О перспективах литья по газифицируемым моделям деталей для ветроэнергетики и применении для этого 3D-технологий.

Необходимость использования возобновляемых источников энергии определяется не только ограниченными запасами ископаемых топлив, но и требованиями к уменьшению выбросов в атмосферу парниковых газов, влияющих на тепловой баланс планеты. Развитие энергетики оказывает решающее влияние на состояние экономики в государстве и уровень жизни населения. Целью социального государства, которой в соответствии с Конституцией является Украина, должно быть обеспечение условий для роста благосостояния граждан. Одной из важнейших составляющих благосостояния в цивилизованных государствах является обеспечение граждан и компаний необходимыми энергоресурсами. Залогом реализации этой цели должно стать надежное, экономически обоснованное и экологически безопасное удовлетворение потребностей населения и экономики в энергетических продуктах [1].

В Украине недостаточно энергоресурсов, что требует проводить ежегодную их закупку в значительном объеме, как для нужд промышленности, так и населения. Поэтому развитие возобновляемой энергетики в Украине является актуальной задачей промышленного масштаба. Целесообразность использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) определяется прежде всего их экономической эффективностью и конкурентоспособностью по сравнению с традиционными энергетическими технологиями [2], что объясняется неисчерпаемостью ВИЭ, отсутствием потребности в транспортировке, экологичностью, поскольку они не загрязняют окружающую среду и уменьшают угрозу вредного парникового эффекта.

В настоящее время доля возобновляемых источников энергии в общем в мировом энергопотреблении составляет около 16,7% [2]. В 2019 ветер стал крупнейшим источником возобновляемой энергии в США, обогнав при этом гидроэнергетику (https://www.cnbc.com/). По информации Reuters, на немецком рынке 2018 возобновляемые источники энергии опередили уголь в качестве главного ресурса электроэнергетики страны: впервые в указанном году на ВИЭ пришлось более 40% в этом сегменте, а на 2019 установленная мощность ветроэнергетики ФРГ (наземной и оффшорной) составила почти 61,5 ГВт (рис. 1). Также по данным сайта energy-charts.de, который принадлежит Институту солнечных энергетических систем (Fraunhofer ISE), за 17-23 февраля 2020 г. ветроэнергетика произвела около 55% электричества в ФРГ, чему способствовала ветреная погода. Речь идет о «нетто-произведенной» электроэнергии, потребление электроэнергии на самых электростанциях и производство электричества на промышленных предприятиях для собственных нужд не учитывалось.

Рис. 1. Установленная мощность ветровых электростанций в странах мира (ГВт).

На территории Украины сейчас действует ряд ветровых (ВЭС) и солнечных (СЭС) электростанций, общая мощность которых не превышает 8% мощности действующих электростанций, поставляющих электроэнергию объединенной энергетической системе (ОЭС) Украины [2]. За последние два года прирост мощности новых ветровых и солнечных станций увеличился в семь раз, а в 2035, согласно Энергетической стратегии Украины, доля производимой ими электроэнергии должна составить 25% от общего количества электроэнергии в стране [2].

Анализ информации о действующих в Украине ВЭС показал, что большинство из них построено в Николаевской, Херсонской и Запорожской областях. Наиболее мощная Ботиевскую ВЭС (200 МВт) построена в 2012 г. в поселке Ботиево Приазовского района. Эксплуатация этой ВЭС в течение 20 лет сможет дать экономию 34,8 млн. т угля, а каждый год работы станции снизит вредные выбросы СО₂ примерно на 730 тыс. т. На Ботиевской станции используется 65 турбин датской компании VESTAS. Высота башни одного ветряка составляет 94 м, а общая высота конструкции - 149 м [2]. В декабре 2018 подписан договор с компанией VESTAS о строительстве Орловской ВЭС в Запорожской обл. Ее ветропарк будет составлять 26 турбин мощностью 3,8 МВт каждая, а количество электроэнергии, которая будет производиться этой ВЭС позволит обеспечить потребности 200 тыс. домохозяйств области. Генерация Орловской ВЭС позволит сократить выбросы СО₂ по сравнению с действующими электростанциями ~ на 400 тыс. т в год [2].

В конструкциях ВЭС применяют довольно крупные корпусные литые детали, поэтому заказы на такие отливки для ВЭС распространились среди предприятий Европы. Потребность в этих отливках только для сборочных заводов Германии достигает по стоимости нескольких млрд. евро в год [3]. Производство данных отливок пока медленно осваивается в Украине и странах постсоветского пространства на современном техническом уровне. Корпусные отливки для ВЭС нередко являются тяжелыми и объемными, поэтому на ряде заводов их изготавливают в формах с холодно-затвердевает смесей - по ХТС-процессу (рис. 2) [3, 4]. Развитие спроса актуализирует вопрос выбора подходящих для такого литья технологий, а литейным заводам с приемлемыми для этого технологиями гарантируется стабильное увеличение заказов в связи с ростом производства ВЭС.

Рис. 2. Типовые металлические отливки для ВЭС [3, 4], очертания многих из них показаны на рис. 3, 4.

В Физико-технологическом институте металлов и сплавов НАН Украины отработано под руководством проф. Шинского О.И. технологию литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) корпусных отливок такого плана, краткому анализу ЛГМ-процесса с перечнем его примеров и преимуществ посвящена данная статья. Для демонстрации литых конструкций в составе гондолы ВЭС их показано на схеме (рис. 3), где составляющие из литых заготовок подчеркнуто сплошной линией, а названия агрегатов, имеющих в своем составе литые детали, подчеркнуто пунктиром. Также отливки в составе редуктора показано на рис. 4.

            Рис. 3. Схема гондолы с указанием деталей из литых заготовок и агрегатов, имеющих в своем составе литые детали.

Рис. 4. Схема литых деталей в составе редуктора, установленного в гондоле ветряка [4].

Пенополистирольные модели, согласно ЛГМ-процесса, для крупных отливок (конструкций, как на рис. 2, 4) мелких и средних серий изготавливают, как правило, на фрезерных станках с ЧПУ, называемых также 3D-фрезерами (рис. 5, верхний ряд), или по шаблонам, вырезая составляющие модели на специальных столах нагретой нихромовой проволокой [5, 6] (рис. 5, два нижних ряда). На рис. 6 показаны типичные литые детали механического редуктора и гидросистемы, указанные на схеме в составе конструкции гондолы (рис. 3)

Рис. 5. Изготовление литейных пенополистирольных моделей для крупных отливок.

Рис. 6. Примеры типовых разовых моделей и литых деталей редуктора и гидросистемы.

Себестоимость отливок по ЛГМ-процессу дешевле чем для литья по ХТС-процессу, особенно на основе формовочных песчаных ХТС с органическими смолами в качестве связующего. Институтом ФТИМС НАНУ также отработаны литья крупных заготовок (до 6 тонн) по газифицируемым моделям в песчаные опочные формы из наливных песчано-жидкостекольных холодно-затвердеющих смесей [6]. Вообще, процесс литья металла в формы из ХТС по газифицируемым моделям носит название «Full-mold casting».

На рис. 7 показаны примеры литья лопастей для турбин и вентиляторов, а на рис. 8 - литые лопасти для ВЭС. Последние имеют относительно большую длину и требуют применения литейных сплавов высокой жидкотекучести, в частности, эвтектических сплавов системы Al-Si. Для производства таких крупногабаритных и часто тонкостенных отливок перспективно применение, как опыта литья под давлением в металлических формах [7], литья с изостатическим прессованием в песчаных формах по ЛГМ-процессу [8], литья с кристаллизацией металла под давлением в таких же формах [9], так и оптимальной комбинации полезных свойств этих технологий для такого специфичного литья.

Рис. 7. Примеры литых лопастей для турбин и вентиляторов.

Рис. 8. Литые лопасти для ветрогенераторов.

Разновидности ЛГМ-процесса, как никакие другие способы литья в песчаные формы, позволяют:

- применять литниковую систему (фигурной плавной конфигурации с учетом законов гидравлики) со ступенчатым питанием расплава металла вдоль всей отливки тонкостенной лопасти;

- делать промывочные и вентиляционные выпоры и питающие прибыли, в том числе с выводом их на поверхность контрлада формы;

- выполнять сквозные вентиляционные каналы вдоль тела пенополистирольной модели лопасти и создавать в этих каналах газовое разрежение для реализации эффекта вакуумного всасывания расплава металла, заливаемого в вакуумируемую песчаную форму;

- обеспечивать оптимальное позиционирование разовой модели в песчаной форме для заполнения такой формы металлом и направленного его затвердевания;

- быстро изготавливать сложнофасонные модели в автоматическом режиме на 3D-фрезерах, а также, при необходимости, модели пресс-форм для серийного литья благодаря исключительно легкой механической обработке пенополистирола [5, 10].

Напомним общую схему этапов производства моделей на 3D-фрезерах [10]. Строится объемная модель детали в трехмерной CAD-системе (SolidWorks, Компас 3D, CATIA, Autodesk Inventor и т.п.). Объемная модель при необходимости разбивается на более простые фрагменты, которые технологически возможно вырезать на станке фигурной 3D-резки пенопласта. Контуры фрагментов компонуются в размер пенополистирольной заготовки и готовятся файлы управляющих программ. Выполняется резка на станке с ЧПУ (3D-фрезере) в автоматическом режиме и, при необходимости, ручная доработка деталей. На последнем этапе - сборка или монтаж фрагментов в единую пенополистирольную модель.

Качественные отливки играют значительную, если не основную, роль в производстве ветряных модулей. Именно литые конструкции служат для силовой передачи энергии ветра от лопастей несущего винта к генератору. Такие отливки ветроэнергетической группы, как станина, корпус несущего винта, цапфа оси, опора несущего винта, а также три поворотных переходника лопастей на подшипниках могут быть общей массой более 6 тонн и, как правило, льются из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, способного выдержать значительные нагрузки [3]. Толщина стенок крупных отливок составляет 16-30 мм.

Отливки для ветровых электростанций, а также для другого оборудования возобновляемой энергетики имеют убедительную перспективу для изготовления в отечественных литейных цехах. Освоение производства таких отливок требует наличия современного технического уровня литейных предприятий, что обеспечивает ЛГМ-процесс, способствующий удешевлению программы развития ветроэнергетики по сравнению с литьем в формы из ХТС. Активное развитие спроса на такие отливки, вызванное строительством ветровых электростанций в мире и Украине, при дальнейшем росте гарантирует литейным заводам увеличение заказов на выпуск такого литья. Уже сейчас Украина способна осваивать и развивать новые литейные технологии и удивлять мир производством инновационных ветровых электростанций на пути выхода в международном разделении труда из зоны позиционирования как «сырьевая периферия» к позициям производителя оборудования с высокой добавленной стоимостью.

По последним данным [11], 3D-технологии перспективно применять не только к изготовлению литейных моделей, но и в качестве аддитивного 3D-печатания бетонных башен для ветровых турбин. Традиционно башни ВЭС строятся из стали или сборного железобетона. Это ограничивает их высоту до 100 метров, поскольку ширина основания не может превышать диаметр 4,5 метра, что позволяет перевозить его автомобильным транспортом без чрезмерных дополнительных затрат на логистику. Теперь три компании: GE Renewable Energy, COBOD и LafargeHolcim объявили о сотрудничестве для совместной разработки метода строительства по месту эксплуатации оптимизированных 3D-печатных бетонных башен, который позволит эффективнее использовать энергию ветра при достижении башен высоты до 200 метров [11].

Эти компании-партнеры на протяжении нескольких лет планируют разработать инновационную технологию 3D-печати, которая не только увеличит производство ввозобновляемой энергии, но снизит затраты на ее производство (LCOE) и строительство ВЭС. Согласно трехстороннему проекту, для выпуска в конечном итоге прототипа ветровой турбины с печатным основанием, готового к использованию 3D-принтера и ассортимента материалов для 3D-печати GE Renewable Energy предоставит экспертные знания, связанные с проектированием и производством турбин, COBOD поделится своим опытом в области робототехники и автоматизации 3D-печати, а LafargeHolcim разработает специальный бетонный материал для башни турбины. Первый прототип, 10-метровый башенный постамент, уже успешно напечатан усилиями трех компаний в октябре 2019 года в Копенгагене [11]. Такая аддитивная технология послойной печати бетонной башни аналогична все шире применяемому процессу 3D-печати песчаных литейных форм и стержней [12].

Литература

1. Енергетична стратегія України на період до 2030 р. Схвалено розпорядженням Кабінету Міністрів України від 24.07.2013 № 1071.

Аналіз стану та тенденції розвитку відновлюваної енергетики в Україні / О. Ю. Козлоков, В. М.

2. Голощапов, О. В. Котульська, Т. М. Парамонова // Bulletin of the National Technical University "KhPI". Ser.: Hydraulic machines and hydraulic units. – 2019. - № 2. – С. 117-120.
3. Веревкин А.Г., Ромашов К.Н. Производство крупных чугунных отливок для ветряных электростанций на оборудовании фирмы FAT по ХТС-процессу на заводе Meuselwitz Guss, Германия // Литейщик России. – 2008. - №9. С. 41-47.
4. Григорьева Е. В. Производство крупных отливок для энергосиловых установок на оборудовании фирмы FAT, Германия по ХТС – процессу // Литье Украины. - 2015. - №3. - С. 10-15. 
5. Дорошенко В.С., Бердыев К. Х. Современные способы изготовления литейных моделей из пенопластов // Оборудование и инструмент для профессионалов. - 2010. - №5. - С. 80- 82, №6.-С. 90-92.
6. Дорошенко В.С., Болюх В.А. Получение крупных стальных отливок по газифицируемым моделям с использованием наливной формовки // Тяжелое машиностроение. - 2010. - №10. - С. 16-20.
7. Дорошенко В.С., Шейко Н.И. Литье под низким давлением крупно-габаритных гидроплотных деталей // Литейное производство. - 1990. - №6. - С. 13-14.
8. Дорошенко В.С. Автоматизация изостатического прессования затвердевающей отливки при литье по газифицируемым моделям // Процессы литья – 2016. - №1. – С. 33 - 37.
9. Шинский О. И., Дорошенко В.С. Варианты использования на роторно-конвейерных линиях способов литья с кристаллизацией металла под давлением // Процессы литья. – 2019. - № 6. – С. 24 - 37.
10. Дорошенко В.С., Шинский И. О. 3D-технологии при литье по газифицируемым моделям // Металл и литье Украины. – 2009. - № 4-5. – С. 30 – 33.
11. Chris Young. GE Co-Develop On-Site 3D Printing For World's Tallest Wind Turbines. 22.06.2020. URL: https://amp-interestingengineering-com.cdn.ampproject.org/c/s/amp.interestingengineering.com/ge-co-develop-on-site-3d-printing-for-worlds-tallest-wind-turbines
12. Бычковский Д. Н., Неткачев А. Г. Производство литейных форм методом послойной печати // Аддитивные технологии. – 2018. - № 4. – С. 16 - 20.

Аннотация. Украина обладает недостаточными энергоресурсами, что требует проводить ежегодную их закупку в значительном объеме, как для нужд промышленности, так и населения. Поэтому развитие возобновляемой энергетики в Украине является актуальной задачей промышленного масштаба. В конструкциях ветровых электростанций применяют довольно крупные корпусные литые детали, заказы на которые распространились среди предприятий Европы. Производство данных отливок пока медленно осваивается в Украине и постсоветском пространстве на современном техническом уровне. Активное развитие спроса актуализирует вопрос выбора подходящих для подобного литья технологий, а литейным заводам с такими технологиями гарантируется стабильное увеличение заказов на изготовление отливок для ветровых электростанций. В Физико-технологическом институте металлов и сплавов НАН Украины отработана технология литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) корпусных отливок такого плана, чему и посвящена данная статья с перечнем вариантов и кратким анализом такого ЛГМ-процесса, которому присущ ряд преимуществ благодаря применению вакуума в песчаных формах, обводной литниковой системы фигурной конфигурации моделированием по пенополистиролу, варьированию расположения модели в форме из сыпучего песка, использование 3D-технологий для производства моделей и т. п. Отливки для ветровых электростанций и другого оборудования возобновляемой энергетики имеют убедительную перспективу для изготовления в отечественных литейных цехах наиболее экономичным для такого литья способом ЛГМ. Активное развитие спроса на такие отливки вызвано строительством ветровых электростанций в мире и Украине, что при дальнейшем росте гарантирует литейным заводам увеличение заказов на изготовление такого литья. Уже сейчас Украина способна осваивать и развивать новые литейные технологии для производства инновационных ветровых электростанций на пути достижения позиций производителя оборудования с высокой добавленной стоимостью.

Ключевые слова: ветровые электростанции, 3D-технологи, отливки, литые конструкции, литье по газифицируемыv моделям, пенополистирольные модели, лопасти.

Дорошенко Володимир Степанович / Дорошенко Владимир Степанович / Doroshenko Vladimir Stepanovich doro55v@gmail.com

Вчений ступінь: доктор технічних наук / доктор технических наук / doctor of Engineering Sciences. https://orcid.org/0000-0002-0070-5663

Вчене звання: старший науковий співробітник/ старший научный сотрудник/ Senior  research officer

Посада: старший науковий співробітник/ старший научный сотрудник/ Senior  research officer

Відділ фізико-хімії ливарних процесів / Отдел физико-химии литейных процессов / Department of Physics and Chemistry of Casting Processes

Місце роботи: Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України /Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины / Physico-technological institute of metals and alloys National academy of sciences of Ukraine

«Литьё Украины», 2020, № 87, с.19-26