとシャフト用の焼き入れおよび焼き戻し合金鋼と、硬くて耐摩耗性の表面が必要なギア歯用の肌硬化鋼の 2 つのグループに属します。

42CrMo4は優れた強度と安定した焼き入れを兼ね備えているため、プラネットキャリアやギヤシャフトに広く使用されています。キャリアポケット領域の疲労設計が制限要因となるため、コア構造を改良するには鍛造減速比を十分に高くする必要があります。 34CrNiMo6 は、重いリングギアや大きなシャフトに高い強度をもたらします。 18CrNiMo7-6 は、浸炭後の接触疲労に耐える必要がある遊星歯車および太陽歯車に指定されています。

上の縦棒グラフは、鍛造状態と鋳造状態における 3 つのグレードの最小降伏強度を比較しています。鍛造バージョンは、同じ化学成分の鋳造材料と比較して、およそ 230 ～ 300 MPa の一貫した利点を示します。降伏強度が歯の付け根とキャリアピンの穴での曲げ応力の制限を設定するため、この違いはギアボックスの設計において重要です。より高い降伏強度により、同じサイズでよりコンパクトなギアセットまたはより高い安全マージンが可能になります。鋳造生産では、同様の耐荷重を実現するにはより重いセクションが必要となり、ギアボックスの質量が増加し、ナセル構造が複雑になります。これが、風力ギアボックスの設計レビューで、ほとんどの場合、トルク経路内のすべての部品に鍛造ブランクを指定する理由です。

熱処理と最終特性への道

熱間鍛造はブランクを成形しますが、熱処理は最終的な機械的特性を決定します。風力ギアボックスの鍛造品は通常、焼きならし、焼き入れ、焼き戻しを経て、場合によっては歯面の表面硬化を行います。大きな断面全体にわたって硬度を均一に保つには、各ステップを制御する必要があります。厚さ 300 mm のリング ギア セクションには、亀裂を生じさせることなく必要なマルテンサイト構造に達するのに十分な速さでコアを冷却する焼入れプロセスが必要です。炉の負荷、急冷媒体、および焼き戻しサイクルはすべて、最終的な靭性と残留応力に影響します。実用的な知識 金属熱処理の基礎 調達チームがこれらのパラメータをサプライヤーと話し合って、計画されたサイクルがグレードやセクションのサイズと一致していることを確認するのに役立ちます。

風力用途の熱間鍛造サプライヤーを評価する方法

風力コンポーネントの有能な熱間鍛造パートナーは、ビレットを打ち出す能力以上のものを実証する必要があります。評価はプロセスチェーン全体とその周囲の制御システムをカバーする必要があります。

• 鍛造能力。ハンマーまたはプレスのトン数、リングローリング能力、および加熱および鍛造できる最大ビレット重量を確認してください。
• 社内で熱処理を行っております。焼き入れと焼き戻しは、温度曲線が文書化された管理された炉で行う必要があります。
• 非破壊検査。ワインドグレードのブランクには、鍛造後および荒加工後の超音波検査が必須です。
• トレーサビリティ。すべてのブランクは、熱番号、鍛造記録、および熱処理レポートに関連付けられている必要があります。
• 大型ワインドブランクスの経験。 3 ～ 10 MW ギアボックス セグメントに関する参考資料をお問い合わせください。

社内での熱処理の重要性は、アウトソーシングによって納期が遅れるまで過小評価されることがよくあります。営業チームだけでなく、プロセス エンジニアと直接話しましょう。以前の風力鍛造注文からの実際の加熱曲線と超音波レポートを求めてください。などのサプライヤー エースマシナリー ビレットの加熱からブランク完成までの完全なルートをカバーするため、通信回線が短縮され、高品質のデータが 1 か所に保管されます。注文前にこれらの機能を確認することが、後で品質上の問題を回避する最も効果的な方法です。

風力産業向けの熱間鍛造は依然として要求の厳しい分野ですが、よく理解されています。コンポーネントは大きく、負荷は周期的であり、障害によるコストは非常に高くなります。適切なハンマー能力、制御された熱処理、体系的な検査を備えたサプライヤーは、タービンの設計寿命全体を通して確実に機能する風力グレードの鍛造品を提供できます。