大型风电塔筒圆度及直线度测量计算方法

诸卫平，孔 宁，董家琛

（1. 广船国际有限公司，广州 511462；2. 上海船舶工艺研究所，上海 200032）

0 引言

“十四五”期间，我国可再生能源将迎来跨越式发展，完成构建清洁低碳、安全高效的能源体系，风力发电将成为发电的主力军之一。风力发电是由风力带动风机扇叶转动进行发电。庞大的风机高速运转，会让塔筒产生巨大的惯性力，因此，风机基础的稳定性至关重要。风电塔筒就是风力发电的塔杆，是机舱与基础之间的管状承载结构，在风力发电机组中起支撑作用。为提高塔筒稳定性和抗疲劳性，大型风机塔筒的设计直径往往超过3 m，壁厚超过50 mm。制造、加工如此大的钢结构设备较为困难，其精度质量要求通常更高。

经过数控切割下料、坡口切割、卷板成型和内外纵缝焊接等各项工序后，塔筒关节初步形成（见图1）。由于各工序均不可避免产生尺寸偏差，因此必须对圆度和直线度等参数进行公差测量。在塔筒通过校核后，再进行喷砂、喷漆处理及内件安装工序，最终运输至安装现场。本文提出了一种基于全站仪测量和多点圆心拟合的圆度及直线度测量计算方法，并进行实际应用，最终取得不错的效果。

图1 风力塔筒关节

1 公差检核要素

1）圆度

如图2所示，在风电塔筒同一断面上测量8个点（

P

1～

P

8），根据这8个点得出4个直径（

d

1～

d

4），最大直径减去最小直径可得偏差值。根据风电机组钢塔筒设计制造安装规范，任意切断面的圆度应满足

d

/

d

≤1.005。

图2 风电塔筒任意断面测点及直径示意图

2）直线度

将仪器放置在圆筒内，测量顶面和底面各8个点，算出2个面的圆心坐标，将2个圆心坐标连成一条线（Top-Bottom）。此外，测量塔筒切断面的圆心（

Z

1～

Z

4），计算这些点与Top-Bottom直线的垂直偏差（见图3）。根据相应规范，直线度允许偏差值应满足

Δ

≤

L

/750（

L

为顶面到底面的距离）。

图3 风电塔筒筒节轴心直线度

2 测量方法

根据相关规范，使用全站仪进行测量时，全站仪的测角精度不应低于2″，测距精度不应低于2 mm±2 ppm。选用专用磁性旋转反射靶作为目标，反射面可绕中心做360°旋转，可实现在任意方向观测到靶中心。采用掌上电脑及测量软件驱动全站仪依次进行测量，并记录测量数据。使用全站仪测量风电塔筒示意图见图4，测量工具见图5。

图4 使用全站仪测量风电塔筒示意图

图5 测量工具

圆柱形管件的安装定位是一个难题。管件圆心的精确定位对于整个管件的精确定位至关重要。测定构件圆周上同一面上8个点后，能够精确计算得到圆心坐标以及半径，并可非常方便地与设计尺寸进行对比，此功能对于划定圆面上角尺线提供了解决方法。

3 计算分析

1）圆心拟合

根据8个测点拟合出一个平面作为基准平面，然后将8个测点投影在基准平面上，利用最小二乘法拟合平面圆心，最后通过坐标变换获得空间圆心。

2）直线度计算

由TOP断面和Bottom断面的圆心连线作为基准线，求得其他断面圆心到基准线投影点坐标，然后计算每个断面圆心与投影点坐标空间偏差的直线度。

3）圆度

根据先测的8个点，算出直径长度，用最大长度减去最小长度得出偏差值，任意切断面的圆度应满足

d

/

d

≤1.005。

4 实施效果

使用C#语言开发基于Windows Mobile的掌上电脑测量软件，可连接全站仪进行点位坐标测量，并通过算法自动计算圆度和直线度。以检查某一塔筒关节为例，检测人员测量断面所有圆周点（见图6），获得测量点的坐标（见表1）。

表1 塔筒全站仪原始测量点表（单位：mm）

表2 圆心拟合结果（单位：mm）

表3 直线度计算结果（单位：mm）

图6 现场测量某一管节

软件自动计算圆心和直线度（见图7），圆心点坐标见表2，计算得到直线度见表3。结果均在允许误差范围内，所测塔筒精度合格。

图7 软件分析界面

5 结论

本文提出采用全站仪及特殊工装，对大型风电塔筒实现快速测量。采用多点拟合方法计算圆心，进而获取塔筒圆度及直线度，并在此基础上对塔筒制造精度进行评价。本文提出的测量方法较为简单、计算分析准确可靠、测量和计算效率高，值得大型船厂在风电塔筒制作过程中推广应用。