Pitch-Ring-Schmieden und Yaw-Ring-Schmieden: Prozess, Materialien und Windkraftanlagenanwendungen

Was sind Pitch-Ring-Schmiedeteile und Gierringschmiedeteile?

In einer Windkraftanlage erfüllen zwei geschmiedete Ringe mit großem Durchmesser grundsätzlich unterschiedliche, aber gleichermaßen wichtige Funktionen. Die Pechringschmieden bildet den strukturellen Kern des Pitchlagers und ermöglicht es jedem Blatt, sich um seine Längsachse zu drehen und seinen Winkel relativ zum einströmenden Wind anzupassen. Die Gierringschmieden , an der Basis der Gondel positioniert, ermöglicht es der gesamten Gondel- und Rotorbaugruppe, sich horizontal zu drehen und Windrichtungsänderungen zu folgen.

Beide Komponenten werden als gewalzte Ringschmiedeteile mit großem Durchmesser klassifiziert – typischerweise im Bereich von 1.000 mm bis über 3.000 mm Der Außendurchmesser beträgt je nach Turbinenklasse – und beide müssen über eine Betriebslebensdauer von 20 bis 30 Jahren zig Millionen Lastzyklen aushalten. Die Folge eines vorzeitigen Ausfalls einer der Komponenten ist eine vollständige Abschaltung der Turbine, wodurch die Auswahl des Rohmaterials und die Steuerung des Schmiedeprozesses zu nicht verhandelbaren Faktoren bei deren Herstellung werden.

Schmiedeprozess: Vom Rohling bis zum fertigen Ring

Sowohl Pitch- als auch Yaw-Ringe werden durch das erzeugt Warmgewalzter Ringschmiedeprozess , das im Vergleich zur Guss- oder Plattenherstellung bessere mechanische Eigenschaften bietet. Der typische Produktionsablauf ist wie folgt:

1. Schneiden und Erhitzen von Knüppeln — Ein Stahlbarren wird auf das berechnete Volumen zugeschnitten und auf die entsprechende Schmiedetemperatur erhitzt (typischerweise 1.100–1.250 °C für legierte Stähle).
2. Stauchen und Schlagen — Der Barren wird auf einer Presse gestaucht, um die Höhe zu verringern und den Durchmesser zu vergrößern, und dann gestanzt, um das zentrale Loch zu erzeugen, wodurch ein donutförmiger Vorformling entsteht.
3. Dorn- und Radialwalzen — Der Vorformling wird auf ein Ringwalzwerk gelegt, wo die Antriebswalze und der Dorn einen kontinuierlichen radialen und axialen Druck ausüben, wodurch die Wandstärke verringert und der Ringdurchmesser vergrößert wird, bis die Zielabmessungen erreicht sind.
4. Wärmebehandlung — Typischerweise wird Abschrecken und Anlassen (Q&T) angewendet, um das erforderliche Härteprofil zu erreichen 260–320 HB für Pitch- und Yaw-Ring-Anwendungen.
5. Grob- und Fertigbearbeitung — CNC-Drehen, Fräsen, Wälzfräsen (für Zahnkränze) und Bohren vervollständigen die Maßanforderungen.
6. Zerstörungsfreie Prüfung (NDT) — Ultraschallprüfung (UT) und Magnetpulverprüfung (MPI) überprüfen die innere Festigkeit und Oberflächenintegrität vor der Lieferung.

Dieser Prozess erzeugt eine vollständig bearbeitete, kornverfeinerte Mikrostruktur, bei der die faserigen Flusslinien in Umfangsrichtung ausgerichtet sind – die ideale Ausrichtung, um den Torsions- und Biegebelastungen standzuhalten, denen Pitch- und Yaw-Ringe im Betrieb ausgesetzt sind.

Materialauswahl: Legierungssorten, die den Windenergiestandards entsprechen

Bei der Materialauswahl für Pech- und Azimutring-Schmiedeteile kommt es auf die Notwendigkeit an, ein Gleichgewicht zwischen hoher Festigkeit, ausreichender Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen und guter Härtbarkeit über dicke Abschnitte hinweg herzustellen. Die folgenden Klassen werden am häufigsten spezifiziert:

Für Offshore- oder arktische Installationen, Charpy-Schlagzähigkeit unter Null (typischerweise ≥27 J bei −40 °C) wird zur verbindlichen Spezifikation. In diesen Fällen werden nickellegierte Güten wie 34CrNiMo6 oder normalisierte Feinkornbaustähle gegenüber Standard-Chrom-Molybdän-Stählen bevorzugt.

Hauptunterschiede zwischen Pitchring und Gierring-Schmiedeteile

Obwohl beide Komponenten dem gleichen Kernschmiedeweg folgen, weichen ihre Designanforderungen in der Praxis erheblich voneinander ab:

• Menge pro Turbine: Es kommt eine Dreiblattturbine zum Einsatz drei Pitchringe (eine pro Klinge), aber nur ein Gierring .
• Verzahnung: Gierringe sind fast immer vorhanden innen oder außen verzahnt (gefräster Zahnkranz), angetrieben durch mehrere Azimut-Antriebsmotoren. Pitchringe können je nach OEM-Spezifikation gezahnt sein oder eine Ritzel-Segment-Konstruktion verwenden.
• Zeichen laden: Erfahrung mit Pitchringen oszillierende, hochfrequente Mikrobewegungen da die Blattneigung während des Turbinenbetriebs kontinuierlich angepasst wird. Gierringe unterliegen langsamere Rotationen mit höherem Drehmoment bei der Verfolgung der Windrichtung.
• Anforderungen an die Laufbahnhärte: Pitchringe erfordern typischerweise induktionsgehärtete Laufbahnen ( 58–62 HRC ), um der Rollkontaktermüdung unter den hochzyklischen Mikrobewegungen zu widerstehen. Azimutringe erfordern oft eine etwas geringere Oberflächenhärte, erfordern aber eine höhere Biegeermüdungsbeständigkeit am Zahnfuß.
• Maßtoleranz: Bei beiden handelt es sich um Präzisionskomponenten, doch die Unrundheit des Azimutrings und die Genauigkeit der Zahnradteilung sind besonders kritisch, da sich Fehler direkt auf die Ausrichtung der Gondel und die Effizienz des Antriebssystems auswirken.

Qualitätsstandards und Zertifizierungsanforderungen

Pitch- und Yaw-Ring-Schmiedeteile für Windkraftanlagen unterliegen einigen der strengsten Qualitätsanforderungen in der Schmiedeindustrie. Beschaffungsspezifikationen beziehen sich in der Regel auf Folgendes oder stimmen mit Folgendem überein:

• EN 10228-3 / EN 10228-4 — Zerstörungsfreie Prüfung von Schmiedestücken aus Stahl (Ultraschall- und Magnetpulverprüfung)
• ASTM A388 — Ultraschalluntersuchung schwerer Stahlschmiedestücke
• ISO 6336 — Berechnung der Getriebetragfähigkeit (für Zahnringabschnitte)
• DNV-ST-0361 / GL-Richtlinien — Typzertifizierungsanforderungen für Lager und Strukturschmiedeteile von Windkraftanlagen
• IEC 61400-1 — Anforderungen an die Konstruktion von Windkraftanlagen, einschließlich der Ermüdungslebensdauer von Strukturkomponenten

In der Praxis ergänzen die meisten Tier-1-OEMs diese öffentlichen Standards durch eigene Lieferantenqualifizierungsaudits, Erstmusterprüfprotokolle und Anforderungen an die Materialrückverfolgbarkeit, die bis zur Stahlschmelzhitze zurückreichen. Zeugeninspektion durch Dritte durch Organisationen wie Bureau Veritas, TÜV oder SGS während des Schmiedens, der Wärmebehandlung und der Endbearbeitung sind bei großen Offshore-Turbinenverträgen üblich.

Trends, die Innovationen beim Schmieden von Pitch- und Yaw-Ringen vorantreiben

Da die Nennkapazität von Windkraftanlagen weiter zunimmt – und Offshore-Modelle übertreffen diese mittlerweile 15 MW pro Einheit — Schmiedeteile für Pitch- und Gierringe werden an neue Dimensions- und Leistungsgrenzen gebracht. Mehrere Entwicklungen verändern die Art und Weise, wie diese Komponenten entworfen und hergestellt werden:

• Größere Ringdurchmesser: Azimutringe für 12–15 MW-Plattformen können Außendurchmesser von erreichen 3.500–4.500 mm Dies erfordert Ringwalzwerke mit einer Kapazität von mehr als 500 Tonnen und spezielle Wärmebehandlungsöfen.
• Integrierte Lagerringausführungen: Einige Pitch-Systeme der nächsten Generation gehen in Richtung geschmiedeter Monoblock-Drehkranzkonstruktionen über, die Lagerlaufbahn, Zahnradzähne und Strukturflansch in einer einzigen geschmiedeten Komponente vereinen, wodurch Montageschnittstellen reduziert und die Ermüdungslebensdauer verbessert werden.
• Erweiterte Simulation: FEA-basierte Schmiedeprozesssimulation (z. B. mit DEFORM oder Simufact) wird zunehmend verwendet, um den Kornfluss zu optimieren, Schmiedefehler zu minimieren und Materialausschussraten vor dem ersten physischen Versuch zu reduzieren.
• Saubereres Stahlschmelzen: Vakuumentgasung (VD/VOD) und Elektroschlacke-Umschmelzung (ESR) werden immer häufiger spezifiziert, um einen Wasserstoffgehalt darunter zu erreichen 1,5 ppm und extrem niedrige Einschlusswerte, wodurch die Ermüdungslebensdauer bei Pitch-Anwendungen mit hohen Zyklen verlängert wird.
• Lokalisierung der Lieferkette: Da der Ausbau der Windenergie in Asien, Nordamerika und Europa immer schneller voranschreitet, qualifizieren OEMs regionale Schmiedelieferanten, um die Vorlaufzeiten und Logistikkosten für diese großen, schweren Komponenten zu reduzieren.