CN105486284B - 风力发电机组塔筒垂直度检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种风力发电机组塔筒垂直度检测方法和装置，方法包括：从塔筒的底部平面上的第一测点向塔筒的第二高度平面发射激光束，并与第二高度平面垂直相交于第二测点；从所述第一测点沿竖直方向发射激光束，并与所述第二高度平面相交于第三测点；根据所述第一测点、所述第二测点、所述第三测点相互之间的距离，计算塔筒在所述第二高度处的垂直度。本发明的技术方案可方便准确的测量塔筒的垂直度。

Description

风力发电机组塔筒垂直度检测方法和装置

技术领域

本发明涉及风电技术领域，尤其涉及一种风力发电机组塔筒垂直度检测方法和装置。

背景技术

塔筒在风力发电机组(以下简称“机组”)中主要起支撑作用，同时吸收机组震动。如果塔筒出现倾斜，对机组的正常运行带来严重危害，甚至会导致机组倒塌，不仅对风电场造成巨大的经济损失，还对机组的维护人员造成巨大的生命威胁。所以，对塔筒的垂直度检测是十分重要和必要的。

塔筒垂直度是衡量塔筒倾斜程度的重要参数。测量塔筒垂直度，可以掌握塔筒的工作状态，评价塔筒的变形是否在允许范围之内，是否影响机组的正常运行。

现有技术中，多采用经纬仪测量塔筒垂直度，测量方式为机组塔筒外部测量，并且需进行两点测量，对天气和场地都有特殊要求，对特殊地形的机组测量塔筒垂直度有一定难度，甚至无法测量。

发明内容

本发明的实施例提供一种风力发电机组塔筒垂直度检测方法和装置，可方便准确的测量塔筒的垂直度。

为达到上述目的，本发明的实施例提供了一种风力发电机组塔筒垂直度检测方法，包括：从塔筒的底部平面上的第一测点向塔筒的第二高度平面发射激光束，并与第二高度平面垂直相交于第二测点；从所述第一测点沿竖直方向发射激光束，并与所述第二高度平面相交于第三测点；根据所述第一测点、所述第二测点、所述第三测点相互之间的距离，计算塔筒在所述第二高度处的垂直度。

本发明的实施例还提供了一种风力发电机组塔筒垂直度检测装置，包括：位于塔筒内侧，设置于塔筒的底部平面上的激光发射器和设置于塔筒的第二高度平面上的激光成像装置；第一垂直度计算模块；所述激光发射器，用于从塔筒的底部平面上的第一测点向塔筒的第二高度平面上的所述激光成像装置发射激光束，并与第二高度平面垂直相交于第二测点；从所述第一测点沿竖直方向发射激光束，并与所述第二高度平面相交于第三测点；所述第一垂直度计算模块，用于根据所述第一测点、所述第二测点、所述第三测点相互之间的距离，计算塔筒在所述第二高度处的垂直度。

本发明实施例提供的风力发电机组塔筒垂直度检测方法和装置，利用激光束的直线传播原理以及直角三角形的三边关系定理,在根据塔筒的底部、第二高度,以及测量确定的第一测点、第二测点和第三测点相互间的距离，计算塔筒在第二高度处的垂直度。

附图说明

图1为本发明提供的风力发电机组塔筒垂直度检测原理示意图；

图2为本发明提供的风力发电机组塔筒垂直度检测方法一个实施例的方法流程图；

图3为本发明提供的风力发电机组塔筒垂直度检测方法另一个实施例的方法流程图；

图4为本发明提供的在塔筒的法兰上设置激光靶的场景示意图；

图5为本发明提供的风力发电机组塔筒垂直度检测装置一个实施例的机构框图；

图6为本发明提供的风力发电机组塔筒垂直度检测装置另一个实施例的机构框图。

附图标号说明

510-激光发射器、520-激光成像装置、530-第一垂直度计算模块；531-第一垂直度计算单元；532-第二垂直度计算单元；540-第二垂直度计算模块。

具体实施方式

本发明的设计思路，是利用激光束的直线传播原理以及直角三角形的三边关系定理进行塔筒垂直度的测量。如图1所示，为本发明提供的风力发电机组塔筒垂直度检测原理示意图。

图1中，AB方向为塔筒相对于竖直方向(AC方向)整体发生倾斜后的塔筒中轴线的方向，即塔筒相对于竖直方向倾斜了α角度。在塔筒上的不同高度位置做垂直于塔筒中轴线的平面即得到相应的塔筒在该高度上的高度平面。

本方案选取塔筒的底部平面(对应平面高度为0)作为测量基准，然后选取塔筒的任意一个高度位置的高度平面作为第二高度平面。在底部平面上设置第一测点A。具体地，当塔筒为均匀倾斜时，该第一测点A为底部平面上的任一点；当塔筒为非均匀倾斜时，该第一测点A为底部平面与塔筒中轴线的交点，或者该第一测点A还可为垂直于塔筒的倾斜平面(塔筒未倾斜与塔筒倾斜后两个状态下中轴线所在的公共平面)的所有平面，在上述所有平面中包含塔筒中轴线的平面与底部平面相交直线上的任一点。为使计算结果更加准确，本方案中优选底部平面与塔筒中轴线的交点作为第一测点A。从第一测点A向第二高度平面作垂线(可通过发射激光束至第二高度平面上的激光成像装置如激光靶完成)，垂足交于第二测点B。从第一测点A沿竖直方向向第二高度平面作射线交于第三测点C。从第二测点B向AC做垂线交于点D，则BD即为塔筒在第二高度处的倾斜度。在已知底部、第二高度，以及在第二高度平面上测量得到BC距离后，运用直角三角形ABC和直角三角形ABD之间边的关系，可求取BD长度。

理论上，如果塔筒在底部到第二高度间为均匀倾斜，那么AB的长度为底部与第二高度的高度差。但在实际应用场景中，如果选取的塔筒的底部到第二高度间的距离较远，很可能出现非均匀倾斜，那么AB的长度会小于实际的第二高度。

以下将结合附图对本方案中的风力发电机组塔筒垂直度检测方法和装置进行详细说明。

实施例一

图2为本发明提供的风力发电机组塔筒垂直度检测方法一个实施例的方法流程图。

S210，从塔筒的底部平面上的第一测点向塔筒的第二高度平面发射激光束，并与第二高度平面垂直相交于第二测点。

如图1中所示，从塔筒的底部平面上的第一测点A向塔筒的第二高度平面发射垂直于第二高度平面的激光束，该激光束交于第二高度平面于第二测点B点。

S220，从第一测点沿竖直方向发射激光束，并与第二高度平面相交于第三测点。

如图1中所示，从塔筒的底部平面上的第一测点A向塔筒的第二高度平面发射竖直方向(垂直与水平面)的激光束，该激光束交于第二高度平面于第三测点C。

S230，根据第一测点、第二测点、第三测点相互之间的距离，计算塔筒在第二高度处的垂直度。

如图1中所示，根据塔筒的第二高度或者，第一测点A和第二测点B之间的距离可以得到直角三角形ABC的直角边AB长度，根据第二测点B到第三测点C的距离，可以得到直角三角形ABC的直角边BC长度，同时，根据第一测点A到第三测点C的距离，可以得到直角三角形ABC的斜边AC长度，最后通过直角三角形ABC与BCD之间的边的关系，计算得到塔筒在第二高度处的垂直度BD的长度。在此，对于求解BD长度的具体算法不作限定。

本发明实施例提供的风力发电机组塔筒垂直度检测方法，利用激光束的直线传播原理，以及直角三角形的三边关系原理，在预知塔筒的底部、第二高度,以及测量的从底部平面上的第一测点分别向塔筒的第二高度平面发射垂直第二高度平面、竖直方向的激光束得到的第二测点和第三测点后，计算塔筒在第二高度处的垂直度。该方案计算结果准确，且便于实施操作。

实施例二

图3为本发明提供的风力发电机组塔筒垂直度检测方法另一个实施例的方法流程图，可视为图2所示实施例的一种具体实现方式。如图3所示，该风力发电机组塔筒垂直度检测方法包括：

S310，从塔筒的底部平面上的第一测点向塔筒的第二高度平面发射激光束，并与第二高度平面垂直相交于第二测点。S310与S210的内容相似。

具体地，如图4所示，在塔筒的第二高度平面上可设置激光靶，激光靶的靶面与第二高度平面重合，且靶面正对底部平面方向。在实际操作时，可将激光靶安装在塔筒内侧的法兰上，且靶面与法兰面平行。从塔筒的底部平面上的第一测点A向塔筒的第二高度平面发射激光束并与第二高度平面垂直相交于第二测点B就转化为：

从第一测点A向激光靶的靶心发射激光束，在第二高度平面上调整激光靶的位置，同时调整激光束的方向，使得激光束的同心圆光斑与激光靶的刻度同心圆构成新的同心圆环或完全重合，如此就保证了激光束垂直第二高度平面，此时，激光靶的靶心即为第二测点B。其中，上述激光靶满足如表1所示参数：

表1激光靶技术参数

技术参数	单位	指标
			测量范围	mm	300×300
测量精度	mm	0.5

同时，激光靶还具有如下特征：

激光靶采用非透光、浅色材质，方便显示光斑；

激光靶与固定底座之间可实现绕靶心360度旋转，方便使激光点落在十字轴上；

激光靶上绘有以靶心为中心的十字轴并显示刻度，最小刻度为0.5mm；

激光靶上绘有以靶心为圆心的同心刻度圆，刻度圆之间距离为10mm；

激光靶靶心点直径3mm，用于对准激光点。

S320，从第一测点沿竖直方向发射激光束，并与第二高度平面相交于第三测点。S320与S220的内容相似。

具体地，本实施例中发射激光束的激光发射器上设置有用于调整激光束方向的调整手轮和调平水泡。激光发射器安放在激光靶下端，且激光发射器的激光发射窗对准激光靶。可通过磁力座将激光发射器安放在塔筒上，其激光发射窗距激光靶距离不小于10m。激光发射器满足如表2所示参数：

表2激光发射器技术参数

在此基础上，从第一测点沿竖直方向发射激光束，并与第二高度平面相交于第三测点的步骤转化为：

在得到第二测点B后，调整激光发射器底部的调整手轮，使激光发射器上的调平水泡处于中间位置，此时激光束垂直于水平面(即激光束沿竖直方向发射)。查看此时的激光束的中心斑点落在激光靶上的位置，即第三测点。旋转激光靶通过十字轴上的刻度读取此时激光束中心点距靶心之间的距离，即BC长度。

这里说明，在塔筒的底部与第二高度间为均匀倾斜时，使用激光发射器的测距功能测量激光发射器窗口与靶心之间的距离与底部到第二高度的高度差相同，即AB长度。在塔筒的底部与第二高度间为非均匀倾斜时，仍可将激光测距AB视为底部到第二高度的高度差。而此时，A、B点同为塔筒中轴线上的点，或是，垂直于塔筒的倾斜平面的所有平面中包含塔筒中轴线的平面与底部平面相交直线上的任一点的特征就显得尤为重要，可提高后续计算精度。

在实际操作时，也可先在塔筒中轴线上从底部位置(第一测点)向第二高度位置(第二测点)发射激光束，同时调整第二高度位置上的激光靶，使激光束的某个同心圆光斑与激光靶上的某个刻度圆完全重合，或激光束的同心圆光斑与激光靶的刻度圆组成一组新的同心圆，并将调整后的激光靶的靶面所在的平面视为第二高度平面。这种方式，可进一步提高后续计算精度。

S330，根据第一测点、第二测点、第三测点相互之间的距离，计算塔筒在第二高度处的垂直度。S330与S230的内容相似。

具体地，本实施例采用两种具体计算方式得到塔筒在第二高度处的垂直度。

方式1，可根据公式(1)计算塔筒在第二高度处的垂直度q：

其中，m为第一测点到第二测点的距离，n为第二测点到第三测点的距离。

方式2，可根据公式(2)计算塔筒在第二高度处的垂直度q：

其中，l为第一测点到第三测点的距离，n为第二测点到第三测点的距离。

基于上述计算塔筒在第二高度处的垂直度计算方法，本方案给出了如下三种测量风电机组塔筒垂直度的方式。

方式一

例如，将上述第二高度平面设置为塔筒顶部。如此，最后测量的垂直度即为塔筒顶部相对于底部的垂直度。

此种测量方式要求激光靶安放在机组塔筒顶部的法兰平面，激光发射器安放在基础环或靠近底层平台的塔筒上，保证激光束通过塔筒每层平台的爬梯孔打到激光靶上。采取上述的操作方法进行测量，得出的就是塔筒的实际垂直度。

方式二

通过已测量的第二高度对应的垂直度，测量风力发电机组塔筒任一高度处的垂直度。

此种测量方式要求激光靶与激光发射器的激光发射窗之间的距离不小于10m，距离过小激光靶上的读数不明显，误差较大。然后根据公式(3)计算得到塔筒任一高度处的垂直度。即执行S340根据：

计算塔筒的任意高度H处的垂直度Q，其中，f为上述第二高度e处的垂直度。

当H为塔筒顶部到塔筒底部的高度差时，则对应得到的Q即为塔筒顶部的垂直度。

一般，风电机组塔筒垂直度的评测标准为垂直度Q≤H/1400+4N(其中H为塔架高度，单位取mm，N为塔筒节数)。

本实施例提供的风力发电机组塔筒垂直度检测方法，在图1所示实施例的基础上，通过引用激光靶和激光发射器来实现精确测量塔筒上底部到第二高度的塔筒垂直度。在此基础上，还给出了通过塔筒上，部分高度差对应的垂直度计算塔筒顶部的垂直度的方案。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

实施例三

图5为本发明提供的风力发电机组塔筒垂直度检测装置一个实施例的结构示意图，可用于执行图2所示实施例的方法步骤，如图5所示，该风力发电机组塔筒垂直度检测装置包括：位于塔筒内侧，设置于塔筒的底部平面上的激光发射器510和设置于塔筒的第二高度平面上的激光成像装置520；第一垂直度计算模块530；其中：

激光发射器510，用于从塔筒的底部平面上的第一测点向塔筒的第二高度平面上的激光成像装置520发射激光束，并与第二高度平面垂直相交于第二测点；从第一测点沿竖直方向发射激光束，并与第二高度平面相交于第三测点；第一垂直度计算模块530，用于根据第一测点、第二测点、第三测点相互之间的距离，计算塔筒在第二高度处的垂直度。

进一步地，如图6所示，第一垂直度计算模块530包括：

第一垂直度计算单元531，用于根据

计算塔筒在第二高度处的垂直度q，其中，m为第一测点到第二测点的距离，n为第二测点到第三测点的距离。

可替代地，第一垂直度计算模块530还包括：

第二垂直度计算单元532，用于根据

计算塔筒在第二高度处的垂直度q，其中，l为第一测点到第三测点的距离，n为第二测点到第三测点的距离。

进一步地，所述激光成像装置520为激光靶，激光发射器510还用于，从第一测点向激光靶的靶心发射激光束，当激光束的同心圆光斑与激光靶的刻度同心圆构成新的同心圆环或完全重合时，激光靶的靶心为所述第二测点。

进一步地，上述风力发电机组塔筒垂直度检测装置还包括：设置在激光发射器510上的用于调整激光束方向的调整手轮和调平水泡，用于调整激光发射器510的调整手轮，使得激光束从第一测点向第二高度平面发射激光束时调平水泡处于中间水平位置，并将相应激光束与第二高度平面的交点确定为第三测点。

进一步地，如图6所示，上述风力发电机组塔筒垂直度检测装置还包括：第二垂直度计算模块540，用于根据

计算塔筒的任意高度H处的垂直度Q，其中，f为第二高度e处的垂直度。

进一步地，上述第二高度平面为塔筒顶部或塔筒法兰面。

本发明实施例提供的风力发电机组塔筒垂直度检测装置，利用激光束的直线传播原理，以及直角三角形的三边关系原理，在预知塔筒的底部、第二高度,以及测量的从底部平面上的第一测点分别向塔筒的第二高度平面发射垂直第二高度平面、竖直方向的激光束得到的第二测点和第三测点后，计算塔筒在第二高度处的垂直度。该方案计算结果准确，且便于实施操作。

进一步的，本方案还通过引用激光靶和激光发射器来实现精确测量塔筒上底部到第二高度的塔筒垂直度。在此基础上，还给出了通过塔筒上，部分高度差对应的垂直度计算塔筒顶部的垂直度的方案。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种风力发电机组塔筒垂直度检测方法，其特征在于，包括：

从塔筒的底部平面上的第一测点向塔筒的第二高度平面发射激光束，并与第二高度平面垂直相交于第二测点；

从所述第一测点沿竖直方向发射激光束，并与所述第二高度平面相交于第三测点；

根据所述第一测点、所述第二测点、所述第三测点相互之间的距离，计算塔筒在所述第二高度处的垂直度，

其中，所述从塔筒的底部平面上的第一测点向塔筒的第二高度平面发射激光束，并与第二高度平面垂直相交于第二测点包括：在所述第二高度平面上设置激光靶，并从所述第一测点向所述激光靶的靶心发射激光束，当激光束的同心圆光斑与所述激光靶的刻度同心圆构成新的同心圆环或完全重合时，所述激光靶的靶心为所述第二测点；

其中，所述从所述第一测点沿竖直方向发射激光束，并与所述第二高度平面相交于第三测点包括：调整激光发射器的调整手轮，使得激光束从所述第一测点向所述第二高度平面发射激光束时调平水泡处于中间水平位置，并将相应激光束与所述第二高度平面的交点确定为所述第三测点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一测点、所述第二测点、所述第三测点相互之间的距离，计算塔筒在所述第二高度处的垂直度包括：

根据

计算塔筒在所述第二高度处的垂直度q，其中，m为所述第一测点到所述第二测点的距离，n为所述第二测点到所述第三测点的距离。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一测点、所述第二测点、所述第三测点相互之间的距离，计算塔筒在所述第二高度处的垂直度包括：

根据

计算塔筒在所述第二高度处的垂直度q，其中，l为所述第一测点到所述第三测点的距离，n为所述第二测点到所述第三测点的距离。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据

计算塔筒的任意高度H处的垂直度Q，其中，f为所述第二高度e处的垂直度。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二高度平面为塔筒顶部或塔筒法兰面。

6.一种风力发电机组塔筒垂直度检测装置，其特征在于，包括：位于塔筒内侧，设置于塔筒的底部平面上的激光发射器和设置于塔筒的第二高度平面上的激光成像装置；第一垂直度计算模块；

所述激光发射器，用于从塔筒的底部平面上的第一测点向塔筒的第二高度平面上的所述激光成像装置发射激光束，并与第二高度平面垂直相交于第二测点；从所述第一测点沿竖直方向发射激光束，并与所述第二高度平面相交于第三测点；

所述第一垂直度计算模块，用于根据所述第一测点、所述第二测点、所述第三测点相互之间的距离，计算塔筒在所述第二高度处的垂直度，

其中，所述激光成像装置为激光靶，所述激光发射器还用于，从所述第一测点向所述激光靶的靶心发射激光束，当激光束的同心圆光斑与所述激光靶的刻度同心圆构成新的同心圆环或完全重合时，所述激光靶的靶心为所述第二测点；

其中，所述检测装置还包括：设置在激光发射器上的用于调整激光束方向的调整手轮和调平水泡，用于调整所述激光发射器的调整手轮，使得激光束从所述第一测点向所述第二高度平面发射激光束时所述调平水泡处于中间水平位置，并将相应激光束与所述第二高度平面的交点确定为所述第三测点。

7.根据权利要求6所述的检测装置，其特征在于，所述第一垂直度计算模块包括：

第一垂直度计算单元，用于根据

计算塔筒在所述第二高度处的垂直度q，其中，m为所述第一测点到所述第二测点的距离，n为所述第二测点到所述第三测点的距离。

8.根据权利要求7所述的检测装置，其特征在于，所述第一垂直度计算模块包括：

第二垂直度计算单元，用于根据

计算塔筒在所述第二高度处的垂直度q，其中，l为所述第一测点到所述第三测点的距离，n为所述第二测点到所述第三测点的距离。

9.根据权利要求6～8中任一项所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括：第二垂直度计算模块，用于根据

计算塔筒的任意高度H处的垂直度Q，其中，f为所述第二高度e处的垂直度。

10.根据权利要求6～8中任一项所述的检测装置，其特征在于，所述第二高度平面为塔筒顶部或塔筒法兰面。