風力タービンの主軸の主な種類とその製造方法は何ですか?

風力タービンのメイン シャフト (低速シャフトまたはローター シャフトとも呼ばれます) は、現代の工業生産において最も機械的に要求の高い大型鍛造部品の 1 つです。風力タービンのローターによって生成された回転トルクは、20 ～ 25 年の設計寿命にわたって、高い曲げモーメント、ねじり応力、疲労サイクルを組み合わせた持続的な動的負荷条件下で、ギアボックス (ギア付きタービンの場合) または発電機 (ダイレクトドライブ タービンの場合) に直接伝達されます。主軸の製造品質は、タービンの構造的信頼性と運用寿命にわたるメンテナンスコストに直接影響します。

調達エンジニアおよびプロジェクト開発者向けのソーシング 風力発電のコンポーネント 、さまざまなタービン構造で使用される主軸の種類とその構造的完全性を保証する製造プロセスを理解することは、情報に基づいた仕様の決定とサプライヤーの能力評価をサポートします。

風力タービンのドライブトレインにおけるメインシャフトの役割

風力タービンでは、メイン シャフトはローター ハブ (3 枚のブレードを搭載し、大型実用規模タービンの場合は 5 ～ 20 RPM で回転) を下流のドライブトレイン コンポーネントに接続します。シャフトは極度のトルク値を伝達する必要があります。定格出力の最新の 5 MW 陸上タービンは、4 ～ 6 MN·m (メガワット メートル) の範囲のローター シャフト トルクを生成します。また、定格 10 ～ 15 MW の洋上タービンは、それに応じてより高いトルク値を生成し、主シャフトをあらゆる産業用途において最大かつ最も高応力の回転部品の 1 つとしています。

メインシャフトはトルクを伝達するだけでなく、ローターの全重量と空気力学的な推力を支えなければなりません。5 MW のタービンでは、ローターのハブとブレードの重量は 100 ～ 200 トンになる場合があります。また、風速や風向の変化に応じてローターが加える変動する曲げモーメントやジャイロ力に耐えなければなりません。高い平均応力、繰り返し荷重、および遠隔地での検査アクセスなしでの 20 年間の疲労寿命の要件の組み合わせにより、メインシャフトの仕様と製造品質は非常に要求が厳しくなります。

タービンドライブトレインの構造別のメインシャフトの種類

メイン シャフトの構成と形状は、現在の市場で主流となっている 3 つの風力タービン ドライブトレイン アーキテクチャ間で大きく異なります。

タイプ 1: 3 点サスペンション シャフト (ギヤード タービン)

最も一般的な構成は、陸上および海上のギア付き風力タービンです。ローターハブは比較的短く大径のメインシャフトに取り付けられています。シャフトは、前部で 1 つの大きなメイン ベアリング (または密に配置された 2 つのベアリング) によって支持され、後部ではリア ベアリングとして機能するギアボックスの遊星キャリアによって支持されています。この 3 点支持構成 (ギアボックスを介したフロント ベアリング 1 つとリア サポート 1 つ) は、荷重経路を簡素化し、ナセルの長さを短縮しますが、ギアボックスがローターから非トルク荷重 (曲げモーメントと推力) の一部を受けることを意味し、ギアボックスの複雑さと摩耗が増加します。

この構成のメイン シャフトは通常、ローター ハブ取り付け用のテーパーまたはフランジ付きの前端、円筒形のベアリング シート セクション、およびギアボックス接続用の後部フランジを備えた中空の鍛造鋼製コンポーネントです。大型タービンのシャフト外径は通常 700 ～ 1,200 mm で、軽量化と検査アクセスのための中央穴が付いています。シャフトの長さは、タービンのサイズとナセルのレイアウトに応じて、通常 2 ～ 4 メートルです。

タイプ 2: 4 点サスペンション シャフト (2 つの主軸受を備えたギヤード タービン)

代替のギア付きタービン構成では、統合されたメインフレームまたはベッドプレート構造に取り付けられた 2 つの別々のメインベアリング (フロントとリア) を使用し、ギアボックスを非トルクローター負荷から分離します。この構成のメイン シャフトは 3 点サスペンション設計よりも長く、リア フランジでギアボックスが接続された 2 つのメイン ベアリング シートの間にまたがっています。

2 つのメイン ベアリング設計により、ローターの曲げ荷重とシャフトの荷重がギアボックスから完全に分離され、ギアボックスの摩耗が大幅に軽減され、ギアボックスのメンテナンス間隔が延長されます。その代償として、メインフレーム構造がより重く複雑になり、シャフトが長くなりナセルの質量が増加します。この構成は、ギアボックスの信頼性が最優先される中型および大型のギア付きタービンで広く使用されています。

この構成のメイン シャフトの形状は、2 つの精密機械加工されたベアリング シート、前部のハブ フランジ、および後部のギアボックス カップリング フランジを備えた細長い中空鍛造品です。ベアリングシートの直径と公差は重要です。風力タービンの主軸受として使用される大口径円筒ころ軸受または自動調心ころ軸受のしまりばめでは、フレッチング腐食や早期疲労破壊を起こさずに適切な軸受の取り付けを確保するために、数マイクロメートルの機械加工公差が必要です。

タイプ 3: ダイレクト ドライブ シャフト (ギアレス タービン)

ダイレクト ドライブ タービンは、ローター速度で動作する大径の永久磁石発電機 (PMG) を使用することでギアボックスを不要にし、多くの極対を持つ非常に大きな発電機を使用することでギアボックスの増速機能を排除します。ダイレクト ドライブ タービンの主軸は、ローター ハブのサポート機能と発電機のローター サポートを統合し、ローターの負荷を発電機とメイン フレーム構造に直接伝達する必要がある大径で比較的短い構造シャフト要素を作成します。

直接駆動の主軸は、発電機のローターが端で接続されるのではなく主構造軸の周囲に組み込まれることが多いため、通常、ギア付きタービンの主軸よりも直径がはるかに大きく (1,500 ～ 4,000 mm) 短くなります。製造上の課題は、広い表面積にわたって厳しい幾何公差 (真円度、円筒度) を備えた非常に大径の精密部品を製造することであり、加工上の課題には、小型だが幾何学的に類似した部品に匹敵する精度を備えた大容量の水平ボーリングおよび旋削装置が必要です。

風車主軸の製造工程

風力タービンのメインシャフトは、重部品製造業界で製造される大型鍛造品の中で最も要求の厳しいものの 1 つです。製造プロセスでは、各段階で特定の機能が必要です。

ステージ 1: 鋼塊の鋳造と鍛造

風力タービンのメインシャフトの原材料は、指定されたグレードを達成するために慎重な化学制御を行いながら電気アーク炉または取鍋炉から鋳造される大きな鋼インゴット (通常は 20 ～ 80 トンの高品質合金鋼) です。風力タービンの主軸用の一般的な鋼材グレードには、42CrMo4 (最も広く指定されている)、34CrNiMo6、および極低温 (北極) または高サイクル疲労用途向けにタービン メーカーによって指定されたカスタムの高靭性グレードが含まれます。

インゴットは、インゴットをネットシェイプに近いブランクに鍛造する一連のプレス、回転、引き伸ばし操作を使用して、大型油圧プレス (大型シャフト鍛造品の場合は通常 10,000 ～ 16,000 トンの能力) で鍛造されます。鍛造は、2 つの理由から風力タービンのメイン シャフトにとって重要です。1 つは鋳鋼の疲労が重要な用途には不適切な鋳造気孔と偏析欠陥を除去すること、もう 1 つはシャフト軸に沿って鋼の粒子の流れを配向させ、一次応力配向の方向の疲労強度を最大化することです。適切に製造されたメインシャフトブランクの鍛造粒子構造は、この用途の他の製造ルートよりも基本的に優れています。

ステージ 2: 熱処理

鍛造と荒加工の後、シャフトブランクは焼き入れ焼き戻し熱処理を受け、引張強度、降伏強度、靭性、および疲労特性の必要な組み合わせを開発します。熱処理サイクル (オーステナイト化温度、焼き入れ速度、焼き戻し温度と焼き戻し時間) は、タービン設計標準で指定された機械的特性を達成するために正確に制御されます。各シャフト鍛造のテストクーポンによる機械的特性の検証（引張試験、衝撃試験、硬度調査）は、シャフトが仕上げ加工に進む前の標準的な品質ゲートです。

ステージ 3: 荒加工と仕上げ加工

風力タービンの主軸の加工は、長さ 2 ～ 6 メートル、直径 0.8 ～ 4 メートル、部品重量 5 ～ 40 トンの部品を扱うことができる大型 CNC ターニング センターおよびボーリング センターで実行されます。通常、加工シーケンスには次のものが含まれます。

• 荒旋削： 仕上げ加工に十分な在庫を備え、鍛造ブランクを完成品に近い寸法に縮小します。大幅な加工価値が追加される前に、スケールと脱炭された表面材料を除去し、表面下の欠陥を明らかにします。
• 非破壊検査 (NDE): 不合格の原因となる内部欠陥 (ボイド、介在物、積層) を検出するための、粗加工されたシャフトの超音波検査 (UT)。表面状態がスキャンに適した荒旋削加工後、仕上げ加工前に実行され、欠陥の可能性がある部品に付加価値を与えます。
• ベアリングシートの回転を終了します: ベアリングシートの直径と面は、指定された公差と表面仕上げに仕上げ旋削されます。風力タービンの主軸受の場合、一般的な公差は IT5 ～ IT6 (直径に応じて約 ±5 ～ 12 μm) で、軸受のしまりばめ面の表面粗さは Ra 0.4 ～ 0.8 μm です。
• ハブフランジとギアボックスフランジの加工: ボルト穴のパターン、面の平面度、パイロット直径の公差は、ハブとギアボックスの正しい位置合わせを保証する仕様に合わせて機械加工されています。
• 穴加工： 中空シャフトの場合、中心穴は深穴加工され、指定された直径と真直度に仕上げボーリングされ、軽量化とシャフトの耐用期間中の検査に適した内面の両方を提供します。

ステージ 4: 表面処理と最終検査

完成したメインシャフトには表面処理が施され、通常は露出面に防食コーティングが施され、使用中にベアリングシートとフランジ面が保護されます。そして、最終的な寸法検査が行われます。全面磁粉検査 (MPI) または染料浸透検査 (DPI) は、すべての機械加工表面の表面破壊欠陥をチェックします。シャフトが出荷用に受け入れられる前に、設計図面に対する寸法検証により、すべての重要な寸法が確認されます。

風力タービンの主軸調達における主要な品質要件

よくある質問

風力タービンの主軸故障の原因は何ですか?

最も一般的な原因は、 風力タービン主軸 使用中の故障には、疲労亀裂、軸受座のフレッティング腐食、および主軸受接触領域に関連する摩擦化学的損傷メカニズムであるホワイトエッチング亀裂 (WEC) があります。疲労亀裂は通常、応力集中（急激な半径の変化、表面欠陥、または腐食ピット）で始まり、風力タービン運転の周期的な負荷の下で伝播します。適切なシャフト設計 (断面変化時の遷移半径が大きい)、材料の清浄度 (鋼中の介在物含有量が低い)、および表面品質 (粗さが制御され、加工欠陥がないこと) が疲労破壊に対する主な防御策です。ベアリングシートのフレッチング腐食は、ベアリングの内輪とシャフト表面の間の微小な動きによって発生しますが、シャフトの耐用年数を通じて正しいしまりばめ寸法と表面仕上げを維持することで防止されます。

風力タービンの主軸の製造にはどれくらい時間がかかりますか?

の完全な製造サイクル 風力タービン主軸 未加工のインゴットから完成品、検査済みコンポーネントまで、シャフトのサイズとメーカーの生産負荷に応じて、通常 16 ～ 26 週間かかります。主な時間要素は次のとおりです。鋼インゴット鋳造 (取鍋冶金および制御された冷却を含む 4 ～ 6 週間)、鍛造および荒加工 (4 ～ 6 週間)、熱処理 (制御された加熱、焼入れ、焼き戻しサイクルを含む 1 ～ 2 週間)、仕上げ加工および NDE 検査 (4 ～ 8 週間)、および最終検査および表面処理 (1 ～ 2 週間)。風力タービンの主要コンポーネントの調達を計画している購入者は、プロジェクトのスケジュール設定においてこのリードタイムを考慮し、必要な納期を十分に事前に通知して注文する必要があります。

風力タービンのメインシャフトの重量とサイズの範囲はどれくらいですか?

完了しました 風力タービン主軸 重量は、1 ～ 2 MW クラスの小型タービンの約 5 トンから、8 ～ 15 MW クラスの洋上タービンの 30 ～ 60 トンまでの範囲に及び、一体型ローター/発電機構成では最大のダイレクトドライブ シャフトは 100 トンに近づきます。ベアリングシートの直径は、小型のギア付きタービンの約 700 mm から、ダイレクトドライブ設計の 2,000 mm 以上まで多岐にわたります。これらのコンポーネントの規模と、要求される精度公差の組み合わせにより、風力タービンのメインシャフトは大型コンポーネントの精密機械加工能力要件の限界に達しており、これらをフルスペックで製造できる世界中のメーカーの数が制限されています。

風力タービンのメインシャフトは交換ではなく修理できますか?

ほとんどの場合、 風力タービン主軸 検査によって検出された損傷、または故障後に特定された損傷は、経済的に修理できません。高所でナセルからシャフトを取り外すためのロジスティクス、溶接修理と再熱処理のコスト、および修理された疲労クリティカル部品を使用可能に戻すために必要なリスク許容を考慮すると、通常は交換が唯一の実行可能な手段となります。フレッティング損傷がシャフト表面に進行する前にベアリングを予防的に交換することが、シャフトの耐用年数を延ばすための標準的な戦略です。場合によっては、重要ではない領域の局所的な表面欠陥は、元の図面の寸法公差内で修復機械加工できますが、これにはタービン メーカーからの技術的承認と、シャフトの応力分布と残りの疲労寿命への影響を慎重に評価する必要があります。

江陰環明機械の風力発電主軸と大型部品製造

江陰環明機械有限公司 は、メインシャフト、特殊形状のフランジ、風力タービンのドライブトレイン用の大型精密機械構造部品などの風力発電部品を製造しています。 Huanming Machinery は、大容量の CNC 旋削およびボーリング装置、社内の非破壊検査機能、大型鍛造機械加工の文書化された高品質プロセスを備え、風力発電業界の厳しい寸法要件と品質要件を満たす精密機械加工部品を風力エネルギー部品メーカーやタービン OEM に供給しています。

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