DE10126049A1 - Verbindungsflansch für rohrförmige Bauteile - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen ringförmigen Verbindungsflansch zum Anbringen an einem Ende eines rohrförmigen Bauteils. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, einen ringförmigen Flansch zu liefern, der weniger anfällig ist für Schäden aufgrund der bestimmungsgemäßen Beanspruchung. DOLLAR A Ringförmiger Verbindungsflansch mit einem rohrförmigen Abschnitt zum Anbringen an einem Ende eines rohrförmigen Bauteils, insbesondere für ein Turmsegment zum Aufbau eines Turmes einer Windenergieanlage, und mit einem an ein Ende des Abshnitts radial anschließenden Flanschkragen mit einer axial von dem rohrförmigen Abschnitt weg orientierten Flanschfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand (15) des rohrförmigen Abschnitts (4) konisch ist, insbesondere zum Anbringen an einem ebenso konischen Bauteil (8).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen ringförmigen Verbindungsflansch zum Anbringen an einem Ende eines rohrförmigen Bauteils nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Zur Verbindung von rohrförmigen Bauteilen sind Ringflanschverbindungen bekannt und weit verbreitet. Zum Beispiel im Rohrleitungsbau sind radial an das rohrförmige Bauteil anschließende Flanschkrägen bekannt, die an den Enden des Rohres übli­ cherweise radial nach außen orientiert sind. Die Flanschkrägen haben üblicherweise eine ebene, axial von dem eigentlichen Rohrkörper weg orientierte Flanschfläche und weisen auf ihrem Umfang verteilte Durchbohrungen auf. So lassen sich die rohrförmigen Bauteile z. B. als Segmente einer Rohrleitung aneinander setzen und mit Hilfe geeigneter Dichtungen zu einer Rohrleitung miteinander verschrauben.

Weil diese Ringflanschkrägen aus dem Volumen des eigentlichen rohrförmigen Bauteils seitlich auskragen, ist es in aller Regel fertigungstechnisch nachteilig, die Flanschkrägen einstückig mit den rohrförmigen Bauteilen herzustellen (mindestens dann, wenn die Bauteile sich nicht gusstechnisch herstellen lassen): z. B. ein rohrförmiges Bauteil, das aus Metallplatten oder -blech schweißtechnisch herge­ stellt wird, lässt sich als Halbzeug in aller Regel kaum so vorformen, dass etwa dürch geeignetes Biegen sich ein Flanschkragen ausbilden kann. Auch demzufolge ist es üblich geworden, rohrförmige Bauteile zunächst ohne Flanschkragen herzu­ stellen und einen Flanschkragen dann durch geeignete Fügetechnik - bei Metall­ rohren z. B. durch Schweißen, bei Kunststoffrohren z. B. durch Kleben oder Laminie­ ren - an das eigentliche Bauteil anzusetzen.

Zur Verbesserung der Krafteinleitung in den möglicherweise hoch beanspruchten Bereich des Ringflansches hat es sich bekannterweise konstruktiv als günstig erwiesen, ein ringförmiges Flanschelement dergestalt vorzuformen, dass es zum Anbringen an ein Ende eines zylinderrohrförmigen Bauteils einen kurzen zylin­ derrohrförmigen Abschnitt aufweist, dessen eines Ende an das zylinderrohrförmige Bauteil z. B. angeschweißt wird und dessen anderes Ende sich in einem radial anschließenden Flanschkragen fortsetzt mit einer axial von dem Abschnitt weg­ orientierten Flanschfläche.

Zum Beispiel beim Bau von Türmen für Windenergieanlagen werden zum Erreichen großer Höhen rohrförmige Turmsegmente am Errichtungsort aufeinandergestapelt. Aus Gründen der Statik hat es sich auch in diesem Technikbereich bewährt, den Turm vom bodennahen Bereich nach oben zur Gondel sich konisch verjüngen zu lassen. Bisher hat es bei Flanschverbindungen zur Verbindung der Turmsegmente Risse und andere Ermüdungserscheinungen gegeben.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen ringförmigen Flansch zu liefern, der weniger anfällig ist für Schäden aufgrund der bestimmungs­ gemäßen Beanspruchung.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Verbindungsflansch mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gerade in dem Anwendungsbereich von Türmen für Windenergieanlagen ist es konstruktiv sinnvoll, jede Möglichkeit der Optimierung des Kraftflusses auszunut­ zen, der durch Flanschverbindungen zwischen Segmenten des Turms verläuft. Die bekannten Ringflanschelemente mit in Zylinderachsrichtung gerade orientierten, zylinderrohrförmigen Befestigungsabschnitten anzusetzen an konisch rohrförmige Turmbauteile, wie es der Stand der Technik vorsieht, ergibt einen Kraftfluss in der Flanschverbindung mit möglicherweise sogar mehrfachen Richtungsäderungen und ist außerdem auch ästhetisch nachteilig.

Erfindungsgemäß weist ein demgegenüber ringförmiger Flansch einen rohrförmigen Abschnitt zum Anbringen des Flansches an einem Ende eines rohrförmigen Bauteils auf. An ein Ende dieses Abschnittes schließt sich radial, vorzugsweise nach innen, ein Flanschkragen an und hat eine axial von dem Abschnitt weg orientierte, vor­ zugsweise ebene Flanschfläche. Die Außenwand des rohrförmigen Abschnitts ist konisch und kann so an einem konisch rohrförmigen Bauteil zum Erzeugen einer stetigen gemeinsamen Außenkontur angebracht werden. Dies verbessert den Kraftfluss aus dem konisch rohrförmigen Bauteil in den Flanschkragen wesentlich deshalb, weil eine Umlenkung des Kraftflusses - die in aller Regel für Spannungs­ konzentration und möglicherweise Bauteilüberlastung sorgt - vermieden wird.

Der Flanschkragen schließt sich vorzugsweise radial nach innen an den rohrförmi­ gen Abschnitt an, um z. B. beim Einsetzen des erfindungsgemäßen Flansches zur Verbindung von Turmsegmenten einer Windenergieanlage den Flanschkragen und auch weitere Verbindungselemente wie z. B. Flanschverbindungsschrauben, die durch vorzugsweise in dem Flanschkragen auf dem Umfang axial angeordnete Bohrungen Verbindungskraft und Formschluss erzeugen, im Innenraum des Turmes anzuordnen und so vor Witterungseinflüssen zu schützen.

Der rohrförmige Abschnitt und der radiale Flanschkragen des erfindungsgemäßen Verbindungsflansches sind vorzugsweise einstückig hergestellt. Der erfindungs­ gemäße Verbindungsflansch wird also vorzugsweise aus einem metallenen Halb­ zeug einstückig gedreht oder für die Herstellung aus Faserverbundwerkstoff als ein Bauteil z. B. als Prepreg gewickelt. Aber auch Guss zu einem einstückigen Bauteil ist erfindungsgemäß.

Um mit dem erfindungsgemäßen Flansch eine Verbindung zwischen zwei rohrförmi­ gen Bauteilen mit erfindungsgemäß vorteilhafter kontinuierlicher Außenkontur herstellen zu können, sind zwei erfindungsgemäße Flansche zum Herstellen einer solchen Verbindung vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, dass die (konischen) Außenwände der rohrförmigen Abschnitte der beiden Flansche stetig ineinander übergehen, wenn die beiden Flansche mit aufeinanderliegenden Flanschflächen miteinander verbunden sind - also z. B. über die axialen Durchbohrungen in ihren Flanschkrägen, die dann bevorzugt paarweise zueinander fluchten, miteinander verschraubt sind.

Um den Kraftfluss durch die vorzugsweise ebene Flanschfläche und durch eine Verbindungsschraube in der bevorzugten Durchbohrung weiter zu optimieren, ist die Durchbohrung vorzugsweise von einer Ausnehmung in der Flanschfläche umgeben. Dies wirkt sich wegen größerer Dehnlänge günstig auf die Belastung der Verbindungsschraube in der Durchbohrung aus und verlegt die Kontaktzone der Flanschfläche zu einer komplementären Flanschfläche in der Umgebung der Durch­ bohrung günstig in den radialen Außen- und Innenrandbereich der Flanschfläche.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrie­ ben.

In der Figur ist ein Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Flanschverbindung mit zwei Flanschen dargestellt, die jeweils an ein konisch rohrförmi­ ges Bauteil angebracht sind.

Die in der Figur dargestellte Flanschverbindung bildet sich aus zwei Flanschen 2 (wobei obere Bauteile und Elemente, die also mit dem oberen der beiden dargestell­ ten Flansche 2 in Zusammenhang stehen, bei nötiger Differenzierung mit a und untere mit b bezeichnet sind). Beide Flansche 2 haben einen rohrförmigen Ab­ schnitt 4 und einen radial nach innen an ein Ende des rohrförmigen Abschnitts 4 anschließenden Flanschkragen 6. An das andere Ende des rohrförmigen Abschnitts 4 schließt jeweils ein rohrförmiges Bauteil 8 an und ist dort durch jeweils eine radial innen und eine radial außen liegende Schweißnaht 10, 12 an dem ringförmi­ gen Verbindungsflansch 2 angebracht. Die Flansche 2 sind aus schweißbarem Stahl.

Die so beschriebene Anordnung in der Figur ist insgesamt ring- oder rohrförmig um eine Rotationsachse 14, wobei deren Abstand - also der Durchmesser der gesam­ ten Anordnung - nicht maßstäblich dargestellt ist.

Die Außenwand (15) der rohrförmigen Abschnitte 2 der Flansche 2 ebenso wie die rohrförmigen Bauteile 8 insgesamt sind konisch, und ihre Außenwände (15) gehen stetig - im dargestellten Beispiel geradlinig - ineinander über.

Die beiden Flansche 2 haben jeweils eine axial von dem eigenen rohrförmigen Abschnitt 4 weg orientierte, ebene Flanschfläche 16, die gleich groß sind - also einen gleichen Innen- und Außendurchmesser haben - und die deckungsgleich aufeinander liegen. So zueinander orientiert, weisen die Flansche 2 gleichmäßig auf ihrem Umfang verteilt Durchbohrungen 18 auf, die sich axial durch den jeweiligen Flanschkragen 6 hindurch erstrecken und zueinander fluchtend ausgerichtet sind. Zum Erzeugen von Verbindungskraft und -formschluß für die Flanschverbindung der Flansche 2 können bekannte Schraubverbindungen in den Durchbohrungen 18 angebracht werden. Zur Optimierung des Kraftflusses durch die Flanschverbindung 2 sind die Durchbohrungen 18 radial möglichst nahe an dem rohrförmigen Ab­ schnitt 4 angeordnet, was konstruktiv allerdings insbesondere durch die Zugäng­ lichkeit der Durchbohrungen 18 für Werkzeuge zum Befestigen z. B. von Verbin­ dungsschrauben begrenzt ist.

Der Flanschkragen 6a nur eines (hier des oberen) Flansches 2a der Flanschver­ bindung weist in seiner Flanschfläche 16a eine Ausnehmung 20 auf, die dort die Durchbohrung 18a umgibt. Wenn nun die beiden Flansche 2 durch eine Flanschver­ bindungsschraube (nicht dargestellt), die durch die Durchbohrungen 18 hindurch­ geführt ist, gegeneinander verspannt werden, wird der Bereich der Kraftübertra­ gung oder des Kraftflusses durch die Flanschflächen 16 radial von den Durch­ bohrungen 18 nach außen weg in einen radialen Innenrandbereich 22 und einen radialen Außenrandbereich 24 der Flanschflächen 16 verlegt. Insbesondere die Kraftübertragung in dem radialen Außenrandbereich 24 ist strukturmechanisch günstig, weil diese einen geradlinigen, umlenkungsfreien Kraftfluss aus dem oberen konisch rohrförmigen Bauteil 8a durch den konisch rohrförmigen Abschnitt des oberen Flansches 2a in den konisch rohrförmigen Abschnitt 4b des unteren Flan­ sches 2b und schließlich in das untere konisch rohrförmige Bauteil 8b bewirkt - also nochmals: einen Kraftfluss ohne strukturmechanisch ungünstige Umlenkun­ gen. Vorzugsweise ist der Außenrandbereich 24 der Flanschfläche 16 zur weiteren Begünstigung des Kraftflusses breiter als die Stärke der Wandung der rohrförmigen Abschnitte 4 und/oder der Bauteile 8, um nämlich in diesem Bereich auch keine Verengung des Kraftflusses zu bewirken.

Zur weiteren Begünstigung des Kraftflusses durch die Flansche 2 ist der Übergang von der im wesentlichen axialen Erstreckung der rohrförmigen Abschnitte 4 in die radiale Erstreckung der Flanschkrägen 6 nicht scharfkantig, sondern als Radius 26 ausgestaltet. Dies vermeidet strukturmechanisch nachteilige Spannungsspitzen und Kerbwirkung.

Claims (11)

1. Ringförmiger Verbindungsflansch mit einem rohrförmigen Abschnitt zum An­ bringen an einem Ende eines rohrförmigen Bauteiles, insbesondere für ein Turmseg­ ment zum Aufbau eines Turmes einer Windenergieanlage, und mit einem an ein Ende des Abschnitts radial anschließenden Flanschkragen mit einer axial von dem rohrförmigen Abschnitt weg orientierten Flanschfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand (15) des rohrförmigen Abschnitts (4) konisch ist, insbesondere zum Anbringen an einem ebenso konischen Bauteil (8).

2. Flansch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flanschkragen (6) radial nach innen an den rohrförmigen Abschnitt (4) anschließt.

3. Flansch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanschfläche (16) eben ist.

4. Flansch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flanschkragen (6) mindestens eine axiale Durchbohrung (18) für eine Flanschverbindungsschraube aufweist.

5. Flansch nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Flanschkragen (6) in der Flanschfläche (16) eine Ausnehmung (20) aufweist, die die Durchbohrung (18) umgibt.

6. Flansch nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der kürzeste Abstand (24) zwischen der Ausneh­ mung (20) und einem Rand der Flanschfläche, an den eine Wand (15) des rohrför­ migen Abschnitts (4) anschließt, größer ist als die Wandstärke des rohrförmigen Abschnitts (4).

7. Flansch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Abschnitt (4) und der radiale Flanschkragen (6) einstückig hergestellt, insbesondere aus einem Stück gedreht, sind.

8. Flansch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (2) zum Anbringen an dem Ende des rohrförmigen Bauteiles (8) schweißbar ist.

9. Turmsegment (8) zum Aufbau eines Turmes einer Windenergieanlage mit einem Flansch (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

10. Flanschverbindung mit zwei Flanschen (2a, 2b) nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwände (15) der rohrförmigen Abschnitte (4) der mit aufeinanderliegenden Flanschflächen (16) miteinander verbundenen Flansche (2) konisch stetig ineinander übergehen.

11. Turm einer Windenergieanlage mit mindestens zwei Turmsegmenten mit einer Flanschverbindung nach Anspruch 10.