屈曲を最小限に抑えるボルト及びナットの凹凸形状

【課題】第１のフランジと、第２のフランジと、を含むフランジ接続部を提供する。
【解決手段】第１の取付け孔を有する第１のフランジ３０１と、第１の取付け孔と整合するように適合された第２の取付け孔を有する少なくとも１つの第２のフランジ３０２と、を含むフランジ接続部１００において、ねじ部を有する軸部分１０２と、この軸部分の一端部に形成されたヘッド部分１０３と、を含むボルト１０１が、第１及び第２の取付け孔を貫通するように適合される。ねじナット２０１が、ねじ部に螺着するように適合されており、これが締まると、第１のフランジ３０１と少なくとも１つの第２のフランジ３０２とが接続される。ヘッド部分とねじナットとの少なくとも一方は、各々のフランジに向かって配向された凸面を含み、各々のフランジは、取付け孔において、凸面に向かって配向されたフランジ凹部３０６を含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、接続対象の少なくとも２つの部品又はフランジを接続するフランジ接続部に関する。特に、本開示は、互いに不完全な合わせ面を有する部品を接続するフランジ接続部に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、接続対象のパーツ又は部品又はフランジは、ボルトの軸部分を接続対象の各々の部品の穴に挿入し、ねじナットをボルトのねじ部分に螺着させることによって、互いにボルト止めされる。その後、このねじナットを締めて、例えば接続対象のフランジ等の、接続対象の少なくとも２つの部品を互いに締結する。
【０００３】
例えば、風力タービンのタワーの部品は、ボルトで接続されており、風力タービンを設置する場所への輸送を容易に行うために、サプライヤがタワー全体を部分ごとに準備できるようになっている。風力タービンの設置場所において、タワーの個々の部分は、ねじ部を有するボルトとナットとを含むフランジ接続部により接続される。
【０００４】
こうした種類の風力タービンタワーには高い負荷がかかるので、フランジ接続部は通常、大きな応力を受ける。ボルト・ナットに加わる応力は、ボルトの縦軸方向及び剪断方向、即ちボルトの縦軸に対して垂直な方向、或いは、上記の２つを合わせた方向に作用する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７０５６０５３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
様々な種類及び方向の加力やモーメントに対して高い剛性を有しており、結果的な組立コストが低いフランジ接続部の提供が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記に鑑みて、フランジ接続部であって、第１の取付け穴を有する第１のフランジと、第１の取付け穴と整合するように適合された第２の取付け穴を有する少なくとも１つの第２のフランジと、ねじ部を有する軸部分とこの軸部分の一端部に形成されたヘッド部分とを含むボルトであって、第１及び第２の取付け穴を貫通するように適合されたボルトと、ねじ部に螺着する、ねじ締めされると第１のフランジと少なくとも１つの第２のフランジとを接続するように適合されたねじナットと、を含み、ヘッド部分とねじナットとの少なくとも一方は、各々のフランジに向かって配向された凸面を含み、各々のフランジは、取付け穴において、この凸面に向かって配向されたフランジ凹部を含む、フランジ接続部を提供する。
【０００８】
別の態様に従って、タワーと、機械のナセル部分と、タワー又は機械のナセル部分の少なくとも２つの部品を機械的に接続するように適合された少なくとも１つのフランジ接続部と、を有する風力タービンであって、フランジ接続部は、第１の取付け穴を有する第１のフランジと、第１の取付け穴に整合するように適合された第２の取付け穴を有する少なくとも１つの第２のフランジと、ねじ部を有する軸部分と軸部分の一端部に形成されたヘッド部分とを含む、第１及び第２の取付け穴を貫通するように適合されたボルトと、ねじ部に螺着するように適合された、ねじ締めされると第１のフランジと少なくとも１つの第２のフランジとを接続するねじナットとを含み、ヘッド部分とねじナットのうち少なくとも一方は、各々のフランジに向かって配向された凸面を含み、各々のフランジは、取付け穴において、この凸面に向かって配向されたフランジ凹部を含む、風力タービンを提供する。
【０００９】
更なる実施例は、従属請求項、発明を実施するための形態、及び添付図面に基づく。
【００１０】
本開示の最適な態様も含めた、十分にして当業者による実施を可能にする開示を、添付図面の参照も交えて、本明細書の以下の部分で更に具体的に記述する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】典型的な実施例による、ボルト（上図）と関連のねじナット（下図）の断面図である。
【図２】典型的な実施例による、相互接続された２つのフランジの断面図である。
【図３】加わった応力で接続対象の第１及び第２のフランジが屈曲し、接続対象のフランジどうしの間に間隙が形成される、図２に示したフランジ接続部の図である。
【図４】典型的な実施例による、軸部分とヘッド部分とを有するボルトと、ねじナットとを示す図である。
【図５】ねじナットをボルトのねじ部に螺着させた状態の、図４に示すボルトとねじナットとの図である。
【図６】接続対象のフランジの一方を、この接続対象のフランジのフランジ凹部に嵌合するショルダ部を有するねじナットと共により詳細に示した図である。
【図７】典型的な実施例による、風力タービンに適用される種々のフランジ接続部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
これより、１つ以上の実施例が図示されている、種々の実施例を詳細に参照する。各例は例示目的で示されており、限定目的で示されたものではない。例えば、一実施例の一部分として図示又は記述された特徴をその他の実施例で使用したり、その他の実施例と組み合わせて使用したりして、更なる実施例を創出できる。本開示は、こうした修正及び改変も包含することを意図している。
【００１３】
以下に、幾つかの実施例について説明する。このとき、複数の図面において、同一の構造的特徴を同一の参照符号で識別する。図示の構造は、縮尺通りではなく、あくまでも実施例の理解を助けるためのものである。
【００１４】
図１は、典型的な実施例による、ボルト１０１（上方）と関連のねじナット２０１（下方）との、ショルダ部の断面図である。この断面図は、図４及び図５に示す下記の縦軸３０５に対して垂直な平面に沿った、それぞれのショルダ部が形成される位置における断面図である。図１に示すように、ねじナット２０１は六角ナットであり、関連のねじナットショルダ部２０２は円形凸面を有する。
【００１５】
この少なくとも部分的に円形の凸面は、フランジ接続部を締結対象の部品どうしの締結に用いる場合、締結対象の部品の表面に隣接する。なお、ボルト１０１のヘッド部分１０３は、上記の図１のように、円形の断面を有するものとして図示されているが、ボルト１０１のヘッド部分１０３は、フランジ接続部１００を締結するように適合されたレンチを工具として用いるように、六角形状を有してもよい。
【００１６】
典型的な実施例によると、接続対象の部品に向かって配向されるヘッド部分１０３及び／又はねじナット２０１の環状面はそれぞれ、少なくとも部分的に球状、及び凸状のうち少なくとも一方を有し得る、ショルダ部１０４、２０２として形成される。そして、ショルダ部、即ちヘッドショルダ部１０４又はねじナットショルダ部２０２は、接続対象の部品又はフランジに向かって延在する。
【００１７】
更に、ねじナットショルダ部２０２をねじナット２０１の両側に設けて、ねじナット２０１を２つの異なる方向からボルト１０１のねじ部１０５に螺着させることができるようにすることで、いずれの場合も一方のねじナットショルダ部２０２が締結対象のフランジに向かって配向される。これにより、ねじナット２０１はねじナット軸３０５に垂直な中心面に対して対称に形成される。
【００１８】
図２は、典型的な実施例による、相互に接続された２つのフランジ３０１、３０２を含むフランジ接続部１００の断面図である。図２に、ボルト１０１の軸部分１０２が挿通される取付け穴を各々有する、第１のフランジ３０１と第２のフランジ３０２とを示す。ねじナット２０１は、ボルト１０１の軸１０３のねじ部１０５に螺着する。ねじナットショルダ部２０２は、第１のフランジ３０１のフランジ凹部３０６に嵌合し、これによって、ボルト１０１の軸部分１０２に作用する曲げモーメントが軽減される。
【００１９】
なお、ボルト１０１のねじ部１０５は、軸部分１０２の一部に延在していても、軸部分１０２の全体にわたって延在していてもよい。そのため、ボルト１０１の軸部分１０２とねじ部１０５とは同一のことがある。
【００２０】
それに加えて、或いはその代わりに、ボルト１０１のヘッド部分１０３のヘッドショルダ部１０４が、第２のフランジ３０２のフランジ凹部３０６内に嵌合し、それによってこの場合も、ボルト１０１の軸部分１０２に作用する曲げモーメントが軽減される。
【００２１】
第１及び第２のフランジ３０１、３０２の少なくとも一方のフランジ凹部３０６の典型的な実施例として、座ぐり穴、リーマ仕上げ穴、円錐、漏斗状凹部等の、球状部又は円錐状部が挙げられるが、これらに限定されることはない。なお、球体の一部等の複曲面は、円錐状部等の単曲面の場合よりも、曲げモーメントによって生じる応力を尚一層軽減する。このため、典型的な実施例によると、ヘッド部分１０３及びねじナット２０１の凸面は、球体の一部等の複曲面を有し、第１及び第２のフランジ３０１、３０２の凹面は、球面状凹部３０６を有する（図６も参照）。
【００２２】
更に、ねじナット２０１及び／又はボルト１０１のヘッド部分１０３のショルダ部、即ち図面に参照符号２０２及び１０４で示したショルダ部としては、テーパ部分、球形断面等の凸状部が挙げられるが、これらに限定されることはない。ねじナット２０１を回してフランジ接続部を締めると、例えば、凸状体と凹状体とが相対的に良好に整合する。
【００２３】
図３は、図２に示したフランジ接続部１００の図であり、横方向又は軸外への加力が、接続対象の第１及び第２のフランジ３０１、３０２を屈曲させている。間隙３０４が、フランジ３０１、３０２間に形成されることがある。こうした間隙３０４は、例えばフランジ３０１、３０２の製造欠陥に起因することがある。図３には、接続対象の第２のフランジ３０２に対する、接続対象の第１のフランジ３０１の屈曲方向３０３の屈曲を示す。屈曲方向３０３への屈曲により、間隙３０４が、接続対象の部品３０１、３０２の２つの接触面どうしの間に形成される。
【００２４】
図３に示す屈曲状態を図２に示した非屈曲状態と比較するとわかるように、凹部３０６−ショルダ２０２、１０４の組合せを用いると、ねじナット２０１とボルト１０１のヘッド部分１０３とのいずれもが、接続対象の部品の表面に向かって配向された環状凸面を有するので、ボルト１０１の軸部分１０２に作用する曲げモーメントが軽減されることは明らかである。たとえボルト１０１のヘッド部分１０３が接続対象のフランジの取付け平面に対して平行ではなくなったとしても、フランジ３０１、３０２は、ボルト１０１の屈曲を伴うことなく、確実に接続される。
【００２５】
更に、接続対象のフランジ３０１及び３０２間における半径方向又は周方向の不整合又は応力が生じても、ボルト１０１の軸部分１０２、又はボルト１０１全体、又はフランジ接続部１００全体に曲げ力又は剪断力が作用することはない。そのため、縦軸３０５（図４及び５を参照）以外の方向に作用する曲げモーメント又は応力によりボルト１０１に加わる負荷は、小さくなる。接続対象の少なくとも２つのフランジ３０１、３０２は、ボルト１０１とねじナット２０１との少なくとも一方に対する半径方向移動によって整合する。このように、図２及び図３に示す典型的な実施例によるフランジ接続部１００を用いると、ボルト接続部の剛性を高めることができる。
【００２６】
なお、図３には図示しないが、座金を用いても同様の応力軽減効果を得られる。こうした種類の座金を、ヘッド部分１０３と接続対象のフランジ３０１、３０２との間、及び／又はねじナット２０１と接続対象のフランジ３０１、３０２との間に配置してよい。座金は、それぞれのヘッド部分及び／又はねじナットの凸面と同様の凸面と、この凸面の反対側の平面とを有し得るが、この場合、ヘッド部分及びねじナットは、それぞれ平面を呈する。こうすると、座金は、ボルトヘッド部１０３と接続対象のフランジ３０１、３０２との間、又はねじナット２０１と接続対象のフランジ３０１、３０２との間にそれぞれ挟み込まれる中間部材の役割を果たす。
【００２７】
図４に、典型的な実施例による、軸部分１０２とヘッド部分１０３を有するボルト１０１と、ねじナット２０１とを更に詳細に示す。ヘッド部分１０３は、典型的な実施例によると、接続対象の部品又はフランジ３０１、３０２に向かって配向された環状凸面（上記の図２及び３を参照）を含み得る、ヘッドショルダ部１０４を有する。
【００２８】
ボルト１０１の軸部分１０２は、ねじ部１０５を含む。ねじナット２０１の雌ねじは、ボルト１０１のねじ部１０５に適合されている。そのため、このねじナット２０１は、ボルト１０１のねじ部分１０５に螺着可能である。ねじナット２０１の中心軸３０５は、接続が完了すると、ボルト１０１の中心軸３０５と一致する。
【００２９】
典型的な実施例によると、ねじナット２０１とボルト１０１のヘッド部分１０３とのうち少なくとも一方は、ショルダ部、即ちねじナットショルダ部２０２及びヘッドショルダ部１０４をそれぞれ含む。これらのショルダ部１０４、２０２は、曲げモーメントが生じた場合、即ち縦軸３０５に対する変位又は屈曲が起こった場合に、フランジ３０１、３０２に力を加える手段となる。通常、接続対象の２つ以上の部品が上記の図２及び３に示すようなフランジ接続部１００を用いて組み付けられる場合は、縦軸３０５に対して垂直方向の応力ベクトル成分を生じる屈曲が生じることがある。
【００３０】
更に、図４に、また別の典型的な実施例によるねじナット２０１を示す。このとき、ねじナットショルダ部２０２ａ、２０２ｂを、ねじナット２０１の両側にそれぞれ設けて、ねじナット２０１を２つの異なる方向からボルト１０１のねじ部１０５に螺着させることができるようにすることで、いずれの場合にも、一方のねじナットショルダ部２０２が締結対象のフランジ又は部品（図４には図示せず）に向かって配向される。ねじナット２０１は、ねじナット軸３０５に垂直な中心面に対して対称に形成される。
【００３１】
図５は、図４に示したボルト１０１とねじナット２０１において、ねじナットをボルト１０１のねじ部１０５に螺着させた状態の図である。図５に示すように、フランジ接続部１００は、ボルト１０１とねじナット２０１を含む。ねじナット２０１及びボルト１０１のヘッド部分１０３のショルダ部２０２、１０４は、互いに対向して位置するようにそれぞれ配置されている。即ち、ねじナットショルダ部２０２は、接続対象の第１のフランジ３０１（図５には図示せず）に面し、ボルト１０１のヘッド部１０３のヘッドショルダ部１０４は、接続対象の第２のフランジ３０２（図５には図示せず）に面する。
【００３２】
ショルダ部１０４、２０２を有する、こうした種類のフランジ接続部１００を用いると、本明細書で図３を参照ながら上述したように、接続対象のフランジ３０１、３０２の相対的な整合状態に起因するボルトの屈曲が軽減される。
【００３３】
なお、ショルダ部１０４、２０２と、これらのショルダ部１０４、２０２に向かって配向される各々のフランジ凹部３０６と、を有するフランジ接続部１００は、ボルトヘッド部と接続対象のフランジとの間、又はねじナットと接続対象のフランジとの間に挟み込まれる中間部材として配設される、凸座金、凹凸座金等と同様に機能する。本明細書の上記の少なくとも１つの典型的な実施例又は典型的な実施例の組合せによると、座金を無くすことにより、コストの削減、並びに、接続対象のフランジにおけるボルトとねじナットの取付け時間の削減のうち、少なくとも一方を達成できる。
【００３４】
図６に、取付け穴３０８を有するフランジ３０１の一方と、接続対象のフランジ３０１のフランジ凹部３０６に嵌合するショルダ部２０２を有するねじナット２０１との詳細図を示す。
【００３５】
ねじナットショルダ部２０２とフランジ凹部３０６は、相互作用することにより、更なる応力ベクトル成分、剪断応力、及び／又は曲げモーメントを生じることなく、所定の傾斜角３０７程度の屈曲が可能である。接続対象の部品間で摩擦が生じると、予応力が生じることがある。ボルト１０１及びねじナット２０１の少なくとも一方の回転により、部品どうしは、残留応力が軽減されるポジションになる。このように、ねじナットショルダ部２０２−フランジ凹部３０６の組合せ（又は、ボルト１０１のヘッド部分１０３がフランジ表面に隣接して配置される場合は、ヘッドショルダ部１０４−フランジ凹部３０６の組合せ）により、軸外の応力が軽減され、フランジ接続部を締める際に加わる締付け力は、主に図４及び５に示す縦軸３０５の方向に配向される。
【００３６】
なお、図６では、ねじナット２０１のねじナットショルダ部２０２が、接続対象のフランジ３０１、３０２のフランジ凹部３０６に嵌合するものとして図示されているが、本明細書の上記のボルト１０１のヘッド部分１０３のヘッドショルダ部１０４を、フランジ凹部３０６に隣接して配置してもよい。
【００３７】
曲げモーメントが各々のフランジに生じると、ボルト１０１のヘッドショルダ部１０４及び／又はねじナット２０１のねじナットショルダ部２０２が、上記の縦軸に対して傾斜角３０７を有する方向に配向される力を受ける手段として作用する。
【００３８】
図７に、典型的な実施例による、風力タービンの様々な部品に適用される種々のフランジ接続部を示す。
【００３９】
図７に示すフランジ接続部は、通常、下記のものに用いられる。
【００４０】
ａ）上側フランジと下側フランジとの間にフィリングが挿入された、欠陥を有する風力タービンタワーフランジ。フィリングは望ましくないが、本発明の実施例を適用することによって、フィリングの使用を回避できる。
【００４１】
ｂ）締結状態で図示された風力タービンタワーフランジ接続部。
【００４２】
ｃ）、ｄ）風力タービンハブフランジ接続部。これらのフランジ接続部は、通常、長尺のボルトに適用される。
【００４３】
ｅ）、ｆ）風力タービンフランジ接続部。
【００４４】
添付図面に示した実施例に基づいて本発明を説明したが、これらの実施例から更なる利点及び修正形態が想起可能である。しかし、本開示は、具体的な用語で説明した実施例に限定されることはなく、むしろ、適宜の修正及び改変が可能である。適宜、個々の特徴を組み合わせたり、一実施例の特徴と別の実施例の特徴とを組み合わせたりして、更なる実施例に至ることも、特許請求の範囲内である。
【００４５】
本明細書の教示に基づいて、本開示及び本開示の拡張態様から逸脱することなく改変及び修正が可能であることは、当業者に明らかである。即ち、本明細書で上述した例は全て、例示を意図したものであり、非限定的なものである。
【符号の説明】
【００４６】
１００フランジ接続部
１０１ボルト
１０２軸部分
１０３ヘッド部分
１０４ヘッドショルダ部
１０５ねじ部
２０１ねじナット
２０２ねじナットショルダ部
３０１接続対象の第１のフランジ
３０２接続対象の第２のフランジ
３０３屈曲方向
３０４間隙
３０５縦軸
３０６フランジ凹部
３０７傾斜角
３０８取付け穴

【特許請求の範囲】
【請求項１】
フランジ接続部（１００）であって、
第１の取付け穴（３０８）を有する第１のフランジ（３０１）と、
前記第１の取付け穴（３０８）と整合するように適合された第２の取付け穴を有する少なくとも１つの第２のフランジ（３０２）と、
ねじ部（１０５）を有する軸部分（１０２）と、該軸部分（１０２）の一端部に形成されたヘッド部分（１０３）とを含む、前記第１及び第２の取付け穴を貫通するように適合されたボルト（１０１）と、
前記ねじ部（１０５）に螺着するように適合された、締まると前記第１のフランジ（３０１）と前記少なくとも１つの第２のフランジ（３０２）とを接続するねじナット（２０１）と、を含み、
前記ヘッド部分（１０３）と前記ねじナット（２０１）のうち少なくとも一方は、各々の前記フランジに向かって配向された凸面を含み、
前記各々のフランジは、前記取付け穴（３０８）において、前記凸面に向かって配向されたフランジ凹部を含む、フランジ接続部（１００）。
【請求項２】
前記凸面は、凸状部、テーパ部分、及び少なくとも部分的に球状の部分のうち、少なくとも１つを含む、請求項１に記載のフランジ接続部（１００）。
【請求項３】
前記各々のフランジの前記フランジ凹部（３０６）は、球状部、凹状部、座ぐり穴、リーマ仕上げ穴、円錐、及び漏斗状凹部のうち少なくとも１つを含む、請求項１又は２に記載のフランジ接続部（１００）。
【請求項４】
前記ヘッド部分（１０３）と前記ねじナット（２０１）の少なくとも一方は、ショルダ部（１０４、２０２）を含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフランジ接続部（１００）。
【請求項５】
前記ショルダ部（１０４、２０２）は、少なくとも部分的に球状の形状を有する、請求項４に記載のフランジ接続部（１００）。
【請求項６】
前記ショルダ部（１０４、２０２）は、凸状の形状を有する、請求項４に記載のフランジ接続部（１００）。
【請求項７】
前記少なくとも１つの第１及び第２の取付け穴（３０８）は、座ぐり穴として形成され、該座ぐり穴は、前記ねじナット（２０１）及び前記ボルト（１０１）の前記ヘッド部分（１０３）の凸面の少なくとも一方に向かって配向される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のフランジ接続部（１００）。
【請求項８】
前記ねじナットの縦軸に垂直な中心面の両側に対称に両側に形成された２つの凹面を有するねじナット（２０１）を含む、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のフランジ接続部（１００）。
【請求項９】
風力タービンのタワーの組立における、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のフランジ接続部（１００）の利用。

【図１】