(57)【要約】【課題】管状支持構造体１００を提供する。【解決手段】本管状支持構造体１００は、風力タービンタワー１０５用の複数のフランジレス継手９０を採用する複数の管状セクション９６を含む。フランジレス継手９０は、隣接管状セクション９６を接続するためのフィンガプレートアセンブリ１２０を組み入れている。フィンガプレートアセンブリ１２０は、隣接管状セクション９６の周縁に均等に分配することができる。管状セクションは、風力タービン支持タワー１０５を形成するように組合せることができる。【選択図】      図７
2008045395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の管状セクション９６と、
隣接管状セクション９６を接続するため、隣接管状セクション９６の周縁に均等に分配されたフィンガプレートアセンブリ１２０を含む複数のフランジレス継手９０と
を備える管状支持構造体１００。
【請求項２】
管状支持構造体１００が支持タワー１０５をなす、請求項１記載の管状支持構造体１００。
【請求項３】
支持タワー１０５が風力タービン支持タワーをなす、請求項２記載の管状支持構造体１００。
【請求項４】
フランジレス継手９０が、隣接管状セクション９６の周縁に均等に分配された５つのフィンガプレートアセンブリ１２０を含む、請求項３記載の管状支持構造体１００。
【請求項５】
風力タービン支持タワーが、
タワー１０５を支持するベース１０７と、
フランジレス継手９０で接合した管状セクションと、
管状セクション９６の頂部に接続されたプラットフォーム１０８と、
プラットフォーム１０８に支持された風力タービン発電機１１０及び風力タービンロータ１１５と
をさらに含む、請求項３記載の管状支持構造体１００。
【請求項６】
管状セクションが溶接管状セグメント２０をさらに含む、請求項５記載の管状支持構造体１００。
【請求項７】
管状支持構造体１００の２つの隣接管状セクション９６を接続するためのフィンガプレートアセンブリ１２０であって、
外側フィンガプレート９４と、
内側フィンガプレート９３と、
互いに当接する隣接管状セクション９６の対応する端部と、
各フィンガプレートに設けられた貫通孔配列１２５であって、各貫通孔が２つの隣接管状セクション９６の一方の接続部を与える貫通孔配列１２５と、
隣接管状セクション９６の対応する端部に設けられた整合貫通孔配列１２５と、
外側フィンガプレート９４及び内側フィンガプレート９３を隣接管状セクション９６に締結するための手段と
を備えるフィンガプレートアセンブリ１２０。
【請求項８】
管状セクション９６が円形の水平方向断面を有する、請求項７記載のフィンガプレートアセンブリ１２０。
【請求項９】
外側フィンガプレート９４が、管状セクション９６の外面の曲率に整合する湾曲内径のプレートを含み、内側フィンガプレート９３が、管状セクション９６の内面の曲率に整合する湾曲外径のプレートを含む、請求項７記載のフィンガプレートアセンブリ。
【請求項１０】
貫通孔配列によって締結するための手段がナット及びボルト１０９を含む、請求項８記載のフィンガプレートアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広義には管状構造体に関し、具体的には管状支持構造体のセクション間のフランジレス接続部に関する。
【背景技術】
【０００２】
管状支持構造体は多種多様な用途を有する。ある種の支持構造体は、装置を地面から高い高さで支持する場合に用いられる。これらの支持構造体は、背が高く、その頂部に様々な重量の作動装置を支えるため、構造体の継手が高い応力を受けることがある。支持構造体は、携帯電話中継塔、レーダー塔及びウインドタワーを始めとする数多くの用途に用いられる。
【０００３】
風力タービン支持タワーは大型構造体であり、大型風力タービンロータブレードに適応しロータブレードを風の経路に戦略的に配置するためかなりの高さまで延びることある。例えば、典型的なタワーは約８０ｍの高さを有する。
【０００４】
図１は、管状セクションの端部に溶接フランジを有する溶接セグメントアセンブリからなる管状セクションで製作された例示的な管状構造体を示す。管状構造体１０は複数の管状セクション１５から構築され、その両端部のフランジ２７及び２９を互いににボルト止めして構造高さを形成する。管状セクション１５は、「缶」とも呼ばれる環状の管状セグメント２０からなる。管状セグメント２０の内側又は外側端部表面のいずれかに溶接溝が形成される。管状セグメント２０は缶／缶溶接部４０で互いに溶接されて、セグメントアセンブリ２５を形成する。セグメントアセンブリ２５は、次いで、頂部閉鎖フランジ２７及び底部閉鎖フランジ２９を高入熱法であるサブマージアーク溶接プロセスを用いてセグメントアセンブリの端部に溶接する。頂部閉鎖フランジ２７及び底部閉鎖フランジ２９もその形状は環状である。隣接セクション１５間の頂部閉鎖フランジ２７と底部閉鎖フランジ２９を次いでボルトライン３０に沿って互いにボトル止めしてセクションを組立てる。管状構造体１０の底部のベースフランジ３３及び環状構造体１０の頂部のプラットフォームフランジ３５は、構造体の垂直レイアウトを完成する。
【０００５】
図１の管状構造体１０は、風力タービンを支持するための典型的なウインドタワーその他様々な支持タワーを表す。高さ約８０ｍのこの例示的なタワーでは、タワーは長さ約２５ｍの２つのセクションと長さ約３０ｍの１つのセクションとの３つのセクションからなる。他の代表的管状構造体における個々のセクションの長さ及び数は、構造体の用途及び高さに応じて変更し得る。タワーは円筒形又は円錐形のいずれでもよい。
【０００６】
例えば、５０メートルのタワー高さは強風条件用に採用することができ、１１０メートルのタワー高さは弱風条件用に採用することができる。この例示的なタワーの水平方向断面は概して円形であり、上方でテーパを付けてもよい。テーパ付けは、直円錐断面として軸方向にテーパ付けした個々の管状セグメントを使用することによって達成できる。ただし、他の代表的構造体の管状セグメントのための水平方向断面は、異なる幾何形状のものでもよい。
【０００７】
図２は、管状構造体のセクション用の適切に整合させたフランジ接続部の断面図を示す。フランジ／缶溶接部３７は頂部閉鎖フランジ２７をその下方に位置するセグメントアセンブリ２５と接合する。フランジ／缶溶接部３９は底部閉鎖フランジ２９をその上方に位置する溶接セグメントアセンブリ２５と接合する。理想的には、頂部閉鎖フランジ２７のフランジ合せ面４１と底部閉鎖フランジ２９のフランジ合せ面４３とは、ボルト４７及びナット４９のための貫通孔４５が両フランジで完全に整合するように、完全に平行であるべきである。
【０００８】
この例示的な風力タービン支持タワーに付随する問題として、タワーが撓んだときの溶接割れ、フランジ変形及びボルト破損があり、各々、タワーのライフサイクルコストの一因となっている。さらに、フランジ溶接プロセスの際の発熱でフランジが変形する。
【０００９】
図３は、変形フランジでボルト止めするプロセスを例示したものである。最初に、缶溶接継手のフランジに加えられた熱のため、Ａに示すようにフランジ２９が変形する。溶接頂部フランジ２７と溶接底部フランジ２９を一緒にしても、貫通孔４５のボルトラインは、Ｂに示すように整合せず、管状セクション１５（図１）は変形フランジで封鎖される。隣接フランジモジュール１５の接合に用いられるボルト４７にトルクを加えれば、変形フランジをＣに示すように整合させることができる。こうしたボルト４７をナット４９と共に、例えば５９０Ｍｐａのようなプレストレスレベルまでトルクを加えれば、変形フランジを整合させることができる。この操作で、溶接部３７及び３９並びにボルト４７に高いプレストレスが発生し、供用時の負荷に耐える能力が低下してしまう。ボルトでのこのような高い不均一プレストレスのため、Ｄに示すようにボルト破損及び溶接破損が共に起こりかねあい。同様の問題は、同様の溶接フランジ継手を有する他の管状支持構造体でも起こりかねない。
【００１０】
溶接は本質的に固有の応力集中特性を有する。タワーのような管状構造体が高い風力荷重を受けると、タワーは曲げ応力を受ける。これに、タワー頂部の質量で促進される高サイクル振動曲げ応力がさらに加わる。アセンブリのプレストレス作用だけでなく、このような複合要因のため、溶接部及びボルト上に高い引張応力が生じて溶接割れ又はボルト破損の確率が高まり、維持費が高まる。ボルト破損は、供給業者が溶接後に平面要件を満たすようにフランジを機械加工しなければならないほど大きな問題となっている。例えば、タワー発注者によっては、フランジ平面性をレーザ測定法を用いて計測し、平面からのずれが１．５ｍｍを超える場合にはさらに機械加工することを供給業者に要求することもある。供給業者は、この要件を満たすためフランジを切断しかつ再溶接しなければならないことがある。これは、費用及びスケジュール並びにタワー強度に多大な影響を与えかねない。
【００１１】
追加の懸念事項はフランジ溶接検査である。ほとんどの検査法は、直接法ではなく較正検出法によるので、溶接健全性の正確な評価を得るのが難しい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そこで、結合継手に高い応力を生じることなくかつ応力を検査することができる風力タービン支持タワーモジュールセクション用のアセンブリを提供する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、広義には管状構造体のセクションを互いに接合するための継手に関し、具体的には風力タービン支持タワーのセクションを接合するためのフランジレス継手に関する。
【００１４】
簡潔に述べると、本発明の一つの態様は、管状支持構造体の２つの隣接管状セクションを接続するためのフィンガプレートアセンブリを提供する。本フィンガプレートアセンブリは、外側フィンガプレートと、内側フィンガプレートと、互いに当接する隣接管状セクションの対応する端部とを備える。各フィンガプレートに貫通孔配列を設け、各貫通孔配列は２つの隣接管状セクションの一方の接続部を与える。隣接管状セクションの対応する端部に整合貫通孔配列が設けられる。内側及び外側フィンガプレートを管状セクションに締結するための手段が設けられる。
【００１５】
簡潔に述べると、本発明の別の態様では、管状支持構造体の２つのセクションを結合するためのフランジレス継手を提供する。本フランジレス継手は、管状支持構造体の２つの隣接セクションと、管状支持構造体の２つの隣接セクションの周縁に均等に分配された複数のフィンガプレートアセンブリとを備える。
【００１６】
簡潔に述べると、本発明の第三の態様では、管状支持構造体を提供する。本管状支持構造体は、複数の管状セクションと、隣接管状セクションを接続するため、隣接管状セクションの周縁に均等に分配されたフィンガプレートアセンブリを用いた複数のフランジレス継手とを備える。
【００１７】
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができよう。図面を通して、類似する部品には同様の符号を付した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の以下の実施形態は、溶接割れ又はボルト破損の確率を高めて高い維持費を招きかねない溶接部及びボルトの高い引張応力をなくすことができるなど、数多くの利点を有する。
【００１９】
本発明の一態様は、管状アセンブリの隣接セクション同士を接合するためのフィンガプレートアセンブリを提供する。図４は、前述の溶接フランジ継手を有する管状アセンブリにおける溶接後のフランジ変形の問題が解消されたフィンガプレートアセンブリ５０の側面断面図を示す。管状アセンブリの２つの隣接フランジレスモジュールセクション５２及び５４（フランジなし）の環状リング同士を地点５６で近接させる。内側フィンガプレート５７は管状アセンブリの内面に設けられる。内側フィンガプレート５７には、フランジレスモジュールセクション５２及び５４の湾曲内径に整合する湾曲外径を設けれてもよい。内側フィンガプレート５７は、隣接フランジレスセクションの内面５８及び６０を接続するために設けられる。外側フィンガプレート６２は、管状アセンブリの外面に設けられる。外側フィンガプレート６２には、モジュールセクション５２及び５４の湾曲外径に整合する湾曲内径を設けてもよい。外側フィンガプレート６２は、隣接フランジレスモジュールセクションの外面６４及び６６を接続するために設けられる。各フィンガプレートに締結貫通孔配列が設けられるが、この貫通孔配列は、両フランジレスモジュールセクションの対応する隣接端部に設けられた締結貫通孔配列と整合する。アセンブリはさらに、貫通孔配列によるボルト４７及びナット４９を備えていてもよい。ただし、用途によっては、他の好適な締結手段を利用してもよい。
【００２０】
図５は、ナット及びボルト締結を利用した典型的なフィンガプレートの斜視図を示す。典型的なフィンガプレート７０は内面７２と外面７４とを有する。内側フィンガプレートでは、その外面が隣接管状セクションの湾曲外面と整合する。外側フィンガプレートでは、その内面が隣接管状セクションの対応する面と整合する。図示した典型的なボルト貫通孔配列７６は一方の管状セクションとの接続のためのものであり、図示した典型的なボルト貫通孔配列７８は隣接する管状セクションとの接続のためのものである。フィンガプレート設計は、フィンガプレートのエッジからのボルト貫通孔の間隔、隣り合ったボルト貫通孔間の間隔、フィンガプレートの厚さ、フィンガプレートの表面寸法及びプレート材料選択を始めとする標準設計法による。
【００２１】
この例示的な８０ｍタワーでは、フィンガプレートは、約２ｍの円弧寸法、約１ｍの高さ及び約３０〜４０ｍｍの厚さを有する。フィンガプレートの材料は、好ましくはＡＳＴＭ  Ａ５７２  Ｇｒ５０鋼板からなる。フィンガプレートのボルト貫通孔配列７６及び７８は、好ましくは各フィンガプレート当たり合計約４８ボルト穴をタワーの各隣接セクションに設けた二列に構成される。ボルト貫通孔の直径は好ましくは約１．２５インチの寸法とすることができる。ボルト貫通孔間の最小間隔は約５インチとすることができる。８０ｍタワーのフィンガプレート用の典型的なボルトは、好ましくは約５１０Ｍｐａ（７４ｋｓｉ）のボルトプレストレスまでトルクを与えられるＭ３６  １０．９等級ボルトとすることができる。
【００２２】
端部フランジをなくした点に加えて、ボルト貫通孔が離散していることから、タワーセクション幾何形状のわずかな狂いに適応し、組立をスピードアップするとともに費用のかかる作り直しが最小限となる。フィンガプレートアセンブリは、タワー側方スウェイ及び安定性要件に対処できる妥当な局所的及び全体的剛性をもたらすのに十分な厚さ、長さ及び幅で設計される。標準ボルト設計法によって、フィンガプレート寸法が決まる。
【００２３】
図６は、タワー側方スウェイに対応したフィンガプレートアセンブリ継手と現行の短フランジ継手との剛性を比較した図である。内側フィンガプレート５７及び外側フィンガプレート６２の長い湾曲フィンガプレートアセンブリ継手８０は、タワー側方スウェイに起因する曲げに抵抗する大きな継手剛性をもたらす。フィンガプレートアセンブリ継手８０は、従来のフランジ継手８５において横モーメントの吸収に利用される頂部閉鎖フランジ２７及び底部閉鎖フランジ２９の短い面Ｌ２に比べて長い曲面Ｌ１の全体に曲げモーメントを分散させる。
【００２４】
本発明の一態様に係るフィンガプレートアセンブリを有する典型的なフランジレス継手では、複数のフィンガプレートは管状支持構造体の隣接セクションの周縁に均等に分配される。
【００２５】
図７は、下部管状セクション９６の周縁に均等に分配されたフィンガプレートアセンブリ９２を有するフランジレス継手９０を示す。明瞭化のため、内側フィンガプレート９３及び外側フィンガプレート９４並びに下部管状セクション９６を示す。明瞭化のため、上部管状構造体及び締結具は省略した。管状構造体は、支持タワー又は風力タービン支持タワーとすることができる。例示的な約８０ｍの風力タービン支持タワーでは、風力タービン支持タワーの隣接セクションの周縁に、５つのフィンガプレートアセンブリを分配することができる。さらに、風力タービン支持タワー用の締結手段として、ボルト止めを採用してもよい。貫通孔をボルト止めするための簡易方式を示したが、図５は、例示的な風力タービン支持タワー用の一段と典型的な貫通孔配列を有するフィンガプレートを示す。
【００２６】
フィンガプレートの湾曲性は継手剛性に役立つ。フィンガプレートの長さ、厚さ及び幅を適切に設計することによって、従来技術のフランジ継手に比べて格段に構造的に効率的な方法で、局所的に継手を強化し、側方スウェイ、安定性及びタワーヘッド偏心荷重に対して所定の全体的タワー剛性を得ることができる。フィンガプレートの厚さ及び間隔は、ボルト止め継手設計用の有力な標準的実施法の関数となる。ボルト穴直径及び間隔は、運転条件の関数となる。
【００２７】
フィンガプレートアセンブリの使用に当たっては、タワーのモジュールセクションの接合手段として、溶接フランジに代えて缶アセンブリを用いる。その結果、これらの溶接部及びボルトに関連する変形及びプレスレスの問題は解消される。さらに、ほとんどの検査法は、直接法ではなく較正検出法によるので、溶接健全性の正確な評価を得るのが難しい。溶接部をボルトで置き換えることによって、検査者がトルクレンチを用いて許容可能な予荷重について各ボルトを検査することができる。
【００２８】
本発明のさらに別の態様では、複数の管状セクションと、隣接管状セクションを接続するためのフィンガプレートアセンブリを用いた複数のフランジ継手とを備える管状構造体を提供する。フィンガプレートアセンブリは、隣接管状セクションの周縁に均等に分配される。管状構造体は、支持タワー、特にタワーのモジュールセクションを接合するためのフィンガプレートアセンブリを利用する風力タービン支持タワーを形成することができる。タワーのモジュールセクションは、管状セグメントを溶接してタワーセクションを形成することによって組立てられる。
【００２９】
図８は、風力タービン支持タワー１０５の軸方向断面を示す。風力タービン支持タワー１０５は、タワーセクション９６を結合するためのフィンガプレートアセンブリ１２０を利用してフランジレス継手９０を組み込む。風力タービン支持タワー１０５は、風力タービン発電機１１０及び風力タービンロータ１１５用の支持体を形成する。この例示的な風力タービン支持タワー１０５は高さ約８０ｍであり、３つのタワーセクション９６と２つのフランジレス継手９０とが組み込まれている。
【００３０】
この例示的な風力タービン支持タワーでは、５つのフィンガプレートアセンブリを、フランジレス継手の周縁に均等に分配することができる。タワーセクションは円筒形でもよいし、或いはさらに高い高度でタワーセクションの断面が全体的に縮小する略直円錐台断面を有するものでもよい。さらに個々の管状セグメントは、タワーセクションの軸方向長さ方向に各タワーセクションの断面が漸減するように各々軸方向長さにテーパを付けてもよい。
【００３１】
本明細書では本発明の特定の特徴のみを例示しかつ説明してきたがが、当業者には多くの修正及び変更が想起されるであろう。従って、提出した特許請求の範囲は、本発明の技術思想の範囲内に属するような全ての修正及び変更を保護しようとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】互いにボルト止めされたフランジセクションを有する例示的な管状構造体を示す図。
【図２】タワーのモジュールセクション用の適切に整列させたフランジ接続部の断面図。
【図３】変形フランジでボルト止めするプロセスを示す図。
【図４】フィンガプレートアセンブリの側面断面図。
【図５】典型的なフィンガプレートの側面図。
【図６】タワー側方スウェイに対応したフィンガプレートアセンブリ継手と最新短フランジ継手との剛性の比較を示す図。
【図７】管状支持構造体の周縁に均等に分配されたフィンガプレートアセンブリを利用したフランジレス継手を示す図。
【図８】フィンガプレートアセンブリで結合されたフランジレス継手を含む風力タービン支持タワーの軸方向断面図。
【符号の説明】
【００３３】
１０  管状構造体
１５  管状セクション
２０  管状セグメント
２５  セグメントアセンブリ
２７  頂部閉鎖フランジ
２９  底部閉鎖フランジ
３０  ボルトライン
３３  ベースフランジ
３５  プラットフォームフランジ
３７  フランジ／缶溶接部
３９  フランジ／缶溶接部
４０  缶／缶溶接部
４１  フランジ合せ面
４３  フランジ合せ面
４５  貫通孔
４７  ボルト
４９  ナット
５０  フィンガプレートアセンブリ
５２  フランジレスモジュールセクション
５４  フランジレスモジュールセクション
５６  接近状態
５７  内側フィンガプレート
５８  内面
６０  内面
６２  外側フィンガプレート
６４  外面
６６  外面
７０  典型的なフィンガプレート
７２  内面
７４  外面
７６  ボルト貫通孔配列
７８  ボルト貫通孔配列
８０  フィンガプレートアセンブリ継手
８５  フランジ継手
９０  フランジレス継手
９２  フィンガプレートアセンブリ
９３  内側フィンガプレート
９４  外側フィンガプレート
９５  下部管状セクション
９６  タワーセクション
１００  風力タービン発電装置
１０５  風力タービン支持タワー
１０７  ベース
１０８  プラットフォーム
１０９  管状セグメント
１１０  風力タービン発電機
１１５  風力タービンロータ
１２０  フィンガプレートアセンブリ
【図１】
2008045395.tif 000003
【図２】
2008045395.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2008045395.tif 000007
【図６】
2008045395.tif 000008
【図７】
2008045395.tif 000009
【図８】
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