CN102235404A - 螺栓与螺母上的用以减小挠曲的凹-凸形状 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及螺栓与螺母上的用以减小挠曲的凹-凸形状。提供了一种法兰连接(100)，其包括具有第一安装孔(308)的第一法兰(301)和至少一个具有适于与第一安装孔(308)对准的第二安装孔的第二法兰(302)。包括具有螺纹部分(105)的轴部分(102)与形成于轴部分(102)一端的头部部分(103)的螺栓(101)适于穿过第一和第二安装孔(308)。螺母(201)适于被旋拧到螺纹部分(105)上并在上紧时用于连接第一法兰(301)和至少一个第二法兰(302)。头部部分(103)和螺母(201)中的至少一个包括朝相应法兰定向的凸面且该相应法兰在安装孔(308)处包括朝凸面定向的法兰凹部(306)。

Description

螺栓与螺母上的用以减小挠曲的凹-凸形状
技术领域
本发明大体上涉及用于连接至少两个待连接的构件或法兰的法兰连接。具体而言，本公开涉及用于将具有缺陷配合面的构件彼此连接起来的法兰连接。
背景技术
典型的待连接的部件或构件或法兰通过将螺栓的轴部分插入各待连接构件的孔中并通过将螺母旋拧到该螺栓的螺纹部分上而栓接在一起。然后可将该螺母上紧，从而使该至少两个待连接构件(例如待连接法兰)互相牢固地附接。
例如，风力涡轮机的塔架的构件通过螺栓而连接，从而使整个塔架可由供应者以部分而提供，这样的部分可容易被运输到要安装风力涡轮机的位置。在风力涡轮机的位置，塔架的各部分通过法兰连接(包括带有螺纹部分的螺栓以及螺母)而连接。
由于施加于这种风力涡轮机塔架的重负荷，法兰连接通常受到很大程度的应力。施加于螺栓和螺母的应力可作用在螺栓的纵向方向上和剪切方向上(即，在垂直于螺栓纵向方向的方向上)，或者在上面提到的两种方向的组合的方向上。
对于所施加的力和力矩的不同种类与方向，需要提供具有大的刚性的法兰连接，并且，其中导致的组装成本较低。
发明内容
鉴于上面的情况，提供了一种法兰连接，其包括：具有第一安装孔的第一法兰、至少一个具有第二安装孔的第二法兰、螺栓以及螺母，第二安装孔适于与第一安装孔对准，螺栓包括具有螺纹部分的轴部分，以及在该轴部分的一端形成的头部部分，该螺栓适于穿过第一安装孔和第二安装孔，螺母适于被旋拧到螺纹部分上，并在其被上紧时用于连接该第一法兰和该至少一个第二法兰，其中，头部部分和螺母的其中至少一个包括朝相应法兰定向的凸面，并且，其中，该相应法兰在安装孔处包括朝凸面定向的法兰凹部。
根据另一方面，提供了具有塔架、机械机舱以及至少一个法兰连接的风力涡轮机，该法兰连接适合于机械地连接塔架或机械机舱的至少两个构件，该法兰连接包括具有第一安装孔的第一法兰、至少一个具有第二安装孔的第二法兰、螺栓以及螺母，第二安装孔适于与第一安装孔对准，螺栓包括具有螺纹部分的轴部分，以及在该轴部分的一端形成的头部部分，该螺栓适于穿过第一安装孔和第二安装孔，螺母适于被旋拧到螺纹部分上，并在其被上紧时用于连接该第一法兰和该至少一个第二法兰，其中，头部部分和螺母的其中至少一个包括朝相应法兰定向的凸面，并且，其中，相应法兰在安装孔处包括朝凸面定向的法兰凹部。
进一步的示例性实施例是根据从属权利要求、描述和附图的。
附图说明
在该说明书的其余部分中更详细地描述了全面和充分的公开，包括其对于本领域普通技术人员而言的最佳模式，其包括对附图的参考，其中：
图1是根据一典型实施例的螺栓(上方)以及相关联的螺母(下方)的截面图；
图2是根据一典型实施例的彼此互相连接的两个法兰的截面图；
图3显示了图2中所示的法兰连接，其中，施加的应力导致待连接的第一法兰和第二法兰挠曲，从而在待连接法兰之间封闭间隙；
图4显示了根据一典型实施例的具有轴部分与头部部分的螺栓以及螺母；
图5显示了图4中所示的螺栓与螺母，其中，螺母被旋拧到螺栓的螺纹部分上；
图6与螺母一起更详细地显示了其中一个待连接法兰，该螺母的肩部配合于该待连接法兰的法兰凹部中；以及
图7a-f显示了根据典型实施例的应用于风力涡轮机的多种法兰连接。
具体实施方式
现在将对不同示例性实施例进行详细引用，在附图中显示了其中一个或多个示例。各示例通过说明的方式而提供，并且不意图作为限制。例如，所示的或所描述的作为一个实施例的一部分的特征可被用在其它实施例上或与其它实施例结合使用，以便产生更进一步的实施例。本公开意图包括这样的修改和变型。
下面将说明若干实施例。在这种情况下，附图中相同的结构特征由相同的参考标号表示。附图中所示的构造不是真实地按比例描绘的，而仅仅作用来对实施例有更好的理解。
图1是根据一典型实施例的螺栓101(上方)与相关联的螺母201(下方)的肩部部分的截面图。该截面是在形成相应肩部的位置处，在垂直于下面的图4和图5中所示的纵向轴线305的平面中取得的。如图1中所示，螺母201是六角螺母，并且相关联的螺母肩部202具有圆形凸面。
当法兰连接被用来紧固待紧固的构件时，这种至少部分圆形的凸面与待紧固构件的表面相邻。然而，螺栓101的头部部分103被显示为具有圆形横截面，如上面图3中的那样，应当注意，螺栓101的头部部分103也可具有六边形的形状，从而使得可提供扳手作为适于上紧法兰连接100的工具。
根据一典型实施例，头部部分103和/或螺母201朝待连接构件定向的环状表面可分别形成为肩部104、202，其可具有至少部分球形形状和凸形形状的其中至少一种。肩部，即头部肩部104或螺母肩部202，于是朝待连接的构件或法兰延伸。
此外，可在螺母201的两侧均设有螺母肩部202，从而可从两个不同的定向将螺母201旋拧到螺栓101的螺纹部分105上，从而使得在任何情况下，一个螺母肩部202朝待紧固的法兰定向。螺母201然后关于垂直于螺母轴线305的中心面而对称地形成。
图2是根据一典型实施例的包括两个相互连接的法兰301、302的法兰连接100的截面图。图2显示了第一法兰301和第二法兰302，每个法兰都具有安装孔，螺栓101的轴部分102可通过该安装孔而插入。螺母201被旋拧到螺栓101的轴103的螺纹部分105上。螺母肩部202配合于第一法兰301的法兰凹部306中，从而使得作用在螺栓101的轴部分102上的挠矩减小。
这里要注意，螺栓101的螺纹部分105可延伸跨过一部分轴部分102或者跨过整个轴部分102。因而，螺栓101的轴部分102和螺纹部分105可以是相同的。
除了那些之外，或者替代地，螺栓101的头部部分103的头部肩部104可配合于第二法兰302的法兰凹部306中，从而使得作用在螺栓101的轴部分102上的挠矩再次得以减小。
第一法兰301和第二法兰302的其中至少一个的法兰凹部306的典型实施例包括(但不限于)球形的段或圆锥形的段，例如沉孔、铰孔、锥形、漏斗形的凹部等等。这里要注意，双曲面(例如球形部分)可比单曲面(例如锥形)更多地减小由挠矩导致的应力。因此，根据典型实施例，头部部分103以及螺母201的凸面具有双曲面(例如球形的一部分)，并且第一法兰301与第二法兰302的凹面具有球形凹部306(也参见图6)。
此外，螺母201和/或螺栓101的头部部分103的肩部(即，由附图中的参考标号202和104所表示的肩部)的典型实施例包括(但不限于)凸形的段，例如渐缩式部分、球状横截面等等。当转动螺母201以便上紧法兰连接时，例如，凸形体和凹形体就形成了良好的相对对准。
图3显示了图2中所示的法兰连接100，其中，施加的侧向或偏轴的应力导致待连接的第一法兰301与第二法兰302挠曲。法兰301与法兰302之间可形成间隙304。这样的间隙304可由例如法兰301、302的制造缺陷产生。在图3中显示了待连接的第一法兰301相对于待连接的第二法兰302在挠曲方向303上的挠曲。由于在挠曲方向303上的挠曲，在待连接构件301、302的两个接触面之间形成间隙304。
如可从图3中所示的挠曲状态看出的那样，与图2中所示的未挠曲状态相比，显然，采用凹部306-肩部202、104的组合减小了作用在螺栓101的轴部分102上的挠矩，这是因为螺母201及螺栓101的头部部分103都具有朝待连接构件的表面定向的凸形的环形表面。即使螺栓101的头部部分103不再平行于待连接法兰的安装面，法兰301、302也能以可靠的方式连接而不会使螺栓101挠曲。
此外，径向或周向不对准或应力可出现在待连接法兰301与302之间，但不施加挠曲力或剪切力到螺栓101的轴部分102上或整个螺栓101上或整个法兰连接100上。因此，减小了由于沿着不同于纵向轴线305(参见图4和图5)的方向作用的挠矩或应力而施加于螺栓101的负荷。该至少两个待连接法兰301、302可通过关于螺栓101和螺母201的其中至少一个的径向移位而对准。因此，使用根据图2和图3中所示典型实施例的法兰连接100增加了螺栓连接的刚性。
这里要注意，虽然未在图3中显示，但是，可使用垫片来获得类似的应力减小效果。这样类型的垫片可设置在头部部分103与待连接法兰301、302之间，和/或螺母201与待连接法兰301、302之间。该垫片可具有类似于相应头部部分和/或螺母的那些的凸面，以及与凸面相反的平面，其中，在这种情况下，头部部分和螺母分别呈现平面。垫片然后用作分别夹在螺栓头部103与待连接法兰301、302之间或者螺母与待连接法兰301、302之间的中间构件。
图4更详细地显示了根据一典型实施例的具有轴部分102与头部部分103的螺栓101以及螺母201。头部部分103具有头部肩部104，根据一典型实施例，头部肩部104可包括朝待连接的构件或法兰301、302(参见上面的图2和图3)定向的凸形环状表面。
螺栓101的轴部分102包括螺纹部分105。螺母201的内螺纹适于螺栓101的螺纹部分105。因此，该螺母201可被旋拧到螺栓101的螺纹部分105上。当实现该连接时，螺母201的中心轴线305与螺栓101的中心轴线305重合。
根据一典型实施例，螺母201和螺栓101的头部部分103的其中至少一个可分别包括肩部，即，螺母肩部202和头部肩部104。这些肩部104、202提供一机构，该机构用于在挠矩出现的地方(即，存在关于纵向轴线305的位移或挠曲的地方)施加力到法兰301、302上。通常，如果两个或更多的待连接构件借助于如上面的图2和图3中所示的法兰连接100而组装，可能出现导致垂直于纵向轴线305的应力矢量分量的挠曲。
此外，图4描绘了根据还有的另一典型实施例的螺母201。这里，在螺母201的两侧分别设有螺母肩部202a、202b，从而可从两个不同定向将螺母201旋拧到螺栓101的螺纹部分105上，从而使得在任何情况下，一个螺母肩部202朝待紧固法兰或构件(未在图4中示出)定向。螺母201关于垂直于螺母轴线305的中心面对称地形成。
图5显示了图4中所示的螺栓101和螺母201，其中，该螺母被旋拧到螺栓101的螺纹部分105上。如图5中所示的那样，法兰连接100包括螺栓101和螺母201。螺母201上和螺栓101的头部部分103上的肩部202、104分别设置得使其彼此相对而定位，即，螺母肩部202面向待连接的第一法兰301(未在图5中示出)，其中，螺栓101的头部部分103的头部肩部104面向待连接的第二法兰302(未在图5中示出)。
使用这样类型的具有肩部部分104、202的法兰连接100，减小了由待连接法兰301、302的相对不对准引起的螺栓挠曲，如本文上面关于图3所述的那样。
这里要注意，具有肩部部分104、202以及相应的朝肩部部分104、202定向的法兰凹部306的法兰连接100以类似于凸形垫片、凸-凹形垫片等等的方式作用，垫片设置为分别夹在螺栓头部与待连接法兰之间或螺母与待连接法兰之间的中间构件。根据典型实施例中的至少一个或者本文上面所述的典型实施例的组合，缺乏垫片则提供了下列的其中至少一项：成本降低，和减少用于在待连接法兰处安装螺栓与螺母的时间。
图6更详细地显示了具有安装孔308的其中一个法兰301，连同螺母201，其中螺母201的肩部202配合于待连接法兰301的法兰凹部306中。
螺母肩部202和法兰凹部306互相作用，使得容许绕预定倾斜角307的挠曲，同时不产生额外的应力矢量分量、剪切应力和/或挠矩。由于待连接构件之间发生摩擦，因此也许会产生预应力。由于螺栓101和螺母201的其中至少一个的旋转，该构件可呈现减小残余应力的状态(或定位)。因此，螺母肩部202-法兰凹部306的组合(或者，如果螺栓101的头部部分103与法兰表面相邻地定位的话，则是头部肩部104-法兰凹部306的组合)减小偏轴应力，使得上紧法兰连接时施加的上紧力主要沿图4和图5中所示的纵向轴线305的方向定向。
这里要注意，虽然在图6中将螺母201的螺母肩部202显示为配合于待连接法兰301、302的法兰凹部306中，但是，本文上面所述的螺栓101的头部部分103的头部肩部104可设置成与法兰凹部306相邻。
挠矩可出现于每个法兰处，使得螺栓101的头部肩部104和/或螺母201的螺母肩部202可用作用来承受沿着关于上述纵向轴线具有倾斜角307的方向定向的作用力的机构。
图7显示了根据典型实施例的应用于风力涡轮机不同构件的多种法兰连接。
图7中所示的法兰连接通常被用于：
a)带有缺陷的风力涡轮机塔架法兰，其中，在上法兰与下法兰之间插入了填充物。该填充物不是所希望有的，并且对其的使用可通过应用本发明的实施例而避免；
b)显示为处于上紧情况下的风力涡轮机塔架法兰连接；
c)，d)风力涡轮机中心体法兰连接；这些法兰连接通常适用于长螺栓；以及
e)，f)风力涡轮机法兰连接。
已根据附图中所示的实施例描述了本发明，并且从其中产生了进一步的优点和变型。然而，本公开不限于具体条件所描述的实施例，而是能以合适的方式进行修改和改变。以合适方式将一个实施例的单独特征和特征组合以及另一实施例的特征和特征组合结合以便得到进一步的实施例，属于本发明的范围内。
对于本领域技术人员而言，显而易见的是，基于本文的教导，可不脱离本公开和其更宽的方面作出变型和修改。换句话说，本文上面所述的所有示例意图是示例性的和非限制性的。

Claims (9)

1.一种法兰连接(100)，包括：
第一法兰(301)，其具有第一安装孔(308)；
至少一个第二法兰(302)，其具有适于与所述第一安装孔(308)对准的第二安装孔；
螺栓(101)，其包括具有螺纹部分(105)的轴部分(102)，以及在所述轴部分(102)的一端形成的头部部分(103)，所述螺栓(101)适于穿过所述第一安装孔和所述第二安装孔；以及，
螺母(201)，其适于被旋拧到所述螺纹部分(105)上，并在其被上紧时用于连接所述第一法兰(301)和所述至少一个第二法兰(302)，
其中，所述头部部分(103)和所述螺母(201)的其中至少一个包括朝相应法兰定向的凸面，并且，
其中，所述相应法兰在所述安装孔(308)处包括朝所述凸面定向的法兰凹部(306)。
2.根据权利要求1所述的法兰连接(100)，其特征在于，所述凸面包括凸形段、渐缩式部分以及至少部分球形的段的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的法兰连接(100)，其特征在于，所述相应法兰的所述法兰凹部(306)包括球形段、凹形段、沉孔、铰孔、锥形以及漏斗形凹部的其中至少一种。
4.根据前述权利要求中任一项的法兰连接(100)，其特征在于，所述头部部分(103)和所述螺母(201)的其中至少一个包括肩部(104，202)。
5.根据权利要求4所述的法兰连接(100)，其特征在于，所述肩部(104，202)具有至少部分球形的形状。
6.根据权利要求4所述的法兰连接(100)，其特征在于，所述肩部(104，202)具有凸形的形状。
7.根据前述权利要求中任一项的法兰连接(100)，其特征在于，所述至少一个第一和第二安装孔(308)形成为沉孔，其中，所述沉孔朝所述螺母(201)和所述螺栓(101)的所述头部部分(103)的其中至少一个所述凸面定向。
8.根据前述权利要求中任一项的法兰连接(100)，其特征在于，所述法兰连接(100)包括具有两个凹面的螺母(201)，所述凹面关于垂直于所述螺母纵向轴线的中心面对称地在相反两侧形成。
9.根据前述权利要求中任一项的法兰连接(100)用于组装风力涡轮机的塔架的用途。
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