انواع اصلی شفت اصلی توربین بادی چیست و چگونه تولید می شود؟

شفت اصلی توربین بادی - که شفت کم سرعت یا شفت روتور نیز نامیده می شود - یکی از قطعات بزرگ آهنگری مکانیکی در تولید صنعتی مدرن است. گشتاور چرخشی تولید شده توسط روتور توربین بادی را مستقیماً به گیربکس (در توربین‌های دنده‌ای) یا به ژنراتور (در توربین‌های محرک مستقیم)، تحت شرایط بارگذاری پویا پایدار که ترکیبی از ممان‌های خمشی بالا، تنش پیچشی و چرخه خستگی در طول عمر طراحی 20 تا 2 سال است، منتقل می‌کند. کیفیت ساخت شفت اصلی مستقیماً قابلیت اطمینان ساختاری و هزینه نگهداری توربین را در طول عمر عملیاتی آن تعیین می کند.

برای مهندسان تدارکات و توسعه دهندگان پروژه منبع یابی اجزای انرژی باد درک انواع شفت اصلی مورد استفاده در معماری های مختلف توربین - و فرآیندهای تولیدی که یکپارچگی ساختاری آنها را تضمین می کند - از تصمیمات مشخصات آگاهانه و ارزیابی قابلیت تامین کننده پشتیبانی می کند.

نقش شفت اصلی در پیشرانه توربین بادی

در یک توربین بادی، شفت اصلی توپی روتور - که سه پره را حمل می‌کند و با سرعت 5 تا 20 دور در دقیقه برای توربین‌های مقیاس بزرگ می‌چرخد - به اجزای پیشرانه پایین‌دست متصل می‌کند. شفت باید مقادیر گشتاور شدیدی را منتقل کند: یک توربین خشکی مدرن 5 مگاواتی با توان نامی، گشتاور شفت روتور در محدوده 4 تا 6 MN·m (مگاوات متر) تولید می کند، و توربین های دریایی با رتبه بندی 10 تا 15 مگاوات، مقادیر گشتاور بالاتری را تولید می کنند که بیشترین تنش شفت اصلی و صنعتی را به یکی از مهمترین کاربردهای شافت صنعتی تبدیل می کند.

فراتر از گشتاور انتقال، شفت اصلی باید وزن کامل و نیروی رانش آیرودینامیکی روتور را تحمل کند - در توربین 5 مگاواتی، توپی روتور و پره ها ممکن است 100 تا 200 تن وزن داشته باشند - و باید در برابر گشتاورهای خمشی نوسان و نیروهای ژیروسکوپی که روتور با سرعت و جهت باد تحمیل می کند مقاومت کند. ترکیب تنش متوسط ​​بالا، بارگذاری سیکلی، و نیاز به یک عمر خستگی 20 ساله بدون دسترسی به بازرسی در مکان های دور، مشخصات شفت اصلی و کیفیت ساخت را به طور استثنایی نیازمند می کند.

انواع شفت اصلی توسط معماری پیشرانه توربین

پیکربندی و هندسه شفت اصلی به طور قابل توجهی بین سه معماری غالب پیشرانه توربین بادی در بازار فعلی متفاوت است:

نوع 1: شفت تعلیق سه نقطه (توربین های چرخ دنده)

رایج ترین پیکربندی در توربین های بادی دنده ای خشکی و دریایی است. توپی روتور بر روی شفت اصلی نسبتا کوتاه و با قطر بزرگ نصب شده است. شفت در جلو توسط یک یاتاقان اصلی بزرگ (یا دو یاتاقان با فاصله نزدیک) و در عقب توسط حامل سیاره گیربکس که به عنوان یاتاقان عقب عمل می کند پشتیبانی می شود. این پیکربندی پشتیبانی سه نقطه ای - یک یاتاقان جلو، یک تکیه گاه عقب از طریق گیربکس - مسیر بار را ساده می کند و طول ناسل را کاهش می دهد، اما به این معنی است که گیربکس بخشی از بارهای غیر گشتاور (لمان های خمشی و رانش) را از روتور دریافت می کند که پیچیدگی و سایش گیربکس را افزایش می دهد.

شفت اصلی در این پیکربندی معمولاً یک جزء فولادی فورج توخالی با انتهای جلوی مخروطی یا فلنجی برای اتصال توپی روتور، یک قسمت صندلی یاتاقان استوانه‌ای و یک فلنج عقب برای اتصال گیربکس است. قطر بیرونی شفت در توربین های بزرگ معمولاً 700 تا 1200 میلی متر با سوراخ مرکزی برای کاهش وزن و دسترسی به بازرسی است. طول شفت معمولاً 2 تا 4 متر است که بستگی به اندازه توربین و طرح ناسل دارد.

نوع 2: شفت تعلیق چهار نقطه (توربین های چرخ دنده ای با دو یاتاقان اصلی)

یک پیکربندی توربین دنده ای جایگزین که از دو یاتاقان اصلی مجزا - جلو و عقب - استفاده می کند که در یک چارچوب اصلی یا ساختار صفحه تخت نصب شده اند و گیربکس را از بارهای روتور غیر گشتاور جدا می کند. شفت اصلی در این پیکربندی طولانی تر از طرح تعلیق سه نقطه ای است و بین دو صندلی اصلی یاتاقان با گیربکس متصل در فلنج عقب قرار دارد.

طراحی دو یاتاقان اصلی بارهای خمشی روتور و بارهای شفت را از گیربکس کاملاً جدا می کند و به طور قابل توجهی سایش گیربکس را کاهش می دهد و فواصل نگهداری گیربکس را افزایش می دهد. مبادله یک ساختار قاب اصلی سنگین تر و پیچیده تر و یک محور طولانی تر است که جرم ناسل را افزایش می دهد. این پیکربندی به طور گسترده در توربین‌های دنده‌ای متوسط ​​و بزرگ که قابلیت اطمینان گیربکس در اولویت است، استفاده می‌شود.

هندسه محور اصلی برای این پیکربندی، فورج توخالی دراز با دو صندلی بلبرینگ ماشینکاری شده دقیق، فلنج توپی در جلو و فلنج کوپلینگ گیربکس در عقب است. قطر صندلی و تحمل یاتاقان بسیار مهم است - تداخل برای یاتاقان‌های غلتکی استوانه‌ای با سوراخ بزرگ یا غلتک‌های کروی که به عنوان یاتاقان‌های اصلی توربین بادی استفاده می‌شوند نیاز به تحمل ماشینکاری چند میکرومتری دارند تا از محل مناسب یاتاقان بدون خوردگی یا شکست زودرس خسته شوند.

نوع 3: محور محرک مستقیم (توربین های بدون دنده)

توربین‌های محرک مستقیم با استفاده از یک ژنراتور آهنربای دائمی با قطر بزرگ (PMG) که با سرعت روتور کار می‌کند، گیربکس را حذف می‌کند و با استفاده از یک ژنراتور بسیار بزرگ با جفت‌های زیاد، عملکرد افزایش سرعت گیربکس را حذف می‌کند. شفت اصلی در یک توربین درایو مستقیم، عملکرد پشتیبانی از هاب روتور را با پشتیبانی روتور ژنراتور ادغام می کند و یک عنصر ساختاری شافت با قطر بزرگ و نسبتاً کوتاه ایجاد می کند که باید بارهای روتور را مستقیماً به ژنراتور و ساختار قاب اصلی منتقل کند.

شفت‌های اصلی هدایت مستقیم معمولاً از نظر قطر بسیار بزرگ‌تر (1500 تا 4000 میلی‌متر) و کوتاه‌تر از شفت‌های اصلی توربین دنده‌ای هستند، زیرا روتور ژنراتور اغلب به جای اتصال در انتها، در اطراف شفت ساختاری اصلی یکپارچه می‌شود. چالش تولید، تولید یک جزء دقیق با قطر بسیار زیاد با تحمل‌های هندسی محکم (گردی، استوانه‌ای) در سطح وسیعی است - یک چالش ماشین‌کاری که به تجهیزات حفاری و چرخشی افقی با ظرفیت بالا با دقت قابل مقایسه با اجزای کوچک‌تر اما از نظر هندسی مشابه نیاز دارد.

فرآیند ساخت شفت های اصلی توربین بادی

شفت‌های اصلی توربین‌های بادی از جمله سخت‌افزارهای بزرگی هستند که توسط صنعت ساخت قطعات سنگین تولید می‌شوند. فرآیند تولید در هر مرحله به قابلیت های خاصی نیاز دارد:

مرحله 1: ریخته گری و آهنگری شمش فولادی

ماده خام برای شفت اصلی توربین بادی یک شمش فولادی بزرگ - معمولاً 20 تا 80 تن فولاد آلیاژی با کیفیت بالا - است که از یک کوره قوس الکتریکی یا کوره ملاقه با کنترل دقیق شیمیایی برای دستیابی به درجه مشخص شده ریخته می شود. گریدهای فولادی متداول برای شفت های اصلی توربین بادی شامل 42CrMo4 (مشخص شده ترین)، 34CrNiMo6 و نمرات با چقرمگی بالا سفارشی است که توسط سازندگان توربین برای کاربردهای در دمای بسیار سرد (منطقه قطبی) یا خستگی سیکل بالا مشخص شده است.

شمش بر روی یک پرس هیدرولیک بزرگ - معمولاً با ظرفیت 10000 تا 16000 تن برای آهنگری های شفت بزرگ - با استفاده از یک سری عملیات فشار دادن، چرخش و طویل کردن که شمش را به شکل خالی تقریباً توری تبدیل می کند، آهنگری می شود. آهنگری برای شفت های اصلی توربین بادی به دو دلیل حیاتی است: تخلخل ریخته گری و عیوب جداسازی که باعث می شود فولاد ریخته گری برای کاربردهای بحرانی خستگی ناکافی باشد را از بین می برد و جریان دانه فولاد را در امتداد محور شفت جهت می دهد و استحکام خستگی را در جهت جهت گیری تنش اولیه به حداکثر می رساند. ساختار دانه آهنگری یک شفت اصلی که به درستی تولید شده است، اساساً نسبت به هر مسیر تولید جایگزین برای این کاربرد برتر است.

مرحله 2: عملیات حرارتی

پس از آهنگری و ماشینکاری خشن، شفت خالی تحت عملیات حرارتی خاموش کردن و تمپر قرار می گیرد تا ترکیب مورد نیاز از استحکام کششی، استحکام تسلیم، چقرمگی و خواص خستگی ایجاد شود. چرخه عملیات حرارتی - دمای آستنیته کردن، سرعت خاموش کردن، و درجه حرارت و مدت زمان - دقیقاً برای دستیابی به خواص مکانیکی مشخص شده در استاندارد طراحی توربین کنترل می شود. تأیید ویژگی مکانیکی روی کوپن‌های آزمایشی از هر آهنگری شفت (آزمایش کشش، آزمایش ضربه و بررسی سختی) یک دروازه با کیفیت استاندارد قبل از اینکه شفت به پایان ماشین‌کاری ادامه دهد، است.

مرحله 3: ماشینکاری خشن و نهایی

ماشینکاری شفت اصلی توربین بادی بر روی مراکز بزرگ تراشکاری و حفاری CNC با قابلیت جابجایی قطعات با طول 2 تا 6 متر و قطر 0.8 تا 4 متر، با وزن قطعات 5 تا 40 تن انجام می شود. توالی ماشینکاری معمولاً شامل موارد زیر است:

• چرخش خشن: کاهش ابعاد فورج شده به ابعاد تقریباً تمام شده با ذخیره کافی برای ماشینکاری نهایی. مواد سطحی رسوب و کربن زدایی شده را حذف می کند، هرگونه نقص زیرسطحی را قبل از افزودن ارزش ماشینکاری قابل توجه نشان می دهد.
• معاینه غیر مخرب (NDE): آزمایش اولتراسونیک (UT) شفت با چرخش ناهموار برای تشخیص عیوب داخلی - حفره‌ها، آخال‌ها، لمینیت‌ها - که دلیلی برای رد شدن است. پس از چرخش خشن در زمانی که شرایط سطح برای اسکن مناسب است و قبل از اتمام ماشینکاری انجام می شود، به یک جزء بالقوه معیوب ارزش می بخشد.
• چرخش کامل صندلی های بلبرینگ: قطر صندلی یاتاقان و وجه های آن به سطح تلرانس و سطح مشخص شده تبدیل می شوند. برای یاتاقان های اصلی توربین بادی، تلورانس های معمولی IT5-IT6 (تقریباً 5-12 میکرومتر بسته به قطر)، با زبری سطح Ra 0.4-0.8 میکرومتر برای سطح تداخل یاتاقان مناسب است.
• ماشینکاری فلنج توپی و فلنج گیربکس: الگوهای سوراخ پیچ، صافی وجه و تلورانس های قطر پیلوت بر اساس مشخصاتی که تراز صحیح توپی و گیربکس را تضمین می کند، ماشین کاری می شوند.
• ماشینکاری حفره: برای شفت‌های توخالی، سوراخ مرکزی با سوراخ عمیق حفر می‌شود و به قطر و صافی مشخص شده سوراخ می‌شود، که هم کاهش وزن و هم سطح داخلی مناسب برای بازرسی در طول عمر شفت را فراهم می‌کند.

مرحله 4: تصفیه سطح و بازرسی نهایی

شفت اصلی تمام شده تحت عملیات سطحی قرار می گیرد - معمولاً پوشش محافظ در برابر خوردگی بر روی سطوح در معرض، با صندلی های یاتاقان و وجه های فلنج محافظت شده در هنگام استفاده - و بازرسی ابعاد نهایی. بازرسی ذرات مغناطیسی تمام سطح (MPI) یا بازرسی نافذ رنگ (DPI) عیوب شکستگی سطح را در تمام سطوح ماشینکاری شده بررسی می کند. تأیید ابعاد در برابر نقشه مهندسی، تمام ابعاد بحرانی را قبل از پذیرش شفت برای حمل و نقل تأیید می کند.

الزامات کیفیت کلیدی برای منبع یابی شفت اصلی توربین بادی

سوالات متداول

علت خرابی شفت اصلی توربین بادی چیست؟

شایع ترین علل شفت اصلی توربین بادی خرابی‌ها در سرویس عبارتند از: ترک‌خوردگی ناشی از خستگی، خوردگی در صندلی‌های یاتاقان، و ترک‌های حکاکی سفید (WEC) - یک مکانیسم آسیب تریبوشیمیایی مرتبط با منطقه تماس اصلی یاتاقان. ترک‌خوردگی خستگی معمولاً در غلظت‌های تنش آغاز می‌شود - تغییرات شعاع شدید، نقص‌های سطحی یا گودال‌های خوردگی - و تحت بارگذاری چرخه‌ای عملکرد توربین بادی منتشر می‌شود. طراحی مناسب شافت (شعاع انتقال سخاوتمندانه در تغییرات مقطع)، تمیزی مواد (محتوای گنجایش کم در فولاد)، و کیفیت سطح (زبری کنترل شده و عاری از عیوب ماشینکاری) دفاع اولیه در برابر شکست خستگی هستند. خوردگی فرسایشی در صندلی های بلبرینگ ناشی از حرکت ریز بین حلقه داخلی یاتاقان و سطح شفت است - که با حفظ ابعاد تداخل مناسب و پرداخت سطح در طول عمر شفت از آن جلوگیری می شود.

مدت زمان ساخت شفت اصلی توربین بادی چقدر است؟

چرخه کامل تولید برای a شفت اصلی توربین بادی از شمش خام تا تکمیل شده، جزء بازرسی شده معمولاً 16 تا 26 هفته است، بسته به اندازه شفت و بار تولید سازنده. عناصر اصلی زمانی عبارتند از: ریخته‌گری شمش فولاد (4 تا 6 هفته شامل متالورژی ملاقه و خنک‌سازی کنترل‌شده)، آهنگری و ماشین‌کاری خشن (4 تا 6 هفته)، عملیات حرارتی (1 تا 2 هفته شامل چرخه‌های کنترل‌شده گرمایش، خاموش کردن، و تمپر)، ماشین‌کاری نهایی و بازرسی NDE (4 تا 8 هفته)، و بازرسی نهایی و عملیات سطحی (1 تا 2 هفته). خریدارانی که برای خرید قطعات اصلی توربین بادی برنامه ریزی می کنند باید این زمان پیش بینی را در برنامه ریزی پروژه در نظر بگیرند و با اطلاع قبلی کافی از تاریخ های تحویل مورد نیاز، سفارش دهند.

محدوده وزن و اندازه شفت های اصلی توربین بادی چقدر است؟

تمام شد شفت اصلی توربین بادی وزن ها از حدود 5 تن برای توربین های کوچک 1 تا 2 مگاواتی تا 30 تا 60 تن برای توربین های دریایی در کلاس 8 تا 15 مگاوات متغیر است، با بزرگترین شفت های محرک مستقیم به 100 تن در پیکربندی های روتور/ژنراتور یکپارچه. قطر صندلی بلبرینگ از حدود 700 میلی متر برای توربین های دنده ای کوچکتر تا بیش از 2000 میلی متر برای طرح های هدایت مستقیم متغیر است. مقیاس این اجزا - همراه با تلورانس‌های دقیق مورد نیاز - شفت‌های اصلی توربین بادی را در انتهای الزامات قابلیت ماشین‌کاری دقیق اجزای بزرگ قرار می‌دهد و تعداد تولیدکنندگان جهانی را که می‌توانند آنها را به مشخصات کامل تولید کنند محدود می‌کند.

آیا می توان محورهای اصلی توربین بادی را به جای تعویض تعمیر کرد؟

در بیشتر موارد، شفت اصلی توربین بادی آسیبی که با بازرسی تشخیص داده می شود یا پس از خرابی شناسایی می شود، از نظر اقتصادی قابل ترمیم نیست - لجستیک برداشتن شفت از ناسل در ارتفاع، هزینه تعمیر جوش و عملیات حرارتی مجدد، و پذیرش ریسک مورد نیاز برای بازگرداندن یک جزء حیاتی خستگی تعمیر شده به سرویس، معمولاً جایگزینی را به تنها مسیر قابل دوام تبدیل می کند. جایگزینی پیشگیرانه بلبرینگ قبل از پیشرفت آسیب فرتینگ به سطح شفت، استراتژی استاندارد برای افزایش عمر مفید شفت است. در برخی موارد، عیوب سطح موضعی در مناطق غیر بحرانی را می توان در محدوده تحمل ابعادی نقشه اصلی ترمیم کرد، اما این نیاز به تایید مهندسی از سازنده توربین و ارزیابی دقیق تاثیر بر توزیع تنش شفت و عمر خستگی باقیمانده دارد.

تولید شفت اصلی و قطعات بزرگ بادی از ماشین آلات Jiangyin Huanming

Jiangyin Huanming Machinery Co., Ltd. قطعات نیروی باد از جمله شفت های اصلی، فلنج های خاص و اجزای ساختاری بزرگ با ماشینکاری دقیق برای پیشرانه های توربین بادی را تولید می کند. Huanming Machinery با ظرفیت سنگین تراشکاری و تجهیزات حفاری CNC، قابلیت بررسی غیرمخرب داخلی، و فرآیندهای کیفیت مستند برای ماشینکاری آهنگری بزرگ، سازندگان قطعات انرژی باد و OEM های توربین را با قطعات ماشینکاری دقیق تامین می کند که نیازهای ابعادی و کیفی مورد نیاز صنعت برق بادی را برآورده می کند.

با ما تماس بگیرید تا در مورد نیازهای ماشینکاری شفت اصلی نیروی باد، مشخصات مواد و زمان‌بندی تحویل صحبت کنید.

محصولات مرتبط: اجزای برق باد | دنده انتقال سرعت بالا | لوازم جانبی توربین بخار | آهنگری و ریخته گری