專利名稱：螺栓與螺母上的用以減小撓曲的凹-凸形狀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及用于連接至少兩個待連接的構(gòu)件或法蘭的法蘭連接。具體而言，本公開涉及用于將具有缺陷配合面的構(gòu)件彼此連接起來的法蘭連接。
背景技術(shù)：
典型的待連接的部件或構(gòu)件或法蘭通過將螺栓的軸部分插入各待連接構(gòu)件的孔中并通過將螺母旋擰到該螺栓的螺紋部分上而栓接在一起。然后可將該螺母上緊，從而使該至少兩個待連接構(gòu)件(例如待連接法蘭)互相牢固地附接。例如，風(fēng)力渦輪機的塔架的構(gòu)件通過螺栓而連接，從而使整個塔架可由供應(yīng)者以部分而提供，這樣的部分可容易被運輸?shù)揭惭b風(fēng)力渦輪機的位置。在風(fēng)力渦輪機的位置， 塔架的各部分通過法蘭連接(包括帶有螺紋部分的螺栓以及螺母)而連接。由于施加于這種風(fēng)力渦輪機塔架的重負荷，法蘭連接通常受到很大程度的應(yīng)力。 施加于螺栓和螺母的應(yīng)力可作用在螺栓的縱向方向上和剪切方向上(即，在垂直于螺栓縱向方向的方向上)，或者在上面提到的兩種方向的組合的方向上。對于所施加的力和力矩的不同種類與方向，需要提供具有大的剛性的法蘭連接， 并且，其中導(dǎo)致的組裝成本較低。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上面的情況，提供了一種法蘭連接，其包括具有第一安裝孔的第一法蘭、至少一個具有第二安裝孔的第二法蘭、螺栓以及螺母，第二安裝孔適于與第一安裝孔對準，螺栓包括具有螺紋部分的軸部分，以及在該軸部分的一端形成的頭部部分，該螺栓適于穿過第一安裝孔和第二安裝孔，螺母適于被旋擰到螺紋部分上，并在其被上緊時用于連接該第一法蘭和該至少一個第二法蘭，其中，頭部部分和螺母的其中至少一個包括朝相應(yīng)法蘭定向的凸面，并且，其中，該相應(yīng)法蘭在安裝孔處包括朝凸面定向的法蘭凹部。根據(jù)另一方面，提供了具有塔架、機械機艙以及至少一個法蘭連接的風(fēng)力渦輪機， 該法蘭連接適合于機械地連接塔架或機械機艙的至少兩個構(gòu)件，該法蘭連接包括具有第一安裝孔的第一法蘭、至少一個具有第二安裝孔的第二法蘭、螺栓以及螺母，第二安裝孔適于與第一安裝孔對準，螺栓包括具有螺紋部分的軸部分，以及在該軸部分的一端形成的頭部部分，該螺栓適于穿過第一安裝孔和第二安裝孔，螺母適于被旋擰到螺紋部分上，并在其被上緊時用于連接該第一法蘭和該至少一個第二法蘭，其中，頭部部分和螺母的其中至少一個包括朝相應(yīng)法蘭定向的凸面，并且，其中，相應(yīng)法蘭在安裝孔處包括朝凸面定向的法蘭凹部。進一步的示例性實施例是根據(jù)從屬權(quán)利要求、描述和附圖的。


在該說明書的其余部分中更詳細地描述了全面和充分的公開，包括其對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言的最佳模式，其包括對附圖的參考，其中圖1是根據(jù)一典型實施例的螺栓(上方)以及相關(guān)聯(lián)的螺母(下方)的截面圖；圖2是根據(jù)一典型實施例的彼此互相連接的兩個法蘭的截面圖；圖3顯示了圖2中所示的法蘭連接，其中，施加的應(yīng)力導(dǎo)致待連接的第一法蘭和第二法蘭撓曲，從而在待連接法蘭之間封閉間隙；圖4顯示了根據(jù)一典型實施例的具有軸部分與頭部部分的螺栓以及螺母；圖5顯示了圖4中所示的螺栓與螺母，其中，螺母被旋擰到螺栓的螺紋部分上；圖6與螺母一起更詳細地顯示了其中一個待連接法蘭，該螺母的肩部配合于該待連接法蘭的法蘭凹部中；以及圖7a-f顯示了根據(jù)典型實施例的應(yīng)用于風(fēng)力渦輪機的多種法蘭連接。
具體實施例方式現(xiàn)在將對不同示例性實施例進行詳細引用，在附圖中顯示了其中一個或多個示例。各示例通過說明的方式而提供，并且不意圖作為限制。例如，所示的或所描述的作為一個實施例的一部分的特征可被用在其它實施例上或與其它實施例結(jié)合使用，以便產(chǎn)生更進一步的實施例。本公開意圖包括這樣的修改和變型。下面將說明若干實施例。在這種情況下，附圖中相同的結(jié)構(gòu)特征由相同的參考標號表示。附圖中所示的構(gòu)造不是真實地按比例描繪的，而僅僅作用來對實施例有更好的理解。圖1是根據(jù)一典型實施例的螺栓101 (上方)與相關(guān)聯(lián)的螺母201 (下方)的肩部部分的截面圖。該截面是在形成相應(yīng)肩部的位置處，在垂直于下面的圖4和圖5中所示的縱向軸線305的平面中取得的。如圖1中所示，螺母201是六角螺母，并且相關(guān)聯(lián)的螺母肩部202具有圓形凸面。當法蘭連接被用來緊固待緊固的構(gòu)件時，這種至少部分圓形的凸面與待緊固構(gòu)件的表面相鄰。然而，螺栓101的頭部部分103被顯示為具有圓形橫截面，如上面圖3中的那樣，應(yīng)當注意，螺栓101的頭部部分103也可具有六邊形的形狀，從而使得可提供扳手作為適于上緊法蘭連接100的工具。根據(jù)一典型實施例，頭部部分103和/或螺母201朝待連接構(gòu)件定向的環(huán)狀表面可分別形成為肩部104、202，其可具有至少部分球形形狀和凸形形狀的其中至少一種。肩部，即頭部肩部104或螺母肩部202，于是朝待連接的構(gòu)件或法蘭延伸。此外，可在螺母201的兩側(cè)均設(shè)有螺母肩部202，從而可從兩個不同的定向?qū)⒙菽?201旋擰到螺栓101的螺紋部分105上，從而使得在任何情況下，一個螺母肩部202朝待緊固的法蘭定向。螺母201然后關(guān)于垂直于螺母軸線305的中心面而對稱地形成。圖2是根據(jù)一典型實施例的包括兩個相互連接的法蘭301、302的法蘭連接100的截面圖。圖2顯示了第一法蘭301和第二法蘭302，每個法蘭都具有安裝孔，螺栓101的軸部分102可通過該安裝孔而插入。螺母201被旋擰到螺栓101的軸103的螺紋部分105上。 螺母肩部202配合于第一法蘭301的法蘭凹部306中，從而使得作用在螺栓101的軸部分 102上的撓矩減小。這里要注意，螺栓101的螺紋部分105可延伸跨過一部分軸部分102或者跨過整個軸部分102。因而，螺栓101的軸部分102和螺紋部分105可以是相同的。除了那些之外，或者替代地，螺栓101的頭部部分103的頭部肩部104可配合于第二法蘭302的法蘭凹部306中，從而使得作用在螺栓101的軸部分102上的撓矩再次得以減小。第一法蘭301和第二法蘭302的其中至少一個的法蘭凹部306的典型實施例包括 (但不限于)球形的段或圓錐形的段，例如沉孔、鉸孔、錐形、漏斗形的凹部等等。這里要注意，雙曲面(例如球形部分)可比單曲面(例如錐形)更多地減小由撓矩導(dǎo)致的應(yīng)力。因此，根據(jù)典型實施例，頭部部分103以及螺母201的凸面具有雙曲面(例如球形的一部分)， 并且第一法蘭301與第二法蘭302的凹面具有球形凹部306(也參見圖6)。此外，螺母201和/或螺栓101的頭部部分103的肩部(即，由附圖中的參考標號 202和104所表示的肩部)的典型實施例包括(但不限于)凸形的段，例如漸縮式部分、球狀橫截面等等。當轉(zhuǎn)動螺母201以便上緊法蘭連接時，例如，凸形體和凹形體就形成了良好的相對對準。圖3顯示了圖2中所示的法蘭連接100，其中，施加的側(cè)向或偏軸的應(yīng)力導(dǎo)致待連接的第一法蘭301與第二法蘭302撓曲。法蘭301與法蘭302之間可形成間隙304。這樣的間隙304可由例如法蘭301、302的制造缺陷產(chǎn)生。在圖3中顯示了待連接的第一法蘭 301相對于待連接的第二法蘭302在撓曲方向303上的撓曲。由于在撓曲方向303上的撓曲，在待連接構(gòu)件301、302的兩個接觸面之間形成間隙304。如可從圖3中所示的撓曲狀態(tài)看出的那樣，與圖2中所示的未撓曲狀態(tài)相比，顯然，采用凹部306-肩部202、104的組合減小了作用在螺栓101的軸部分102上的撓矩，這是因為螺母201及螺栓101的頭部部分103都具有朝待連接構(gòu)件的表面定向的凸形的環(huán)形表面。即使螺栓101的頭部部分103不再平行于待連接法蘭的安裝面，法蘭301、302也能以可靠的方式連接而不會使螺栓101撓曲。此外，徑向或周向不對準或應(yīng)力可出現(xiàn)在待連接法蘭301與302之間，但不施加撓曲力或剪切力到螺栓101的軸部分102上或整個螺栓101上或整個法蘭連接100上。因此， 減小了由于沿著不同于縱向軸線305(參見圖4和圖5)的方向作用的撓矩或應(yīng)力而施加于螺栓101的負荷。該至少兩個待連接法蘭301、302可通過關(guān)于螺栓101和螺母201的其中至少一個的徑向移位而對準。因此，使用根據(jù)圖2和圖3中所示典型實施例的法蘭連接100 增加了螺栓連接的剛性。這里要注意，雖然未在圖3中顯示，但是，可使用墊片來獲得類似的應(yīng)力減小效果。這樣類型的墊片可設(shè)置在頭部部分103與待連接法蘭301、302之間，和/或螺母201與待連接法蘭301、302之間。該墊片可具有類似于相應(yīng)頭部部分和/或螺母的那些的凸面， 以及與凸面相反的平面，其中，在這種情況下，頭部部分和螺母分別呈現(xiàn)平面。墊片然后用作分別夾在螺栓頭部103與待連接法蘭301、302之間或者螺母與待連接法蘭301、302之間的中間構(gòu)件。圖4更詳細地顯示了根據(jù)一典型實施例的具有軸部分102與頭部部分103的螺栓 101以及螺母201。頭部部分103具有頭部肩部104，根據(jù)一典型實施例，頭部肩部104可包括朝待連接的構(gòu)件或法蘭301、302 (參見上面的圖2和圖幻定向的凸形環(huán)狀表面。螺栓101的軸部分102包括螺紋部分105。螺母201的內(nèi)螺紋適于螺栓101的螺紋部分105。因此，該螺母201可被旋擰到螺栓101的螺紋部分105上。當實現(xiàn)該連接時， 螺母201的中心軸線305與螺栓101的中心軸線305重合。根據(jù)一典型實施例，螺母201和螺栓101的頭部部分103的其中至少一個可分別包括肩部，即，螺母肩部202和頭部肩部104。這些肩部104、202提供一機構(gòu)，該機構(gòu)用于在撓矩出現(xiàn)的地方(即，存在關(guān)于縱向軸線305的位移或撓曲的地方)施加力到法蘭301、 302上。通常，如果兩個或更多的待連接構(gòu)件借助于如上面的圖2和圖3中所示的法蘭連接 100而組裝，可能出現(xiàn)導(dǎo)致垂直于縱向軸線305的應(yīng)力矢量分量的撓曲。此外，圖4描繪了根據(jù)還有的另一典型實施例的螺母201。這里，在螺母201的兩側(cè)分別設(shè)有螺母肩部20加、202b，從而可從兩個不同定向?qū)⒙菽?01旋擰到螺栓101的螺紋部分105上，從而使得在任何情況下，一個螺母肩部202朝待緊固法蘭或構(gòu)件(未在圖4中示出)定向。螺母201關(guān)于垂直于螺母軸線305的中心面對稱地形成。圖5顯示了圖4中所示的螺栓101和螺母201，其中，該螺母被旋擰到螺栓101的螺紋部分105上。如圖5中所示的那樣，法蘭連接100包括螺栓101和螺母201。螺母201 上和螺栓101的頭部部分103上的肩部202、104分別設(shè)置得使其彼此相對而定位，S卩，螺母肩部202面向待連接的第一法蘭301 (未在圖5中示出)，其中，螺栓101的頭部部分103的頭部肩部104面向待連接的第二法蘭302 (未在圖5中示出)。使用這樣類型的具有肩部部分104、202的法蘭連接100，減小了由待連接法蘭 301,302的相對不對準引起的螺栓撓曲，如本文上面關(guān)于圖3所述的那樣。這里要注意，具有肩部部分104、202以及相應(yīng)的朝肩部部分104、202定向的法蘭凹部306的法蘭連接100以類似于凸形墊片、凸-凹形墊片等等的方式作用，墊片設(shè)置為分別夾在螺栓頭部與待連接法蘭之間或螺母與待連接法蘭之間的中間構(gòu)件。根據(jù)典型實施例中的至少一個或者本文上面所述的典型實施例的組合，缺乏墊片則提供了下列的其中至少一項成本降低，和減少用于在待連接法蘭處安裝螺栓與螺母的時間。圖6更詳細地顯示了具有安裝孔308的其中一個法蘭301，連同螺母201，其中螺母201的肩部202配合于待連接法蘭301的法蘭凹部306中。螺母肩部202和法蘭凹部306互相作用，使得容許繞預(yù)定傾斜角307的撓曲，同時不產(chǎn)生額外的應(yīng)力矢量分量、剪切應(yīng)力和/或撓矩。由于待連接構(gòu)件之間發(fā)生摩擦，因此也許會產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力。由于螺栓101和螺母201的其中至少一個的旋轉(zhuǎn)，該構(gòu)件可呈現(xiàn)減小殘余應(yīng)力的狀態(tài)(或定位)。因此，螺母肩部202-法蘭凹部306的組合(或者，如果螺栓101 的頭部部分103與法蘭表面相鄰地定位的話，則是頭部肩部104-法蘭凹部306的組合)減小偏軸應(yīng)力，使得上緊法蘭連接時施加的上緊力主要沿圖4和圖5中所示的縱向軸線305 的方向定向。這里要注意，雖然在圖6中將螺母201的螺母肩部202顯示為配合于待連接法蘭 301,302的法蘭凹部306中，但是，本文上面所述的螺栓101的頭部部分103的頭部肩部104 可設(shè)置成與法蘭凹部306相鄰。撓矩可出現(xiàn)于每個法蘭處，使得螺栓101的頭部肩部104和/或螺母201的螺母肩部202可用作用來承受沿著關(guān)于上述縱向軸線具有傾斜角307的方向定向的作用力的機構(gòu)。圖7顯示了根據(jù)典型實施例的應(yīng)用于風(fēng)力渦輪機不同構(gòu)件的多種法蘭連接。
圖7中所示的法蘭連接通常被用于a)帶有缺陷的風(fēng)力渦輪機塔架法蘭，其中，在上法蘭與下法蘭之間插入了填充物。 該填充物不是所希望有的，并且對其的使用可通過應(yīng)用本發(fā)明的實施例而避免；b)顯示為處于上緊情況下的風(fēng)力渦輪機塔架法蘭連接；c)，d)風(fēng)力渦輪機中心體法蘭連接；這些法蘭連接通常適用于長螺栓；以及e)，f)風(fēng)力渦輪機法蘭連接。已根據(jù)附圖中所示的實施例描述了本發(fā)明，并且從其中產(chǎn)生了進一步的優(yōu)點和變型。然而，本公開不限于具體條件所描述的實施例，而是能以合適的方式進行修改和改變。 以合適方式將一個實施例的單獨特征和特征組合以及另一實施例的特征和特征組合結(jié)合以便得到進一步的實施例，屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯而易見的是，基于本文的教導(dǎo)，可不脫離本公開和其更寬的方面作出變型和修改。換句話說，本文上面所述的所有示例意圖是示例性的和非限制性的。
權(quán)利要求
1.一種法蘭連接(100)，包括第一法蘭(301)，其具有第一安裝孔(308)；至少一個第二法蘭(302)，其具有適于與所述第一安裝孔(308)對準的第二安裝孔；螺栓(101)，其包括具有螺紋部分(10 的軸部分(102)，以及在所述軸部分(102)的一端形成的頭部部分(103)，所述螺栓(101)適于穿過所述第一安裝孔和所述第二安裝孔； 以及，螺母001)，其適于被旋擰到所述螺紋部分(105)上，并在其被上緊時用于連接所述第一法蘭(301)和所述至少一個第二法蘭(302)，其中，所述頭部部分(10 和所述螺母O01)的其中至少一個包括朝相應(yīng)法蘭定向的凸面，并且，其中，所述相應(yīng)法蘭在所述安裝孔(308)處包括朝所述凸面定向的法蘭凹部(306)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的法蘭連接(100)，其特征在于，所述凸面包括凸形段、漸縮式部分以及至少部分球形的段的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的法蘭連接(100)，其特征在于，所述相應(yīng)法蘭的所述法蘭凹部(306)包括球形段、凹形段、沉孔、鉸孔、錐形以及漏斗形凹部的其中至少一種。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的法蘭連接(100)，其特征在于，所述頭部部分(103)和所述螺母O01)的其中至少一個包括肩部(104，202)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的法蘭連接(100)，其特征在于，所述肩部(104，202)具有至少部分球形的形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的法蘭連接(100)，其特征在于，所述肩部(104,20 具有凸形的形狀。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的法蘭連接(100)，其特征在于，所述至少一個第一和第二安裝孔(308)形成為沉孔，其中，所述沉孔朝所述螺母(201)和所述螺栓(101)的所述頭部部分(10 的其中至少一個所述凸面定向。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的法蘭連接(100)，其特征在于，所述法蘭連接(100)包括具有兩個凹面的螺母001)，所述凹面關(guān)于垂直于所述螺母縱向軸線的中心面對稱地在相反兩側(cè)形成。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的法蘭連接(100)用于組裝風(fēng)力渦輪機的塔架的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及螺栓與螺母上的用以減小撓曲的凹-凸形狀。提供了一種法蘭連接(100)，其包括具有第一安裝孔(308)的第一法蘭(301)和至少一個具有適于與第一安裝孔(308)對準的第二安裝孔的第二法蘭(302)。包括具有螺紋部分(105)的軸部分(102)與形成于軸部分(102)一端的頭部部分(103)的螺栓(101)適于穿過第一和第二安裝孔(308)。螺母(201)適于被旋擰到螺紋部分(105)上并在上緊時用于連接第一法蘭(301)和至少一個第二法蘭(302)。頭部部分(103)和螺母(201)中的至少一個包括朝相應(yīng)法蘭定向的凸面且該相應(yīng)法蘭在安裝孔(308)處包括朝凸面定向的法蘭凹部(306)。
文檔編號F16B5/02GK102235404SQ201110119610
公開日2011年11月9日 申請日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月29日
發(fā)明者J·J·尼斯, S-P·蘇布拉馬尼安 申請人:通用電氣公司