(57)【要約】本発明は、管状部材の一端に取り付けるための環状フランジ継手に関するものである。本発明の目的は、予定されている使用に伴われる応力により生じるダメージを少なくすることができる環状フランジを提供することである。本発明にかかる環状フランジ継手は、管状部材８の一端、とくに風力タービン塔を構成する塔部材に取り付けるための管状部分４と、上記管状部分４の一端に半径方向に隣接するフランジカラー６と、上記管状部分４から軸方向に離間して対向するフランジ表面１６とを備えている。この環状フランジ継手は、管状部分４の外壁１５が、円錐形であり、とくに均等な円錐形部材に取り付けるためのものであることを特徴とする。
2004525293.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管状部材、とくに風力タービン塔を構成する塔部材の一端に取り付けるための管状部分と、上記管状部分の一端において半径方向に隣接するフランジカラーと、上記管状部分から軸方向に離間して対向するフランジ表面とを備えた環状のフランジ継手であって、
管状部分（４）の外壁（１５）が、円錐形であり、とくに均等円錐形の部材に取り付けるためのものであることを特徴とするフランジ継手。
【請求項２】
フランジカラー（６）が、管状部分（４）の内側の側部で、管状部分に半径方向に隣接していることを特徴とする、請求項１に記載のフランジ継手。
【請求項３】
フランジ表面（１６）が平坦であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のフランジ継手。
【請求項４】
フランジカラー（６）が、フランジ締結ねじ用の少なくとも１つの軸方向に伸びる貫通孔（１８）を有していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載のフランジ継手。
【請求項５】
フランジカラー（６）が、貫通孔（１８）のまわりのフランジ表面（１６）に凹部（２０）を有していることを特徴とする、請求項４に記載のフランジ継手。
【請求項６】
管状部分（４）の外壁（１５）に隣接するフランジ表面縁部と凹部（２０）との間の最小の間隔（２４）が、管状部分（４）の壁厚さよりも大きいことを特徴とする、請求項５に記載のフランジ継手。
【請求項７】
管状部分（４）及び放射状のフランジカラー（６）が、継ぎ目のない一体部材として製作されたもの、とくに１つの部材が変形させられたものであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載のフランジ継手。
【請求項８】
管状部材（８）の端部に取り付けるためのフランジ（２）が溶接可能であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１つに記載のフランジ継手。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つに記載のフランジ継手を備えた風力タービン塔を構成する塔部材（８）。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか１つに記載の２つのフランジ（２a、２b）を備えたフランジ継手であって、
一方が他方の上に載っているフランジ表面（１６）でもって互いに接続されているフランジ（２）の管状部分（４）の外壁（１５）が、互いに円錐状に隣接していることを特徴とするフランジ継手。
【請求項１１】
請求項１０に記載のフランジ継手を備えた少なくとも２つの塔部材を備えている風力タービン塔。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の冒頭部分に記載されているような、管状部材の一端に取り付けるための環状のフランジ継手に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
管状部材用の環状のフランジ継手は、例えば特許文献１に開示されているが、このような環状のフランジ継手は広く用いられている。パイプライン構造の技術分野では、例えば、管状部材に半径方向に隣接するフランジカラーが用いられている。このフランジカラーは、通常、パイプの断面の端部で半径方向外向きに突出している。これらのフランジカラーは、通常、実際のパイプ部材から軸方向に離間して対向する平坦なフランジ面を有し、それらの周縁部付近に分布する貫通孔を有している。このようにして、管状部材は、例えばパイプラインの一部として互いに一列に配列されることができ、適当なシールでもって一緒にボルト締結され、パイプラインを形成する。
【０００３】
これらの環状のフランジカラーは、実際の管状部材の本体部から横向きに突出しているといった事実から、フランジカラーを管状部材の一体部分として製造することは一般に不利な製造方法であるといえる（少なくとも部材が鋳造でつくることができない場合）。例えば、金属板又は薄い鋼鈑と溶接することによりつくられる管状部材は、一般に、半仕上げ製品として前成形することは非常に困難である。この場合、例えばフランジカラーは適当な曲げ加工によって形成することができる。このため、最初にフランジカラーを備えていない管状部材をつくり、この後適当な結合技術（例えば金属パイプの場合は溶接、またプラスチックパイプの場合は結合形成又は積層）を用いて、フランジカラーを実際の部材に取り付けるのが標準的である。
【０００４】
環状のフランジの潜在的に高い応力が生じている領域内への力の伝達を改善するためには、よく知られているように、構造的な観点からは、環状のフランジ部材を円柱形の管状部材の一端に取り付けるための短い円柱形の環状部分を設けるのが有利であるということが証明されている。上記部分の上記端部は、例えば円柱形の管状部材に溶接され、他方の端部は円柱形の管状部分から軸方向に離間して突出するフランジ面と一緒にフランジカラーと半径方向に隣接するような構成とされている。
【非特許文献１】
ディ−テル・レーマン著「ＤＩＮ４１３３による種々の接触面／環形フランジを備えたＬ容器からの計算」、エルンスト＆ゾーン、シュタルバウ、６９（２０００）、第９号、第６８２〜６８７頁（Dieter Lehmann, "Berechnung von L-Flaschen mit unterschiedlichen Kontaktflachen/Ringflanschformen nach DIN 4133", Ernst & Sohn, Stahlbau 69 (2000) Issue no. 9, pp.682-687）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば、風力タービン塔の構造においては、管状の塔部品が、より高くするために組み立て現場で他の部品の上に１つずつ積み重ねられる。静力学的な理由により、この技術分野においては、塔を、地面に近い部分からゴンドラに向かって上向きに円錐形のテーパ状にするのが実用的であるということが証明されている。従来、塔部品を結合するのに用いられるフランジ継手には、亀裂や、その他の疲労の兆候が生じている。
【０００６】
本発明の目的は、これとは対照的に、予定されている使用に伴われる応力により生じるダメージを少なくすることができる環状のフランジを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、本発明にかかる請求項１の特徴を備えたフランジ継手（flange connection）により達成される。本発明の好ましい実施態様は、下位の請求項に記載されている。
【０００８】
本発明の応用分野である風力タービン塔（wind turbine tower）に関しては、本発明にかかる構成をあらゆる機会に活用することにより、塔部品（tower segment）間のフランジ継手を通しての力の流れを最適化することができる。円柱軸方向に並ぶ直線状の円柱形の取付部を備えた周知の環状のフランジ部材を、従来技術で意図されている仕様で、円錐形の管状塔部材に取り付けた場合、フランジ継手内には、多数の方向変化を呈する力の流れを生じさせる結果となり、かつ美的にも望ましくないものとなる。
【０００９】
本発明においては、これとは対照的に、環状のフランジ（annular flange）は、該フランジを管状部材（tubular component）の一端に取り付けるための管状部分（tubular portion）を有している。フランジカラー（flange collar）は、上記管状部分の一端で、好ましくは内向きに半径方向に隣接し、またフランジは好ましく上記管状部分から軸方向に離間して対向している平坦なフランジ面を有している。管状部分の外壁は、円錐形であり、それゆえ円錐形の管状部材に取り付けられて隣接する外側輪郭を形成することができる。これは、円錐形の管状部材からフランジカラーへの力の流れを大幅に改善する。なぜなら、これにより、一般に応力の集中を生じさせ、かつ部材への過剰な応力を生じさせる可能性のある、力の流れの偏向（deflection）が防止されるからである。
【００１０】
フランジカラーは、好ましくは半径方向内向きに管状部材に隣接し、これにより本発明にかかるフランジを用いて風力タービンの塔部品を接続するときに、例えばフランジカラーが（結合力を生じさせ、周縁部で軸方向に配置された貫通孔により確実な締結（positive locking）を生じさせる、フランジ結合ねじなどといったその他の接続部材も同様）塔の内側に配置され、これにより風化（weathering）に対して保護される。
【００１１】
本発明にかかるフランジ継手の放射状の（radial）フランジカラー及び管状部分は、好ましくは継ぎ目のない一体部材としてつくられる。本発明にかかるフランジ継手は、好ましくは金属の半仕上げ製品から単一部品として変形（turn）させられ、あるいは単一部品として、例えば繊維複合材料からつくられるときにプリプレグ（prepreg）として変形させられる。しかしながら、一体部品としての鋳造品もまた本発明の範囲内である。
【００１２】
本発明にかかるフランジと、本発明にかかる有利な隣接する外側輪郭とを備えた２つの管状部材間の継手をつくることを可能にするために、本発明にかかる２つのフランジは、好ましく整合させられ、以下のようにして以下のような結合を生成する。すなわち、２つのフランジが、一方が他方の上に位置しているフランジ表面で結合されたときには、２つのフランジの管状部分の（円錐形の）外壁は互いに接触している。この結合は、例えば、この後互いに一列に、好ましくは対で並べられる、フランジカラー内の軸方向の貫通孔により、ともにボルト締結することにより行われる。
【００１３】
好ましい貫通孔内の締結ねじを通しての、及び好ましくは平坦なフランジ面を通しての力の流れをさらに最適化するために、上記貫通孔は、好ましくフランジ面の凹部によって囲まれる。延長部（expansion）の長さが大きいことにより、これは、貫通孔内の締結ねじに課される負荷に好ましい効果を有し、貫通孔のまわり相補的なフランジ面を伴った１つのフランジ面の接触領域を、半径方向にみてフランジ面の外側及び内側の縁部に好ましく置き換える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付の図面を参照しつつ、本発明をさらに詳細に説明する。
図１に示すフランジ継手は、２つのフランジ２によって構成されている。ここで、これらを区別する必要があるときには、上側の部品及び構成要素、換言すれば図１中に示す２つのフランジの上側のものについては、添字を「ａ」とし、下側のものについては添字を「ｂ」とする。両フランジ２は、管状部分４と、該管状部分４の一端において、半径方向内向きに隣接するフランジカラー６とを有している。各管状部分４の他端には管状部材８が隣接し、この管状部材８は、半径方向にみて内側及び外側の溶接継ぎ目１０、１２（weld seam）により環状フランジ継手２に溶接されている。フランジ２は、溶接鋼（welding steel）でつくられている。
【００１５】
図１に示す構造が、回転軸１４のまわりに、リング又はチューブとして全体的にわたって設けられている。ここでは、装置全体の半径方向の間隔は、実目盛ではあらわされていない。
【００１６】
フランジ２の管状部分４の外壁１５は、管状部材８と同様に全体的には円錐形であり、これらの外壁１５は隣接（contiguous）している（図示された例では、直線を形成している）。
【００１７】
２つのフランジ２は、それぞれ、各管状部分４から軸方向に離間して対向する平坦なフランジ面１６を有している。上記フランジ面は同一寸法であり（すなわち、同一の内直径及び外直径をもつ）、一方が他方の上に整合して載っている。このように互いに対向しているフランジ２は、それらの周縁部付近に均一に分布する貫通孔１８を有する。この貫通孔１８は、各フランジカラー６を貫通して軸方向に伸び、互いに一直線状に並んで配置されている。フランジ２のフランジ結合のための確実な締結（positive locking）と締結力とを生じさせるために、よく知られた留めねじ（screw fitting）を貫通孔１８内に挿入することができる。フランジ継手２を介しての力の流れを最適化するために、貫通孔１８は、半径方向にみて管状部分４に可能な限り接近するように配置される。ただし、これは構成上の制約のためではなく、とくには、例えば締結ねじを締めるのに用いられる道具の貫通孔１８へのアクセスを容易にするためである。
【００１８】
フランジ継手の１つのフランジ２ａ（図１中では上側のフランジ）だけは、そのフランジカラー６ａのフランジ表面１６ａに、貫通孔１８ａを囲う凹部２０を有している。ここで、２つのフランジ２が、貫通孔１８を貫通して伸びるフランジ締結ねじ（図示せず）によって互いに締結されたときには、フランジ面１６を介しての力の流れ又は力の伝達の領域は、貫通孔１８からその半径方向外向きに、フランジ面１６の半径方向外側の領域２４と半径方向内側の領域２２とに置き換えられる（displace）。半径方向外側の領域２４における負荷の伝達は、とくに構造的機構（structural mechanics）に関して好ましい。なぜなら、これは、上側の円錐形の管状部材８ａから、上側のフランジ２ａの円錐形の管状部分を介して、下側のフランジ２ｂの円錐形の管状部分４ｂへの、そして最終的には下側の円錐形の管状部材８ｂへの、直線的な偏向のない力の流れ（straight-line, deflection-free flow of force）をもたらすからである。換言すれば、これは、構造的機構のために好ましくはないであろう偏向を含まない力の流れが存在するということを意味する。力の流れをさらに高めるために、フランジ表面１６の外側周縁部２４は、管状部分４及び／又は管状部材８の壁の厚さよりも広くするのが好ましい。これにより、力の流れがこの領域に限定（restrict）されなくなる。
【００１９】
フランジ２を介しての力の流れをなお一層高めるために、管状部分４の実質的には軸方向への延長部からフランジカラー６の半径方向の延長部への遷移部（transition）は鋭く（sharp）はないが、円形部２６（radius）として形成されている。これは、有害な最大応力（stress maxima）とノッチ効果（notch effect）とを防止する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】それぞれ円錐形の管状部材に取り付けられた２つのフランジを備えた、本発明にかかるフランジ継手の断面図である。
【符号の説明】
【００２１】
２  フランジ、  ４  管状部分、  ６  フランジカラー、  ８  管状部材、  １０  継ぎ目、  １２  継ぎ目、  １４  回転軸、  １５  外壁、  １６  平坦なフランジ表面、  １８  貫通孔、  ２０  凹部、  ２２  内側領域、  ２４  外側領域、  ２６  半径。
【国際公開パンフレット】
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2004525293.tif 000004
2004525293.tif 000005
2004525293.tif 000006
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2004525293.tif 000008
2004525293.tif 000009
2004525293.tif 000010
2004525293.tif 000011
2004525293.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成15年7月8日(2003.7.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管状部材、とくに風力タービン塔を構成する塔部材のフロント側の一端に取り付けるための管状部分と、上記管状部分の一端において半径方向に隣接するフランジカラーと、上記管状部分から軸方向に離間して対向するフランジ表面とを備えた環状のフランジ継手であって、
管状部分（４）の外壁（１５）が、円錐形であり、とくに均等円錐形の部材に取り付けるためのものであることを特徴とするフランジ継手。
【請求項２】
フランジカラー（６）が、管状部分（４）の内側の側部で、管状部分に半径方向に隣接していることを特徴とする、請求項１に記載のフランジ継手。
【請求項３】
フランジ表面（１６）が平坦であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のフランジ継手。
【請求項４】
フランジカラー（６）が、フランジ締結ねじ用の少なくとも１つの軸方向に伸びる貫通孔（１８）を有していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載のフランジ継手。
【請求項５】
フランジカラー（６）が、貫通孔（１８）のまわりのフランジ表面（１６）に凹部（２０）を有していることを特徴とする、請求項４に記載のフランジ継手。
【請求項６】
管状部分（４）の外壁（１５）に隣接するフランジ表面縁部と凹部（２０）との間の最小の間隔（２４）が、管状部分（４）の壁厚さよりも大きいことを特徴とする、請求項５に記載のフランジ継手。
【請求項７】
管状部分（４）及び放射状のフランジカラー（６）が、継ぎ目のない一体部材として製作されたもの、とくに１つの部材が変形させられたものであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載のフランジ継手。
【請求項８】
管状部材（８）の端部に取り付けるためのフランジ（２）が溶接可能であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１つに記載のフランジ継手。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つに記載のフランジ継手を備えた風力タービン塔を構成する塔部材（８）。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか１つに記載の２つのフランジ（２a、２b）を備えたフランジ継手であって、
一方が他方の上に載っているフランジ表面（１６）でもって互いに接続されているフランジ（２）の管状部分（４）の外壁（１５）が、互いに円錐状に隣接していることを特徴とするフランジ継手。
【請求項１１】
請求項１０に記載のフランジ継手を備えた少なくとも２つの塔部材を備えている風力タービン塔。
【国際調査報告】
2004525293.tif 000013
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2004525293.tif 000015
2004525293.tif 000016
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