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大型风电机组静子加工技术研究

文档作者：胡丽萍罗霞李旭谢龙飞文档来源：东方汽轮机有限公司		点击数：	更新时间： 2021年01月01日
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古31
 DONGFANG TURBINE
大型风电机组静子加工技术研究
胡丽萍罗霞李旭谢龙飞
(东方汽轮机有限公司,四川德阳,618000
摘要:文章以东方汽轮机有限公司FD77/FD70型风电机组为例,较为详细地介绍了风电机组主要静子部件轮毂、基架的
机械加工工艺方案的设计思路、产品试加工、工艺优化完善过程。对零部件的结构、采用的相应加工方式进行了分析和
探讨,并着重讨论了机械加工中的工艺难点及所采取的工艺措施,以满足批量生产的需求。为今后加工该类型产品提供了
有利的资料。
关键词:风电机组;轮毂;基架;机械加工;工艺方案设计
 Machining Technology for the Static Parts of Large Size
 Wind Turbine
 Hu Liping, Luo Xia, Li Xu, Xie Longfei
 (Dongfang Turbine Co., Ltd. Deyang Sichuan 618000)
 Abstract: based on FD77/FD70 wind mill of Dongfang Turbine Co., Ltd. this theme describes design concept of technology
 plan for mechanical machining of wind mill hub and support, products manufacture tests and optimization of technology
 plan. The theme analyzes the structure of components and corresponding machining method. Meanwhile, it focuses on
 technology difficulties in mechanical machining and provides technology solution for massive production, therefore offers
 useful assistance for machining similar products in the future
 Key words: wind mill, hub, support, mechanical machining, technology plan design
 Repower公司签定了1.5MW、FD77/FD70型风电机组
1概述
技术转让合同。由于东方汽轮机有限公司首次与
国外合作研制风电机组,其主要静子部件轮毂、
风能是一种清洁的永续能源,与传统能源相基架结构复杂、且精度要求高,这样给加工、装
比,风力发电不依赖矿物能源,没有燃料价格风配都带来了一定的难度。因此,需要对风电机组
,。
险,发电成本稳定,也没有包括碳排放等环境成中最关键部套也是最难加工、装配的轮毂、基架
本。此外,可利用的风能在全球范围内分布都很进行工艺研究。
广泛。正是因为有这些独特的优势,风力发电逐
通过对德国 Repower公司设计图纸及有关技术
渐成为许多国家可持续发展战略的重要组成部文件的熟悉、研究,了解了德国 Repower公司的设
分,发展迅速,市场广阔。
计要求、质量计划及制造规范,确定了工艺方案
2004年11月,东方汽轮机有限公司与德国的设计思路,在产品首台试制过程中的技术服务
作者简介:胡丽萍(1962-),女,高级工程师,现为东汽制造技术处副主任工艺师,主要从事汽轮机制造工艺研究
32畅
 DONGFANG TURBINE
等方面作了卓有成效的工作,圆满完成了试制任方案总体设计时,必须在保证加工精度的前提
务。并在首台加工实践的基础上总结经验,对工下,尽可能地降低制造成本且形成轮毂、基架批
艺进行了优化完善。
量大流水线生产的能力。
2工艺方案总体设计
2.1轮毂工艺方案设计
2.1.1轮毂设计结构及机加工工艺性分析
由于风电设备成本的30%~40%分摊在制造
轮毂结构见图1。
上,基于东汽年产800~1000台机组的需求,工艺
546
1748033005
图1轮毂结构简图
轮毂是风电机组中最重要的部件,材料为球b)针对数控镗床负荷较重、且加工成本偏
墨铸铁,结构特殊、加工精度要求高。为满足年高,为了确保在满足加工质量前提下、尽可能降
产800~1000台机组的需求,其工艺方案的设计不低制造成本、形成大批量流水线生产的原则,三
同于传统的汽轮机单件生产,对加工的工艺流程个叶片端面及上下两端上各通孔、螺孔的加工均
及生产效率提出了更高的要求。在制定工艺方案封闭在摇臂钻上进行。
时从技术角度及现有设备资源出发,对轮毂的结
c)风电轮毂三个叶片端面下部各有1个250
构、加工要求、材料、年产量等方面作了深刻细mm窥视孔(共三处),其内、外法兰均需加工而
致的研究,着重从以下几个方面考虑:
且内法兰与通孔中心的夹角为3°,外侧法兰在数
a)轮毂三个叶片轴承中心要求与转子中心线控镗床上加工时需旋转工作台并采用万向角铣头
在空间交于一点,三个叶片安装端面成120°分布旋转轴来分别完成,内侧法兰加工时由于机床附
且与转子中心线成3.5°夹角,三个叶片轴承中心件与轮毂内壁干涉无法加工,采用人工打磨效率
位置度要求为0.2mm。为确保加工时三个叶片轴太低且加工面粗糙度及平面度无法保证,需采购
承中心在空间交于一点、各面的形位公差及空间专用便携式气动工具进行加工。
尺寸等满足装配要求,其加工工艺方案就须立足2.1.2机加工的难点及工艺措施
于数控机床,且为简化工艺流程、提高加工效2.1.2.1三个叶片端面的加工
率,轮毂各面及内孔的加工封闭在数控镗床上进
风电轮毂三个叶片安装端面的加工是轮毂制
行
。
造的关键工序及加工难点,加工时必须保证三个
 ose Pty
浇33
 DONGFANG TURBINE
叶片安装端面成120°分布且与转子中心线成
3.5°夹角,三个叶片轴承中心要求与转子中心线
在空间交于一点,叶片安装端面球面环形槽加工
表面粗糙度要求高、加工量大,即如何确保四条
轴线的相互位置精度及如何选取球面环形槽加工
刀具成为制造难点,加工时我们采取了下述工艺
方案:
(1)设计专用加工胎具(见图2)
a)加工时将胎具置于数控镗床工作台上,胎
具上轮毂的安装面与机床工作台成3.5°夹角,保
证加工时三个叶片安装端面与转子中心线的夹角
符合要求。
b)胎具设有轮毂安装定位止口、120°分布
定位销,保证轮毂加工时三个叶片安装端面三次
装夹、找正加工的精度,保证三个叶片安装端面
成120°分布。
c)胎具设有加工时零点设置基准面,保证轮
毂加工时三个叶片安装端面三次装夹、找正加
图2轮毂加工胎具
工、零点设置精度以确保轮毂三个叶片轴承中心
(2)设计专用工装找正杆(见图3)
汇交一点。
2
孔口角1×45°S50
L004
1205
图3专用工装找正杆
将找正杆与胎具配用,找正杆的SR50球面中最初工艺方案设计时采用标准立铣刀及R25立铣刀
心与轮毂三个叶片轴承中心与转子中心线空间交分三次排刀进行加工,此加工方案加工效率低且
点重合,可以复查轮毂三个叶片安装端面加工时无法保证图示要求的加工精度。因此考虑改进加
三次找正基准、零点设置是否一致,检测胎具上工方案,采用由瓦尔特(WALTER)提供的非标成
零点设置基准面是否损坏。
型数控立铣刀进行加工,在图示中80孔位处加工
(3)首件轮毂加工后,采用三座标激光检测出非标成型数控立铣刀的落刀孔,用非标成型数
仪检验加工精度,验证加工方案的可行性。
控立铣刀一次排刀进行加工,改进加工方案后不
(4)成型非标数控铣刀选购
仅提高了加工精度,最主要的是能提高工效3~
轮毂三个叶片安装端面上球面环形槽加工,4倍。
 right 2002-2019 Aspose Pty Ltd
古
 34 DONGFANG TURBINE
(5)轮毂三个叶片安装端面循环加工
大,数控镗床负荷重、加工成本高等因素,各孔
在PAMA数控镗床回转工作台及固定工作台上的加工分流至钻床进行,同时为了保证各孔的位
并排用三个胎具装夹三个轮毂(见图4),实现轮置度,采取了下述工艺方案:
毂三个叶片安装端面循环加工,减少了工件吊
(1)在数控镗床上加工三个叶片端面及上下
运、更换刀具、程序调用等辅助时间,大大提高端面时分别加工出孔加工用钻模安装基准。
了加工效率,形成轮毂加工生产线作业、批量生
(2)设计四套专用工装钻模,用于三个叶片
产的模式。
安装端面及上下端面上各孔的加工,图5示出了轮
毂叶片安装端面孔加工钻模,图6示出了轮毂叶片
安装端面腰形凹面孔加工钻模。
(3)三个叶片安装端面处孔加工装夹、支承
方式确定及专用工装设计
设计两个专用工装支承板(见图7),分别与
上下端面联接,两支承板的三个支承面成120°分
布,且支承面为3.5°斜面,加工时通过计算出上
下两端面高低差将支承板放置在不同高度的垫箱
及平面千斤顶上,通过调整平面千斤顶,用水平
仪找平轮毂叶片端面,并安装专用工装钻模,经
三次装夹、找正完成三个叶片端面各孔的加工。
(4)专用丝锥接长杆设计
轮毂大端面各M36-6H螺孔深度大于标准丝锥
图4轮毂三个叶片安装端面循环加工
有效加工深度,采用标准丝锥无法达到要求,考
2.1.2.2三个叶片安装端面及上下端面上各孔的虑到轮毂加工批量、丝锥消耗量大、订制非标专
加工
用丝锥加工成本高,因此设计专用丝锥接长杆
轮毂最初工艺方案设计时各孔的加工在数控(图8)与标准丝锥联接实现深螺孔加工。
镗床上进行,加工过程中考虑到风电生产批量2.1.2.3小端面内腔螺孔的加工
345
通均布
4-42
口倒角×45
255±000
7000
4750058
2-M36
沉孔
10
口角
1×45
005
7-00图示分布
(18
节
孔口倒角2×45
1950
8000
185±005
105±005
图5轮毂叶片安装端面孔加工钻模
 Evaluation Only. C
 ty Ltd
古35
 DONGFANG TURBINE
2425h7(
角1
225H7通孔
+20孔
口倒用45
口倒角1
320
6
4-50
60±0.10
65±010
800
25°±10
图6轮毂叶片安装端面腰形凹面孔加工钻模
150
布倒角2×45
6m48-6h
孔ㄩ沉61深25
2m+6
孔沉327
2×45
孔2×45
图7轮毂叶片安装端面孔加工支承板
005
 Al
A
4-m8-6h
23孔口倒角周向均布
图8丝锥接长杆
轮毂小端面内腔各M20-6H螺孔,由于各孔相在数控镗床上采用小直角铣头加工。此加工方案
对于转子中心位置度为0.2mm,最初工艺方案为在钻削轮毂各端面上孔后转钳工工序前需再转数
 pose Pty Ltd.
36
 DONGFANG TURBINE
控镗床。在保证轮毂加工质量的前提下,为简化2.1.2.4窥视孔内、外法兰面的加工
产品加工流程、降低加工成本,我们改进、优化
风电轮毂三个叶片安装端面下部各有1个中
了加工方案,采用现有磁座钻、设计专用模、250mm窥视孔(见图10右图),其内、外法兰均需
支撑螺柱并与用于三个叶片安装端面上孔加工用加工,而且内法兰与通孔中心的夹角为3°。为了
支承板配套使用,由钳工用磁座钻完成轮毂小端解决这一难题、加快加工进度、确保加工质量,
面内腔(M20-6H)螺孔的加工(见图9)。
我们考虑采用便携式气动管口坡口机(见图10左
专用工装支承板上3-M48-6H螺孔的节圆线中图)进行加工,并在产品上进行工艺试验,确定
心与轮毂转子中心同心(数控镗床加工),用专工艺方案,根据试验结果配备了专用于风电轮毂
用支撑螺柱装夹、支撑专用钴模,保证钻孔位置加工的由美国汉森公司生产的ITB0106内卡式管口
度符合图示要求,并将钻模支撑到一定位置,避坡口机。
免加工时磁座钻与轮毂内壁干涉。
改进、优化工艺方案后,内、外壁法兰共六
处加工仅需两天。如按原方案加工,仅内壁法兰
轮彀
支撑螺柱
面钳工打磨三处就需一周,提高工效4~5倍。
钻模
2.2基架工艺方案设计
2.2.1基架设计结构及机加工工艺性分析
风电基架是整个风电机组的基础,承受机组
80%的重量。基架为装焊件,分为低温型和常温
型,低温型基架材料为S275NL,其机加工性能相
叶片端面孔加工用支承板
当于16Mn,为满足年产800~1000台机组的需求,
图9轮毂小端面内腔螺孔加工简图
其工艺方案的设计不同于传统的汽轮机单件生
图10窥视孔加工简图
产,对加工的工艺流程及生产效率提出了更高的
要求。在制定工艺方案时,从技术角度及现有设
备资源出发对基架的结构(见图11)、加工要
求、材料、年产量等方面作了深刻细致的研究,
着重从以下几个方面考虑:
图11基架三维图
37
 DONGFANG TURBINE
a)通过对基架的设计结构及机加工工艺性能图13)时,如上端面向上,机床滑枕伸的太长,
分析,考虑到基架装夹、找正的安全性及基架焊且上端面法兰与机床滑枕干涉无法加工,因此只
接变形控制等因素,在数控龙门铣上加工基架是能下端面向上加工(见图14),加工时需从
最佳方案,针对现有数控龙门铣的加工负荷、加中330一侧加工,两个孔径上小下大,最初工艺方
工成本及批量生产的需求,根据基架的设计结构案是采用中325平旋盘加工,但由于机床厂提供的
尺寸、加工精度要求,我们与沈阳中捷友谊机床平旋盘与我们选购的进口产品,结构有差异,因
厂共同开发了一款数控龙门铣,做为风电基架加此无法采用平旋盘加工。
工的专用设备。
b)由于用于风电基架加工的专用数控定梁龙
510
460:02
门铣目前厂内仅配置了二台,为了降低专用数控
定梁龙门铣的生产负荷、满足年产800~1000台机
组的需求,同时为了尽可能降低制造成本、加快
425f8)
0.03
生产进度、形成批量生产的原则,基架的上、下
端面腔槽、各联接法兰面及四个电机孔的加工在
专用数控定梁龙门铣上进行。上、下端面上各孔
330G7
加工分流在摇臂钻上进行,内腔为M6-6H、M8
6H的数百个孔由钳工加工。
2.2.2基架加工的难点及工艺措施
图13基架电机孔简图
2.2.2.1上、下端面的加工
风电基架外形尺寸大、结构单薄,装焊、回
火及机加工装夹都存在变形问题。而基架上、下
两端面夹角为5°±0.2°,在定梁数控龙门铣加工
上、下端面时,下端面向上,先按下端面线找平
下端面,然后在基架上端面长度方向(尽量在基
架前后两端)根据图示上、下两端面夹角计算出
一定长度尺寸两点的高、低差,用机床刻线复查
上、下端面线是否正确及各加工面余量是否足
够。确认无误后加工下端面各加工面。
下端面加工后,将专用装夹找正支架(见图
12)置于定梁数控龙门铣工作台上,支架上基架
的安装面与机床工作台成5°±0.1°夹角,保证
加工时基架的上、下端面成5°±0.2°夹角。
图14基架电机孔加工
2.2.2.2左、右两侧四个电机孔加工
通过对加工结构、加工精度及加工材料等各
在定梁数控龙门铣上加工基架四个电机孔(见方面分析,设计专用接长刀杆(见图15)、改制
图12基架加工支架
38
 DONGFANG TURBINE
现有二手刀具的铝合金刀排、采用现有二手刀具刀加工量。为了提高工件的刚性,防止加工时工
的微调镗刀,三者组合成铝合金接长微调镗刀件振动,分别在电机孔上下法兰处搭焊工艺拉
排。此刀排重量轻、刚性好,并且利用可调装筋,满足了电机孔加工的尺寸精度及形位公差要
置,在加工时通过测量孔内径,继而准确调整镗求。
键槽宽深尺按724JT0作
2055
57502
250025
330
03a
1001
19
002a
365
00
图15电机孔加工用接长刀杆
低温型风电基架材料粘、加工时不易断屑、6H、M8-6H的备孔为安装各小配件设置,每一组孔
易伤刀片,而电机孔的表面粗糙度设计要求为位相对其它尺寸公差要求不是很严格,而每组各
Ra1.6,通过对此材料金属切削性能分析,并在产孔的相对位置要求严格。因此为了提高加工效率
品首台试制时进行工艺试验,在五种刀片中,选并且保证每组各孔的相对位置尺寸要求,设计了
取加工效果最佳的一种,并确定了切削参数,确专用各组孔加工用样板,减少了划线误差,极大提
保了电机孔的加工质量。
高了加工效率。
2.2.2.3基架各孔的加工
由于风电基架各孔的加工均采用钻床加工,3结束语
为了满足风电基架与相配零件的装配精度,工艺
方案设计时采取下述方案:
通过对风电静子部件结构特征的分析,结合
(1)对齿圈接配面螺孔及电机孔端面螺孔的现有设备和刀具情况,同时基于尽可能降低制造
加工设计了专用钻模,并在定梁数控龙门铣上加成本、加快生产进度、形成大批量流水线生产的
工出安装钻模的定位销孔、定位止口,钻床加工原则,制定了加工风电静子部件的工艺方案,并
时钻模采用销孔、定位止口定位,保证各孔的位研制了一整套新的工装和刀具,成功地制造出了
置度。
风电静子部件。为了排除照配问题、采用钻模的
(2)对于四个电机孔端面上靠近基架壁的螺加工方法,这样既保证了孔的位置度,又保证了
孔,由于钻床的主轴与基架上端面法兰干涉无法孔的垂直度,是非常实用的工艺方法,以及便携
加工,根据螺孔尺寸,选购了德国“百得”多功式气动管口坡口机、磁座钻的选购应用,为分流
能磁座钻进行加工。
关键设备的负荷提供了强有力的保障,产生了巨
(3)对于上、下端面各法兰面上各孔的加大的经济效益。以年产800台计算,其中轮毂加工
工,采用定梁数控龙门铣点孔,摇臂钻加工。
一年可以节约生产成本1300万元,基架加工一年
(4)对于内腔数百个M6-6H、M8-6H螺孔的加可以节约生产成本800万元,两项合计节约生产成
工,其中包括设计要求使用产品件号孔位加工的本2100万元。
孔,采用划线后钳工手电钻加工容易造成孔位偏
风电各静子部件的研制成功,证明东汽机械
差。若采用产品件号划线,由于产品配套不到位加工能力在原有的基础上又上了一个新的台阶,
等因素,影响基架的生产进度。经分析,内腔6为风电机组国产化打下了良好的基础

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