Forjamento de anel de passo e forjamento de anel de guinada: processos, materiais e aplicações de turbinas eólicas

O que são Forjados de Anel de Passo e forjados de anel de guinada?

Numa turbina eólica, dois anéis forjados de grande diâmetro desempenham funções fundamentalmente diferentes, mas igualmente críticas. O forjamento de anel de passo forma o núcleo estrutural do rolamento de passo, permitindo que cada pá gire em torno de seu eixo longitudinal e ajuste seu ângulo em relação ao vento que entra. O forjamento de anel de guinada , posicionado na base da nacela, permite que todo o conjunto da nacela e do rotor gire horizontalmente e rastreie as mudanças de direção do vento.

Ambos os componentes são classificados como anéis forjados laminados de grande diâmetro - normalmente variando de 1.000 mm a mais de 3.000 mm no diâmetro externo dependendo da classe da turbina – e ambos devem sustentar dezenas de milhões de ciclos de carga ao longo de uma vida útil operacional de 20 a 30 anos. A consequência da falha prematura em qualquer um dos componentes é o desligamento total da turbina, tornando a seleção da matéria-prima e o controle do processo de forjamento fatores inegociáveis ​​na sua fabricação.

Processo de forjamento: do tarugo ao anel acabado

Os anéis de inclinação e de guinada são produzidos através do processo de forjamento de anel laminado a quente , que oferece propriedades mecânicas superiores em comparação com fundição ou fabricação de placas. A sequência típica de produção é a seguinte:

1. Corte e aquecimento de tarugos — Um tarugo de aço é cortado no volume calculado e aquecido até a temperatura de forjamento apropriada (normalmente 1.100–1.250 °C para ligas de aço).
2. Perturbador e soco — O tarugo é virado em uma prensa para reduzir a altura e aumentar o diâmetro e depois perfurado para criar o furo central, formando uma pré-forma em forma de rosca.
3. Mandril e laminação radial — A pré-forma é colocada em um laminador de anéis onde o rolo de acionamento e o mandril aplicam pressão radial e axial contínua, reduzindo a espessura da parede e aumentando o diâmetro do anel até que as dimensões desejadas sejam alcançadas.
4. Tratamento térmico — A têmpera e o revenido (Q&T) são aplicados para atingir o perfil de dureza necessário, normalmente 260–320 HB para aplicações de anéis de inclinação e guinada.
5. Usinagem de desbaste e acabamento — Torneamento CNC, fresamento, fresamento de engrenagens (para anéis de rotação dentados) e furação completam os requisitos dimensionais.
6. Ensaios não destrutivos (END) — Testes ultrassônicos (UT) e inspeção de partículas magnéticas (MPI) verificam a solidez interna e a integridade da superfície antes da entrega.

Este processo produz uma microestrutura totalmente forjada e com grãos refinados, com as linhas de fluxo fibrosas orientadas circunferencialmente – a orientação ideal para resistir às cargas de torção e flexão que os anéis de inclinação e guinada experimentam em serviço.

Seleção de materiais: graus de liga que atendem aos padrões de energia eólica

A seleção de materiais para forjamentos de anéis de passo e de guinada é governada pela necessidade de equilibrar alta resistência, tenacidade adequada em baixas temperaturas e boa temperabilidade em seções espessas. As seguintes notas são mais amplamente especificadas:

Para instalações offshore ou árticas, resistência ao impacto Charpy abaixo de zero (normalmente ≥27 J a −40 °C) torna-se uma especificação obrigatória. Nestes casos, os graus de liga de níquel, como 34CrNiMo6 ou aços estruturais de grão fino normalizados, são preferidos aos graus padrão de cromo-molibdênio.

Principais diferenças entre pitch ring e Forjados de anel de guinada

Embora ambos os componentes sigam a mesma rota de forjamento do núcleo, seus requisitos de projeto divergem significativamente na prática:

• Quantidade por turbina: Uma turbina de três pás usa três anéis de arremesso (um por lâmina), mas apenas um anel de guinada .
• Dentes da engrenagem: Os anéis de guinada são quase sempre dentado interna ou externamente (anel de engrenagem fresado), acionado por vários motores de guinada. Os anéis de passo podem ser dentados ou usar um projeto de pinhão e segmento, dependendo da especificação do OEM.
• Carregar personagem: Experiência de anéis de pitch Micromovimentos oscilantes de alta frequência já que o passo da pá é continuamente ajustado durante a operação da turbina. Os anéis de guinada sofrem rotações mais lentas e de maior torque ao rastrear a direção do vento.
• Requisitos de dureza da pista: Os anéis de passo normalmente requerem pistas endurecidas por indução ( 58–62 HRC ) para resistir à fadiga do contato de rolamento sob os micromovimentos de alto ciclo. Os anéis de guinada geralmente especificam uma dureza superficial ligeiramente inferior, mas exigem resistência superior à fadiga por flexão da raiz do dente da engrenagem.
• Tolerância dimensional: Ambos são componentes de precisão, mas a falta de circularidade do anel de guinada e a precisão do passo da engrenagem são particularmente críticos, pois os erros se propagam diretamente no alinhamento da nacela e na eficiência do sistema de acionamento.

Padrões de qualidade e requisitos de certificação

As peças forjadas de passo de turbina eólica e de anel de guinada estão sujeitas a alguns dos requisitos de qualidade mais rigorosos da indústria de forjamento. As especificações de aquisição normalmente fazem referência ou se alinham com:

• EN 10228-3 / EN 10228-4 — Ensaios não destrutivos de peças forjadas de aço (inspeção ultrassônica e de partículas magnéticas)
• ASTM A388 — Exame ultrassônico de peças forjadas de aço pesado
• ISO 6336 — Cálculos de capacidade de carga da engrenagem (para seções de anel dentado)
• Diretrizes DNV-ST-0361/GL — Requisitos de certificação de tipo para rolamentos de turbinas eólicas e peças forjadas estruturais
• CEI 61400-1 — Requisitos de projeto de turbinas eólicas, incluindo vida útil em fadiga dos componentes estruturais

Na prática, a maioria dos OEMs de primeiro nível complementa esses padrões públicos com suas próprias auditorias de qualificação de fornecedores, protocolos de inspeção de primeiro artigo e requisitos de rastreabilidade de materiais que remontam ao calor de fusão do aço. Inspeção de testemunhas de terceiros por organizações como Bureau Veritas, TÜV ou SGS durante o forjamento, tratamento térmico e usinagem final é comum em grandes contratos de turbinas offshore.

Tendências que impulsionam a inovação no forjamento de anéis de inclinação e guinada

À medida que a capacidade nominal das turbinas eólicas continua a aumentar - com os modelos offshore agora excedendo 15 MW por unidade — os forjados de anéis de inclinação e de guinada estão sendo levados a novos limites dimensionais e de desempenho. Vários desenvolvimentos estão remodelando a forma como esses componentes são projetados e fabricados:

• Diâmetros de anel maiores: Os anéis de guinada para plataformas de 12 a 15 MW podem atingir diâmetros externos de 3.500–4.500 mm , exigindo laminadores de anéis com capacidade superior a 500 toneladas e fornos especializados de tratamento térmico.
• Projetos de anéis de rolamento integrados: Alguns sistemas de passo de próxima geração estão migrando para designs de anéis giratórios monobloco forjados que combinam a pista do rolamento, os dentes da engrenagem e o flange estrutural em um único componente forjado, reduzindo as interfaces de montagem e melhorando a vida útil em fadiga.
• Simulação avançada: A simulação do processo de forjamento baseada em FEA (por exemplo, usando DEFORM ou Simufact) é cada vez mais usada para otimizar o fluxo de grãos, minimizar defeitos de forjamento e reduzir as taxas de desperdício de material antes do primeiro teste físico.
• Fusão de aço mais limpa: A desgaseificação a vácuo (VD/VOD) e a refusão por eletroescória (ESR) estão sendo especificadas com mais frequência para atingir um teor de hidrogênio abaixo 1,5 ppm e classificações de inclusão ultrabaixas, prolongando a vida útil em fadiga em aplicações de passo de alto ciclo.
• Localização da cadeia de suprimentos: À medida que a implantação da energia eólica acelera na Ásia, América do Norte e Europa, os OEMs estão qualificando fornecedores regionais de forjamento para reduzir os prazos de entrega e os custos de logística para esses componentes grandes e pesados.