KR100593248B1 - 관 모양의 부품을 위한 연결 플랜지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 관 부품의 일단에 연결하기 위한 환상의 플랜지 접속에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 사용에 따른 스트레스로부터 발생하는 손상에 덜 약한 환상 플랜지를 제공하는데 있다.

본 발명은 방사상으로 접속하는 플랜지 이음 고리를 구비하고, 관 부위로부터 축방향으로 떨어져 면하는 플랜지 표면을 구비하여, 관 부품의 일단, 특히 풍력 발전 탑을 조립하기 위한 탑 조각에 관 부위의 일단을 접속하기 위한 관 부위를 구비한 환상의 플랜지 접속부에 있어서, 특히 동일하게 원추형 부품(8)에 접속을 위하여 상기 관 부위(4)의 외측 벽(15)은 원추형인 것을 특징으로 하는 환상 플랜지 접속 기술을 제공한다.

풍력발전, 플랜지, 풍력 터빈, 탑, 스트레스.

Description

관 모양의 부품을 위한 연결 플랜지{CONNECTING FLANGE FOR TUBULAR COMPONENTS}

본 발명은 특허청구범위 제1항의 전반부에 따라 관 모양(tubular)의 부품의 일단에 접속하기 위한 환상(annular)의 플랜지(flange) 접속에 관한 것이다.

관 모양의 부품을 위한 환상의 플랜지 접속 기술은 예를 들어 어니스트 앤드 존 스탈바우 69(2000) 제9편 제682쪽 내지 제687쪽에 개시된 디이터 르만 (Dieter Lehmann)의 "DIN 4133을 위한 다양한 접촉면/링 플랜지 형태를 구비한 L자형 관의 계산"에 알려져 있으며, 상기 환상의 플랜지 접속 방법이 통용되고 있다.

파이프 라인 건설 시공 분야에 있어서, 관 모양의 부품을 방사상으로 접속시키는 플랜지 이음 고리(flange collar)가 알려져 있는데, 상기 플랜지 이음 고리는 보통 파이프 섹션의 단부에서 외측으로 방사 방향으로 향하게 된다.

이와 같은 플랜지 이음 고리는 보통 실제 파이프 부품으로부터 축 방향으로 떨어져서 면하는 평면의 플랜지 면을 가지고 있으며, 원주 둘레를 따라 관통 구멍을 구비하고 있다.

이와 같은 수단을 이용하여, 관 모양의 부품들은 서로 정렬되고, 예를 들어서 파이프 라인의 조각으로서 파이프 라인을 형성하기 위한 적절한 밀봉으로 서로 볼트 연결된다.

상기 방사상의 플랜지 이음 고리는 실제 관 모양의 부품의 몸체로부터 수평 방향으로 투영되기 때문에, 일반적으로 관 모양의 부품의 주요부로서(최소한 부품이 주물로 만들어질 수 없는 경우) 플랜지 이음 고리를 제조하는 것이 바람직하지 않다.

즉, 금속 플레이트 또는 강철 시트(sheet steel)를 서로 용접하여 관 모양의 부품을 만드는 것은 반완성품을 만드는데 용이하지 아니하여서 플랜지 이음 고리는 적절하게 굽혀서 형성되어질 수 있다.

이와 같은 이유에서, 일단은 플랜지 이음 고리 없이 관 모양의 부품을 제작하고, 그리고 나면 금속 파이프의 경우에는 용접을 통해서 또는 플라스틱 파이프의 경우에는 본딩 또는 적층(laminate) 방식으로 적절히 이음매를 완성하는 기술을 이용해서 실제 부품에 플랜지 이음 고리를 접속하는 것이 일반적으로 통용되고 있다.

관 모양의 플랜지에 잠재적으로 높은 스트레스가 가해질 영역에 힘이 전달되는 것을 개선하기 위해서는, 원통형의 관 모양의 부품의 일단에 접속을 위해 원통형의 관 모양 부위를 지니고, 상기 부위의 일단은 예를 들어 원통형 관 모양의 부품에 용접되며, 다른 일단은 상기 원통형의 관 모양 부위로부터 축방향으로 떨어져서 투영된 플랜지 표면으로 플랜지 이음 고리를 방사상으로 접하도록 할 수 있다.

예를 들어, 풍력 발전 터빈 탑을 시공할 때에 그 높이를 높게 하기 위하여 조립 위치에 관 모양의 탑 조각의 상부에 다른 탑 조각을 쌓아 올리게 된다. 통계적 이유에서, 당업계에서는 지면에 근접한 부위로부터 곤돌라에 이르기까지 위로 원추형으로 점점 가늘게 만드는 것이 통용되고 있다. 현재까지. 크랙 또는 피로의 징조는 탑의 조각을 연결하는데 사용되는 플랜지 접속부에서 발생되어 왔다.

본 발명의 목적은 스트레스로 인해 손상이 덜 되는 관 모양의 플랜지를 제공하는데 있다.

상기 목적은 특허청구범위 제1항에 기술된 플랜지 접속 기술에 따라 달성된다. 본 발명에 따른 양호한 실시예가 부속 특허청구범위에 기술되어 있다.

본 발명의 응용 실시예로서 풍력 발전 탑에 관련하여 탑 조각 사이에 플랜지 접속부를 통해 힘의 전달을 최적화 하는 기술을 이용하는 것이 시공상 유리하다. 종래 기술에 따라 원추형 관 모양의 탑 부품에 통축 방향을 따라 정렬된 직선의 통형 접속부에 불량한 관 모양의 플랜지 요소를 접속하는 것은 방향의 다양한 변화를 보이는 플랜지 접속부에 힘의 전달을 야기시켜 더욱이 미관상 좋지 않을 수도 있다.

본 발명에서는, 관 모양의 플랜지(tubular flange)가 관 모양의 부품의 한쪽 끝에 플랜지를 접속을 위해 관 모양의 부위를 지니고 있다.

플랜지 이음 고리(flange collar)는 방사상으로 상기 관 부위의, 바람직하게는 안쪽으로 일단에 접하고, 플랜지는 상기 부위로부터 축방향으로 떨어져 면하는 평면 플랜지 면을 구비한다.

관 부위의 외측 벽은 원추형이고, 따라서 인접 외측 윤곽선을 만들기 위한 원추형 관 부품에 접속될 수 있다. 이것은 원추형 관 부품으로부터 플랜지 이음 고리 속으로 힘을 전달하는 것을 증진시키며, 이는 부품에 과도하게 스트레스가 집중되거나, 스트레스가 집중되도록 힘의 편향되는 것을 방지하기 때문이다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예로서, 플랜지는 방사상으로 안쪽으로 관 부위를 접속하기 때문에, 예를 들어 본 발명에 따른 플랜지를 풍력 발전 터빈의 탑 조각을 연결하는데 사용하면, 원주 둘레 상에 축방향으로 배열된 관통 구멍을 통해 접속력과 잠김 작용을 일으켜서 플랜지 접속 나사와 같은 접속 부품뿐 아니라 플랜지 이음 고리를 탑의 내부에 위치하게 해서 바람과 같은 외력에 견디도록 할 수 있다.

본 발명에 따른 관 부위(tubular portion)와 플랜지 접속부의 방사상 플랜지 이음 고리는 바람직한 실시예로서 이음매가 없이 일체형으로 만들어질 수 있다.

본 발명에 따른 플랜지 접속부는 금속으로 반가공된 제품으로부터 하나의 단편으로 돌려지거나, 또는 섬유 복합 재료로부터 만들어지는 하나의 제품, 예를 들어 프리프레그 수지(prepreg)로서 감아질 수 있다. 일체형으로서 주물을 하는 것도 가능하다.

본 발명에 따른 두 개의 관 부품을 플랜지와 인접한 외측 외곽선에 접속하기 위하여, 본 발명에 따른 두 개의 플랜지의 관 부위의(원추형) 외측 벽이 두 개의 플랜지가 서로 놓여있는 플랜지 면에 접속될 때에 서로 인접하도록 - 예를 들어서, 플랜지 이음 고리에 축방향의 관통 구멍을 통해 서로 볼트 연결함으로써 서로 쌍으로 정렬되도록 상기 두 개의 플랜지를 매치시킬 수 있다.

이와 같은 평면의 플랜지 표면과, 관통 구멍(through bore)을 통한 연결 나사를 통해 힘의 유속을 최적화함으로써, 상기 관통 구멍은 플랜지 표면 내의 움푹 들어간 곳(recess)에 의해 둘러싸여 진다. 길이 확장 덕으로 길이가 길어지기 때문에, 이것은 관통 구멍에 접속 나사에 인가되는 부하에 좋은 영향을 미치게 되고, 플랜지 표면의 접촉 영역을 플랜지 표면의 방사상 외측 및 내측 엣지 속으로 관통 구멍 주위에 상보형 플랜지 표면으로 이동시키는 효과가 있다.

도1은 본 발명에 따라 원추형 관 부품에 각각 접속된 두 개의 플랜지를 구성하는 플랜지 접속부의 단면을 나타낸 도면이다.

이하에서는, 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도1에 도시한 플랜지 접속부는 두 개의 플랜지(2; 여기서 구별이 필요한 경우 상부 부품, 즉 도면에서 두 개의 플랜지(2) 중 위의 것을 'a'로 표기하고 밑의 것을 'b'로 표기할 수 있다)에 의해 형성된다.

상기 두 개의 플랜지(2)는 관 부위(4; tubular portion)와 플랜지 이음 고리(16; flange collar)를 구비하고 있으며, 관 부위(4)의 일단을 방사상으로 내측으로 접속한다.

관 부품(tubular component; 8)은 각 관 부위(4)의 다른 쪽 끝을 접속하고, 방사상으로 내측 및 외측 용접 이음새(10, 12)에 의해 방사상의 플랜지 접속부(2)에 용접된다. 플랜지(2)는 용접 철(welding steel)로 만들어진다.

도1에 나타낸 구성을 회전축(14) 주위로 링 또는 파이프로 전체 구성되어 전체 배열의 반경을 의미하는 공간은 실측 스케일로 나타내지 않고 있다. 관 부품(8)뿐 아니라 플랜지(2)의 관 부위(4)의 외측 벽(15)은 형상에 있어서 원추형 이고, 외측벽(15)은 인접하여 본 예에서 직선을 형성한다.

두 개의 플랜지(2)는 각각 관 부위(4)로부터 축방향으로 떨어져 면하고 있는 평면 플랜지 면(16)을 구비하고, 상기 평면 플랜지 면은 같은 크기를 지니고, 즉 동일한 내측 및 외측 반경을 가져 서로 일치하여 놓여진다.

이와 같이 서로 면함으로써, 플랜지(2)들은 원주 둘레를 따라 등간격으로 관통 구멍(18)을 구비하고, 상기 관통 구멍(18)은 각각의 플랜지 이음 고리(6)를 통해 축방향으로 확장되어 서로 정렬된다.

플랜지(2)의 접속을 위한 힘을 생성하고 잠김력을 제공하기 위해서, 상기 구멍(18) 속에 알려진 나사 부속품들이 삽입될 수 있다. 상기 플랜지 접속부(2)를 통하여 힘의 유속을 최적화하기 위하여, 관통 구멍(18)은, 비록 접속 나사를 조이기 위해 사용되는 연장을 위한 관통 구멍(18)의 접근을 위해 제한적이기는 하지만, 상기 관 부위(4)에 가능한 근접하도록 방사상으로 위치시킬 수 있다.

플랜지 접속부(도면에서 상부 플랜지)의 플랜지 중 하나(2a)의 플랜지 이음 고리(6a)는 플랜지 표면(16a) 내부에 움푹 들어간 부위(recess; 20)를 구비하며, 이는 관통 구멍(18a)을 에워싼다. 두 개의 플랜지(2)가 플랜지 접속 나사(도시하지 않음)에 의해 서로 버티어져서, 동력 전달 면적 또는 플랜지 표면(16)을 통한 힘의 유속이 내측면(22) 속으로 관통 구멍(18)을 통해 외측으로 방사상으로 변위되고, 플랜지 표면(16)의 외측면(24)으로 방사상으로 변위된다.

특히, 방사상 외측 면적(24) 내의 부하 전달은 구조 역학의 관점에서 유리한데, 이는 상부 원추형 관 부품(8a)으로부터 상부 플랜지(2a)의 원추형 관 부위를 통해 하부 플랜지(2b)의 원추형 관 부위(4b) 속으로 직선적으로 편이가 없는 힘의 유속을 발생시키고, 궁극적으로는 하부 원추형 관 부품(8b) 속으로 힘의 흐름을 발생시킨다.

다시 설명하면, 이것은 구조 역학상 바람직하지 않은 편이(deflection) 없이 힘의 흐름이 존재함을 의미한다. 힘의 흐름을 강화하기 위해서, 플랜지 표면(16)의 외측 주변 면적(24)은 관 부위(4)의 벽 두께 및/또는 부품(8)의 두께보다 두껍게 할 수 있으며, 이로써 힘의 흐름이 이 영역에만 국한되는 것을 방지할 수 있다.

플랜지(2)를 통한 힘의 흐름을 더욱 더 배가하기 위해서, 관 부위(4)의 축방향 확장으로부터 플랜지 이음 고리(6)의 방사 방향 확장으로의 전이는 급격하지 않으며, 대신에 반경(26)으로 구성된다. 이것은 치명적인 스트레스 증가 및 새김눈 (notch) 효과를 방지한다.

본 발명은 방사상으로 접속하는 플랜지 이음 고리를 구비하고, 관 부위로부터 축방향으로 떨어져 면하는 플랜지 표면을 구비하여, 관 부품의 일단, 특히 풍력 발전 탑을 조립하기 위한 탑 조각에 관 부위의 일단을 접속하기 위한 관 부위를 구비한 환상의 플랜지 접속부에 있어서, 특히 동일하게 원추형 부품(8)에 접속을 위하여 상기 관 부위(4)의 외측 벽(15)은 원추형인 것을 특징으로 하는 환상 플랜지 접속을 제공한다.

Claims (11)

1. 풍력 터빈 탑(wind turbine tower)을 조립 제작하기 위한 조립용 탑 조각을 구성하는 관 부품(tubular component)의 전면 일단에 접속을 위한 관 부위를 구비한 환상의 플랜지(annular flange)에 있어서, 상기 관 부위의 일 측 끝단을 다른 쪽에 방사(radially) 방향으로 접속하기 플랜지 이음 고리(flange collar)를 구비하고, 상기 관 부위로부터 축 방향으로 떨어져 면하는 플랜지 표면을 구비하여, 동일 형태의 원추형 부품(8)에 접속을 위하여 상기 관 부위(4)의 외측 벽(15)도 원추형(conical)인 것을 특징으로 하는 환상(annular)의 플랜지.
2. 제1항에 있어서, 상기 플랜지 이음 고리(6)는 내측 측면 상에 방사상으로 상기 관 부위(4)를 접속함을 특징으로 하는 플랜지.
3. 제1항에 있어서, 상기 플랜지의 표면(16)은 평면인 것을 특징으로 하는 플랜지.
4. 제1항에 있어서, 상기 플랜지 이음 고리(6)는 적어도 하나의 축 방향 관통 구멍(18)을 플랜지 연결 나사를 위해 구비하는 것을 특징으로 하는 플랜지.
5. 제4항에 있어서, 상기 플랜지 이음 고리(6)는 관통 구멍(18) 주위의 플랜지 표면(16) 내에 움푹 들어간 부위(recess; 20)를 지님을 특징으로 하는 플랜지.
6. 제5항에 있어서, 상기 움푹 들어간 부위(20)와 관 부위(4)의 벽(15)이 연결되는 플랜지 표면의 엣지 사이의 최소 간격(24)은 관 부위(4)의 벽 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 플랜지.
7. 제1항에 있어서, 상기 관 부위(4)와 상기 방사상의 플랜지 이음 고리(6)는 이음매 없이 한 개로 일체형으로 제작됨을 특징으로 하는 플랜지.
8. 제1항에 있어서, 상기 관 부품(8)의 일단에 연결을 위한 플랜지(2)는 용접 가능함을 특징으로 하는 플랜지.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 플랜지(2)를 구비한 풍력 발전 터빈 탑을 조립하기 위한 탑 조각(8).
10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 플랜지를 두 개(2a, 2b)를 사용해서, 서로 상대 플랜지의 플랜지 표면(16)을 맞대어 접하도록 하고, 플랜지(2)의 관 부위(4)의 외측 벽(15)은 서로 원추형으로 인접하도록 시공하는 플랜지 접속 방법.
11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 플랜지를 두 개(2a, 2b)를 사용해서, 서로 상대 플랜지의 플랜지 표면(16)을 맞대어 접하도록 하고, 플랜지(2)의 관 부위(4)의 외측 벽(15)은 서로 원추형으로 인접하도록 시공된 풍력 발전 터빈 탑.

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