專利名稱：用于風力渦輪發(fā)電機的軸和組裝風力渦輪發(fā)電機的方法
技術領域：
本文所描述的主題主要涉及風力渦輪發(fā)電機，并且更具體地涉及一種用于幫助組 裝風力渦輪發(fā)電機的方法和軸。
背景技術：
至少一些公知的風力渦輪發(fā)電機包括具有多個葉片的轉子。轉子往往聯(lián)接到定位 在基座(例如，桁架或管狀塔架)頂上的殼體或機艙上。至少一些公知的公用級風力渦輪 機(即，設計成用以向公用電網(wǎng)提供電力的風力渦輪機)具有帶預定形狀和尺寸的轉子葉 片。轉子葉片將機械性的風能轉變成所引起的葉片升力，葉片升力進而產(chǎn)生機械轉矩，該機 械轉矩經(jīng)由轉子軸驅動一個或多個發(fā)電機，隨后產(chǎn)生電力。發(fā)電機往往但并非總是通過齒 輪箱可旋轉地聯(lián)接到轉子軸上。齒輪箱將轉子軸的固有低轉速逐步升高來用于發(fā)電機，以 將旋轉機械能有效地轉換成將饋入公用電網(wǎng)中的電能。還存在無齒輪的直接驅動式風力渦 輪發(fā)電機。在組裝這些公知的風力渦輪發(fā)電機期間，轉子軸由加工成最終尺寸和公差的高強 度鋼合金的單個鍛件形成。這些合金通常為轉子軸的主要材料組成(makeup)，且包括昂貴 的材料，如鉻(Cr)和鎳(Ni)。在鋼中有如此高百分比的合金含量有助于在制造工藝中的 淬火工作期間使所有轉子軸材料形成均質(zhì)的性能。這些性能包括分布在整個轉子軸上的足 夠的拉伸強度，由此整個轉子軸便可承受預期的負載和應力，且從而避免形成易受高應力 的可能的有害影響的較弱區(qū)域。許多公知的轉子軸的重量超過8公制噸(8000千克(kg)) (7. 26美制噸或17’ 600磅(Ib))。因此，這些合金材料的使用趨于顯著地增加轉子軸的制 造成本。如上文所述，許多公知的風力渦輪機轉子軸具有大致均質(zhì)的強度性能。此外，這些 公知的轉子軸在工作時通常會在轉子軸前部附近的區(qū)域經(jīng)受高應力和在轉子軸后部中的 區(qū)域經(jīng)受很低的應力。轉子軸中應力較高的區(qū)域要求用于制造轉子軸的材料具有適當較高 的諸如拉伸強度的機械性能。轉子軸中應力較低的區(qū)域不需要較高的諸如拉伸強度的機械 性能。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，提供了一種組裝風力渦輪發(fā)電機的方法。組裝風力渦輪發(fā)電機的方 法包括用具有第一強度性能值的第一鋼合金來制造軸的第一部分。該方法還包括用具有第 二強度性能值的第二鋼合金來制造軸的第二部分。第一強度性能值大于第二強度性能值。 該方法還包括將軸的第二部分焊接到軸的第一部分上。在另一方面，提供了一種風力渦輪機轉子。該轉子包括用具有第一強度性能值的 第一鋼合金制成的軸的第一部分。該轉子還包括用具有第二強度性能值的第二鋼合金制成 的軸的第二部分。第一強度性能值大于第二強度性能值。軸的第二部分焊接到軸的第一部 分上。
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在又一個方面，提供了一種風力渦輪發(fā)電機。該風力渦輪發(fā)電機包括齒輪箱和發(fā) 電機中的至少一者。該風力渦輪發(fā)電機還包括包含有輪轂的轉子。該轉子還包括用具有第 一強度性能值的第一鋼合金制成的軸的第一部分。軸的第一部分聯(lián)接到輪轂上。該轉子還 包括用具有第二強度性能值的第二鋼合金制成的軸的第二部分。第一強度性能值大于第二 強度性能值。軸的第二部分聯(lián)接到軸的第一部分上以及聯(lián)接到齒輪箱和發(fā)電機中的至少一 者上。本文所述的方法和轉子軸通過在通常經(jīng)受較高應力和負載的轉子軸的前部中使 用強度較高、更為穩(wěn)健的鋼合金而有助于組裝風力渦輪發(fā)電機。相比之下，在通常經(jīng)受較 低的應力和負載的轉子軸的后部中使用強度較低、穩(wěn)健性較差的鋼合金。轉子軸的前部和 后部通過閃光焊、窄坡口(groove)鎢電極惰性氣體保護焊(GTAW)、氣體保護金屬極電弧焊 (GMAW)、藥芯焊絲電弧焊(FCAW)、激光束焊接、復合式(hybrid)激光束焊、電阻焊和摩擦焊 中的至少一種來焊接到彼此上。利用本文所述的方法來制造轉子軸的一個技術效果在于材 料成本較低。


圖1為示例性風力渦輪發(fā)電機的簡圖；圖2為可結合圖1中所示的風力渦輪發(fā)電機使用的機艙的截面簡圖；圖3為可結合圖1中所示的風力渦輪發(fā)電機使用的示例性轉子軸的簡圖；圖4為可用于制造圖3中所示的轉子軸的示例性閃光焊構造的簡圖；圖5為可用于制造圖3中所示的轉子軸的示例性電弧焊構造的簡圖；圖6為可用于制造圖3中所示的轉子軸的示例性電弧焊接部(weld)的一部分的 簡圖；圖7為可用于制造圖3中所示的轉子軸的備選電弧焊接部的一部分的簡圖；圖8為可用于制造圖3中所示的轉子軸的示例性激光焊構造的簡圖；圖9為可用于制造圖3中所示的轉子軸的示例性電阻焊構造的簡圖；圖10為可用于制造圖3中所示的轉子軸的示例性摩擦焊構造的簡圖；圖11為圍繞圖3中所示的轉子軸的至少一部分延伸的軸承的簡圖；圖12為圍繞圖3中所示的轉子軸的至少一部分延伸的兩個軸承的簡圖；圖13為可結合圖1中所示的風力渦輪發(fā)電機使用的備選轉子軸的簡圖；以及圖14為組裝風力渦輪發(fā)電機的示例性方法的流程圖。零件清單100風力渦輪發(fā)電機102 塔架104塔架支承表面106 機艙108 轉子110 輪轂112 葉片114旋轉軸線
116偏航軸線118槳距軸線120葉片根部122負載轉移區(qū)域124 風125葉片尖端部分126葉片表面區(qū)域130槳距驅動機構131槳距驅動馬達132發(fā)電機134轉子軸136齒輪箱138高速軸140聯(lián)接件142齒輪箱支承件144發(fā)電機支承件146偏航驅動機構148氣象桿150控制板152前支承軸承152'第二軸承154后支承軸承160轉子軸的第一部分162輪轂附接法蘭164輪轂附接緊固件通路166高應力區(qū)域168第一焊接面170轉子軸的第二部分172齒輪箱附接區(qū)域174第二焊接面176 槍鉆式孔(gun-drilled bore)178軸向轉子軸中心線180焊接界面180'第一焊接界面180〃第二焊接界面190閃光焊構造192固定壓板(platen)裝置192'可旋轉壓板裝置194夾持裝置
195夾持力箭頭196焊接電源197多條電力導線198加速系統(tǒng)200示例性電弧焊接部201示例性電弧焊構造202每層為單焊層(pass)的焊道(bead)203 焊接坡 口210備選電弧焊接部212每層為雙焊層的焊道220示例性激光焊接構造222激光束裝置224激光束226出射激光束228金屬蒸氣等離子和熔融材料區(qū)域240示例性電阻焊構造242作用力裝置243作用力箭頭260示例性摩擦焊構造262自旋裝置270備選轉子軸300組裝風力渦輪發(fā)電機的示例性方法302制造第一部分...304制造第二部分...306將第二部分焊接到第一部分上...308將第一部分聯(lián)接到輪轂上310將第二部分聯(lián)接到至少一者...
具體實施例方式本文所述的方法和轉子軸通過在通常經(jīng)受較高應力和負載的轉子軸的前部中使 用強度較高、更為穩(wěn)健的鋼合金而有助于組裝風力渦輪發(fā)電機。相比之下，在通常經(jīng)受較低 的應力和負載的轉子軸的后部中使用強度較低、穩(wěn)健性較差的鋼合金。轉子軸的前部和后 部通過閃光焊、窄坡口鎢電極惰性氣體保護焊(GTAW)、氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)、藥 芯焊絲電弧焊(FCAW)、激光束焊接、復合式激光束焊接、電阻焊和摩擦焊中的至少一種來焊 接到彼此上。具體而言，由于需要較小的鍛造設備和較小的加工設備，以及各部分有單獨的 供應者，故制造轉子軸的兩個單獨的部分的技術效果提供了節(jié)省成本的機會。另外，具體而 言，在轉子軸的一部分上使用低合金鋼的技術效果以低材料成本提供了節(jié)省成本的潛力。 此外，具體而言，由于工作量和材料較少，故閃光焊、窄坡口鎢電極惰性氣體保護焊(GTAW)、 氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)、藥芯焊絲電弧焊(FCAW)、激光束焊接、復合式激光束焊接、
6電阻焊和摩擦焊的技術效果包括較低的成本。圖1為示例性風力渦輪發(fā)電機100的簡圖。在示例性實施例中，風力渦輪發(fā)電機 100為水平軸風力渦輪機。作為備選，風力渦輪機100可為垂直軸風力渦輪機。風力渦輪機 100具有從支承面104延伸的塔架102，聯(lián)接到塔架102上的機艙106，以及聯(lián)接到機艙106 上的轉子108，塔架102通過錨定螺栓或基礎安裝件(均未示出)聯(lián)接到支承面104上。轉 子108具有可旋轉的輪轂110和聯(lián)接到輪轂110上的多個轉子葉片112。在示例性實施例 中，轉子108具有三個轉子葉片112。作為備選，轉子108具有能使風力渦輪發(fā)電機100起 到如本文所述的作用的任意數(shù)目的轉子葉片112。在示例性實施例中，塔架102由在支承 面104與機艙106之間延伸的管狀鋼制成。作為備選，塔架102為能使風力渦輪機100起 到如本文所述的作用的任何塔架，包括但不限于格構式塔架。塔架102的高度可為能使風 力渦輪發(fā)電機100起到如本文所述的作用的任何數(shù)值。葉片112定位成圍繞轉子輪轂110，以有助于使轉子108旋轉，從而將風124中的 動能轉變成可用的機械能，且隨后轉變成電能。轉子108和機艙106圍繞塔架102關于偏 航軸線116旋轉，以控制葉片112的相對于風124向的投影(perspective)。通過在多個負 載轉移區(qū)域122處將葉片根部120聯(lián)接到輪轂110上，葉片112與輪轂110相配合。負載 轉移區(qū)域122具有輪轂負載轉移區(qū)域和葉片負載轉移區(qū)域(圖1中均未示出)。葉片112 中產(chǎn)生的負載經(jīng)由負載轉移區(qū)域122轉移到輪轂110上。各葉片112均還包括葉片尖端部 分 125。在示例性實施例中，葉片112具有在30米(m) (98英尺(ft))至50m(164ft)之間 的長度范圍，然而，這些參數(shù)并不會對本公開內(nèi)容形成限制。作為備選，葉片112可具有能 使風力渦輪發(fā)電機起到如本文所述的作用的任何長度。當風124沖擊各葉片112時，在各 葉片112上產(chǎn)生葉片升力(未示出)，以及當葉片尖端部分125加速時，便引起轉子圍繞旋 轉軸線114的旋轉。葉片112的槳距角(未示出)，即確定各葉片112相對于風124向的投影的角，可 通過槳距調(diào)整機構(圖1中未示出)來改變。具體而言，增大葉片112的槳距角會減小暴露 于風124中的葉片表面區(qū)域126的百分比，而相反，減小葉片112的槳距角會增大暴露于風 124中的葉片表面區(qū)域126的百分比。葉片112的槳距角圍繞各葉片112的槳距軸線118 進行調(diào)整。在示例性實施例中，葉片112的槳距角獨立地受到控制。作為備選，葉片112的 槳距角可作為整體受到控制。圖2為示例性風力渦輪機100的機艙106的截面簡圖。風力渦輪機100的各種構件 收容在風力渦輪機100塔架102頂上的機艙106中。機艙106包括聯(lián)接到一個葉片112(圖 1中所示)上的一個槳距驅動機構130，其中，機構130沿槳距軸線118調(diào)節(jié)相關葉片112 的槳距。圖2中僅示出了三個槳距驅動機構130中的一者。在示例性實施例中，各槳距驅 動機構130均包括至少一個槳距驅動馬達131，其中，槳距驅動馬達131為使機構130能夠 起到如本文所述的作用的由電力驅動的任何電動馬達。作為備選，槳距驅動機構130包括 任何適合的結構、構造、布置和/或構件，例如但不限于液壓缸、彈簧和伺服機構。此外，槳 距驅動機構130可由任何適合的方式進行驅動，例如但不限于液壓流體和/或機械動力，例 如但不限于產(chǎn)生的彈簧力和/或電磁力。機艙106還包括經(jīng)由轉子軸134(有時稱為主軸134或低速軸134)、齒輪箱136、
7高速軸138和聯(lián)接件140可旋轉地聯(lián)接到定位在機艙106內(nèi)的發(fā)電機132上的轉子108。 軸134的旋轉可旋轉地驅動齒輪箱136，齒輪箱136隨后可旋轉地驅動軸138。軸138通過 聯(lián)接件140可旋轉地驅動發(fā)電機132，以及軸138的旋轉有助于使發(fā)電機132發(fā)電。齒輪箱 136和發(fā)電機132分別由支承件142和支承件144支承。在示例性實施例中，齒輪箱136利 用雙路徑幾何形狀來驅動高速軸138。作為備選，轉子軸134通過聯(lián)接件140直接地聯(lián)接到 發(fā)電機132上。機艙106還包括偏航調(diào)整機構146，其可用于使機艙106和轉子108關于軸線 116(圖1中所示)旋轉，以控制葉片112相對于風向的投影。機艙106還包括至少一個氣 象桿148，其中，桿148包括風向標和風速計(在圖2中均未示出)。桿148將可包括風向 和/或風速的信息提供給渦輪機控制系統(tǒng)(未示出)。渦輪機控制系統(tǒng)的一部分位于控制 板150內(nèi)。機艙106還分別包括前支承軸承152和后支承軸承154，其中，軸承152和154 有助于轉子軸134的徑向支承和對準。圖3為可結合風力渦輪發(fā)電機100使用的示例性轉子軸134的簡圖。在示例性實 施例中，轉子軸134為多合金多段式軸。轉子軸134包括通過鍛造具有第一強度性能值的 第一鋼合金制成的第一部分160。在示例性實施例中，第一鋼合金為34CrNiMo6，一種高合 金和高強度鋼。作為備選，第一部分160由使轉子軸134能夠起到如本文所述的作用而不 受限制的任何材料制成。第一性能值為通常與結構鋼部件相關的任何性能的任何值，該性 能包括但不限于拉伸強度和屈服強度。在示例性實施例中，具有在大約10毫米(mm) (0. 39 英寸(in))至大約100mm(3.9in)的范圍內(nèi)的直徑的34CrNiMo6樣品的極限拉伸應力值范 圍包括大約800兆帕(MPa) (116，000磅/平方英寸(psi))至大約IOOOMPa (145，OOOpsi)。 另夕卜，在示例性實施例中，具有在大約10(mm) (0. 39in)至大約IOOmm(3. 9in)的范圍 內(nèi)的直徑的34CrNiMo6樣品的屈服應力值的范圍包括大約600MPa(87，OOOpsi)至大約 650MPa (94, 250psi)。第一部分160包括限定多個輪轂附接緊固件通路164的輪轂附接法蘭162。法蘭 162和通路164有助于將轉子軸134聯(lián)接到輪轂110 (圖1和圖2中所示)上。第一部分 160還限定在第一部分160附近的直徑逐步減小的高應力區(qū)域166。第一部分160將第一 焊接面168限定在第一部分160的軸向最內(nèi)側區(qū)域上。另外，在示例性實施例中，轉子軸134包括通過鍛造具有第二強度性能值的第二 鋼合金制成的第二部分170。在示例性實施例中，第二鋼合金為42CrMo6，相比于上文所述 的34CrNiMo6，42CrMo6為一種低合金低強度鋼。作為備選，第二部分170由使轉子軸134 能夠起到如本文所述的作用而不受限制的任何材料制成。第二值為通常與鋼部件相關的任 何性能的任何值，該性能包括但不限于拉伸強度和屈服強度。在示例性實施例中，具有在大 約10 (mm) (0. 39in)至大約IOOmm(3. 9in)的范圍內(nèi)的直徑的42CrMo6樣品的極限拉伸應力 值的范圍包括大約860MPa(127, 700psi)至大約1060MPa(153, 700psi)。另外，在示例性實 施例中，具有在大約lO(mm) (0. 39in)至大約100mm(3. 9in)的范圍內(nèi)的直徑的42CrMo6樣 品的屈服應力值的范圍包括大約700MPa(101，500psi)至大約760MPa(110，200psi)。在示例性實施例和備選實施例中，如本文所述，轉子軸134的直徑范圍從大約 520mm(20. 5in)至大約750mm(29. 5in)，也就是說，比上文所述的樣品尺寸的直徑大了大約 至少一個數(shù)量級。將鎳(Ni)添加到34CrNiMo6中有助于在制造活動期間34CrNiMo6比42CrMo6更為均勻地進行淬火作用，因此用于如本文所述的示例性轉子軸134和備選轉子 軸134的34CrMMo6的強度性能大于用于如本文所述的示例性轉子軸134和備選轉子軸 134的42CrMo6的強度性能。因此，總的來說，第一部分160的第一強度性能值大于第二部 分170的第二強度性能值。第二部分170包括有助于將轉子軸134聯(lián)接到齒輪箱136(圖2中所示)上的齒輪 箱附接區(qū)域172。第二部分170限定大致包括所有部分170的低應力區(qū)域。第二部分170 還將第二焊接面174限定在第二部分170的軸向最外側區(qū)域上。第一部分160和第二部分170相協(xié)作以限定軸向槍鉆式孔176和軸向轉子軸中心 線178。此外，第一焊接面168和第二焊接面174，以及各者的相關緊鄰區(qū)域，包括但不限于 焊接影響區(qū)域或熱影響區(qū)(均未示出)，至少部分地限定與各部分160和170相關的異種金 屬的焊接界面180。焊接界面180由如本文所述的多種方法中的至少一種形成。此外，當?shù)?一部分160和第二部分170聯(lián)接到彼此上時，轉子軸134便被組裝，具有拉伸強度和屈服強 度相對較高的部分(或有助于從輪轂110接收相對較大值的拉伸負載應力的第一部分160) 以及拉伸強度和屈服強度相對較低的部分(或有助于從第一部分160和齒輪箱136接收相 對較低值的拉伸負載應力的第二部分170)。在示例性實施例中，工作期間在第一部分160 上產(chǎn)生的預期拉伸應力的范圍小于大約50MPa(7，250psi)至大約500MPa(72，500psi)。另 外，在示例性實施例中，第二部分170通常經(jīng)受與拉伸應力相反的壓應力。圖4為可用于制造轉子軸134的示例性閃光焊構造190的簡圖。閃光焊構造190 有助于分別通過面168和174來將第一部分160和第二部分170進行閃光對焊，以形成焊接 界面180。閃光焊構造190包括各部分160和170均抵靠于其上的多個固定壓板裝置192。 閃光焊構造190還包括多個夾持裝置194，其通過施加至少部分地由虛線箭頭195表示的夾 持力來幫助減少各部分160和170的非期望的運動。夾持力的值至少部分地基于與轉子軸 134相關的材料和尺寸，因此這些夾持力的值差別較大。閃光焊構造190還包括焊接電源 196，其包括但不限于諸如電力變壓器(未示出)的裝置。閃光焊構造190還包括將焊接電 源196聯(lián)接到各夾持裝置194上的多條電力導線197。閃光焊構造190還包括聯(lián)接到構造 190的與第一部分160相關的一側上的加速系統(tǒng)198。作為備選，加速系統(tǒng)198聯(lián)接到構造 190的與第二部分170相關的一側上。另外，作為備選，加速系統(tǒng)198聯(lián)接到構造190的兩 側上。在工作中，第一部分160和第二部分170設置在固定壓板裝置192上，且通過夾持 裝置194受到固定或夾持。第一焊接面168和第二焊接面174最初彼此略微間隔開較小的 間隙(未示出)。接通電源196，則電流經(jīng)由電力導線197從電源196至夾持裝置194來回 流動。至少一些電流傳遞穿過各個面168和174，其中，電流流過緊密接觸的連續(xù)點，跳過形 成在面168與174之間的間隙，產(chǎn)生快速加熱和熔化面168和174的具有大量熱量的閃光， 從而產(chǎn)生特有的閃光作用。在電流流動期間，以及在已發(fā)生預定的材料損失且在各個面168和174后方的材 料內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生足夠的熱量和溫度之后，燒掉一些金屬以形成塑性狀態(tài)。隨后，通過加速裝 置198，使部分160朝向部分170加速，其中，在高壓下迫使部分160和170在一起以形成 焊接界面180，之后中斷電流。在示例性實施例中，焊接界面180為大致同質(zhì)的固相鍛造對 接焊接部，其中，排出了至少一些材料和污染物，且未使用填充材料。然后，在夾持裝置194打開以釋放焊接構件即轉子軸134之前，容許焊接界面180在處于壓力下的同時略微冷卻。 然后，取決于環(huán)境，在仍然較熱時通過剪切或在已冷卻時通過磨削來除去焊接飛邊(weld upset)ο如本文所述的閃光焊的一些好處包括高焊接質(zhì)量，因為是固體熔合且沒有熔池， 從而消除了一些常見的缺陷。此外，閃光焊為形成的焊接界面180提供了優(yōu)異的強度系數(shù) 值和良好的疲勞性能值。此類閃光焊工藝可通過控制系統(tǒng)(未示出)來自動操作和遠程控 制，從而顯著降低對人工焊接技術和消耗品(例如但不限于填充材料和保護氣體)的需求。圖5為可用于制造轉子軸134的示例性電弧焊構造201的簡圖。在示例性實施例 中，構造201包括有助于進行多種焊接工藝的坡口 203，這些焊接工藝包括但不限于窄坡口 鎢電極惰性氣體保護焊(GTAW)、氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)和藥芯焊絲電弧焊(FCAW)。圖6為可用于制造轉子軸134(圖3中所示)和形成焊接界面180的示例性電弧 焊接部200的一部分的簡圖。在示例性實施例中，電弧焊接部200包括形成在坡口 203內(nèi) 的每層為單焊層的多個焊道202。圖7為可用于制造轉子軸134 (圖3中所示)和形成焊接 界面180的備選電弧焊接部210的一部分的簡圖。在示例性實施例中，電弧焊接部210包 括形成在坡口 203內(nèi)的每層為雙焊層的多個焊道212。參看圖6和圖7，在示例性實施例中，包括但不限于窄坡口 GTAW、GMAW和FCAW的 此類焊接工藝包括坡口 203底部在1/2英寸至1英寸寬之間且總的坡口夾角在0°至8° 之間的坡口 203構造。如本文所述的窄坡口 GTAW、GMAW和FCAW的一些優(yōu)點包括形成適合 的焊池幾何形狀，其結合足夠的熱輸入，可通過后續(xù)焊縫(weld seam)的再加熱效應來顯著 減少粗粒度碎片。其它優(yōu)點包括減少填充材料的消耗，以及減少第一部分160和第二部分 170的變形。此外，此類電弧焊工藝可通過控制系統(tǒng)(未示出)來自動操作和遠程控制，從 而顯著地降低對人工焊接技術的需求。圖8為可用于制造轉子軸134的示例性激光焊接構造220的簡圖。構造220有助 于進行多種焊接工藝，包括但不限于激光束焊接和復合式激光束焊接，其中，復合式激光束 焊接結合了激光束焊接和如上文所述的電弧焊的特征。在示例性實施例中，構造220包括 激光束裝置222，其可為用以產(chǎn)生有助于形成如本文所述的焊接界面180的激光束224的 任何適合的裝置。一部分激光束224可射出焊接界面180，并形成出射激光束226。激光束 224分別在面168和174處橫穿第一部分160和第二部分170，且形成金屬蒸氣等離子和熔 融材料區(qū)域228。此類激光束焊接工藝的一些優(yōu)點包括但不限于高質(zhì)量的焊接部和減少填 充材料的消耗。此外，此類激光焊接工藝可通過控制系統(tǒng)(未示出)來自動操作和遠程控 制，從而顯著地降低對人工焊接技術的需求。圖9為可用于制造轉子軸134的示例性電阻焊構造240的簡圖。電阻焊構造240 有助于分別通過面168和174來將第一部分160和第二部分170進行電阻對焊，以形成焊 接界面180。類似于閃光焊構造190(圖4中所示)，在示例性實施例中，電阻焊構造240包 括多個固定壓板裝置192、多個夾持裝置194、焊接電源196，以及多條電力導線197。與閃 光焊構造190的加速系統(tǒng)198 (圖4中所示)相比，電阻焊構造240包括至少一個作用力裝 置242，其在面168與174之間大致以圖9中所示的水平箭頭243的方向產(chǎn)生力。水平力的 值至少部分地基于與轉子軸134相關的材料和尺寸，因此這些水平力的值差別較大。作用 力裝置242聯(lián)接到壓板裝置192上。在示例性實施例中，作用力裝置242聯(lián)接到構造240的兩側上。作為備選，作用力裝置242聯(lián)接到構造240的與第一部分160或與第二部分170 相關的一側上。電阻焊構造240的操作類似于閃光焊構造190的操作，只是與在施加電流且面168 和174已加熱至塑性狀態(tài)之后通過加速裝置198來使部分160朝向部分170加速不同，作 用力裝置242從最初施加電流起直到大致形成焊接界面180為止，大致以圖9中所示的水 平箭頭的方向產(chǎn)生大致恒定的力，以使面168和174相配合。迫使面168和174在一起以 形成焊接界面180，且隨后中斷電流。類似于閃光焊構造190，由電阻焊構造240所形成的 焊接界面180為大致均質(zhì)的固相鍛造對接焊接部，其中排出了至少一些材料和污染物，且 未使用填充材料。然后，在夾持裝置194打開以釋放焊接構件即轉子軸134之前，容許焊接 界面180在處于壓力下的同時略微冷卻。然后，取決于環(huán)境，在仍然較熱時通過剪切或在已 冷卻時通過磨削來除去焊接飛邊。此類電阻焊工藝的一些優(yōu)點包括但不限于高質(zhì)量的焊接部和減少填充材料的消 耗。此外，此類電阻焊工藝可通過控制系統(tǒng)(未示出)來自動操作和遠程控制，從而顯著地 降低對人工焊接技術的需求。圖10為可用于制造轉子軸134的示例性摩擦焊構造260的簡圖。在示例性實施例 中，摩擦焊構造260稱為慣性焊接系統(tǒng)。摩擦焊構造260有助于分別通過面168和174來 將第一部分160和第二部分170進行摩擦對焊，以形成焊接界面180。在示例性實施例中， 摩擦焊構造260包括固定壓板裝置192。摩擦焊構造260還包括可旋轉的壓板裝置192'。 摩擦焊構造260還包括多個夾持裝置194，其通過施加至少部分地由虛線箭頭195表示的夾 持力來幫助減少各部分160和170的非期望的運動。夾持力的值至少部分地基于與轉子軸 134相關的材料和尺寸，因此這些夾持力的值差別較大。摩擦焊構造還包括聯(lián)接到第二部分 170的至少一端上的自旋裝置262。裝置192和194聯(lián)接到第一部分160上，以有助于使第 一部分160保持大致靜止。此外，裝置192'和194聯(lián)接到第二部分170上，以有助于在第 二段170旋轉時使第二段170保持對準。自旋裝置262在第二部分170上以圖10中所示 的曲線箭頭的方向產(chǎn)生旋轉力。在工作中，第一部分160和第二部分170分別設置在固定壓板裝置192和可旋轉 的壓板裝置192'上，且兩者均通過夾持裝置194受到固定或夾持。第一焊接面168和第二 焊接面174彼此接觸。使自旋裝置262通電，且第二部分170以預定旋轉速度旋轉，同時第 一部分160保持大致靜止。大量的摩擦熱產(chǎn)生在面168和174中，熔化了面168和174，一 些金屬燃燒，而在已發(fā)生預定的材料損失且已產(chǎn)生足夠的熱量和溫度之后，部分160和170 形成焊接界面180，且自旋裝置262連同第二部分170 —起減速。旋轉速度、材料損失、熱量 和溫度的值至少部分地基于與轉子軸134相關的材料和尺寸，因此這些材料損失、熱量和 溫度的值差別較大。在示例性實施例中，焊接界面180為大致同質(zhì)的固相鍛造對接焊接部， 其中，排出了至少一些材料和污染物，且未使用填充材料。然后，在夾持裝置194打開以釋 放焊接構件即轉子軸134之前，容許焊接界面180略微冷卻。然后，取決于環(huán)境，在仍然較 熱時通過剪切或在已冷卻時通過磨削來除去焊接飛邊。此類摩擦或慣性焊接工藝的一些優(yōu)點包括但不限于高質(zhì)量的焊接部和減少填充 材料的消耗。此外，此類摩擦焊工藝可通過控制系統(tǒng)(未示出)來自動操作和遠程控制，從 而顯著地降低對人工焊接技術的需求。
圖11為圍繞轉子軸134的至少一部分延伸的軸承152的簡圖。在示例性實施例 中，軸承152還圍繞焊接界面180的至少一部分延伸，從而有助于支承轉子軸134，其中，轉 子軸134的結構強度可能最弱，而相關的應力可能最大。圖12為圍繞轉子軸134的至少一部分延伸的兩個軸承152和152'的簡圖。在 該備選實施例中，軸承152還圍繞焊接界面180的至少一部分延伸，從而有助于支承轉子 軸134，其中，轉子軸134的結構強度可能最弱，而相關的應力可能最大。此外，在該備選實 施例中，軸承152'有助于額外地支承直徑較大或長度延長的轉子軸134。在該備選實施例 中，“直徑較大”是指轉子軸134的直徑在大約700mm(27. 6in)至大約750mm(29. 5in)的范 圍內(nèi)，其中，相關的法蘭162(圖3中所示)具有大約1450 (mm) (57in)至大約1550mm(61in) 的直徑范圍，其中，典型值為大約1500mm(59in)。此類“較大直徑”值是與如本文所述的轉子軸134的示例性實施例的直徑相 比，具有大約520mm(20. 5in)至大約600mm(23. 6in)的直徑范圍，以及具有直徑范圍為 1300mm(51in)至大約1400mm(55in)的相關法蘭162，其中，典型值為大約1350mm(53in)。另外，在該備選實施例中，“延長的長度”是指轉子軸134的長度在大約2525毫米 (mm) (99英寸(in))至大約2565mm(101in)的范圍內(nèi)，其中，典型值為大約2535mm(100in)。 此類“延長的長度”值是與如本文所述的轉子軸134的示例性實施例的長度相比，其中， 此類長度在大約2160mm(85in)至大約2260mm(89in)的范圍內(nèi)，且其中，典型值為大約 2220mm(87in)。其它備選實施例包括但不限于轉子軸134的任何長度和尺寸，以及諸如軸 承152和152 ‘的軸承的任何數(shù)目。圖13為可結合風力渦輪發(fā)電機100使用的備選轉子軸270的簡圖。在該備選實施 例中，轉子軸270包括備選的第一部分272，其在冶金學方面大致類似于第一部分160 (圖3 至圖12中所示)。另外，在該備選實施例中，轉子軸270包括通過第一焊接界面180'聯(lián)接 到第一部分272上的第二部分274，其中，第一焊接界面180 ‘大致類似于焊接界面180 (圖 3至圖6及圖8至圖12中所示)。第二部分274在冶金學方面大致類似于第二部分170 (圖 3至圖13中所示)。此外，在該備選實施例中，轉子軸270包括在冶金學方面大致類似于備 選的第一部分272的第三部分276。此外，在該備選實施例中，第三部分276通過第二焊接 界面180〃聯(lián)接到第二部分274上，其中，焊接界面180〃大致類似于第一焊接界面180'。 相比于轉子軸134，備選的轉子軸270有助于應對與齒輪箱136和發(fā)電機132(均在圖2中 示出)中任何一個相關的較高的負載和應力。圖14為組裝風力渦輪發(fā)電機100 (圖1、圖2、圖3、圖5、圖8、圖11、圖12和圖13
中所示)的示例性方法300的流程圖。示例性方法300包括用具有第一強度性能值的第一 鋼合金來制造302轉子軸134(圖2至圖5和圖8至圖13中所示)的第一部分160(圖3 至圖13中所示)。方法300還包括用具有第二強度性能值的第二鋼合金來制造304轉子 軸134的第二部分170(圖3至圖13中所示)。第一強度性能值大于第二強度性能值。方 法300還包括通過閃光焊、窄坡口鎢電極惰性氣體保護焊(GTAW)、氣體保護金屬極電弧焊 (GMAff)、藥芯焊絲電弧焊(FCAW)、激光束焊接、復合式激光束焊接、電阻焊和摩擦焊中的至 少一種來將第二部分170焊接306到第一部分160上，從而形成焊接界面180。在示例性方法300中，轉子軸134的第一部分160由高合金高強度鋼鍛造，例如但 不限于34CrNiMo6，而轉子軸134的第二部分170由合金相對較低、強度相對較低的鋼鍛造，例如但不限于42CrMo6。另外，在示例性方法300中，如上文所述將第一部分160和第二部 分170焊接到彼此上限定了焊接界面180。此外，示例性方法300包括將第一部分160聯(lián)接 308到輪轂110(圖1和圖2中所示)上。另外，示例性方法300包括將轉子軸134的第二 部分170聯(lián)接310到齒輪箱136和發(fā)電機132 (均在圖2中示出)中的至少一者上。上述方法和轉子軸通過在轉子軸的通常經(jīng)受較高應力和負載的前部中使用強度 較高、更為穩(wěn)健的鋼合金而有助于組裝風力渦輪發(fā)電機。相比之下，在轉子軸的通常經(jīng)受較 低應力和負載的后部中使用強度較低、穩(wěn)健性較差的鋼合金。轉子軸的前部和后部通過閃 光焊、窄坡口鎢電極惰性氣體保護焊(GTAW)、氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)、藥芯焊絲電 弧焊(FCAW)、激光束焊接、復合式激光束焊接、電阻焊和摩擦焊中的至少一種而焊接到彼此 上。具體而言，由于需要較小的鍛造設備和較小的加工設備，以及各部分有單獨的供應者， 故制造轉子軸的兩個單獨的部分的技術效果提供了節(jié)省成本的機會。此外，具體而言，在轉 子軸的一部分上使用低合金鋼的技術效果以低材料成本提供了節(jié)省成本的潛力。此外，具 體而言，由于工作量和材料較少，故閃光焊、窄坡口鎢電極惰性氣體保護焊(GTAW)、氣體保 護金屬極電弧焊(GMAW)、藥芯焊絲電弧焊(FCAW)、激光束焊接、復合式激光束焊接、電阻焊 和摩擦焊的技術效果包括較低的成本。上文詳細地描述了用于組裝風力渦輪發(fā)電機的方法和轉子軸的示例性實施例。該 方法及轉子軸并不限于本文所述的特定實施例，而是轉子軸的構件和/或方法的步驟可與 本文所述其它構件和/或步驟獨立且分開地使用。例如，該方法還可用于結合其它風力渦 輪發(fā)電機使用，并且不限于僅利用如本文所述的風力渦輪發(fā)電機來實施。相反，示例性實施 例可結合許多其它風力渦輪發(fā)電機應用來執(zhí)行和使用。盡管本發(fā)明已根據(jù)各種特定實施例進行了描述，但本領域的技術人員將認識到， 本發(fā)明可利用在權利要求的精神和范圍內(nèi)的修改進行實施。本書面說明使用了包括最佳模式的實例來公開本發(fā)明，且還使本領域的技術人員 能夠實施本發(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)，以及執(zhí)行任何相結合的方法。本發(fā)明的 專利范圍由權利要求限定，并且可包括本領域的技術人員所構思的其它實例。如果這些其 它的實例具有與權利要求的書面語言并無不同的結構成分，或者如果這些其它實例包括與 權利要求的書面語言無實質(zhì)差異的同等結構成分，則認為這些實例落在權利要求的范圍之 內(nèi)。
1權利要求
一種風力渦輪機轉子(108)，包括用具有第一強度性能值的第一鋼合金制成的軸(134)的第一部分(160)；以及用具有第二強度性能值的第二鋼合金制成的所述軸的第二部分(170)，其中，所述第一強度性能值大于所述第二強度性能值，所述軸的所述第二部分焊接到所述軸的所述第一部分上。
2.根據(jù)權利要求1所述的風力渦輪機轉子(108)，其特征在于，所述軸(134)的所述第 一部分(160)的至少一部分包括鋼合金34CrNiMo6。
3.根據(jù)權利要求1所述的風力渦輪機轉子(108)，其特征在于，所述軸(134)的所述第 二部分(170)的至少一部分包括鋼合金42CrMo6。
4.根據(jù)權利要求1所述的風力渦輪機轉子(108)，其特征在于，所述軸(134)的所述第 一部分(160)和所述軸的所述第二部分(170)限定焊接界面(180)。
5.根據(jù)權利要求4所述的風力渦輪機轉子(108)，其特征在于，所述焊接界面(180)由 閃光焊和窄坡口潛弧焊(SAW)中的一種形成。
6.根據(jù)權利要求4所述的風力渦輪機轉子(108)，其特征在于，所述焊接界面(180)由 氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)、藥芯焊絲電弧焊(FCAW)、激光束焊接、復合式激光束焊接、 電阻焊和摩擦焊中的至少一種形成。
7.一種風力渦輪發(fā)電機(100)，包括齒輪箱(136)和發(fā)電機(132)中的至少一者，以及轉子(108)，其包括輪轂(110)；聯(lián)接到所述輪轂上的用具有第一強度性能值的第一鋼合金制成的軸(134)的第一部 分(160)；以及用具有第二強度性能值的第二鋼合金制成的所述軸的第二部分(170)，其中，所述第一 強度性能值大于所述第二強度性能值，所述軸的所述第二部分聯(lián)接到所述軸的所述第一部 分上以及聯(lián)接到所述齒輪箱和所述發(fā)電機中的至少一者上。
8.根據(jù)權利要求7所述的風力渦輪發(fā)電機(100)，其特征在于，所述軸(134)的所述第 一部分(160)的至少一部分包括鋼合金34CrNiMo6。
9.根據(jù)權利要求7所述的風力渦輪發(fā)電機(100)，其特征在于，所述軸(134)的所述第 二部分(170)的至少一部分包括鋼合金42CrMo6。
10.根據(jù)權利要求7所述的風力渦輪發(fā)電機(100)，其特征在于，所述軸(134)的所述 第一部分(160)和所述軸的所述第二部分(170)限定焊接界面(180)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于風力渦輪發(fā)電機的軸和組裝風力渦輪發(fā)電機的方法。具體而言，一種風力渦輪機轉子(108)，其包括用具有第一強度性能值的第一鋼合金制成的軸(134)的第一部分(160)。該風力渦輪機轉子還包括用具有第二強度性能值的第二鋼合金制成的該軸的第二部分(170)。第一強度性能值大于第二強度性能值。軸的第二部分焊接到軸的第一部分上。
文檔編號F03D1/06GK101892944SQ20101011259
公開日2010年11月24日 申請日期2010年1月22日 優(yōu)先權日2009年1月22日
發(fā)明者B·S·貝奇帕利, S·薩蒂安 申請人:通用電氣公司