Các loại trục chính của tuabin gió chính là gì và chúng được sản xuất như thế nào?

Trục chính của tuabin gió - còn được gọi là trục tốc độ thấp hoặc trục rôto - là một trong những bộ phận rèn lớn đòi hỏi cơ khí cao nhất trong sản xuất công nghiệp hiện đại. Nó truyền mômen quay do rôto tuabin gió tạo ra trực tiếp đến hộp số (trong tua bin giảm tốc) hoặc đến máy phát điện (trong tua bin truyền động trực tiếp), trong điều kiện tải động duy trì kết hợp mô men uốn cao, ứng suất xoắn và chu trình mỏi trong vòng đời thiết kế từ 20 đến 25 năm. Chất lượng chế tạo của trục chính quyết định trực tiếp đến độ tin cậy về kết cấu và chi phí bảo trì của tuabin trong suốt thời gian vận hành của nó.

Dành cho kỹ sư thu mua và tìm nguồn cung ứng cho nhà phát triển dự án linh kiện điện gió , hiểu biết về các loại trục chính được sử dụng trong các cấu trúc tuabin khác nhau — và các quy trình sản xuất đảm bảo tính toàn vẹn về cấu trúc của chúng — hỗ trợ các quyết định thông số kỹ thuật sáng suốt và đánh giá năng lực của nhà cung cấp.

Vai trò của trục chính trong hệ thống truyền động tuabin gió

Trong tuabin gió, trục chính kết nối trục cánh quạt — mang ba cánh quạt và quay với tốc độ 5 đến 20 vòng/phút đối với các tuabin quy mô lớn — với các bộ phận của hệ thống truyền động hạ lưu. Trục phải truyền các giá trị mô-men xoắn cực đại: một tuabin hiện đại 5 MW trên bờ ở công suất định mức tạo ra mô-men xoắn trục rôto trong phạm vi từ 4 đến 6 MN·m (megawatt-mét) và các tuabin ngoài khơi có công suất 10–15 MW tạo ra các giá trị mô-men xoắn tương ứng cao hơn khiến trục chính trở thành một trong những bộ phận quay lớn nhất và chịu ứng suất cao nhất trong bất kỳ ứng dụng công nghiệp nào.

Ngoài việc truyền mô-men xoắn, trục chính phải hỗ trợ toàn bộ trọng lượng và lực đẩy khí động học của rôto - trong tuabin 5 MW, trục rôto và các cánh quạt có thể nặng từ 100 đến 200 tấn - và phải chống lại mômen uốn dao động và lực hồi chuyển mà rôto tác dụng khi tốc độ và hướng gió thay đổi. Sự kết hợp giữa ứng suất trung bình cao, tải trọng theo chu kỳ và yêu cầu về tuổi thọ mỏi 20 năm mà không cần tiếp cận kiểm tra ở các địa điểm ở xa khiến cho thông số kỹ thuật trục chính và chất lượng sản xuất có yêu cầu đặc biệt cao.

Các loại trục chính theo kiến trúc hệ thống truyền động tuabin

Cấu hình và hình học của trục chính khác nhau đáng kể giữa ba cấu trúc hệ thống truyền động tuabin gió phổ biến trên thị trường hiện tại:

Loại 1: Trục treo ba điểm (Tua bin giảm tốc)

Cấu hình phổ biến nhất là các tuabin gió hướng trên bờ và ngoài khơi. Trục rôto được gắn trên trục chính tương đối ngắn, đường kính lớn. Trục được đỡ ở phía trước bởi một ổ trục chính lớn duy nhất (hoặc hai ổ trục cách đều nhau) và ở phía sau bởi bộ phận mang hành tinh hộp số, đóng vai trò là ổ trục phía sau. Cấu hình hỗ trợ ba điểm này - một ổ đỡ phía trước, một ổ đỡ phía sau thông qua hộp số - đơn giản hóa đường dẫn tải và giảm chiều dài vỏ bọc, nhưng có nghĩa là hộp số nhận một phần tải trọng phi mô-men xoắn (mômen uốn và lực đẩy) từ rôto, điều này làm tăng độ phức tạp và độ mòn của hộp số.

Trục chính trong cấu hình này thường là một bộ phận bằng thép rèn rỗng có mặt trước dạng côn hoặc mặt bích để gắn trục rôto, phần tựa ổ trục hình trụ và mặt bích phía sau để kết nối hộp số. Đường kính ngoài của trục trên các tuabin lớn thường là 700–1.200mm với lỗ khoan ở giữa để giảm trọng lượng và tiếp cận kiểm tra. Chiều dài trục thường từ 2 đến 4 mét, tùy thuộc vào kích thước tuabin và cách bố trí vỏ bọc.

Loại 2: Trục treo bốn điểm (Tua bin giảm tốc có hai ổ trục chính)

Một cấu hình tuabin giảm tốc thay thế sử dụng hai vòng bi chính riêng biệt - phía trước và phía sau - được gắn trong khung chính hoặc cấu trúc tấm đế tích hợp, cách ly hộp số khỏi tải rôto không mô-men xoắn. Trục chính trong cấu hình này dài hơn trong thiết kế hệ thống treo ba điểm, kéo dài giữa hai ghế chịu lực chính với hộp số được nối ở mặt bích phía sau.

Thiết kế hai ổ trục chính tách biệt hoàn toàn tải trọng uốn của rôto và tải trục khỏi hộp số, giảm đáng kể độ mài mòn của hộp số và kéo dài thời gian bảo trì hộp số. Sự đánh đổi là cấu trúc khung chính nặng hơn, phức tạp hơn và trục dài hơn giúp tăng khối lượng vỏ bọc. Cấu hình này được sử dụng rộng rãi trong các tuabin hướng có quy mô vừa và lớn trong đó độ tin cậy của hộp số là ưu tiên hàng đầu.

Hình dạng trục chính cho cấu hình này là một vật rèn rỗng kéo dài với hai ghế chịu lực được gia công chính xác, mặt bích trung tâm ở phía trước và mặt bích khớp nối hộp số ở phía sau. Đường kính và dung sai của mặt tựa vòng bi là rất quan trọng - độ vừa vặn của vòng bi trụ có đường kính lớn hoặc vòng bi tang trống được sử dụng làm vòng bi chính của tuabin gió yêu cầu dung sai gia công vài micromet để đảm bảo mặt tựa của vòng bi phù hợp mà không bị ăn mòn hoặc hỏng sớm do mỏi.

Loại 3: Trục dẫn động trực tiếp (Tua bin không hộp số)

Tua bin truyền động trực tiếp loại bỏ hộp số bằng cách sử dụng máy phát nam châm vĩnh cửu đường kính lớn (PMG) hoạt động ở tốc độ rôto, loại bỏ chức năng tăng tốc độ của hộp số bằng cách sử dụng máy phát điện rất lớn có nhiều cặp cực. Trục chính trong tuabin dẫn động trực tiếp tích hợp chức năng đỡ trục rôto với giá đỡ rôto máy phát, tạo thành phần trục kết cấu có đường kính lớn, tương đối ngắn phải truyền tải trọng rôto trực tiếp đến máy phát và kết cấu khung chính.

Trục chính dẫn động trực tiếp thường có đường kính lớn hơn nhiều (1.500–4.000mm) và ngắn hơn trục chính của tuabin hướng, vì rôto máy phát thường được tích hợp xung quanh trục kết cấu chính thay vì được kết nối ở cuối. Thử thách sản xuất là tạo ra một bộ phận chính xác có đường kính rất lớn với dung sai hình học chặt chẽ (độ tròn, hình trụ) trên diện tích bề mặt lớn - một thách thức gia công đòi hỏi thiết bị tiện và doa ngang công suất lớn với độ chính xác tương đương với các bộ phận nhỏ hơn nhưng tương tự về mặt hình học.

Quy trình sản xuất trục chính tuabin gió

Trục chính của tuabin gió là một trong những vật rèn lớn có yêu cầu khắt khe nhất được sản xuất bởi ngành sản xuất linh kiện nặng. Quá trình sản xuất đòi hỏi khả năng cụ thể ở từng giai đoạn:

Giai đoạn 1: Đúc và rèn phôi thép

Nguyên liệu thô cho trục chính của tuabin gió là một phôi thép lớn - thường từ 20 đến 80 tấn thép hợp kim chất lượng cao - được đúc từ lò hồ quang điện hoặc lò lò nung với sự kiểm soát hóa học cẩn thận để đạt được cấp độ quy định. Các loại thép phổ biến cho trục chính của tuabin gió bao gồm 42CrMo4 (được chỉ định rộng rãi nhất), 34CrNiMo6 và các loại có độ bền cao tùy chỉnh được chỉ định bởi các nhà sản xuất tuabin cho các ứng dụng nhiệt độ cực lạnh (Bắc Cực) hoặc độ mỏi chu kỳ cao.

Phôi được rèn trên máy ép thủy lực lớn - thường có công suất từ ​​10.000 đến 16.000 tấn để rèn trục lớn - sử dụng một chuỗi các thao tác ép, quay và kéo dài để rèn phôi thành phôi gần dạng lưới. Việc rèn rất quan trọng đối với các trục chính của tuabin gió vì hai lý do: nó loại bỏ các khuyết tật về độ xốp và sự phân tách của vật đúc khiến thép đúc không đủ cho các ứng dụng quan trọng về độ mỏi và nó định hướng dòng hạt thép dọc theo trục trục, tối đa hóa độ bền mỏi theo hướng định hướng ứng suất chính. Cấu trúc hạt rèn của phôi trục chính được sản xuất đúng cách về cơ bản là vượt trội so với bất kỳ lộ trình sản xuất thay thế nào cho ứng dụng này.

Giai đoạn 2: Xử lý nhiệt

Sau khi rèn và gia công thô, phôi trục trải qua quá trình xử lý nhiệt tôi luyện để đạt được sự kết hợp cần thiết giữa độ bền kéo, độ bền chảy, độ dẻo dai và đặc tính mỏi. Chu trình xử lý nhiệt - nhiệt độ austenit hóa, tốc độ tôi, nhiệt độ và thời gian tôi - được kiểm soát chính xác để đạt được các tính chất cơ học được quy định trong tiêu chuẩn thiết kế tuabin. Xác minh đặc tính cơ học trên phiếu kiểm tra từ mỗi quá trình rèn trục (kiểm tra độ bền kéo, kiểm tra va đập và khảo sát độ cứng) là một cổng chất lượng tiêu chuẩn trước khi trục tiến hành gia công hoàn thiện.

Giai đoạn 3: Gia công thô và hoàn thiện

Gia công trục chính của tuabin gió được thực hiện trên các trung tâm tiện và khoan CNC lớn có khả năng xử lý các bộ phận có chiều dài từ 2 đến 6 mét và đường kính 0,8 đến 4 mét, với trọng lượng bộ phận từ 5 đến 40 tấn. Trình tự gia công thường bao gồm:

• Quay thô: Giảm phôi rèn xuống các kích thước gần hoàn thiện với đủ lượng phôi để gia công tinh. Loại bỏ cặn và vật liệu bề mặt đã được khử cacbon, phát hiện mọi khuyết tật dưới bề mặt trước khi tăng thêm giá trị gia công đáng kể.
• Kiểm tra không phá hủy (NDE): Kiểm tra siêu âm (UT) của trục quay thô để phát hiện các khuyết tật bên trong - lỗ rỗng, tạp chất, lớp mỏng - có thể là nguyên nhân bị loại bỏ. Được thực hiện sau khi tiện thô khi điều kiện bề mặt phù hợp để quét và trước khi gia công hoàn thiện, sẽ tăng thêm giá trị cho một bộ phận có khả năng bị lỗi.
• Hoàn thiện việc quay ghế chịu lực: Đường kính và bề mặt ổ trục được tiện hoàn thiện theo dung sai và độ bóng bề mặt quy định. Đối với vòng bi chính của tuabin gió, dung sai điển hình là IT5–IT6 (khoảng ±5–12 μm tùy theo đường kính), với độ nhám bề mặt Ra 0,4–0,8 μm đối với bề mặt vừa khít với vòng bi.
• Gia công mặt bích trung tâm và mặt bích hộp số: Các mẫu lỗ bu lông, độ phẳng mặt và dung sai đường kính trục dẫn động được gia công theo thông số kỹ thuật để đảm bảo căn chỉnh trục và hộp số chính xác.
• Gia công lỗ khoan: Đối với trục rỗng, lỗ khoan trung tâm được khoan lỗ sâu và khoan hoàn thiện theo đường kính và độ thẳng quy định, giúp giảm trọng lượng và có bề mặt bên trong phù hợp để kiểm tra trong suốt thời gian sử dụng của trục.

Giai đoạn 4: Xử lý bề mặt và kiểm tra lần cuối

Trục chính hoàn thiện trải qua quá trình xử lý bề mặt - thường là lớp phủ chống ăn mòn trên các bề mặt lộ ra ngoài, với các đế chịu lực và mặt bích được bảo vệ trong quá trình thi công - và kiểm tra kích thước lần cuối. Kiểm tra hạt từ tính toàn bề mặt (MPI) hoặc kiểm tra chất thẩm thấu thuốc nhuộm (DPI) kiểm tra các khuyết tật bề mặt trên tất cả các bề mặt gia công. Việc xác minh kích thước dựa trên bản vẽ kỹ thuật xác nhận tất cả các kích thước quan trọng trước khi trục được chấp nhận vận chuyển.

Yêu cầu chất lượng chính đối với việc tìm nguồn cung ứng trục chính tuabin gió

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân gây hư hỏng trục chính của tuabin gió?

Nguyên nhân phổ biến nhất của trục chính của tuabin gió các hư hỏng trong quá trình sử dụng là nứt do mỏi, ăn mòn đáng lo ngại ở các ổ trục và vết nứt ăn mòn màu trắng (WEC) - một cơ chế hư hỏng hóa học ma sát liên quan đến vùng tiếp xúc ổ trục chính. Vết nứt do mỏi thường bắt đầu ở nồng độ ứng suất - thay đổi bán kính rõ rệt, khuyết tật bề mặt hoặc vết ăn mòn - và lan truyền dưới tác dụng tải theo chu kỳ của hoạt động tuabin gió. Thiết kế trục phù hợp (bán kính chuyển tiếp rộng rãi khi thay đổi mặt cắt), độ sạch của vật liệu (hàm lượng tạp chất trong thép thấp) và chất lượng bề mặt (độ nhám được kiểm soát và không có khuyết tật gia công) là những biện pháp bảo vệ chính chống lại hiện tượng mỏi. Sự ăn mòn đáng lo ngại tại các ổ trục là kết quả của chuyển động vi mô giữa vòng trong của ổ trục và bề mặt trục - được ngăn chặn bằng cách duy trì chính xác các kích thước vừa vặn và độ hoàn thiện bề mặt trong suốt thời gian sử dụng của trục.

Sản xuất trục chính của tuabin gió mất bao lâu?

Chu trình sản xuất hoàn chỉnh cho một trục chính của tuabin gió từ phôi thô đến thành phẩm, thành phần được kiểm tra thường là 16 đến 26 tuần, tùy thuộc vào kích thước trục và khối lượng sản xuất của nhà sản xuất. Các yếu tố thời gian chính là: đúc phôi thép (4–6 tuần bao gồm luyện kim lò và làm mát có kiểm soát), rèn và gia công thô (4–6 tuần), xử lý nhiệt (1–2 tuần bao gồm các chu trình gia nhiệt, làm nguội và ram có kiểm soát), gia công hoàn thiện và kiểm tra NDE (4–8 tuần), kiểm tra cuối cùng và xử lý bề mặt (1–2 tuần). Người mua có kế hoạch mua sắm các bộ phận tuabin gió lớn nên tính đến thời gian thực hiện này trong việc lập kế hoạch dự án và đặt hàng với thông báo trước đầy đủ về ngày giao hàng được yêu cầu.

Trọng lượng và phạm vi kích thước của trục chính tuabin gió là gì?

Đã hoàn thành trục chính của tuabin gió trọng lượng dao động từ khoảng 5 tấn đối với tua bin nhỏ 1–2 MW đến 30–60 tấn đối với tua bin ngoài khơi loại 8–15 MW, với trục truyền động trực tiếp lớn nhất đạt tới 100 tấn trong cấu hình rôto/máy phát điện tích hợp. Đường kính ổ trục dao động từ khoảng 700mm đối với tua-bin hướng nhỏ hơn đến trên 2.000mm đối với thiết kế dẫn động trực tiếp. Quy mô của các bộ phận này — kết hợp với dung sai chính xác cần thiết — đặt trục chính của tuabin gió ở mức cuối cùng trong các yêu cầu về khả năng gia công chính xác của bộ phận lớn và giới hạn số lượng nhà sản xuất trên toàn cầu có thể sản xuất chúng theo thông số kỹ thuật đầy đủ.

Trục chính của tuabin gió có thể được sửa chữa thay vì thay thế không?

Trong hầu hết các trường hợp, trục chính của tuabin gió hư hỏng được phát hiện bằng cách kiểm tra hoặc xác định sau khi hỏng hóc không thể sửa chữa được về mặt kinh tế - công tác hậu cần cho việc tháo trục ra khỏi vỏ bọc ở độ cao, chi phí sửa chữa hàn và xử lý nhiệt lại cũng như việc chấp nhận rủi ro cần thiết để đưa một bộ phận quan trọng về mỏi đã được sửa chữa trở lại hoạt động thường khiến việc thay thế trở thành con đường khả thi duy nhất. Thay thế ổ trục phòng ngừa trước khi hư hỏng đáng lo ngại tiến triển trên bề mặt trục là chiến lược tiêu chuẩn để kéo dài tuổi thọ của trục. Trong một số trường hợp, các khuyết tật bề mặt cục bộ ở các khu vực không quan trọng có thể được gia công sửa chữa trong phạm vi dung sai kích thước của bản vẽ ban đầu, nhưng điều này cần có sự chấp thuận kỹ thuật của nhà sản xuất tuabin và đánh giá cẩn thận về tác động lên sự phân bố ứng suất của trục và tuổi thọ mỏi còn lại.

Trục chính năng lượng gió và sản xuất linh kiện lớn từ máy móc Jiangyin Huanming

Công ty TNHH Máy móc Jiangyin Huanming sản xuất các bộ phận năng lượng gió bao gồm trục chính, mặt bích có hình dạng đặc biệt và các bộ phận kết cấu được gia công chính xác cỡ lớn cho hệ thống truyền động tuabin gió. Với thiết bị tiện và doa CNC công suất lớn, khả năng kiểm tra không phá hủy nội bộ và các quy trình chất lượng được ghi lại để gia công rèn lớn, Huanming Machinery cung cấp cho các nhà sản xuất linh kiện năng lượng gió và OEM tuabin các bộ phận được gia công chính xác đáp ứng các yêu cầu về chất lượng và kích thước khắt khe của ngành công nghiệp điện gió.

Liên hệ với chúng tôi để thảo luận về các yêu cầu gia công trục chính năng lượng gió, thông số kỹ thuật vật liệu và lịch giao hàng.

Sản phẩm liên quan: Linh kiện điện gió | Thiết bị truyền tốc độ cao | Phụ kiện tuabin hơi | Rèn và đúc