CN101126285A - 无法兰支撑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种管状支撑结构(100)，它包括多个用于风力涡轮塔(105)的采用无法兰接头(90)的管段(96)。无法兰接头(90)采用指状板组件(120)来连接相邻管段(96)，指状板组件(120)可围绕相邻管段(96)周边均匀分布。各管段可联合起来形成风力涡轮支撑塔(105)。

Description

无法兰支撑结构
技术领域
本发明总的说涉及管状结构，更具体地说，涉及管状支撑结构管段之间的无法兰接头。
背景技术
管状支撑结构有很多不同的应用类型。某些类型的支撑结构将设备支撑在离地面很高的高度。这些支撑结构可能很高，同时在其顶部带有不同重量的工作设备，因而在这些结构的连接处承受着很高的应力。这类支撑结构可用于很多场合，包括移动电话塔、雷达塔、和风力塔。
风力涡轮支撑塔的结构很庞大，有时伸得非常高，以安置很大的风力涡轮转子叶片，并在布局上将转子叶片置于风路上。举例来说，典型的塔可能高达80米。
图1所示为用焊接片组件管段制成的管状结构例，在各管段的两端焊接着法兰。管状结构10可由两端带法兰27和29的管段15构成，各管段用螺栓连接在一起而构筑结构的高度。管段15包括许多环形管片20(也称“环筒”)。在管片20的内或外端面上开有焊接槽。各管片20在环筒焊缝40处彼此焊接而形成片组件25。然后在片组件两端用高热输入的埋弧焊法焊接顶封闭法兰27和底封闭法兰29。顶封闭法兰27和底封闭法兰29也是环形。然后用螺栓沿螺栓线30将相邻段15的顶封闭法兰27和底封闭法兰29连接在一起而将各段组装起来。再在管状结构10底部加上底座法兰33，在管状结构10顶部加上平台法兰35，就完成了该结构的纵向布局。
图1的管状结构10可代表典型的风力塔，用来支撑风力涡轮或其它各种支撑塔。这个约80米高的塔包括三段，其中两段长约25米，一般长约30米。在其它典型管状结构中，每段的长度和数量可根据该结构的应用和高度而变化。塔可以是圆柱形或圆锥形。
例如，高度为50米的塔可用于强风力状况，而100米高的塔用于弱风力状况。所举塔例的水平断面一般为圆形，上部可以是锥形。可以利用许多单个管片来做成锥形，这些管片沿轴向堆成正锥形截面。不过，其它典型结构各管片的水平断面可以是不同的几何形状。
图2是管状结构各段间法兰接头对中良好时的剖视图。法兰/环筒焊接37将顶封闭法兰27与处在下面的片组件25相连接。法兰/环筒焊接39将相关的底封闭法兰29与处在上面的焊接片组件25相连接。理想情况下，顶封闭法兰27的法兰配合面41和底封闭法兰29的法兰配合面43应该完全平行，以使用于螺栓47和螺母49的通孔45与两个法兰很好对准。
这种风力涡轮支撑塔存在的问题包括当塔弯曲时焊接开裂，法兰变形，和螺栓损坏，每种情况都会使塔的寿命缩短。另外，在法兰焊接过程中产生的热量将使法兰变形。
图3表示用螺栓连接已变形的法兰的过程。一开始，由于将法兰焊接到环筒时产生的热量，法兰29产生变形(A)。当已焊接的顶封闭法兰27和已焊接的底封闭法兰29连在一起时，通孔45的螺栓线不对中(B)，因而管段15(图1)被已变形的法兰夹持。用来连接相邻法兰组件15的螺栓可能受到扭曲，直至已变形的法兰对准为止(C)。这些带螺母49的螺栓47可能扭曲至产生一定的预应力(例如约590Mpa)，才能让已变形的法兰对准。这个操作将在两个焊接点37和39及螺栓47内引起很高的预应力，从而减少承受外负荷的能力。在螺栓中的高而非均匀的预应力可能使螺栓和焊接点损坏(D)。对于用类似焊接法兰接头的其它类型管状支撑结构也可能遇到相似的问题。
从本质上来说，焊接具有固有的应力集中特性。当塔之类的管状结构受到强风力负荷时，塔承受弯曲应力。叠加在这些应力上面的，是由塔顶质量引起的周期性振动的高弯曲应力。这些因数组合，再加上组件的预应力，使焊接点和螺栓承受高的张应力，很可能使焊接开裂或螺栓损坏，造成相关的维修费用增加。螺栓的损坏已变成一件很大的事情，以致于供应商不得不在焊接之后加工法兰，以满足平整度的要求。举例来说，某些塔的用户可能要求供应商使用激光测量法兰的平整度，凡是不平度超过1.5mm就要求重新加工。供应商可能不得不切割和重焊法兰来满足此要求，这可能显著影响成本和工期及塔的强度。
法兰焊接的检验也是一个关注点。由于大多数检验方法是依靠定标的间接检验过程，所以很难准确评估焊接是否牢固。
因而有必要提供一种风力涡轮支撑塔标准段的组件，它不会在连接处产生高应力，而且能对应力进行检测。
发明内容
本发明总的说涉及将各段管状结构连接在一起的接头，尤其是连接风力涡轮支撑塔各段的无法兰接头。
简单地说，本发明的一种形式提供一种指状板组件，用来连接管状支撑结构两相邻管段。该指状板组件包括外指板、内指板和对接在一点的相邻管段的相应两端。在每个指板上提供多个通孔阵列，每个通孔阵列提供与两个相邻管段中一个的连接。相配的通孔阵列位于相邻管段的相应端上。还提供将内、外指状板固定到管段的装置。
简单地说，根据本发明另一形式，提供一种将管状支撑结构两段相连接的无法兰接头。此无法兰接头包括管状支撑结构的两个相邻段和多个指状板组件，后者围绕该管状支撑结构两个相邻段的周边均匀分布。
简单地说，根据本发明第三种形式，提供一种管状支撑结构。此管状支撑结构包括许多管段和多个用指状板组件连接相邻管段的无法兰接头，这些指状板组件围绕相邻管段的周边均匀分布。
附图说明
参照附图阅读下面的详细说明，将更好地了解本发明的上述和其它多个特性、形式、和优点，附图中相似的字符代表类似的部件，其中：
图1表示用螺栓连在一起的带法兰段的管状结构例。
图2表示塔的各标准段的法兰接头对准良好时的剖视图。
图3表示用螺栓连接已变形法兰的过程。
图4表示指状板组件的侧剖视图。
图5表示典型指状板的等角投影图。
图6表示指状板组件连接和现行短法兰接头在塔侧倾时的相对刚度。
图7表示利用围绕管状支撑结构周边均匀分布的指状板组件的无法兰接头。
图8表示风力涡轮支撑塔的轴向截面，此塔包括多个用指状板组件连接的无法兰接头。
具体实施方式
本发明下面多个实施例具有很多优点，包括可避免焊接处和螺栓中出现高的张应力，这些应力可能导致焊接开裂或螺栓损坏，并使相关维护费用增加。
本发明的一种形式提供多个指状板组件，以连接管状组件的相邻段。图4表示一种指状板组件50的侧剖视图，该组件能克服上述带焊接法兰接头的管状组件中法兰在焊接后变形的问题。管状组件(无法兰)的两个相邻无法兰标准段52和54的圆环在很靠近点56处被连在一起。在管状组件内部提供内指状板57。此内指状板57可以是具有曲线外直径的，它与无法兰标准段52和54的曲线内直径相配。内指状板57用来连接相邻无法兰段的内表面58和60。在管状组件外部提供外指状板62。此外指状板62可以是具有曲线内直径的，它与无法兰标准段52和54的曲线外直径相配。外指状板62用来连接相邻无法兰段的外表面64和66。在每个指状板上提供多个固定通孔阵列，它们与无法兰标准段相应端上的固定通孔阵列相配。根据固定通孔阵列的不同，组件还可能包括螺栓47和螺母49。但按照具体应用的不同，也可以采用其它的适当固定方式。
图5表示用螺栓和螺母固定的典型指状板等角视图。此典型指状板70具有内表面72和外表面74。对于内指状板，它的外表面与相邻管段的曲线外表面相匹配。对于外指状板，它的外表面与相邻管段的相应表面相匹配。典型的螺栓通孔阵列76用来与一个管段连接，而典型的螺栓通孔阵列78用来与相邻管段连接。指状板的设计根据标准的设计程序进行，包括螺栓通孔离指状板边缘的距离，相邻螺栓通孔之间的距离，指状板厚度，指状板的表面尺寸和板材选择。
对于80米塔的例子，指状板可能有约2米的弧形尺寸，约1米的高度，和30-40mm的厚度。指状板的材料建议包括ASTM A 572 Gr钢板。指状板上的螺栓通孔阵列76和78最好做成塔的每个相邻段为两行，每块指状板总共有大约48个螺栓孔。螺栓通孔直径建议约为1.25英寸。螺栓通孔之间的距离可为5英寸左右。在80米塔中指状板的典型螺栓最好是M3610.9级螺栓，螺栓被扭曲到大约510Mpa(74Ksi)的螺栓预应力。
除了不用端法兰外，结构的分散性可使塔的截面形状稍有改变，从而加快安装进度并尽可能减少昂贵的返工。指状板组件被设计成具有足够的厚度、长度和宽度，以提供可接受的局部和整体刚性，满足塔侧倾和稳定性的要求。可根据标准螺栓设计方法确定指状板的尺寸。
图6示意地展示在塔侧倾时指状板组件连接和现行短法兰接头的相对刚性。内指状板57和外指状板62的长曲线形指状板组件连接80，对于抵抗塔侧倾所引起的弯曲具有较大的连接刚性。比之传统法兰接头85中用来吸收侧倾力矩的顶封闭法兰27和底封闭法兰29的短表面L2，指状板组件连接80将弯折力矩分配在较长的曲线表面L1上。
根据本发明一种形式的典型带指状板组件的无法兰接头，将许多指状板围绕管状支撑结构相邻各段的周边均匀分布。
图7的无法兰接头90将指状板组件92围绕下管段96均匀分布。为清楚起见，显示了内指状板93，外指状板94和下管段96，而省略了上管状结构和紧固件。管状结构可以是支撑塔或风力涡轮支撑塔。对于80米左右风力涡轮支撑塔的例子，可以围绕该风力涡轮支撑塔的相邻段周边分布5个指状板组件。还可以采用螺栓作为风力涡轮支撑塔的固定件。此图只显示出螺栓通孔的简单布局，而图5显示了用于此风力涡轮支撑塔例的具有更典型的通孔阵列的指状板。
指状板的曲线形状使其连接刚性提高。合理设计指状板的长度、厚度和宽度将局部加强连接的刚性，而且将以比原先的法兰接头在结构上有效得多的方式，为侧倾、稳定性、和塔顶偏心负荷提供规定的整体塔刚性。各指状板的厚度和距离还与螺栓连接的通行标准设计有关。螺栓孔径和距离将与维修条件有关。
本发明利用指状板组件代替环筒组件的焊接法兰，作为连接塔的标准段的方法。因而消除了与这些焊接和螺栓有关的变形和预应力问题。另外，由于现行的检验方法依赖于定标的间接检测过程，故很难准确评估焊接的牢固性。用螺栓代替焊接，可让检验人员利用扭力搬手检查每支螺栓的许可预负荷。
根据本发明的另一种形式，管状支撑结构包括许多管段和多个用指状板组件连接相邻管段的无法兰接头，这些指状板组件围绕相邻管段的周边均匀分布。此管状结构可以构成支撑塔，更具体地，如风力涡轮支撑塔，其中使用指状板组件来连接塔的标准段。通过将管片焊接成许多塔段而将塔各标准段组装起来。
图8表示风力涡轮支撑塔105的轴向剖视图。此风力涡轮支撑塔105采用无法兰接头90，它利用指状板组件120来连接各塔段96。风力涡轮支撑塔105为风力涡轮发电机110和风力涡轮转子115提供管状支撑。此风力涡轮支撑塔105大约80米高，包括三个塔段96和两个无法兰接头90。
在这个风力涡轮支撑塔105中，可围绕无法兰接头周边均匀分布五个指状板组件。各塔段可以是圆柱形或具有普通截头正锥截面，以从总体上减小塔段在较高处的截面。另外，各个塔段可以沿轴向长度单独做成锥形，以逐渐减小每个塔段沿其轴向长度的截面。
虽然这里只显示和说明了本发明的某些特性，但本专业技术人员可以作许多修改和更动。因此应明白，下面的权利要求书将涵盖所有这类修改和更动，因为它们都在本发明的真实思想范围之内。
零件列表
5
10管状结构
15管段
20管片
25管片组件
27顶封闭法兰27
29底封闭法兰
30螺栓线
33底法兰
35平台法兰
37法兰/环筒焊接
39法兰/环筒焊接
40环筒/环筒焊接
41法兰配合表面
43法兰配合表面
45通孔
47螺栓
49螺母
50指状板组件
52无法兰标准段
54无法兰标准段
55
56靠近点
57内指状板
58内表面
60内表面
62外指状板
64表面
65
66外表面
70典型指状板
72内表面
74外表面
75
76螺栓通孔阵列
78螺栓通孔阵列
80指状板组件连接
85法兰接头
90无法兰接头
92指状板组件
93内指状板
94外指状板
95下管段
96塔段
100风力涡轮发电设备
105风力涡轮支撑塔
107底座
108平台
109管片
110风力涡轮发电机
115风力涡轮转子
120指状板组件

Claims (10)

1.一种管状支撑结构(100)，包括：
多个管段(96)；和
多个无法兰接头(90)，包括用来连接相邻管段(96)的指状板组件(120)，这些指状板组件(120)围绕相邻管段(96)的周边均匀分布。
2.如权利要求1的管状支撑结构(100)，其中管状支撑结构(100)包括：
支撑塔(105)。
3.如权利要求2的管状支撑结构(100)，其中管状支撑结构(100)包括：风力涡轮支撑塔。
4.如权利要求3的管状支撑结构(105)，其中无法兰接头(90)还包括：
五个指状板组件(120)，它们围绕相邻管段(96)的周边均匀分布。
5.如权利要求3的管状支撑结构(100)，其中风力涡轮支撑塔还包括：
支撑塔(105)的底座(108)；
用无法兰接头(90)相连的管段；
连接至管段(96)顶部的平台(108)；和
支撑在平台(108)上的风力涡轮发电机(110)和风力涡轮转子(115)。
6.如权利要求5的管状支撑结构(105)，其中管段还包括：
焊接管片(20)。
7.如权利要求4的管状支撑结构(105)，其中用来连接管状支撑结构(105)的两相邻管段(96)的指状板组件(120)还包括：
外指状板(94)；
内指状板(93)；
对接在一起的相邻管段(96)的相应端部；
在每个指状板(120)上的通孔阵列(125)，其中每个通孔阵列提供到两个相邻管段(96)中一个的连接；
位于相邻管段(96)相应端部上的配对通孔阵列(125)；以及
将外指状板(94)和内指状板(93)固定到相邻管段(96)的装置。
8.如权利要求7的指状板组件(120)，其中管段(96)包括：一个圆形水平断面。
9.如权利要求7的指状板组件(120)，其中：
外指状板(94)包括一块板，它的弯曲内径与管段(96)的外表面曲率相匹配；及
内指状板(93)包括一块板，它的弯曲外径与管段(96)的内表面曲率相匹配。
10.如权利要求7的指状板组件(120)，其中按照通孔阵列的固定装置包括：螺母和螺栓(109)。
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