Laminazioni dei generatori di turbine eoliche: Sfide per la produzione di stack di grande diametro

Le pile di laminazione di grande diametro cambiano l'intera logica di produzione di un generatore di turbine eoliche. A diametri piccoli e medi, la costruzione del nucleo è principalmente un problema di stampaggio e impilamento. Su scala eolica, non proprio. Diventa un problema combinato di qualità del bordo di taglio, assemblaggio dei segmenti, ritenzione della compressione, sollecitazione dell'alloggiamento, limiti di trasporto e controllo del traferro. Una volta che il diametro medio del traferro si sposta nell'intervallo di diversi metri, le strutture a pezzo singolo diventano meno pratiche, la costruzione segmentata diventa comune e la gestione delle tolleranze inizia a decidere la rigidità strutturale e la capacità di carico.

I generatori eolici a trasmissione diretta rendono tutto più difficile. Una coppia più elevata spinge strutture di generatori più grandi e più pesanti e le recensioni più recenti indicano nella produzione e nell'assemblaggio i principali colli di bottiglia per la scalabilità, non solo nella progettazione elettromagnetica. In questa gamma, il nucleo dello statore non è più una parte magnetica passiva. Fa parte dell'anello strutturale che protegge il traferro.

Punti di forza

• Turbina eolica di grande diametro laminati del generatore falliscono prima le interfacce: bordi di taglio, giunti di segmento, cordoni di saldatura, zone di fissaggio e superfici di contatto con l'alloggiamento.
• La segmentazione risolve i vincoli di trasporto e di assemblaggio, ma aggiunge bordi di taglio, spazi di giunzione e sovrapposizioni di tolleranze. 
• Il metodo di giunzione non è mai solo una scelta di forza. Cambia la perdita d'anima, le tensioni residue, la sopravvivenza del rivestimento e la durata a lungo termine delle cuciture sottoposte a vibrazioni.
• Il controllo del gap d'aria dovrebbe essere il principio organizzativo del percorso di produzione. Non è l'oggetto dell'ispezione finale.

Cosa rende diverse le pile di laminazione di grande diametro

La fisica di base della pila è nota. I sottili fogli isolati riducono la perdita di corrente parassita. Questa parte è già stata risolta. Il cambiamento di produzione è dovuto alla scala.

Per i nuclei statorici delle turbine eoliche, la pila deve sopravvivere:

• diametro maggiore e minore rigidità strutturale
• più interfacce di segmento
• più fasi di sollevamento e riposizionamento
• maggiore sensibilità alla deriva della rotondità
• dipendenza più stretta dall'uniformità del traferro finale

I lavori di progettazione meccanica pubblicati sui generatori eolici ad azionamento diretto riportano diametri medi delle intercapedini d'aria nell'ambito di 4-6 m La gamma di prodotti di questo tipo è tipica delle macchine di classe megawatt, mentre per le strutture più grandi si passa comunemente alla costruzione segmentata a causa dei limiti di producibilità e di trasporto. Questa è la soglia in cui la progettazione dello stack di laminazione inizia a comportarsi come un sistema di assemblaggio di precisione, non come un sottocomponente di lamiera.

Principali sfide produttive nella produzione di anime di statore di grande diametro

1. I danni da taglio si accumulano rapidamente

La punzonatura ha ancora senso per i volumi di produzione. Ma l'usura degli utensili modifica le condizioni dei bordi nel tempo e il problema delle bave non rimane locale. I lavori di revisione sulla produzione dell'acciaio elettrico rilevano che l'aumento della smussatura del punzone e la formazione di bave riducono il fattore di impilamento e peggiorano la qualità della pila a valle. A diametri elevati, ripetuti su molti segmenti e molti strati, un piccolo difetto del bordo diventa un problema di geometria a livello di sistema.

Il vero problema non è l'altezza della fresa di per sé. È la reazione a catena:

bava -> fattore di annidamento e impilamento più scarso -> incoerenza locale di compressione -> maggior rischio di ponti interlaminari o sfregamento sotto carico

Questa catena è il punto in cui si incontrano perdite, calore e danni all'isolamento a lungo termine.

2. Le giunzioni dei segmenti creano discontinuità magnetiche e meccaniche

Le laminazioni segmentate sono comuni perché l'anello completo è spesso troppo grande per essere stampato, spostato, fissato o trasportato in modo efficiente. Sono utili anche quando il gruppo completo pesa diverse tonnellate. Ma la segmentazione introduce bordi di taglio aggiuntivi e spazi d'aria parassiti tra i segmenti, che possono alterare le prestazioni della macchina.

Un'articolazione segmentaria difettosa si manifesta di solito in uno dei quattro modi seguenti:

• disallineamento dell'altezza dello stack locale
• carico di compressione non uniforme in corrispondenza della linea di divisione
• apertura del giunto dopo il rilascio della ritenuta
• deriva della rotondità dopo l'inserimento o il trasporto della custodia

Nessuno di questi è un difetto astratto. Tutti spostano il traferro.

3. Le saldature e i vincoli possono risolvere un problema e crearne un altro.

La giunzione è il punto in cui molte costruzioni di nuclei statorici vengono compromesse.

Le ricerche hanno suddiviso i metodi di giunzione in due gruppi: metodi integrati nella pila durante la produzione della laminazione e metodi applicati dopo la pila, come la saldatura, il serraggio e l'incollaggio. L'obiettivo è sempre lo stesso insieme di compromessi: stabilità meccanica, bassa degradazione magnetica, costo accettabile, elevato fattore di impilamento e velocità di produzione.. Non è possibile massimizzare tutti e cinque. Non su un nucleo di vento di grande diametro.

Un dettaglio che ha più importanza di quanto non ne abbia: per ottenere il fattore di impilamento richiesto, il pacco viene tipicamente pressato assialmente prima della saldatura. Dopo il rilascio, la giunzione subisce una sollecitazione di trazione. Una volta che il nucleo è montato nell'alloggiamento, si possono sviluppare sollecitazioni radiali e di taglio a causa delle deviazioni geometriche e dell'attrito delle pareti. Le vibrazioni di servizio e la forza elettromagnetica aggiungono un altro caso di carico sulla giunzione. Pertanto, una giunzione che sembra a posto sul banco di prova può già trovarsi in uno stato di sollecitazione errato quando lo statore è completamente assemblato.

Metodi di giunzione per laminazione: Cosa conta davvero

Interblocco meccanico

L'interblocco è efficiente e di facile produzione. Si adatta bene ai percorsi di stampaggio. Lo svantaggio è che disturba localmente il percorso magnetico e aumenta la perdita rispetto a una pila di riferimento idealmente isolata. La resistenza alla fatica nella direzione dello spessore passante è inoltre più debole rispetto a un giunto saldato forte. Per i laminati dei generatori eolici di grandi dimensioni, gli interblocchi possono ancora funzionare, ma devono essere usati con moderazione. Troppi punti di ritenzione, posizioni sbagliate o una cattiva pianificazione delle linee di divisione si manifesteranno in seguito come perdite o allentamenti localizzati.

Saldatura per fusione

La saldatura offre una ritenzione più forte. Inoltre, crea il rischio più evidente di ponti elettrici locali, danni al rivestimento, stress residuo e cambiamenti microstrutturali dovuti al calore. I lavori di comparazione dimostrano che la saldatura laser produce generalmente una zona termicamente alterata più piccola e uno stress residuo inferiore rispetto alla saldatura TIG, con un comportamento magnetico migliore. Questo non rende la saldatura “buona” di default. Il laser è la versione meno dannosa di un'operazione comunque invasiva.

Legame

Le pile incollate preservano l'isolamento ed eliminano molte penalizzazioni legate alla saldatura. Sono interessanti dal punto di vista magnetico e dello smorzamento. Il problema aperto è la durata in condizioni di temperatura e di carico ciclico, il costo del processo e la scalabilità in applicazioni pesanti. Per le laminazioni di generatori di turbine eoliche molto grandi, l'incollaggio è di solito una risposta selettiva, non universale.

Strategie laser adattive o pulsate

Questa è una delle direzioni più utili per la produzione di stack di grande diametro. I dati della revisione mostrano che gli approcci laser adattivi a impulsi possono ridurre drasticamente l'input di energia totale, in un caso riportato fino a circa 23% dell'energia utilizzato da un percorso tradizionale a impulsi. Ma c'è un problema. La variazione dello spessore della lastra può raggiungere fino a 8%, Ciò significa che il rilevamento del gap e il controllo del percorso in tempo reale diventano necessari se il processo deve colpire solo le interfacce che devono essere unite. Buona idea di processo. Problema di produzione più difficile.

Tabella di confronto: Rischi e controlli delle pile di laminazione di grande diametro

Questa è la sequenza pratica. Non perché sia ordinata. Perché questi sono i punti in cui i grandi nuclei dello statore di solito smettono di comportarsi come nel modello CAD.

Perché la tolleranza del gap d'aria dovrebbe guidare l'intero piano di processo

Per le macchine eoliche, in particolare per quelle ad azionamento diretto, il comportamento del traferro non è un dettaglio a valle. Gli studi strutturali sui generatori a trasmissione diretta dimostrano che il traferro deve rimanere piccolo e uniforme per un corretto trasferimento della coppia e che la non uniformità aumenta la sensibilità allo squilibrio della forza magnetica, alla cedevolezza dei cuscinetti e alla deformazione strutturale. In una linea di analisi, l'eccentricità accettabile viene trattata come se dovesse rimanere all'interno di circa ±10% di lunghezza del gap d'aria. Oltre questo limite, il rischio aumenta rapidamente.

C'è anche un brutto scambio. Un traferro più ampio offre un margine di tolleranza maggiore e può essere strutturalmente più facile da sopportare. Ma di solito aumenta la richiesta di materiale attivo e il costo. Un traferro più piccolo favorisce le prestazioni elettromagnetiche, ma richiede una maggiore rigidità, un controllo più stretto dell'assemblaggio e un migliore comportamento dei cuscinetti. La pila di laminazione è quindi bloccata nel mezzo di questo compromesso. Di nuovo. È sempre così.

Ecco perché un serio percorso di produzione del nucleo dello statore dovrebbe essere pianificato a ritroso rispetto alla mappa del traferro finale. Non in avanti, a partire dallo stampo.

Una migliore logica di produzione per le laminazioni dei generatori di turbine eoliche

Per le pile di laminazione di grande diametro, il percorso di processo deve essere costruito intorno a quattro punti di controllo bloccati.

1. Controllare il bordo prima di controllare la pila

Non considerare la bava come un difetto estetico. Qualificare le condizioni del bordo di taglio in base alla famiglia di segmenti, non solo in base al lotto di materiale o all'ID dell'utensile. Le anime segmentate di grandi dimensioni moltiplicano il numero di bordi. La logica di ispezione deve riflettere questo aspetto.

2. Definire le modalità di creazione, mantenimento, rilascio e ripristino della compressione.

Molti problemi iniziano dopo il primo risultato di compressione “buono”. La pila viene pressata. Saldata o bloccata. Rilasciato. Spostata. Reinserita. Inserita. Misurato di nuovo. Ognuna di queste fasi modifica lo stato di sollecitazione. Se la ritenzione della compressione non è stata progettata per l'intero percorso, la prima lettura accettabile significa ben poco.

3. Misurare la rotondità e l'altezza della pila all'interno della sequenza di costruzione.

L'ispezione finale è troppo tardiva per un pezzo così grande. I punti di controllo utili sono:

• dopo la creazione del primo stack
• dopo l'adesione
• dopo il rilascio della ritenuta
• dopo l'inserimento della custodia
• dopo eventi importanti di movimentazione o trasporto

Questa sequenza corrisponde al punto in cui la geometria tende a muoversi.

4. Convalidare lo stack come nucleo assemblato, non come dati di processo sfusi.

Per un nucleo di statore di turbina eolica, dati di punzonatura accettabili, coupon di saldatura accettabili e dimensioni accettabili dell'alloggiamento non si sommano automaticamente a un nucleo accettabile. Lo stato di assemblaggio integrato è più importante. La protezione del traferro si trova lì. Non nei singoli certificati.

Lista di controllo del controllo qualità per pile di laminazione di grande diametro

Una lista di controllo per la liberazione funzionante di solito richiede questi elementi:

• limite di sbavatura per tipo di segmento
• coerenza dell'altezza della pila locale
• adattamento della linea di divisione del segmento e registrazione della lacuna
• record di compressione assiale prima e dopo la giunzione
• rotondità prima e dopo l'inserimento della custodia
• qualificazione dei cordoni di saldatura in base alla forza e all'impatto magnetico
• conferma che la movimentazione o il trasporto non hanno rilassato la pila
• Controllo finale della distribuzione del traferro dopo il montaggio meccanico completo

L'elenco è più lungo della maggior parte delle ispezioni standard delle pile. Dovrebbe esserlo. Le laminazioni dei generatori di turbine eoliche non perdonano una volta installate.

FAQ

Sezione finale: Cosa devono chiedere in anticipo gli acquirenti e i team di ingegneri

Se l'applicazione è un generatore eolico di grandi dimensioni, la conversazione utile con il fornitore non è “Potete produrre laminati?”. È troppo generico.

Le domande migliori sono:

• Quale limite di bava può essere mantenuto per l'intera famiglia di segmenti?
• Come viene mantenuta la compressione della pila durante la giunzione e il trasporto?
• Quale metodo di giunzione viene utilizzato e qual è la sua penalizzazione magnetica?
• Come si verifica la rotondità dopo l'inserimento dell'alloggiamento?
• Come viene gestito il rischio di air-gap finale a livello di nucleo assemblato?

È qui che si colloca il rischio del progetto.

E dove una buona produzione di stack di laminazione inizia ad essere diversa dalla normale produzione di anime di motori.