1.本发明描述了一种用于连接到互补凸缘的凸缘；以及一种操纵配备有这种凸缘的圆柱形塔架段的方法。
背景技术：
2.诸如风力涡轮机塔架的高塔架通常通过将塔架段连接在一起而构造。为此，每个塔架段配备有凸缘。常见的凸缘形状是“l形凸缘”，并且互补的l形凸缘通过紧固件连接在一起，所述紧固件是诸如布置在螺栓圆中的螺栓。塔架段可制造成具有l形凸缘，l形凸缘具有内螺栓圆(即，凸缘延伸到塔架内部中)或外螺栓圆(即，凸缘从塔架向外延伸)。
3.当前正在开发的类型的大型风力涡轮机具有非常长的转子叶片，因此需要更高的塔架。然而，通常使用的l形凸缘连接的有限的承载能力对塔架结构施加了约束。
4.凸缘连接的强度取决于各种参数，例如钢的选择、壁厚、螺栓直径、螺栓圆中螺栓的数量、载荷路径等。为了增加塔架段之间的凸缘连接的强度，一种方法可以是替代地使用“t形凸缘”，其具有倒“t”形的形状，其中内凸缘延伸到塔架内部，而外凸缘从塔架向外延伸。t形凸缘可以具有l形凸缘的两倍强度，即，其可以承受的载荷是相当的l形凸缘所能承受的载荷的两倍。然而，t形凸缘的主要缺点是它需要从塔架外部接近以及从塔架内部接近。尽管t形凸缘由于其更大的承载能力而在一些情况下被视为一种解决方案，但是使用t形凸缘的多段式塔架的组装和使用寿命维护非常昂贵。
5.因此，本发明的目的是提供一种克服上述问题的改进的凸缘连接。
技术实现要素：
6.该目的通过权利要求1的凸缘实现；以及通过权利要求13的操纵配备有这种凸缘的圆柱形塔架段的方法实现。
7.根据本发明，凸缘是结构部件的一部分，并且实现为用于连接到互补凸缘，该互补凸缘是另一结构部件的一部分。本发明的凸缘包括：基本上平面的环形连接面，该环形连接面将抵靠互补凸缘的互补环形连接面；具有主螺栓圆的第一主体段，所述主螺栓圆包括交替倾斜的开口的环形布置，以接收用于将所述凸缘连接到所述互补凸缘的第一组紧固件；以及第二主体段，其具有至少部分的副螺栓圆，副螺栓圆包括用于将凸缘临时连接到中间结构的开口的环形布置。
8.在下文中，为了简单起见，但不以任何方式限制本发明，可以假设结构部件是塔架段，例如风力涡轮机塔架段。在下文中，塔架段也可称为“塔架壳体”。本发明的凸缘的实施例在结构部件被连接时是结构部件的“一部分”。这应当理解为意味着结构部件及其凸缘可以被认为是单个实体。结构部件及其凸缘可以形成为单个主体。同样地，结构部件及其凸缘可以单独制造，然后接合，例如凸缘可以焊接到钢塔架壳体，或者凸缘的直立圆柱形部分可以嵌入混凝土塔架壳体的外端中。
9.主螺栓圆应当理解为在凸缘连接面处开口所沿的圆。主螺栓圆的直径可假定为类
似于或等于塔架段或塔架壳体的平均直径。倾斜开口从凸缘连接面延伸到凸缘的主体中。主螺栓圆的优点在于，接头有效地移动到塔架壳体“中”，即，由拧紧的螺栓施加的力沿着与塔架壳体的平均直径相交的倾斜路径引导。这意味着载荷从一个塔架壳体有效地得多地传递到下一个塔架壳体。相反，传统l形凸缘的竖直螺栓总是与塔架壳体的平均直径相距一定距离，使得载荷路径偏移，从而导致更大的弯曲力矩。
10.副螺栓圆的开口可以被假定为在常规意义上是竖直的，即，垂直于凸缘的连接面。副螺栓圆专门提供用于连接到中间结构，并且克服了将与为此目的使用主螺栓圆(具有其倾斜开口)相关联的实际困难。
11.通过其主螺栓圆和副螺栓圆，本发明的凸缘有效地提供了与t形凸缘的结构强度相当的结构强度，而没有牺牲l形凸缘的主要优点，即从塔架内部接近主螺栓圆。
12.在本发明的上下文中，“中间结构”可以被理解为任何设备，诸如在塔架段的运输期间使用的保持结构、在塔架段的安装期间使用的提升接口等。可以假定中间结构不是塔架段将成为其一部分的塔架的元件。
13.术语“凸缘”和“互补凸缘”在通常意义上理解为表示基本上相同的凸缘，例如彼此的镜像，使得它们可以连接在一起。
14.本发明的凸缘的优点在于，其结合了两个单独的方面，这两个方面的结合导致紧凑而坚固的凸缘连接。在第一方面，通过将本发明的凸缘的两个实例螺栓连接在一起，其中一组紧固件布置在主螺栓圆的倾斜开口中，来实现凸缘连接。由于形成主螺栓圆的方式，该组倾斜紧固件有利地紧密靠近塔架段主体。在第二方面，塔架段可通过延伸穿过副螺栓圆的紧固件相对容易地连接到中间结构。
15.根据本发明，操纵配备有这种凸缘的圆柱形塔架段的方法包括以下中的任何一种：通过穿过凸缘的副螺栓圈插入的多个紧固件在塔架段和保持设备之间形成临时连接，以及随后通过从副螺栓圈移除紧固件来释放临时连接；和/或通过多个紧固件在塔架段与另一塔架段之间形成永久连接，所述多个紧固件插入穿过凸缘的主螺栓圆和另一塔架段的互补凸缘的主螺栓圆。
16.本发明的特别有利的实施例和特征由从属权利要求给出，如在以下描述中所揭示的。不同权利要求类别的特征可以适当地组合以给出这里未描述的进一步的实施例。
17.可以假定塔架段具有基本上圆柱形的形式，例如直的圆柱体。同样地，塔架段可以具有截头圆锥形的形式，使得例如其上端的直径小于其下端的直径。可以假定塔架段具有基本上圆形的横截面形状。
18.塔架段可以被假定为是“实心的”，即具有实心侧壁，例如由钢或混凝土制成，但是本发明的凸缘连接不限于具有实心侧壁的塔架段。
19.本发明的凸缘基本上包括结合主螺栓圆的第一主体段和结合(部分或全部)副螺栓圆的第二主体段。如下面将解释的，本发明的凸缘可以实现为单件式部件或两件式部件。
20.在下文中，可以假设凸缘具有“l”的大致形状，即凸缘的第二主体段基本上是延伸到塔架段的内部空间中的唇缘或轴环。
21.主螺栓圆的倾斜开口的特征在于其纵向轴线与凸缘连接面的表面法线之间所对向（subtended）的倾斜角度θ。换句话说，主螺栓圆形开口的纵向轴线相对于水平面倾斜。在本发明的优选实施例中，该倾斜角度θ在15
°
和25
°
之间。
22.在本发明的特别优选的实施例中，主螺栓分布包括向下延伸的倾斜开口和向上延伸的倾斜开口的交替布置。在本发明的优选实施例中，为了讨论的目的使用“上”凸缘，向下延伸的倾斜开口延伸穿过凸缘以容纳紧固件的柄部，该紧固件的柄部延伸到下凸缘的互补的倾斜开口中，并且向上延伸的倾斜开口从接触面部分地延伸到凸缘中以容纳从“下”凸缘延伸到凸缘中的紧固件的螺纹端。
23.向下延伸的倾斜开口是贯通开口，其形成为使得插入穿过凸缘的紧固件延伸到互补凸缘的倾斜开口中。因此，向下延伸的倾斜开口是“通孔”，因为它们一直延伸穿过凸缘的主体。
24.向上延伸的倾斜开口是螺纹开口，其形成为接收经由互补凸缘的倾斜开口插入凸缘中的紧固件的螺纹端。因此，向上延伸的倾斜开口是“盲孔”，因为它们终止于凸缘的主体。
25.因此，当从接触表面观察时，凸缘示出了开口的环。每隔一个开口是倾斜通孔的“出口”开口，而其他开口是相对倾斜的盲孔的“入口”开口。为了形成凸缘连接，两个凸缘面对面地布置，使得每个“出口”开口与其对应的“入口”开口对准。
26.由于本发明的凸缘结合了两种类型的螺栓圆，即具有交替倾斜紧固件的螺栓圆和从“l形凸缘”获知的螺栓圆，所以本发明的凸缘在下文中可以被称为“x-l型凸缘”。“x-l型凸缘”具有有利的高承载能力，因为倾斜螺栓的交替布置，并且因为螺栓沿着与塔架壳体直径一致或至少非常接近塔架壳体直径的环“彼此交叉”。这导致更有效的载荷路径，使得基本上消除了通常在l形凸缘连接中出现的撬动力矩（prying moment）类型。本发明的凸缘的承载能力与相当的“t形凸缘”的承载能力相当。然而，与现有技术的“t形凸缘”不同，使用本发明的“x-l型凸缘”的塔架的组装不需要从塔架的外部接近。这是因为主螺栓环的所有紧固件或螺柱都可以从塔架内部插入。这方面对于在海上位置或在外部起重机不能被部署以提供人员接近平台的位置处的塔架的组装尤其重要。
27.尽管主螺栓圆的目的是允许两个凸缘永久地螺栓连接在一起，但是副螺栓圆的目的是允许凸缘临时地连接到一些中间结构。在本发明的优选实施例中，副螺栓圆的开口的纵向轴线与凸缘连接面的表面法线共线，即螺栓孔竖直地延伸穿过凸缘并且能够容易地接近。
28.副螺栓圆可以基于完整的环，或者基于环的弧段。当基于完整的环时，第二主体段在形状上类似于l形凸缘，从第一主体段朝向凸缘内部水平延伸。当基于圆的弧段时，第二主体段可以包括成角度的段，例如每个段与凸缘的中点成（对向，subtend）30
°
的角，四个这样的段围绕第一主体段的内周均匀地间隔开。这种实施例具有降低材料成本的优点。
29.在本发明的优选实施例中，凸缘被制造为单件式部件。在这样的实施例中，第二益处是由第二主体段（即，包括第二螺栓圆的唇缘或轴环）提供增加的刚度。该主体段或结构元件有助于在运输期间最小化椭圆化，即，其有助于减小或消除在存储或运输期间凸缘变形的可能性，否则凸缘变形可能导致凸缘形成略微椭圆的形式。
30.在本发明的替代优选实施例中，凸缘实现为两部分式凸缘，其中第一主体段包括主螺栓圆，并且第二主体段包括副螺栓圆。优选地，第二主体段通过焊接或通过平行于凸缘连接面延伸的紧固件安装到第一主体段。
31.从现有技术中已知，将各种塔架壳体直径的凸缘设计成具有特定的螺栓圆直径
(bcd)。这简化了凸缘设计并降低了凸缘制造成本，但是在其他地方会导致更高的成本，例如当某一凸缘bcd需要适配器以使得凸缘可以连接到运输配件或提升设备时。由于本发明的凸缘可以实现为两部分式部件，因此相对容易提供一组第二主体段，每个第二主体段具有不同的bcd。这样，可以基于将用于操纵塔架段的中间结构的bcd来选择合适的第二主体段。
32.当两个塔架段连接在一起时，载荷通常基本上竖直地传递。因此，在本发明的优选实施例中，环形凸缘连接面的内径超过副螺栓圆的直径。这例如可以通过在凸缘的第二主体段中加工出凹部以便将凸缘之间的接触面限制到上塔架段主体和下塔架段主体之间的区域来实现。换句话说，第二主体段的厚度被减小。
33.该优选实施例的另一个优点是，这种凹部也有助于更好地限定凸缘接触面。将接触面限制在与载荷传递相关的区域使得更容易识别与性能相关的缺陷，诸如凸缘接触面之间的间隙。这种间隙将损害载荷传递路径。本发明的该优选实施例允许快速识别这样的间隙，使得这些间隙可以通过在紧固主螺栓圆的紧固件之前加垫片（shimming）来补救。
34.如上文所提及的，在组装塔架之前，在塔架段中可能出现一定程度的椭圆化。在本发明的优选实施例中，凸缘包括对准特征，该对准特征邻近凸缘连接面的内径形成，并且成形为与互补凸缘的反向对准特征接合。当一个塔架段降低到另一个塔架段上方的位置时，上部塔架段的重量结合对准特征部将足以校正任何椭圆化。
35.在本发明的优选实施例中，在塔架组装期间操纵塔架段的方法包括：将引导销插入穿过副螺栓圆环的开口以将一个塔架段的凸缘与另一个塔架段的互补凸缘对准的步骤。
附图说明
36.本发明的其他目的和特征将从结合附图考虑的以下详细描述中变得显而易见。然而，应当理解，附图仅仅是为了说明的目的而设计的，而不是作为对本发明的限制的定义。
37.图1-图5示出了本发明的凸缘的实施例；图6示出了连接到中间结构的本发明的凸缘的实施例；图7和图8示出了包括根据现有技术连接的堆叠塔架段的塔架。
具体实施方式
38.在附图中，相同的标号始终表示相同的物体。图中的物体不一定按比例绘制。
39.图1、图2和图3示出了本发明的凸缘1的实施例。风力涡轮机的塔架段可以具有6-8m量级的平均直径，并且本发明的凸缘1相应地确定尺寸。图1示出了(以横截面)本发明的凸缘1的实施例的一个实例，其连接到凸缘1的功能相同的实例。每个凸缘1具有第一主体段10和第二主体段11，第一主体段10结合主螺栓圆1p，主螺栓圆1p包括倾斜开口10_thru、10_part的环形布置，以接收用于将凸缘1连接到互补凸缘1的一组紧固件10b。主螺栓圆1p的倾斜开口10_thru、10_part的特征在于，倾斜角度θ对向在其纵向轴线10a、10a'与凸缘连接面1f的表面法线n之间。在图1中，通孔10_thru的“出口”开口的中心和盲孔10_part的“入口”开口的中心是沿着主螺栓圆1p的点。这在图3给出的透视图中更清楚地看到，其示出了形成主螺栓圆1p的通孔“出口”开口10_out和盲孔“入口”开口10_in的交替布置。
40.图2示出了作为塔架段20a的一部分的本发明的凸缘1的实施例。该图指示主螺栓
圆1p的直径d_1p和塔架段20a的平均直径d_20。
41.理想地，主螺栓圆1p具有与塔架壳体20a的平均直径d_20相同的直径d_1p，即，主螺栓圆1p与塔架壳体20a的中平面成直线(即，重合) (如图3中所示)。然而，可能需要使主螺栓圆1p略微偏离塔架壳体中平面，例如以允许对凸缘1与塔架壳体20a之间的焊缝(凸缘与塔架壳体之间的焊缝接头靠近倾斜的贯通开口10_thru的外端)进行非破坏性测试。主螺栓圆1p和塔架壳体中平面之间的这种偏移优选地保持为最小，以便维持本发明的凸缘1的有利的高承载能力。
42.每个第二主体段11结合具有环形布置的开口11的副螺栓圆1s，以接收用于将凸缘1连接到中间结构(未示出)的一组紧固件11b。图3表示由开口11限定的副螺栓圆1s，并且图2表示副螺栓圆1s的直径d_1s。环形连接面1f的面积由凸缘1的外径d_1f_out和内径d_1f_in确定。
43.图2中所示的结构可以是由几个堆叠的圆柱形元件制成的塔架部分的一端。塔架部分的两个外端均终止于本发明的凸缘1的实例。圆柱形元件之间的接合部可以使用传统的l形凸缘或使用本发明的x-l型凸缘来实现。
44.如图3中所示，凸缘具有连接面1f，该连接面1f将抵靠互补凸缘的连接面。该图还示出了一种可能的变型，示出了在凸缘1的下部面处的凹部14。因此环形凸缘连接面1f的内径d_1f_in超过副螺栓圆1s的直径d_1s。在该实施例中，连接面1f的总面积小于图1中所示实施例的连接面面积，但是来自上塔架段的载荷仍有效地传递到下塔架段的主体中。凹部14可便于更容易地连接到中间设备(未示出)。
45.图4示出了通过接合本发明的凸缘1的两个实例而制成的永久凸缘连接10_perm。该连接在其可以在结构的寿命期间承受的意义上是“永久的”。这里，每个凸缘1都形成为具有对准特征15a，其成形为与互补凸缘1的反向对准特征15b接合。对准特征15a、15b用于校正当塔架段堆叠时凸缘中可能存在的任何轻微的椭圆化。该图示出了延伸穿过上凸缘1中的通孔10_thru并进入下凸缘1的盲锥形开口10_part的紧固件10b。该图还示出了延伸穿过下凸缘1中的通孔10_thru并进入上凸缘1的盲锥形开口10_part的另一相对倾斜的紧固件10b。
46.图5示出了本发明的凸缘1的另一实施例。这里，凸缘1实现为具有第一主体段10和单独的第二主体段11的两部分式凸缘。用于紧固件的水平开口由第二主体段中的贯通开口12_thru和第一主体段中的部分或盲开口12_part提供。盲开口可具有内螺纹以接收插入穿过第二主体段的金属螺钉的螺纹端。在该示例性实施例中，贯通开口12_thru、12_part平行于凸缘连接面1f延伸。这种螺栓接头的替代方案可以是将第二主体段11焊接到第一主体段10。
47.图6示出了本发明的凸缘1的呈到中间结构的临时连接11_temp的实施例。这里，塔架段2的上端20a处的凸缘1连接到起重机3的提升配件31，并且塔架段2的下端20b处的凸缘1连接到另一起重机3的翻转工具（upending tool）32。起重机3被控制，使得塔架段2“翻转”，即，从水平存储取向移动到竖直安装取向。在中间结构31、32将从凸缘1再次断开的意义上，这些连接11_temp是“临时的”。在塔架段2的每个端部20a、20b处的凸缘1将在塔架组装过程的稍后阶段永久地连接到互补凸缘1，如上面借助于图4所解释的。
48.塔架部分通常在制造和最终安装之间的多个阶段进行操纵，并且因此副螺栓圆1s
用于将塔架段的任一端处的凸缘连接到支承结构的托架或支架、防椭圆化工具、运输车辆的适配器等。
49.图7示出了诸如风力涡轮机塔架的塔架2，其包括“堆叠”在彼此顶部上并且使用l形凸缘lf以现有技术方式连接的塔架段20。紧固件被插入到内部的螺栓圆中，通孔lf_h在图8中所示的放大部分中示出。螺栓圆和塔架壁之间的偏移意味着这种类型的连接易受过大的弯曲力矩的影响。因此，塔架2的总高度可受到凸缘连接的承载限制的约束。为了克服这些约束，替代的现有技术结构使用t形凸缘来连接塔架段20与内部和外部螺栓圆，但这种解决方案与显著更高的成本相关联，如上文所解释。
50.尽管已经以优选实施例及其变型的形式公开了本发明，但是将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行许多附加的修改和变型。
51.为了清楚起见，应当理解，在本技术中通篇使用的“一”或“一个”不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元件。