¿Qué son las piezas forjadas de cajas de engranajes de turbinas eólicas?

Forjas de cajas de cambios de turbinas eólicas son componentes de acero formados con precisión que conforman la estructura interna de transmisión de potencia de una caja de engranajes de turbina eólica, producidos mediante procesos de forjado en caliente o en troquel cerrado que alinean la estructura de grano del acero para una máxima resistencia a la fatiga y capacidad de carga. Los componentes forjados principales en la caja de cambios de una turbina eólica son la corona dentada, los engranajes planetarios, el portasatélites, el engranaje solar, los ejes de entrada y salida y los engranajes de piñón. Estas piezas están forjadas en lugar de fundidas porque la caja de engranajes funciona bajo cargas alternas continuas provenientes de entradas de viento variables, y la estructura metálica densa y libre de defectos producida por la forja proporciona la vida útil necesaria para cumplir con la vida útil de diseño típica de 20 años de una turbina eólica moderna (Fuente: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier). La forja no es intercambiable con la fundición para componentes de calidad de caja de cambios porque las diferencias de propiedades mecánicas entre los dos procesos determinan directamente cuánto tiempo sobrevive la caja de cambios bajo cargas operativas reales.

El papel de la caja de cambios en una turbina eólica

Para comprender por qué es tan importante la calidad de forjado de los componentes de la caja de cambios, es necesario comprender qué hace la caja de cambios dentro de la turbina y la severidad del entorno mecánico en el que opera.

El rotor de una turbina eólica gira lentamente en respuesta al viento, normalmente entre 10 y 22 revoluciones por minuto para una turbina grande de varios megavatios. El generador que convierte la energía mecánica en electricidad necesita girar a velocidades mucho más altas, normalmente de 1.000 a 1.500 revoluciones por minuto o más. La caja de cambios salva esta diferencia de velocidad. Fuhong Steel describe la función directamente: la caja de cambios de energía eólica es el componente central de la turbina eólica, y su función principal es convertir la energía cinética generada por la rueda de viento bajo la acción del viento en energía mecánica y finalmente transferirla al generador (Fuente: Fuhong Steel, Special Steel for Wind Power Equipment Forgings). Una solicitud de patente que describe el conjunto de la caja de cambios confirmó que el eje del rotor proporciona una entrada de baja velocidad y alto par a la caja de cambios, que luego se configura para convertir esa entrada en una salida de alta velocidad y menor par que impulsa el generador (Fuente: Patente USPTO 11085421, Portador de planetas of a Wind Turbine Gearbox with Improvement Lubricant Path).

Las exigencias mecánicas de esta conversión son extremas. La caja de cambios debe manejar cargas de par continuamente variables a medida que fluctúa la velocidad del viento, cargas de choque repentinas durante ráfagas, fatiga cíclica continua durante 20 años o más, y hacer todo esto de manera confiable en una góndola ubicada muy por encima del suelo donde el mantenimiento es costoso y el reemplazo de componentes principales puede costar cientos de miles de dólares por evento. Estas demandas son la razón por la que cada componente estructural importante dentro de la caja de cambios se especifica como forjado en lugar de fundido.

Los componentes forjados principales en la caja de cambios de una turbina eólica

La caja de cambios de una turbina eólica no es una sola pieza forjada. Es un conjunto de varios componentes forjados distintos, cada uno de los cuales realiza una función específica en las etapas de engranaje planetario y helicoidal que conforman la transmisión total que aumenta la velocidad.

Engranaje de anillo (engranaje anular)

La corona dentada es el engranaje exterior grande con dientes internos que forma el límite exterior de la etapa del engranaje planetario. Los engranajes planetarios se engranan contra su superficie interior mientras orbitan alrededor del engranaje solar, y la corona permanece estacionaria o gira según el diseño de la caja de cambios. Debido a que la corona transmite toda la carga de torsión de la etapa planetaria y está en contacto constante con tres o más engranajes planetarios simultáneamente, las propiedades de sus materiales y la precisión dimensional son fundamentales para el rendimiento de toda la caja de engranajes. Una patente de la USPTO que describe el proceso de fabricación de la corona dentada señala que la corona dentada generalmente se forma mediante forjado y posteriormente debe tratarse térmicamente para obtener la dureza requerida, y que la precisión dimensional a través del proceso de forjado y tratamiento térmico es crítica ya que el tratamiento térmico puede causar distorsión dimensional que requiere corrección de mecanizado (Fuente: Patente de la USPTO 10495210, Engranaje de anillo integral y brazo de torsión para una caja de engranajes de turbina eólica).

Engranajes planetarios

Los engranajes planetarios son los engranajes intermedios que orbitan entre la corona y el planeta, transmitiendo par entre los dos y al mismo tiempo giran sobre sus propios ejes. En la etapa planetaria de una turbina eólica grande, normalmente tres o cuatro engranajes planetarios comparten la carga total, distribuyéndola entre múltiples contactos de dientes simultáneamente. Esta disposición logra una alta densidad de par en un paquete compacto, pero también significa que cada engranaje planetario soporta una fracción significativa de la carga total en ciclos de fatiga continuos. Zhangqiu Heavy Forging confirma que después del tratamiento térmico de templado y revenido, los portadores de engranajes planetarios forjados pueden soportar tensiones alternas a largo plazo con una vida útil que es 2 a 3 veces más que los componentes producidos mediante procesos ordinarios, una proporción que se aplica igualmente a los propios engranajes planetarios (Fuente: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Planet Carrier

El portasatélites es el componente estructural que mantiene los ejes de los engranajes planetarios en sus posiciones orbitales correctas entre sí y con respecto a los engranajes anular y planetario. Debe mantener una precisión posicional precisa bajo carga para mantener todos los engranajes planetarios engranados correctamente simultáneamente, lo que requiere una gran rigidez y una excelente resistencia a la fatiga. Zhangqiu Heavy Forging describe los requisitos clave para un portasatélites forjado: el proceso de conformación casi neta combinado con un procesamiento preciso garantiza un control estricto de la precisión del tamaño y la tolerancia posicional, lo que garantiza una cooperación precisa con los engranajes planetarios, los engranajes solares y los ejes de salida, lo que reduce la pérdida de transmisión y el ruido (Fuente: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier). Los materiales utilizados para los portasatélites incluyen aceros de aleación de alta resistencia 42CrMo, 20CrMnTi y 35CrMo, con secuencias de tratamiento térmico de enfriamiento y revenido más carburación para lograr el equilibrio adecuado entre dureza de la superficie y tenacidad del núcleo (Fuente: Zhangqiu Heavy Forging).

Engranaje solar y engranajes de piñón

El engranaje solar se encuentra en el centro de la etapa planetaria y engrana con todos los engranajes planetarios simultáneamente, mientras que los engranajes de piñón aparecen en las etapas helicoidales de una caja de cambios de múltiples etapas donde se necesitan aumentos de velocidad adicionales. Ambos tipos deben forjarse a partir de calidades de acero aleado con suficiente templabilidad para lograr flancos de dientes cementados mediante carburación o nitruración después del mecanizado en desbaste, proporcionando la dureza de la superficie necesaria para resistir las picaduras y la fatiga de los flancos de los dientes durante décadas de carga cíclica.

Ejes de entrada y salida

El eje de entrada conecta el eje del rotor principal con la primera etapa planetaria de la caja de cambios, y el eje de salida de alta velocidad conecta la etapa del engranaje final con el acoplamiento del generador. Ambos ejes experimentan diferentes perfiles de carga: el eje de entrada transporta un par alto a baja velocidad con altos momentos de flexión del rotor, mientras que el eje de salida transporta un par más bajo a alta velocidad con fatiga torsional debido a transitorios de carga del generador. Tiptop Heavy Forging señala que el eje de alta velocidad en un sistema de turbina eólica está ubicado después de la caja de engranajes, gira mucho más rápido pero transmite un par más bajo al generador, y que ambos tipos de eje requieren grandes dimensiones y materiales forjados resistentes (Fuente: Tiptop Heavy Forging, Shaft of a Wind Turbine: Structure, Materials and Forging).

Por qué la forja es el proceso necesario para los componentes de las cajas de cambios

La decisión de forjar en lugar de fundir componentes aptos para cajas de cambios no es una preferencia; es un requisito impulsado por las demandas de vida útil de la operación de turbinas eólicas.

Flujo de grano y superioridad mecánica

La forja da forma al metal bajo una alta fuerza de compresión, lo que cierra los huecos internos, refina la estructura del grano y alinea el flujo del grano a lo largo de la geometría de la pieza. Esto produce un componente con un límite elástico, una resistencia a la tracción y una resistencia a la fatiga significativamente mayores que la misma geometría producida mediante fundición de la misma aleación. Tiptop Heavy Forging explica que la forja cambia la estructura interna del metal de manera que ayuda a producir componentes grandes y confiables para servicios pesados, y que los ejes principales de las turbinas eólicas normalmente están hechos de acero forjado en lugar de fundido específicamente debido a esta diferencia estructural (Fuente: Tiptop Heavy Forging, Shaft of a Wind Turbine).

Vida de fatiga en carga cíclica

Los componentes de la caja de engranajes de la turbina eólica experimentan cargas de fatiga en cada revolución del rotor, y una vida útil de diseño de 20 años a velocidad operativa corresponde a cientos de millones de ciclos de tensión en los dientes del engranaje y las secciones transversales del eje. Los componentes fundidos contienen porosidad de contracción, inclusiones de gas y orientación aleatoria del grano que crean concentraciones de tensión en las que pueden iniciarse y propagarse grietas por fatiga. Los componentes forjados con porosidad cerrada y estructura de grano alineado proporcionan un límite de fatiga significativamente mayor, lo que les permite mantener la misma amplitud de tensión durante muchos más ciclos antes de que se inicie la grieta. La documentación de Zhangqiu Heavy Forging sobre portadores de engranajes planetarios forjados que logran una vida útil de 2 a 3 veces más larga que los procesos ordinarios cuantifica directamente esta ventaja de fatiga en términos específicos de la aplicación (Fuente: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Estabilidad dimensional bajo carga

La precisión del engranaje depende de la estabilidad dimensional de cada componente forjado bajo cargas estáticas y dinámicas. Si un portasatélites se desvía bajo carga de una manera que cambia las posiciones relativas de los ejes de los engranajes planetarios, la carga compartida entre los engranajes planetarios se vuelve desigual y los engranajes planetarios sobrecargados fallan prematuramente. Los componentes forjados con propiedades de material uniformes y predecibles son más fáciles de modelar y diseñar para requisitos de rigidez que las piezas fundidas con propiedades variables en toda la sección.

Grados de acero utilizados en piezas forjadas de cajas de engranajes de turbinas eólicas

La selección de materiales para las piezas forjadas de cajas de engranajes equilibra la templabilidad, la tenacidad, la maquinabilidad y la disponibilidad en las cadenas de suministro globales.

Fuhong Steel confirma que 18CrNiMo7-6 y 8620 son los tipos de acero utilizados principalmente por los clientes europeos y americanos para cajas de engranajes de energía eólica, lo que refleja las diferentes preferencias de estándares de materiales que se han desarrollado en cada mercado importante (Fuente: Fuhong Steel, Special Steel for Wind Power Equipment Forgings). La elección entre estos grados depende de la función del engranaje, la profundidad de la caja requerida después de la cementación, la dureza del núcleo requerida para el estado de tensión específico y los requisitos de certificación del OEM.

Secuencias de tratamiento térmico para piezas forjadas de cajas de cambios

Una pieza forjada en el estado original no tiene las propiedades mecánicas necesarias para el servicio de la caja de cambios. El tratamiento térmico después del forjado y el mecanizado en desbaste es esencial para lograr la combinación de dureza superficial y tenacidad del núcleo que requieren los dientes de los engranajes y las secciones transversales del eje.

1. Normalización: se aplica después del forjado para aliviar tensiones residuales, homogeneizar la estructura y preparar el material para el posterior mecanizado y tratamiento térmico sin la distorsión que puede producirse en forjados no normalizados.
2. Templado y revenido: se utiliza en componentes estructurales como portasatélites y ejes para desarrollar una alta resistencia y tenacidad del núcleo; La velocidad de enfriamiento y la temperatura de revenido se seleccionan para alcanzar el límite elástico específico y la energía de impacto requerida por el estándar de diseño.
3. Carburación y endurecimiento por cementación: se utiliza para dientes de engranajes planetarios, planetarios, coronas y piñones; El carbono se difunde en la capa superficial hasta una profundidad de caja específica, seguido de un endurecimiento para lograr una dureza superficial típicamente en el rango de 58 a 62 HRC mientras el núcleo permanece resistente.
4. Nitruración: se utiliza cuando la distorsión provocada por la carburación es inaceptable o cuando la composición de la aleación es adecuada para el endurecimiento por difusión de nitrógeno; logra una carcasa dura a temperaturas más bajas y con menos cambios dimensionales que la cementación
5. Endurecimiento por inducción: se utiliza para superficies de eje seleccionadas, como asientos de cojinetes, donde se necesita un endurecimiento de superficie localizado sin el costo de una cementación completa.

Zhangqiu Heavy Forging describe la selección de materiales y tratamientos térmicos para los portadores de planetas: se utilizan procesos preferidos de forjado en matriz y forjado libre, con materiales que incluyen aceros de aleación de alta resistencia 42CrMo, 20CrMnTi y 35CrMo combinados con temple y revenido más carburación y enfriamiento para lograr el equilibrio entre resistencia y tenacidad requerido para este componente (Fuente: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Estándares de calidad y pruebas para piezas forjadas de cajas de engranajes de turbinas eólicas

Las piezas forjadas de cajas de engranajes de turbinas eólicas se producen según estándares dimensionales y de materiales rastreables con registros de pruebas documentados que acompañan a los componentes a lo largo de la cadena de suministro y permanecen disponibles durante la vida útil de la turbina.

1. Verificación de la composición química mediante análisis espectrográfico de cada calor para confirmar el grado del material dentro de los límites de especificación de la norma aplicable.
2. Pruebas de propiedades mecánicas en muestras de muestra de forja o de una pieza de prueba forjada en las mismas condiciones, incluida la resistencia a la tracción, el límite elástico, el alargamiento, la reducción del área y la energía de impacto Charpy a la temperatura de prueba especificada.
3. Pruebas ultrasónicas del volumen completo de forjado para detectar fallas internas, inclusiones o segregaciones que no son visibles en la superficie pero que reducirían la resistencia a la fatiga en servicio.
4. Inspección de superficies con partículas magnéticas o tintes penetrantes para detectar grietas superficiales introducidas durante el forjado o el tratamiento térmico.
5. Inspección dimensional de tolerancias de dibujo utilizando máquinas de medición por coordenadas para geometrías complejas y medición de precisión para diámetros de orificio y chaveteros críticos
6. Verificación de la dureza mediante pruebas Brinell o Rockwell en posiciones específicas para confirmar que el tratamiento térmico ha logrado las propiedades requeridas en toda la sección.

El proceso ACE Forjas de cajas de cambios de turbinas eólicas se producen con este estándar de calidad completo, con certificaciones de materiales, informes de pruebas mecánicas, registros de exámenes no destructivos y documentación de inspección dimensional proporcionada con cada pieza forjada para respaldar los requisitos de trazabilidad y certificación de los OEM de turbinas eólicas y sus organismos de certificación.