Büyülü Rüzgar Türbini için İhtiyacı

Rüzgar enerjisi dünya çapında en hızlı büyüyen yenilenebilir kaynaklardan biridir, 900 GW'yi aşan küresel yüklü kapasite ile.Asyalar daha büyük büyür ve şimdiye kadar deniz, mekanik ve çevresel stresler, bileşenler konsantre, rotor milleri, yatakları ve bıçakları, sürekli titreşimlere, yüksek torklara, sert tuzun, yüksek sıcaklık sıcaklıkları azaltılırken, demir çelik ve demir gibi geleneksel malzemelere sahiptir, başlangıçta sık sık bakım ve yedek gerektirir.

Titanyum alaşımları kritik rüzgar türbinleri parçaları için lider bir aday olarak ortaya çıktı. Yüksek özel güç, olağanüstü korozyon direnci ve mükemmel yorgunluk özellikleri ile, her iki onshore ve offshore yüklemelerinde de uzun süren meydan okumayı çözmeye yardımcı oluyorlar.Bu makale, titanyum alaşımlarının arkasındaki bilimi inceler ve rüzgar türbinlerinde pratik uygulamaları inceler.

Neden Titanyum Alaşımlar Rüzgar Türbinleri için idealdir

Titanyum alaşımları endüstrileri talep etmek için yeni değildir - uzun zamandır havacılık, deniz ve kimyasal işlemede kullanılırlar. rüzgar enerjisindeki kabulleri bu alanlarda vazgeçilmez hale getiren aynı temel niteliklere sahiptir.

Dışsal Kuvvet-Weight Orantılı

Modern rüzgar türbinleri uzunluğu 100 metreyi aşabilir ve rotor milleri ve muazzam torklarını transfer eden dişliler hem güçlü hem de ışık olmalıdır. Ti-6Al-4V (Grade 5) tüm sürücüye karşı yorgunluk gücü sunarken, sadece% 60'ı eşdeğer güç çelik kadar ağırlık azaltılır. Bu ağırlık azaltıcısı, konutlar ve eğimli yükler, konutlar ve kule yapıları, ki tüm sürücülükleri, daha düşük yorgunluklar ve yüksek çözünürlükte olan kule yapıları.

Işık bileşenleri ayrıca deniz ortamlarında yükleme ve değiştirmeyi basitleştirir, vinçlerin pahalı ve hava pencereleri dardır.Aklı deniz türbinleri için her kilogram üst sıradaki kitlede kaydedilen platform istikrarını azaltır ve mooring gereklilikleri azaltır.

Üstün korozyon Direnişi

Offshore rüzgar türbinleri Dünyadaki en koreatif ortamlardan birinde çalışır: tuz-laden hava, sürekli nem ve deniz spreyinden gelen periyodik immersion, çelik bileşenleri bile ağır kaplamalar, katodik koruma sistemleri ve titiz bakım.

Bu doğal geçiş, dış korozyon koruma sistemleri için titanyum parçalara ihtiyaç duyar. Sonuç sadece daha uzun hizmet hayatı değil, aynı zamanda kaplamalardan daha az denetim aralığı ve daha düşük kimyasal atıklar.In onshore Türbins yakın kıyı alanları veya ankete dayalı endüstriyel bölgeler, aynı korozyon direnci bakım için nadiren erişilebilir olan nacelle bileşenlerinin hayatını genişletmektedir.

Üstün Fatigue Performansı

Rüzgar türbinleri, 20 ila 30 yıllık tasarım hayatına 20-60 arasında milyonlarca yük döngüsü deneyimliyor. Fatigue çatlakları tekrarlanan stres altında, özellikle de kaynaklı eklemlerde ve stres konsantrasyonu bölgelerinde yoğunlaşıyor.

Dahası, titanyumun daha düşük elastikiyet modu (yaklaşık yarısı çelik) bileşenleri biraz yük altında tutmalarına izin verir, stresin daha fazla eşit ve zirve stres değerlerini azaltır. Bu “harlık” kenardan yük, daha fazla geliştirme sistemi seviyesindeki güvenilirlik gibi bitişik parçaları koruyabilir.

Geniş Sıcaklık Toksu

Rüzgar türbinleri nacelller iç sürtünme ve güneş radyasyonundan ısınabilir, bıçak konektörleri ve dış bağlantıcılar kışın fırtınalar sırasında subzero sıcaklıklarla karşılaşabilirler. Titanyum alaşımları, Arctic bölgelerinde veya çöl rüzgar çiftliklerinde kullanılan türbinlere karşı kritik bir avantaj sağlar.

Rüzgar Türbinde Titanyum Alaşımlarının Uygulamaları

Üreticiler, titanyum alaşımlarını bu özellikleri sermayelemek için birkaç anahtar alt sistemlere entegre ediyor.Çelik veya alüminyumdan daha pahalı olsa da, mülkiyet maliyeti genellikle belirli yüksek hacimli, sert ulaşılan yerlerde kullanımını tercih ediyor.

Çekilişleri

Bir rüzgar türbinindeki en başarısız alt sistem genellikle, Ti-6Al-4V veya Ti-6 gibi yeni bir alaşım için muhasebe. (Ti-10V2Fe3Al (Ti-10V222) devirli kütleyi, yataklarını ve konutları ile ilgili güçleri azaltmalıdır.

Az önce yüklenen ağırlık, daha yüksek güç yoğunluğu ile tasarlanabilir - aynı fiziksel zarfla daha fazla güç - kule en üst kütlenin doğrudan temel maliyetleri etkilediği açık deniz türbinleri için özellikle değerlidir. Çeşitli rüzgar türbinleri, motorların saha denemeleri, daha düşük titreşim seviyelerini ve daha uzun dişli ömrü yüksek ton altında test edilmiş.

Rotor Shafts

Rotor mil, perdeyi doğrudan sürücü tasarımlarında bağlar.) Çevrimdışı bükmeye ve torsion'a karşı koymak gerekir, ki bu da iletken sistemlerdeki ölü yükü azaltır.

Büyük deniz türbinleri için (10 MW ve yukarıda), bir titanyum rotor mili 40-50% çelik eşdeğerden daha hafif olabilir.Bu tasarruf kalibreleri tüm yapısal destek sistemi aracılığıyla - bir sonraki nesil platformları için araştırmalı titanyum milleri vardır.

Taşlar ve Hublar

Titanyum, kafesler, yuvarlanıcı elementler ve her iki ana yatakta yarışlar ve perde / dikteler için giderek daha fazla kullanılır.Demirlik, çelik-çevreli yükleri altında bile hassas bağlantılarını korur.

Bıçakları mile bağlayan rotor merkezi, aynı zamanda titanyum. Hub ağırlık azaltımı, perde sisteminin yorulma ömrünü geliştirir ve büyük değişiklikler olmadan mevcut kulelere monte edilmesine izin verir. Bazı prototipler titanyum merkez ekler veya hibrit çelik-titanyum hublar kullandı.

Bıçaklar ve Hızlıcılar

Bıçak tutma sistemleri yüksek güçlü cıvatalara güveniyor ve Ti-15V-3Cr-3Sn-3, yüksek güç ( 1200 MPa) mükemmel korozyon direnci ile kontrol etmek ve değiştirilmesi zor.Bu tür metaller, özellikle de yüksek çelik cıvatalardan kaynaklanan alaşımları deniz ortamlarında ortadan kaldırabileceklerdir.

Bıçak konektör plakaları, genellikle çelik veya döküm demirden yapılmış, birkaç yüksek performanslı tasarımda titanyum tarafından değiştirildi. bıçak kökünde kilo tasarrufu - yüksek stresli bir bölge - bıçak tasarımcıları daha uzun süre aerodinamik kabuk optimize etmek için.

Diğer Gelişen Uygulama Uygulamaları

Titanyum alaşımları aynı zamanda hidrolik küvetleme, ısı değiştiricileri ( soğutma makinesi yağı için), ve nacelle içindeki yapısal parasal para birimlerinde - lazer toz yatak füzyon veya elektron kirişi ile üretilen - daha önce hiç de metalik toz parçaları dökmek veya makinede mümkün olan karmaşık geometriler. örnekler, tok kolları ve lattice-yapılı kütleli sertliği en üst düzeye çıkarmak için betonlar içeriyor.

Titanyum alaşımlarını Kullanımının Faydaları

titanyum avantajları, daha geniş ekonomik ve operasyonel kazanımlara daha fazla bileşen seviyesindeki performansın ötesine uzanır.

Genişletilmiş Servis Yaşam ve Bakım Azaltın

Pilot projelerden alan verileri, titanyum dişlilerinin ve millerin, geleneksel çelik parçalara kıyasla zaman ayırabileceği anlamına gelir.For offshore türbinleri için, tek bir şanzıman yedekinin 500,000 $ 1 milyona mal olabileceği (köprü, teknisyen saatleri ve kayıp kuşaklar dahil), başarısızlık oranlarındaki azalma doğrudan ömür boyu işletim masraflarına karşılık verir.

Korozyonla ilgili başarısızlıklar neredeyse titanyum yüzeylerde ortadan kaldırıldı, bu yüzden denetimler daha da uzayılabilir. Çeşitli operatörler beş yıl sonra titanyum bağlantılarında sıfır korozyona dayalı düşüşler bildirdi.

Gelişmiş Güvenlik ve Risk Mession

Bir rotor mil veya bıçak bağlantısının Catastrophic başarısızlığı, çelikten daha yavaş atabilir ve rutin denetimler sırasında tespit etmek için uzun süre boyunca kablolar verebilir.

Geliştirilmiş Enerji Yakası ve Verimliliği

Heavier sürücütrains, sistemin dinamik yanıtını geliştirir ve bir lull'i hızlandırmaya ve bir tür geçici süre boyunca enerji tasarrufuna izin verir. Işıker titanyum dönen parçalar, sistemin dinamik yanıtını geliştirir, rotorun bir lull'u daha hızlı bir şekilde almasını sağlar ve bir türbin ömrü boyunca, bu küçük verimlilik kazanımları yıllık enerji üretimine kadar ölçülebilir artışlar sağlayabilir (AEP).

Düşük Seviyeli Enerji Maliyeti (LCOE)

titanyum bileşenleri daha fazla ön planda maliyetle daha fazla maliyetle -tipik olarak 3-5 kez çelik per-kömünogram temelinde - yüksek bakımda titanyumun lehine genellikle ipuçları kullanarak, 6 yıllık bir süre boyunca, yüksek miktardaki yüksek miktardaki yüksek miktardaki betonlu şanzımanlı makineli bileşenler kullanılarak, yüksek oranda yüksek maliyetle yüksek maliyetle yüksek oranda yüksek oranda düşük maliyetle yüksek oranda % 2-5% arasında bir araya gelebilir.

titanyum toz üretimi ve katkı üretimi ölçeklendikçe, çelik ile maliyet boşluğu daralmaya devam ediyor. Bazı analistler, titanyum alaşım bileşenlerinin on yıl içinde yüksek hacimli çelik ile pariteye ulaşabileceğini proje.

Üretim ve Maliyetleri

Titanyum alaşımları benimseme, üretim süreçlerinin dikkatli bir şekilde değerlendirilmesini, tedarik zinciri güvenilirliğini ve belirli yükleme koşullarını tasarlamayı gerektirir.

Malzeme Seçme ve Maliyet Sürücüleri

En yaygın kullanılan titanyum alaşımı rüzgar türbinlerinde -Ti-6-Al4V - bar, plakada mevcut ve betonarme bileşenleri için yakın olan maliyet, yüksek maliyetli Kroll ekstraksiyon işlemi ve gerekli elektrik vakum eritme işlemi tarafından yönlendirilir. ancak, titanyum toz üretimindeki gelişmeler (örneğin Armstrong süreci) ve geri dönüşüm yöntemleri ham malzeme maliyetlerini azaltır.

Katkı İmalat Fırsatları

3D, titanyum toz ile baskı, mühendislerin karmaşık, topoloji-opted parçaları üretmek için gerekli olan parçaları ancak yük gereksinimleri karşılamak için gerekli olan malzemeyi kullanarak baskı yapabilmelerini sağlar. Örneğin, bir titanyum jeneratörü, stresi takip eden ve kuvvet geliştirmek amacıyla baskılanabilir.

Ek olarak, hızlı prototipleme ve düşük hacimli üretim, özel Türlü konfigürasyonlar için ideal olan veya mevcut filolar için talep edilen yedek parçalar üretmek için de sağlar.

Titanyum için tasarım

Mevcut bir tasarımda çelik için basit bir şekilde betonun altoptimal sonuçlarını sık sık sık verir. Mühendisler titanyumun daha düşük moduluslarını ve daha yüksek gücü kullanmak için yeniden tasarlanmalıdır. Örneğin, titanyum mil hala torsional gereklilikleri karşılamaktayken, titanyum parçaları tanıtmak için değişiklikler gerektirebilir ve azaltılabilir. Finite element analizi (FEA) ve multibody simülasyonlar titanyum parçaları tanıtırken tüm sürücüyü optimize etmek önemlidir.

Yüzey tedavisi, atış peçete veya derin yuvarlanma gibi, titanyumun yorgunluk direncini daha da artırabilir. Kaplamalar genellikle gereksizdir, ancak anodize (Type II veya III) korozyon performansı olmadan temas yüzeylerde ek aşınma direnci sağlayabilir.

Rüzgar türbinlerinde titanyum alaşımlarının daha geniş kullanımı için birkaç umut verici gelişme noktası.

Yeni Alaşım Kompozisyonları

Araştırmacılar, yüksek güç ve daha iyi soğuk-formability gibi pahalı alaşım elemanlarının miktarını azaltırken daha düşük maliyetli titanyum alaşımları geliştiriyorlar (Grade 6) ve Ti-3Al-2.5V (Grade 9) zaten yapısal uygulamalar için değerlendiriliyor. Beta-titanyum alaşımları daha yüksek güç ve daha iyi soğuk-formability gibi en sonunda çelik cıvataları ve ilkbaharları değiştirebiliyor.

Hybrid Metal Designs

Diğer malzemelerle titanyumu birleştirmek maliyet ve performansı optimize edebilir. Örneğin, bir rotor mil, bir titanyum tüpüne kaynaklı bir çelik merkezden veya bir kablo parçasının diğer yerlerde çelik tutmakta olan titanyum ekleri kullanabilir.Taraktlı ve-stira kaynaklı eklemler güvenilir dissimilar-metal arayüzler üretmek için incelenebilir.

Geri dönüşüm ve genel ekonomi

Titanyum, kaliteli kaybı olmadan% 100 recyclable ve rüzgar türbini bileşenleri öngörülebilir bir son derece yaşam süresine sahiptir.Rezervasyonlu tür kuruluşlar tarafından titanyum parçalarının yaşam döngüsünü% 50 oranında azaltılabilir.Ü. Enerji Rüzgar Enerji Teknolojileri Ofisi[FLT]

Dijital Twin ve Tahminsel Bakım

Sensörlerle entegre edilen titanyum bileşenleri, gerçek zamanlı su, sıcaklık ve korozyon verileri dijital ikiz modellere besleyebilir. Makine öğrenme algoritmaları daha sonra gerekli olduğunda yararlı yaşam ve zamanlama bakımı tahmin edebilir. Birkaç rüzgar çift operatörleri zaten sensör destekli titanyum bağlantılarını IoT ağları aracılığıyla iletişim kurmak, koşul temelli bakım sağlar.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Titanyum alaşımları rüzgar türbini bileşenleri için çekici bir dizi özellik sunar: yüksek güç, ışık ağırlığı, korozyon direnci, yorgunluk dayanıklılık ve termal istikrar.Köpek malzeme maliyeti geleneksel çelikten daha yüksek olsa da, toplam mülk avantajları maliyeti - gelişmiş güvenlik ve LCOE - deniz uygulamaları talep etmek için daha cazip bir seçim yapmak.

Üretim teknolojileri olgun ve geri dönüşüm altyapısı büyüdükçe, titanyumun rüzgar enerjisindeki rolü genişleyecek. Bugün titanyum özellikli tasarımlara yatırım yapan mühendisler ve operatörler, küresel enerji geçişi hızlandırmak için gerekli olan güvenilirliği ve hedefleri karşılamak için daha iyi konumlandırılmıştır. Sonuç, rüzgar türbinleri, on yıllardır sadece temiz gücü olmayan ancak daha az kesinti ve daha düşük yaşam döngüsü maliyetleriyle bunu yapacak.