采用马氏体淬回火带钢制造的离合器盘片可保障风力涡轮机的动力传输稳定可靠

两千多年前，人们通过木材和布料制成的简易风力涡轮机来利用风力碾磨谷物或灌溉农田。今天，风力在利用可再生资源进行可持续发电的领域中仍发挥着重要作用。使用风力产生能量的技术已取得巨大进步，尤其是在2000年以后。现代风力涡轮机是由计算机控制的大型复杂发电系统，在世界各地的许多国家都有部署。按装机数量计算，中国、美国和德国领先全球，其后是印度和西班牙。

在过去二十年里，全球风电装机容量从24 GW增长到2021年的837 GW。目前风电只占全球电力需求的7%左右，但研究预测，到2030年这一比例或可增至20%。事实上，到2050年风电装机容量可增长至3000 GW，满足全球三分之一的能源需求。在太阳能之外，风电在低碳发电方面也扮演着重要角色，是未来气候中和世界的重要组成部分和成长市场。

为了进一步提升风电在气候中和能源结构中的比重，现代风力涡轮机的运行必须能承受高负载且高效、可靠。如需将一台风力涡轮机的能量输出从6 GW增加到最高10 GW，除了其他方面的改变，转子叶片尺寸的增加也是必须的。即使是目前转子叶片长约60米的涡轮机的传动系统，也必须传递高达50万牛顿米 (Nm) 的扭矩，这一输出相当于1500多辆现代中型汽车的输出。随着风力涡轮机的不断增大，对动力传输和发电部件的需求也将会增加，对所用钢材的需求也会随之增加。这正是威尔斯开发和制造定制设计高科技材料的原因——我们的高效电工硅钢片并不是风力涡轮机高性能发电机中唯一使用的材料。我们还为传动系统离合器中使用的离合器盘片提供具有特殊技术性能的马氏体淬回火带钢。

“作用在风力涡轮机驱动系统上的特殊载荷是由风速和风向的变化引起的，例如阵风引起的载荷，这些载荷会以不同的方式影响转子叶片。这些力意味着传动系统可能承受高达3°的相对运动，即动态不对中。因此，齿轮箱和发电机安装在了弹性阻尼器上，”威尔斯销售团队的Dennis Domaschk解释道。如果即使有阻尼器，轴不对中仍传递到了发电机，则可能造成严重损坏。考虑到维护或修理陆上和海上风力涡轮机的工作量和成本，我们开发了高性能钢离合器盘片，能够可靠地吸收这种运动，从而保护发电机。

来自材料技术部的Klaus Neumeyer解释道：“风力涡轮机的离合器每侧有四个叠片，组成一个菱形。厚度不一的多层叠片可以提供额外的轴向刚度。由钢盘片组成的菱形在其四角交替连接到齿轮箱或发电机轴和离合器轴上。”这就在联轴器的每侧形成了所谓的双万向悬架，用于补偿运行过程中齿轮箱和发电机之间的轴不对中。为此，所使用的钢材在抗拉强度和刚度方面必须达到最高标准。

除了这些特性，材料的平整度在叠片的生产和后续使用过程中也发挥着极为重要的作用。“得益于淬回火带钢的平整表面，钢盘片可以精确地相互堆叠。钢盘片的精确位置确保动力能够均匀传输且系统平稳运行，仅有微弱的振动。这也是确保涡轮机具有较长使用寿命的一个重要因素。”Klaus Neumeyer解释道。

“含铬和钒合金元素的亚共析钢（即低碳钢）所需的平整度需要特殊水平的工艺技术来实现，使用此类技术甚至可以制造厚度超过4毫米的大截面。”淬回火质量保证负责人Victor Blinov博士补充道。 使用传统的制造方法很难制造出具有如此大截面的淬回火带钢。而这正是威尔斯卓越的工艺技术可以发挥作用的领域。正如Blinov博士说的那样，“我们的与众不同之处在于，我们拥有世界上同类产品中最强大的连续淬回火炉，使我们能够精确地控制淬回火阶段的温度。结合我们的高精度轧制技术，我们可以对这种尺寸的钢材进行极为平整的轧制与淬回火，且无残余应力。”

正是对所有这些复杂性能——抗拉强度、延展性和平整度——的精确调整与结合，使得威尔斯的马氏体淬回火带钢成为风力涡轮机离合器盘片的理想材料。

威尔斯的材料在设计上始终着眼于实现最佳的工艺性能，从而为客户在其单独制造过程中提供经济优势。“例如我们的马氏体淬回火带钢能够使客户免于在设施中进行昂贵且耗时的工件淬火处理。鉴于所需的高平整度标准，我们的材料也可以避免因单个零件淬火而可能出现的变形，”销售专家Domaschk说道。

“为我们的客户解决具有挑战性的任务是我们的关键专业领域，”Neumeyer也表示，“这就是为什么我们还完美地定制了这种高性能材料，以满足风力发电行业的个性化需求。”

诸如此类的可持续材料概念也使我们更接近实现所设定的目标：系统地利用我们的材料专业技术和工艺知识，为未来的应用提供创新的材料解决方案，以支持能源转型。