基于Excel的风机塔筒筒体展开计算

袁带英

（ 四川建筑职业技术学院， 四川 德阳 618000）

随着风电市场的竞争日趋激烈，风力发电机组塔筒的研发、设计周期的不断减短，同时，为满足各种招、投标的需要，以最短时间设计出符合要求的塔筒已成为必然[1-2]。 而长期以来，塔筒设备的设计以传统的经验设计为主，主要依靠工程设计人员的手工设计计算，其开发过程事物繁杂、效率低、研发周期长。 如何解决这个矛盾，将成为企业赢得市场以及提高设计响应能力的关键。

风电机组塔筒的筒体展开计算经常会进行许多复杂繁琐的设计计算， 如果用普通的方法， 不仅费时而且易出错[3]。 目前，还没有较好的专业软件来处理，用编程的方式虽然可以解决某些具体问题但过于复杂。 因此， 需要寻找有效的手段提高设计计算的速度， 使一般的设计人员能方便地解决机械设计中的实际问题。 Excel是目前功能最强大、 技术最先进、 使用最方便、 应用最广泛的智能化电子表格软件，主要是应用于经济统计和财务报表及其数据的计算处理， 其强大的数据处理功能、 图表功能及数据库管理功能也可为机械设计提供有力的帮助，从而减少设计的计算工作量，提高计算的准确性[4]。

1 塔筒筒体板料技术要求简介

制造风机塔筒筒体所用的钢板其各项理化性能指标应符合相关国家标准要求， 且需满足I 级无损探伤要求[5]，厚度公差需满足EN 10029 B 级要求[6]。 筒体钢板大都是定制钢板，按照设计图纸要求将钢板尺寸计算无误后，然后钢厂按照订料尺寸进行轧制生产，最后发给用户。 并且每一张钢板基本没有互换性，每一张重量都在6 t～20 t 之间，一旦出现差错，后果无法设想。 另外，钢板规格都很大，如果计算时将余量放大，将大大增加成本[7]。 既要保证钢板下料，又要降低成本，所以对钢板尺寸计算的下料编程准确性有着极高的要求。

风机塔筒一般由若干塔筒段组成，塔筒段有锥段。 有直段，直段可按圆柱环计算，难度不大，在此不作详细介绍。 现根据图纸已知条件利用数学公式， 对塔筒锥段钢板下料尺寸进行软件编程计算。下面以某塔筒锥段筒体为例，运用Excel软件进行钢板尺寸计算编程。

2 筒壁展开数学模型

塔筒筒壁大多为圆锥回转面筒状。 塔筒筒壁具有：结构简单、同类型结构大体相同、计算过程基本固定、尺寸变化较明显等特点[7]。

图1 塔筒段筒节结构示意图Fig. 1 Schematic of the cylindrical section of the tower segment

图2 塔筒锥段结构示意图Fig. 2 Schematic of the tower cone section

塔筒段每个筒节的小端外径和大端外径可由下列递推公式计算出：

每个筒节的板料展开参数，可由下述公式计算得到

图3 筒节正圆锥台Fig. 3 Cone frustum of the cylindrical section

图4 圆锥台展开图Fig. 4 Cone frustum unfolded

整锥台高：

上部锥台高：

整圆锥展开半径：

上部圆锥展开半径：

展开料夹角：

展开料大端弧长：

展开料小端弧长：

展开料大端弦长：

展开料小端弦长：

大小端弦心距：

展开料最大宽度：

其中，D为大端中径；d为小端中径；h为锥台两端中心线点间垂直距离。

3 Execl求解

已知塔筒段上、下两端的外径，塔筒段总高度（ 不含法兰厚度的垂直高度），以及每个筒节的垂直高度和板厚，如图5所示。

由上述已知参数，按照数学计算式（ 1），通过Excel编程， 计算出每个筒节的大端外径和小端外径，如表1所示。

图5 塔筒段示意图（ mm）Fig. 5 Tower segment schematic（ mm）

表1 塔筒段筒节外径计算表Tab. 1 Table of outer diameters of the cylindrical section of the tower segment mm

根据表1计算所得到的数据，根据式（ 2）至（ 12）即可计算出筒节板料展开的理论长度A和理论宽度L，如表2所示。

将计算得到的展开小半径r， 展开大半径R，展开锥角α，输入数控火焰切割机进行切割下料，就能准确无误地对钢板进行下料， 也就是表2中的红色实线区域。

订料时为了保证下料尺寸，经过实践检验，在板料展开的理论长度和理论宽度上分别加15～20 mm，即为订料尺寸[8]。 还可计算出相关重量信息，公式如下：

展开板料理论值：

订料重量：

表2 筒节板料展开计算表Tab. 2 Table of the cylindrical section calculation unfolded

式中，ρ为钢板密度。

4 结论

风电机组塔筒的设计计算具有一定规律性， 首次编制设计计算程序时， 较手工计算并不显其很大的优越性， 但一经完成并作为文件存储下来， 以后再遇到类似计算时， 便可很快地得出正确的计算结果[9]。Excel在风电机组塔筒筒体展开中的应用，为设计人员提供了一种非常方便的塔筒筒体参数化设计工具，大大提高设计效率，保证设计质量[10]，使工程技术人员摆脱繁重的重复劳动，具有较好的实用性，有效提高了设计响应能力。

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