CN101892944A - 用于风力涡轮发电机的轴和组装风力涡轮发电机的方法 - Google Patents

用于风力涡轮发电机的轴和组装风力涡轮发电机的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于风力涡轮发电机的轴和组装风力涡轮发电机的方法。具体而言，一种风力涡轮机转子(108)，其包括用具有第一强度性能值的第一钢合金制成的轴(134)的第一部分(160)。该风力涡轮机转子还包括用具有第二强度性能值的第二钢合金制成的该轴的第二部分(170)。第一强度性能值大于第二强度性能值。轴的第二部分焊接到轴的第一部分上。

Description

用于风力涡轮发电机的轴和组装风力涡轮发电机的方法
技术领域
本文所描述的主题主要涉及风力涡轮发电机，并且更具体地涉及一种用于帮助组装风力涡轮发电机的方法和轴。
背景技术
至少一些公知的风力涡轮发电机包括具有多个叶片的转子。转子往往联接到定位在基座(例如，桁架或管状塔架)顶上的壳体或机舱上。至少一些公知的公用级风力涡轮机(即，设计成用以向公用电网提供电力的风力涡轮机)具有带预定形状和尺寸的转子叶片。转子叶片将机械性的风能转变成所引起的叶片升力，叶片升力进而产生机械转矩，该机械转矩经由转子轴驱动一个或多个发电机，随后产生电力。发电机往往但并非总是通过齿轮箱可旋转地联接到转子轴上。齿轮箱将转子轴的固有低转速逐步升高来用于发电机，以将旋转机械能有效地转换成将馈入公用电网中的电能。还存在无齿轮的直接驱动式风力涡轮发电机。
在组装这些公知的风力涡轮发电机期间，转子轴由加工成最终尺寸和公差的高强度钢合金的单个锻件形成。这些合金通常为转子轴的主要材料组成(makeup)，且包括昂贵的材料，如铬(Cr)和镍(Ni)。在钢中有如此高百分比的合金含量有助于在制造工艺中的淬火工作期间使所有转子轴材料形成均质的性能。这些性能包括分布在整个转子轴上的足够的拉伸强度，由此整个转子轴便可承受预期的负载和应力，且从而避免形成易受高应力的可能的有害影响的较弱区域。许多公知的转子轴的重量超过8公制吨(8000千克(kg))(7.26美制吨或17,600磅(1b))。因此，这些合金材料的使用趋于显著地增加转子轴的制造成本。
如上文所述，许多公知的风力涡轮机转子轴具有大致均质的强度性能。此外，这些公知的转子轴在工作时通常会在转子轴前部附近的区域经受高应力和在转子轴后部中的区域经受很低的应力。转子轴中应力较高的区域要求用于制造转子轴的材料具有适当较高的诸如拉伸强度的机械性能。转子轴中应力较低的区域不需要较高的诸如拉伸强度的机械性能。
发明内容
在一个方面，提供了一种组装风力涡轮发电机的方法。组装风力涡轮发电机的方法包括用具有第一强度性能值的第一钢合金来制造轴的第一部分。该方法还包括用具有第二强度性能值的第二钢合金来制造轴的第二部分。第一强度性能值大于第二强度性能值。该方法还包括将轴的第二部分焊接到轴的第一部分上。
在另一方面，提供了一种风力涡轮机转子。该转子包括用具有第一强度性能值的第一钢合金制成的轴的第一部分。该转子还包括用具有第二强度性能值的第二钢合金制成的轴的第二部分。第一强度性能值大于第二强度性能值。轴的第二部分焊接到轴的第一部分上。
在又一个方面，提供了一种风力涡轮发电机。该风力涡轮发电机包括齿轮箱和发电机中的至少一者。该风力涡轮发电机还包括包含有轮毂的转子。该转子还包括用具有第一强度性能值的第一钢合金制成的轴的第一部分。轴的第一部分联接到轮毂上。该转子还包括用具有第二强度性能值的第二钢合金制成的轴的第二部分。第一强度性能值大于第二强度性能值。轴的第二部分联接到轴的第一部分上以及联接到齿轮箱和发电机中的至少一者上。
本文所述的方法和转子轴通过在通常经受较高应力和负载的转子轴的前部中使用强度较高、更为稳健的钢合金而有助于组装风力涡轮发电机。相比之下，在通常经受较低的应力和负载的转子轴的后部中使用强度较低、稳健性较差的钢合金。转子轴的前部和后部通过闪光焊、窄坡口(groove)钨电极惰性气体保护焊(GTAW)、气体保护金属极电弧焊(GMAW)、药芯焊丝电弧焊(FCAW)、激光束焊接、复合式(hybrid)激光束焊、电阻焊和摩擦焊中的至少一种来焊接到彼此上。利用本文所述的方法来制造转子轴的一个技术效果在于材料成本较低。
附图说明
图1为示例性风力涡轮发电机的简图；
图2为可结合图1中所示的风力涡轮发电机使用的机舱的截面简图；
图3为可结合图1中所示的风力涡轮发电机使用的示例性转子轴的简图；
图4为可用于制造图3中所示的转子轴的示例性闪光焊构造的简图；
图5为可用于制造图3中所示的转子轴的示例性电弧焊构造的简图；
图6为可用于制造图3中所示的转子轴的示例性电弧焊接部(weld)的一部分的简图；
图7为可用于制造图3中所示的转子轴的备选电弧焊接部的一部分的简图；
图8为可用于制造图3中所示的转子轴的示例性激光焊构造的简图；
图9为可用于制造图3中所示的转子轴的示例性电阻焊构造的简图；
图10为可用于制造图3中所示的转子轴的示例性摩擦焊构造的简图；
图11为围绕图3中所示的转子轴的至少一部分延伸的轴承的简图；
图12为围绕图3中所示的转子轴的至少一部分延伸的两个轴承的简图；
图13为可结合图1中所示的风力涡轮发电机使用的备选转子轴的简图；以及
图14为组装风力涡轮发电机的示例性方法的流程图。
零件清单
100风力涡轮发电机
102塔架
104塔架支承表面
106机舱
108转子
110轮毂
112叶片
114旋转轴线
116偏航轴线
118桨距轴线
120叶片根部
122负载转移区域
124风
125叶片尖端部分
126叶片表面区域
130桨距驱动机构
131桨距驱动马达
132发电机
134转子轴
136齿轮箱
138高速轴
140联接件
142齿轮箱支承件
144发电机支承件
146偏航驱动机构
148气象杆
150控制板
152前支承轴承
152′第二轴承
154后支承轴承
160转子轴的第一部分
162轮毂附接法兰
164轮毂附接紧固件通路
166高应力区域
168第一焊接面
170转子轴的第二部分
172齿轮箱附接区域
174第二焊接面
176枪钻式孔(gun-drilled bore)
178轴向转子轴中心线
180焊接界面
180′第一焊接界面
180″第二焊接界面
190闪光焊构造
192固定压板(platen)装置
192′可旋转压板装置
194夹持装置
195夹持力箭头
196焊接电源
197多条电力导线
198加速系统
200示例性电弧焊接部
201示例性电弧焊构造
202每层为单焊层(pass)的焊道(bead)
203焊接坡口
210备选电弧焊接部
212每层为双焊层的焊道
220示例性激光焊接构造
222激光束装置
224激光束
226出射激光束
228金属蒸气等离子和熔融材料区域
240示例性电阻焊构造
242作用力装置
243作用力箭头
260示例性摩擦焊构造
262自旋装置
270备选转子轴
300组装风力涡轮发电机的示例性方法
302制造第一部分...
304制造第二部分...
306将第二部分焊接到第一部分上...
308将第一部分联接到轮毂上
310将第二部分联接到至少一者...
具体实施方式
本文所述的方法和转子轴通过在通常经受较高应力和负载的转子轴的前部中使用强度较高、更为稳健的钢合金而有助于组装风力涡轮发电机。相比之下，在通常经受较低的应力和负载的转子轴的后部中使用强度较低、稳健性较差的钢合金。转子轴的前部和后部通过闪光焊、窄坡口钨电极惰性气体保护焊(GTAW)、气体保护金属极电弧焊(GMAW)、药芯焊丝电弧焊(FCAW)、激光束焊接、复合式激光束焊接、电阻焊和摩擦焊中的至少一种来焊接到彼此上。具体而言，由于需要较小的锻造设备和较小的加工设备，以及各部分有单独的供应者，故制造转子轴的两个单独的部分的技术效果提供了节省成本的机会。另外，具体而言，在转子轴的一部分上使用低合金钢的技术效果以低材料成本提供了节省成本的潜力。此外，具体而言，由于工作量和材料较少，故闪光焊、窄坡口钨电极惰性气体保护焊(GTAW)、气体保护金属极电弧焊(GMAW)、药芯焊丝电弧焊(FCAW)、激光束焊接、复合式激光束焊接、电阻焊和摩擦焊的技术效果包括较低的成本。
图1为示例性风力涡轮发电机100的简图。在示例性实施例中，风力涡轮发电机100为水平轴风力涡轮机。作为备选，风力涡轮机100可为垂直轴风力涡轮机。风力涡轮机100具有从支承面104延伸的塔架102，联接到塔架102上的机舱106，以及联接到机舱106上的转子108，塔架102通过锚定螺栓或基础安装件(均未示出)联接到支承面104上。转子108具有可旋转的轮毂110和联接到轮毂110上的多个转子叶片112。在示例性实施例中，转子108具有三个转子叶片112。作为备选，转子108具有能使风力涡轮发电机100起到如本文所述的作用的任意数目的转子叶片112。在示例性实施例中，塔架102由在支承面104与机舱106之间延伸的管状钢制成。作为备选，塔架102为能使风力涡轮机100起到如本文所述的作用的任何塔架，包括但不限于格构式塔架。塔架102的高度可为能使风力涡轮发电机100起到如本文所述的作用的任何数值。
叶片112定位成围绕转子轮毂110，以有助于使转子108旋转，从而将风124中的动能转变成可用的机械能，且随后转变成电能。转子108和机舱106围绕塔架102关于偏航轴线116旋转，以控制叶片112的相对于风124向的投影(perspective)。通过在多个负载转移区域122处将叶片根部120联接到轮毂110上，叶片112与轮毂110相配合。负载转移区域122具有轮毂负载转移区域和叶片负载转移区域(图1中均未示出)。叶片112中产生的负载经由负载转移区域122转移到轮毂110上。各叶片112均还包括叶片尖端部分125。
在示例性实施例中，叶片112具有在30米(m)(98英尺(ft))至50m(164ft)之间的长度范围，然而，这些参数并不会对本公开内容形成限制。作为备选，叶片112可具有能使风力涡轮发电机起到如本文所述的作用的任何长度。当风124冲击各叶片112时，在各叶片112上产生叶片升力(未示出)，以及当叶片尖端部分125加速时，便引起转子围绕旋转轴线114的旋转。
叶片112的桨距角(未示出)，即确定各叶片112相对于风124向的投影的角，可通过桨距调整机构(图1中未示出)来改变。具体而言，增大叶片112的桨距角会减小暴露于风124中的叶片表面区域126的百分比，而相反，减小叶片112的桨距角会增大暴露于风124中的叶片表面区域126的百分比。叶片112的桨距角围绕各叶片112的桨距轴线118进行调整。在示例性实施例中，叶片112的桨距角独立地受到控制。作为备选，叶片112的桨距角可作为整体受到控制。
图2为示例性风力涡轮机100的机舱106的截面简图。风力涡轮机100的各种构件收容在风力涡轮机100塔架102顶上的机舱106中。机舱106包括联接到一个叶片112(图1中所示)上的一个桨距驱动机构130，其中，机构130沿桨距轴线118调节相关叶片112的桨距。图2中仅示出了三个桨距驱动机构130中的一者。在示例性实施例中，各桨距驱动机构130均包括至少一个桨距驱动马达131，其中，桨距驱动马达131为使机构130能够起到如本文所述的作用的由电力驱动的任何电动马达。作为备选，桨距驱动机构130包括任何适合的结构、构造、布置和/或构件，例如但不限于液压缸、弹簧和伺服机构。此外，桨距驱动机构130可由任何适合的方式进行驱动，例如但不限于液压流体和/或机械动力，例如但不限于产生的弹簧力和/或电磁力。
机舱106还包括经由转子轴134(有时称为主轴134或低速轴134)、齿轮箱136、高速轴138和联接件140可旋转地联接到定位在机舱106内的发电机132上的转子108。轴134的旋转可旋转地驱动齿轮箱136，齿轮箱136随后可旋转地驱动轴138。轴138通过联接件140可旋转地驱动发电机132，以及轴138的旋转有助于使发电机132发电。齿轮箱136和发电机132分别由支承件142和支承件144支承。在示例性实施例中，齿轮箱136利用双路径几何形状来驱动高速轴138。作为备选，转子轴134通过联接件140直接地联接到发电机132上。
机舱106还包括偏航调整机构146，其可用于使机舱106和转子108关于轴线116(图1中所示)旋转，以控制叶片112相对于风向的投影。机舱106还包括至少一个气象杆148，其中，杆148包括风向标和风速计(在图2中均未示出)。杆148将可包括风向和/或风速的信息提供给涡轮机控制系统(未示出)。涡轮机控制系统的一部分位于控制板150内。机舱106还分别包括前支承轴承152和后支承轴承154，其中，轴承152和154有助于转子轴134的径向支承和对准。
图3为可结合风力涡轮发电机100使用的示例性转子轴134的简图。在示例性实施例中，转子轴134为多合金多段式轴。转子轴134包括通过锻造具有第一强度性能值的第一钢合金制成的第一部分160。在示例性实施例中，第一钢合金为34CrNiMo6，一种高合金和高强度钢。作为备选，第一部分160由使转子轴134能够起到如本文所述的作用而不受限制的任何材料制成。第一性能值为通常与结构钢部件相关的任何性能的任何值，该性能包括但不限于拉伸强度和屈服强度。在示例性实施例中，具有在大约10毫米(mm)(0.39英寸(in))至大约100mm(3.9in)的范围内的直径的34CrNiMo6样品的极限拉伸应力值范围包括大约800兆帕(MPa)(116,000磅/平方英寸(psi))至大约1000MPa(145,000psi)。另外，在示例性实施例中，具有在大约10(mm)(0.39in)至大约100mm(3.9in)的范围内的直径的34CrNiMo6样品的屈服应力值的范围包括大约600MPa(87,000psi)至大约650MPa(94,250psi)。
第一部分160包括限定多个轮毂附接紧固件通路164的轮毂附接法兰162。法兰162和通路164有助于将转子轴134联接到轮毂110(图1和图2中所示)上。第一部分160还限定在第一部分160附近的直径逐步减小的高应力区域166。第一部分160将第一焊接面168限定在第一部分160的轴向最内侧区域上。
另外，在示例性实施例中，转子轴134包括通过锻造具有第二强度性能值的第二钢合金制成的第二部分170。在示例性实施例中，第二钢合金为42CrMo6，相比于上文所述的34CrNiMo6，42CrMo6为一种低合金低强度钢。作为备选，第二部分170由使转子轴134能够起到如本文所述的作用而不受限制的任何材料制成。第二值为通常与钢部件相关的任何性能的任何值，该性能包括但不限于拉伸强度和屈服强度。在示例性实施例中，具有在大约10(mm)(0.39in)至大约100mm(3.9in)的范围内的直径的42CrMo6样品的极限拉伸应力值的范围包括大约860MPa(127,700psi)至大约1060MPa(153,700psi)。另外，在示例性实施例中，具有在大约10(mm)(0.39in)至大约100mm(3.9in)的范围内的直径的42CrMo6样品的屈服应力值的范围包括大约700MPa(101,500psi)至大约760MPa(110,200psi)。
在示例性实施例和备选实施例中，如本文所述，转子轴134的直径范围从大约520mm(20.5in)至大约750mm(29.5in)，也就是说，比上文所述的样品尺寸的直径大了大约至少一个数量级。将镍(Ni)添加到34CrNiMo6中有助于在制造活动期间34CrNiMo6比42CrMo6更为均匀地进行淬火作用，因此用于如本文所述的示例性转子轴134和备选转子轴134的34CrNiMo6的强度性能大于用于如本文所述的示例性转子轴134和备选转子轴134的42CrMo6的强度性能。因此，总的来说，第一部分160的第一强度性能值大于第二部分170的第二强度性能值。
第二部分170包括有助于将转子轴134联接到齿轮箱136(图2中所示)上的齿轮箱附接区域172。第二部分170限定大致包括所有部分170的低应力区域。第二部分170还将第二焊接面174限定在第二部分170的轴向最外侧区域上。
第一部分160和第二部分170相协作以限定轴向枪钻式孔176和轴向转子轴中心线178。此外，第一焊接面168和第二焊接面174，以及各者的相关紧邻区域，包括但不限于焊接影响区域或热影响区(均未示出)，至少部分地限定与各部分160和170相关的异种金属的焊接界面180。焊接界面180由如本文所述的多种方法中的至少一种形成。此外，当第一部分160和第二部分170联接到彼此上时，转子轴134便被组装，具有拉伸强度和屈服强度相对较高的部分(或有助于从轮毂110接收相对较大值的拉伸负载应力的第一部分160)以及拉伸强度和屈服强度相对较低的部分(或有助于从第一部分160和齿轮箱136接收相对较低值的拉伸负载应力的第二部分170)。在示例性实施例中，工作期间在第一部分160上产生的预期拉伸应力的范围小于大约50MPa(7,250psi)至大约500MPa(72,500psi)。另外，在示例性实施例中，第二部分170通常经受与拉伸应力相反的压应力。
图4为可用于制造转子轴134的示例性闪光焊构造190的简图。闪光焊构造190有助于分别通过面168和174来将第一部分160和第二部分170进行闪光对焊，以形成焊接界面180。闪光焊构造190包括各部分160和170均抵靠于其上的多个固定压板装置192。闪光焊构造190还包括多个夹持装置194，其通过施加至少部分地由虚线箭头195表示的夹持力来帮助减少各部分160和170的非期望的运动。夹持力的值至少部分地基于与转子轴134相关的材料和尺寸，因此这些夹持力的值差别较大。闪光焊构造190还包括焊接电源196，其包括但不限于诸如电力变压器(未示出)的装置。闪光焊构造190还包括将焊接电源196联接到各夹持装置194上的多条电力导线197。闪光焊构造190还包括联接到构造190的与第一部分160相关的一侧上的加速系统198。作为备选，加速系统198联接到构造190的与第二部分170相关的一侧上。另外，作为备选，加速系统198联接到构造190的两侧上。
在工作中，第一部分160和第二部分170设置在固定压板装置192上，且通过夹持装置194受到固定或夹持。第一焊接面168和第二焊接面174最初彼此略微间隔开较小的间隙(未示出)。接通电源196，则电流经由电力导线197从电源196至夹持装置194来回流动。至少一些电流传递穿过各个面168和174，其中，电流流过紧密接触的连续点，跳过形成在面168与174之间的间隙，产生快速加热和熔化面168和174的具有大量热量的闪光，从而产生特有的闪光作用。
在电流流动期间，以及在已发生预定的材料损失且在各个面168和174后方的材料内已经产生足够的热量和温度之后，烧掉一些金属以形成塑性状态。随后，通过加速装置198，使部分160朝向部分170加速，其中，在高压下迫使部分160和170在一起以形成焊接界面180，之后中断电流。在示例性实施例中，焊接界面180为大致同质的固相锻造对接焊接部，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，在夹持装置194打开以释放焊接构件即转子轴134之前，容许焊接界面180在处于压力下的同时略微冷却。然后，取决于环境，在仍然较热时通过剪切或在已冷却时通过磨削来除去焊接飞边(weld upset)。
如本文所述的闪光焊的一些好处包括高焊接质量，因为是固体熔合且没有熔池，从而消除了一些常见的缺陷。此外，闪光焊为形成的焊接界面180提供了优异的强度系数值和良好的疲劳性能值。此类闪光焊工艺可通过控制系统(未示出)来自动操作和远程控制，从而显著降低对人工焊接技术和消耗品(例如但不限于填充材料和保护气体)的需求。
图5为可用于制造转子轴134的示例性电弧焊构造201的简图。在示例性实施例中，构造201包括有助于进行多种焊接工艺的坡口203，这些焊接工艺包括但不限于窄坡口钨电极惰性气体保护焊(GTAW)、气体保护金属极电弧焊(GMAW)和药芯焊丝电弧焊(FCAW)。
图6为可用于制造转子轴134(图3中所示)和形成焊接界面180的示例性电弧焊接部200的一部分的简图。在示例性实施例中，电弧焊接部200包括形成在坡口203内的每层为单焊层的多个焊道202。图7为可用于制造转子轴134(图3中所示)和形成焊接界面180的备选电弧焊接部210的一部分的简图。在示例性实施例中，电弧焊接部210包括形成在坡口203内的每层为双焊层的多个焊道212。
参看图6和图7，在示例性实施例中，包括但不限于窄坡口GTAW、GMAW和FCAW的此类焊接工艺包括坡口203底部在1/2英寸至1英寸宽之间且总的坡口夹角在0°至8°之间的坡口203构造。如本文所述的窄坡口GTAW、GMAW和FCAW的一些优点包括形成适合的焊池几何形状，其结合足够的热输入，可通过后续焊缝(weld seam)的再加热效应来显著减少粗粒度碎片。其它优点包括减少填充材料的消耗，以及减少第一部分160和第二部分170的变形。此外，此类电弧焊工艺可通过控制系统(未示出)来自动操作和远程控制，从而显著地降低对人工焊接技术的需求。
图8为可用于制造转子轴134的示例性激光焊接构造220的简图。构造220有助于进行多种焊接工艺，包括但不限于激光束焊接和复合式激光束焊接，其中，复合式激光束焊接结合了激光束焊接和如上文所述的电弧焊的特征。在示例性实施例中，构造220包括激光束装置222，其可为用以产生有助于形成如本文所述的焊接界面180的激光束224的任何适合的装置。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分别在面168和174处横穿第一部分160和第二部分170，且形成金属蒸气等离子和熔融材料区域228。此类激光束焊接工艺的一些优点包括但不限于高质量的焊接部和减少填充材料的消耗。此外，此类激光焊接工艺可通过控制系统(未示出)来自动操作和远程控制，从而显著地降低对人工焊接技术的需求。
图9为可用于制造转子轴134的示例性电阻焊构造240的简图。电阻焊构造240有助于分别通过面168和174来将第一部分160和第二部分170进行电阻对焊，以形成焊接界面180。类似于闪光焊构造190(图4中所示)，在示例性实施例中，电阻焊构造240包括多个固定压板装置192、多个夹持装置194、焊接电源196，以及多条电力导线197。与闪光焊构造190的加速系统198(图4中所示)相比，电阻焊构造240包括至少一个作用力装置242，其在面168与174之间大致以图9中所示的水平箭头243的方向产生力。水平力的值至少部分地基于与转子轴134相关的材料和尺寸，因此这些水平力的值差别较大。作用力装置242联接到压板装置192上。在示例性实施例中，作用力装置242联接到构造240的两侧上。作为备选，作用力装置242联接到构造240的与第一部分160或与第二部分170相关的一侧上。
电阻焊构造240的操作类似于闪光焊构造190的操作，只是与在施加电流且面168和174已加热至塑性状态之后通过加速装置198来使部分160朝向部分170加速不同，作用力装置242从最初施加电流起直到大致形成焊接界面180为止，大致以图9中所示的水平箭头的方向产生大致恒定的力，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，且随后中断电流。类似于闪光焊构造190，由电阻焊构造240所形成的焊接界面180为大致均质的固相锻造对接焊接部，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，在夹持装置194打开以释放焊接构件即转子轴134之前，容许焊接界面180在处于压力下的同时略微冷却。然后，取决于环境，在仍然较热时通过剪切或在已冷却时通过磨削来除去焊接飞边。
此类电阻焊工艺的一些优点包括但不限于高质量的焊接部和减少填充材料的消耗。此外，此类电阻焊工艺可通过控制系统(未示出)来自动操作和远程控制，从而显著地降低对人工焊接技术的需求。
图10为可用于制造转子轴134的示例性摩擦焊构造260的简图。在示例性实施例中，摩擦焊构造260称为惯性焊接系统。摩擦焊构造260有助于分别通过面168和174来将第一部分160和第二部分170进行摩擦对焊，以形成焊接界面180。在示例性实施例中，摩擦焊构造260包括固定压板装置192。摩擦焊构造260还包括可旋转的压板装置192′。摩擦焊构造260还包括多个夹持装置194，其通过施加至少部分地由虚线箭头195表示的夹持力来帮助减少各部分160和170的非期望的运动。夹持力的值至少部分地基于与转子轴134相关的材料和尺寸，因此这些夹持力的值差别较大。摩擦焊构造还包括联接到第二部分170的至少一端上的自旋装置262。装置192和194联接到第一部分160上，以有助于使第一部分160保持大致静止。此外，装置192′和194联接到第二部分170上，以有助于在第二段170旋转时使第二段170保持对准。自旋装置262在第二部分170上以图10中所示的曲线箭头的方向产生旋转力。
在工作中，第一部分160和第二部分170分别设置在固定压板装置192和可旋转的压板装置192′上，且两者均通过夹持装置194受到固定或夹持。第一焊接面168和第二焊接面174彼此接触。使自旋装置262通电，且第二部分170以预定旋转速度旋转，同时第一部分160保持大致静止。大量的摩擦热产生在面168和174中，熔化了面168和174，一些金属燃烧，而在已发生预定的材料损失且已产生足够的热量和温度之后，部分160和170形成焊接界面180，且自旋装置262连同第二部分170一起减速。旋转速度、材料损失、热量和温度的值至少部分地基于与转子轴134相关的材料和尺寸，因此这些材料损失、热量和温度的值差别较大。在示例性实施例中，焊接界面180为大致同质的固相锻造对接焊接部，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，在夹持装置194打开以释放焊接构件即转子轴134之前，容许焊接界面180略微冷却。然后，取决于环境，在仍然较热时通过剪切或在已冷却时通过磨削来除去焊接飞边。
此类摩擦或惯性焊接工艺的一些优点包括但不限于高质量的焊接部和减少填充材料的消耗。此外，此类摩擦焊工艺可通过控制系统(未示出)来自动操作和远程控制，从而显著地降低对人工焊接技术的需求。
图11为围绕转子轴134的至少一部分延伸的轴承152的简图。在示例性实施例中，轴承152还围绕焊接界面180的至少一部分延伸，从而有助于支承转子轴134，其中，转子轴134的结构强度可能最弱，而相关的应力可能最大。
图12为围绕转子轴134的至少一部分延伸的两个轴承152和152′的简图。在该备选实施例中，轴承152还围绕焊接界面180的至少一部分延伸，从而有助于支承转子轴134，其中，转子轴134的结构强度可能最弱，而相关的应力可能最大。此外，在该备选实施例中，轴承152′有助于额外地支承直径较大或长度延长的转子轴134。在该备选实施例中，“直径较大”是指转子轴134的直径在大约700mm(27.6in)至大约750mm(29.5in)的范围内，其中，相关的法兰162(图3中所示)具有大约1450(mm)(57in)至大约1550mm(61in)的直径范围，其中，典型值为大约1500mm(59in)。
此类“较大直径”值是与如本文所述的转子轴134的示例性实施例的直径相比，具有大约520mm(20.5in)至大约600mm(23.6in)的直径范围，以及具有直径范围为1300mm(51in)至大约1400mm(55in)的相关法兰162，其中，典型值为大约1350mm(53in)。
另外，在该备选实施例中，“延长的长度”是指转子轴134的长度在大约2525毫米(mm)(99英寸(in))至大约2565mm(101in)的范围内，其中，典型值为大约2535mm(100in)。此类“延长的长度”值是与如本文所述的转子轴134的示例性实施例的长度相比，其中，此类长度在大约2160mm(85in)至大约2260mm(89in)的范围内，且其中，典型值为大约2220mm(87in)。其它备选实施例包括但不限于转子轴134的任何长度和尺寸，以及诸如轴承152和152′的轴承的任何数目。
图13为可结合风力涡轮发电机100使用的备选转子轴270的简图。在该备选实施例中，转子轴270包括备选的第一部分272，其在冶金学方面大致类似于第一部分160(图3至图12中所示)。另外，在该备选实施例中，转子轴270包括通过第一焊接界面180′联接到第一部分272上的第二部分274，其中，第一焊接界面180′大致类似于焊接界面180(图3至图6及图8至图12中所示)。第二部分274在冶金学方面大致类似于第二部分170(图3至图13中所示)。此外，在该备选实施例中，转子轴270包括在冶金学方面大致类似于备选的第一部分272的第三部分276。此外，在该备选实施例中，第三部分276通过第二焊接界面180″联接到第二部分274上，其中，焊接界面180″大致类似于第一焊接界面180′。相比于转子轴134，备选的转子轴270有助于应对与齿轮箱136和发电机132(均在图2中示出)中任何一个相关的较高的负载和应力。
图14为组装风力涡轮发电机100(图1、图2、图3、图5、图8、图11、图12和图13中所示)的示例性方法300的流程图。示例性方法300包括用具有第一强度性能值的第一钢合金来制造302转子轴134(图2至图5和图8至图13中所示)的第一部分160(图3至图13中所示)。方法300还包括用具有第二强度性能值的第二钢合金来制造304转子轴134的第二部分170(图3至图13中所示)。第一强度性能值大于第二强度性能值。方法300还包括通过闪光焊、窄坡口钨电极惰性气体保护焊(GTAW)、气体保护金属极电弧焊(GMAW)、药芯焊丝电弧焊(FCAW)、激光束焊接、复合式激光束焊接、电阻焊和摩擦焊中的至少一种来将第二部分170焊接306到第一部分160上，从而形成焊接界面180。
在示例性方法300中，转子轴134的第一部分160由高合金高强度钢锻造，例如但不限于34CrNiMo6，而转子轴134的第二部分170由合金相对较低、强度相对较低的钢锻造，例如但不限于42CrMo6。另外，在示例性方法300中，如上文所述将第一部分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包括将第一部分160联接308到轮毂110(图1和图2中所示)上。另外，示例性方法300包括将转子轴134的第二部分170联接310到齿轮箱136和发电机132(均在图2中示出)中的至少一者上。
上述方法和转子轴通过在转子轴的通常经受较高应力和负载的前部中使用强度较高、更为稳健的钢合金而有助于组装风力涡轮发电机。相比之下，在转子轴的通常经受较低应力和负载的后部中使用强度较低、稳健性较差的钢合金。转子轴的前部和后部通过闪光焊、窄坡口钨电极惰性气体保护焊(GTAW)、气体保护金属极电弧焊(GMAW)、药芯焊丝电弧焊(FCAW)、激光束焊接、复合式激光束焊接、电阻焊和摩擦焊中的至少一种而焊接到彼此上。具体而言，由于需要较小的锻造设备和较小的加工设备，以及各部分有单独的供应者，故制造转子轴的两个单独的部分的技术效果提供了节省成本的机会。此外，具体而言，在转子轴的一部分上使用低合金钢的技术效果以低材料成本提供了节省成本的潜力。此外，具体而言，由于工作量和材料较少，故闪光焊、窄坡口钨电极惰性气体保护焊(GTAW)、气体保护金属极电弧焊(GMAW)、药芯焊丝电弧焊(FCAW)、激光束焊接、复合式激光束焊接、电阻焊和摩擦焊的技术效果包括较低的成本。
上文详细地描述了用于组装风力涡轮发电机的方法和转子轴的示例性实施例。该方法及转子轴并不限于本文所述的特定实施例，而是转子轴的构件和/或方法的步骤可与本文所述其它构件和/或步骤独立且分开地使用。例如，该方法还可用于结合其它风力涡轮发电机使用，并且不限于仅利用如本文所述的风力涡轮发电机来实施。相反，示例性实施例可结合许多其它风力涡轮发电机应用来执行和使用。
尽管本发明已根据各种特定实施例进行了描述，但本领域的技术人员将认识到，本发明可利用在权利要求的精神和范围内的修改进行实施。
本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何相结合的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员所构思的其它实例。如果这些其它的实例具有与权利要求的书面语言并无不同的结构成分，或者如果这些其它实例包括与权利要求的书面语言无实质差异的同等结构成分，则认为这些实例落在权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种风力涡轮机转子(108)，包括：
用具有第一强度性能值的第一钢合金制成的轴(134)的第一部分(160)；以及
用具有第二强度性能值的第二钢合金制成的所述轴的第二部分(170)，其中，所述第一强度性能值大于所述第二强度性能值，所述轴的所述第二部分焊接到所述轴的所述第一部分上。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子(108)，其特征在于，所述轴(134)的所述第一部分(160)的至少一部分包括钢合金34CrNiMo6。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子(108)，其特征在于，所述轴(134)的所述第二部分(170)的至少一部分包括钢合金42CrMo6。
4.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子(108)，其特征在于，所述轴(134)的所述第一部分(160)和所述轴的所述第二部分(170)限定焊接界面(180)。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机转子(108)，其特征在于，所述焊接界面(180)由闪光焊和窄坡口潜弧焊(SAW)中的一种形成。
6.根据权利要求4所述的风力涡轮机转子(108)，其特征在于，所述焊接界面(180)由气体保护金属极电弧焊(GMAW)、药芯焊丝电弧焊(FCAW)、激光束焊接、复合式激光束焊接、电阻焊和摩擦焊中的至少一种形成。
7.一种风力涡轮发电机(100)，包括：
齿轮箱(136)和发电机(132)中的至少一者，以及
转子(108)，其包括：
轮毂(110)；
联接到所述轮毂上的用具有第一强度性能值的第一钢合金制成的轴(134)的第一部分(160)；以及
用具有第二强度性能值的第二钢合金制成的所述轴的第二部分(170)，其中，所述第一强度性能值大于所述第二强度性能值，所述轴的所述第二部分联接到所述轴的所述第一部分上以及联接到所述齿轮箱和所述发电机中的至少一者上。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮发电机(100)，其特征在于，所述轴(134)的所述第一部分(160)的至少一部分包括钢合金34CrNiMo6。
9.根据权利要求7所述的风力涡轮发电机(100)，其特征在于，所述轴(134)的所述第二部分(170)的至少一部分包括钢合金42CrMo6。
10.根据权利要求7所述的风力涡轮发电机(100)，其特征在于，所述轴(134)的所述第一部分(160)和所述轴的所述第二部分(170)限定焊接界面(180)。
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