SU1564428A1 - Узел соединени фланцев валов гидромашин - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к энергомашиностроению и может быть использовано в гидротурбостроении дл  соединени  фланцев валов турбины и генератора, валов турбины и рабочего колеса и др. Цель изобретени  - повышение надежности соединени  фланцев валов гидромашин за счет обеспечени  равномерности распределени  поперечных усилий между болтами при воспри тии ими крут щего момента. Узел соединени  фланцев валов гидромашин во фланцевом соединении содержит фланцы с отверсти ми и припасованные болты, установленные в них с малыми зазорами Δ₁ и Δ₂. В зоне, примыкающей к плоскости разъема фланцев, выполнена концентрично болту полость, ограниченна  по кра м сопр женными припасованными част ми болта и фланцев и образующа  гарантированный зазор между ними. Размеры полости определ ютс  из соотношений Δ_MAX≤ΔR≤5^.10^-3D и 0,1 D≤L_O≤D, где Δ_MAX - максимальный радиальный зазор между болтом и фланцем в зоне сопр женных припасованных участков

D - диаметр припасованной части болта

ΔR - радиальна  ширина полости в плоскости разъема фланцев

L_о - часть высоты полости, отсчитанна  от плоскости разъема до сопр женных припасованных участков болта и фланца. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

с  в диапазоне от нул  до максимального значени . На фиг.1 условно показаны два болта, в одном из которых в припасованной части (болт 4) зазор практически отсутствует, а в другом он максимальный и расположен навстре-i чу поперечной силе Рер в обоих фланцах . Такое расположение зазоров  вл етс  наихудшим с точки зрени  несущей способности соединени . Соединение должно быть надежным и в этом случае.

Дл  обеспечени  более равномерного распределени  поперечных сил между болтами величины зазоров /41метк Лг/ишкс Должны быть взаимосв заны с шириной полости в плоскости разъема Дг (фиг.2) и ее прот женность 10 таким образом, чтобы при смещении флан- цев на величину суммарного зазора 4 1л,«кс+ 47м«кси включении в работу на воспри ти  поперечных усилий болтами , установленными с максимальными зазорами, дополнительные изгибные напр жени  в защемленных с самого начала болтах 4 не превосходили определенной наперед заданной величины.

Размеры полости, в пределе которой должна происходить упруга  деформаци  болтов, установленных с минимальными зазорами, должны определ тьс  из следующих условий:

-дополнительные изгнбные напр жени  в той части болтов (с минимальными зазорами), котора  расположена в полости, должна быть ограничена исход  из услови  прочности болтов;

-упруга  изгибна  деформаци  этих

же болтов в зоне полости должна быть

достаточной дл  того, чтобы обеспечивать выбор зазоров всеми болтами и фланцами и включени  в работу дл  наиболее равномерного воспри ти  поперечной , нагрузки. Эти два услови  мож- ,г но взаимоув зать, получив выражение дл  дополнительных изгибных напр жений в болтах через размеры полости, в области которой происходит деформаци  болтов.

Эти напр жени  будут равны

Pffd. + 1„/2)

50

40

W,

Pg - поперечна  сила, передающа  с  на часть болта, заключенную в полости, при смещении фланцев;

0

5

п 5

10 - длина полости в пределе одного фланца;

1П - длина припасованной части болта в пределах одного г фланца; W5 - момент сопротивлени  сечени 

болта.

Поперечную силу Р можно выразить через прогиб сечени  болта, совпадающего с плоскостью разъема, предполага , что болт,установленный с минимальным зазором, имеет опору в средней части припасованного по ска.

Суммарный прогиб YMWHC этого сечени  можно условно разделить из прогиба Y1 в результате поворота сечени , совпадающего с опорой, прогиба Y консоли длиной (10 + 1п/2) за счет изгиба и сдвига и прогиба опоры Y3 за счет зазора и ее контактной деформации . Эти составл ющие прогиба определ ютс  следующим образом:

еап/2+10)ап/2+10)

- p6iidn/2+i c)

4EI,

(2)

г MW2+. i+ 18EI6 43EI,-I 5GF,d

РБ(1о + 1п/2)

ЗЕТБ

Рб(1о + 1|п/2)3 3EIE

р&ао+1п/2)

3EIr

Y3

(4)

Если пренебречь контактной подат- .ливостью участка фланец-болт Ак О по сравнению с изгибной податливостью болта, получим

Pello+ln/2)1

: I 4

)г Г 1

V -V j-v :-g-xr........г/ .iJ

1мокс- 1-|-Х2- Е1р { 4

55

™- Xitt&%

(5)

где Ig и Е - момент инерции сечени  бол га и модуль упругости материала болта;

5 1564428«

lf - длина участка болта, от-пасованного участка этосчитаниа  от плоскости.го фланца),

опоры гайки (головки болта до середины при- Откуда

(

Р , EIgYMaKC (

(1о+1п/2) + ls+la/2 (j-lf-)1

Напр жение изгиба получим, использу  (1) и (6), в виде

i

/ - Рб(10-и п/2) l.+ln/У EIgYM«KC ,

/ЧSS Ч «Р . Hi «.. HI HillH И I I I Hill

u3f

W, W (lonn/2)1 + ,585()7j EIsYMO|Kc.

lb ««TTiM

.Е 6Умдкс...

2(1.1. | . , О.ВвЗ,,-)

E акс of p J-MCIHC -у

а, 2(1Л/2,( + ,585(1-, d .

где К - третий сомножитель форму-вала гидротурбины с наружным диаметлы (7).ром D6 1500 мм. В формулу (7) вхо-%

Выполним расчетное исследованиед т относительные величины, которые

по определению дополнительных изгиб- 35У нормализованных типоразмеров мало

ных напр жений, добавл ющихс  к нэп-мен ютс . Поэтому выполн емые ниже

р жени м в болтах при регламентиро-расчеты можно обобщить на все типованной деформации болтов и в пределахразмеры фланцевых соединений валов,ч

полости.при этом получаем dБ 15,0 см; 1.

Дл  этого выбираем за исходный ва- 40 27,0 8.

риант фланцевое соединение стандарт- Расчеты выполнены следующим обраного наиболее часто используемогозом:

(О 12345678

1о

(2)10157,5 5,0 3,7 3,0 2,5 2,1 1,9

(3)10% j2-1911,5 9,0 7,7 7,0 6,5 6,1 5,9

(4)1 , 20,8 1,3 1,7 2,0 2,2 2,3 2,5 2,6

ОП

(5)(4)0,64 1,69 2,89 4,0 4,84 5,29 6,25 6,76

(6) lt815,5 18,0 19,3 20,0 20,5 20,9 21,1

dg

И„

(7) 0,585(.- ygy0)1 0,38 1,01 1,72 2,38 2,88 3,14 3,72 4,01

n (8)1+(7) (9)4

1,38 2,01 2,72 3,38 3,88 4,14 4,72 5,01 6,33 3,83 3,0 2,6 2,33 2,17 2,03 1,9

(Ю) (8) (9)

(П) V (.12) (П) + 10 (13))(12) (14) К

8,86 7,70 8,15 8,80 9,05 8,95 9,60 9,5

6М9Г, МПа

Этот расчет выполнен при

10

-Ъ

и Е 2,1 -Ю5 МПа.

Из последней строки видно, что при изменении отношени  диаметра болта к

ds

1

F

от 1 до 8 дополнительные 25

изгибные напр жени , вызванные регламентированным изгибом болтов в пределах полости, при котором реализуетс  условие Y „ з г мен етс  от 110 до™

WWKC- w

270 МПа соответственно. .

Эквивалентные напр жени  в болтах можно определить исход  из следующих соображений. Исследовани  позволили

При допустимом запасе прочности, регламентированном дл  рассматриваеустановить следующие значени  компа- узлов по отношению к нент напр жений, рекомендуемых как s допускаемые: напр жени  зат га в крупном крепеже болтов - 150-160 МПа, напр жение груза в болтах 60-70 МПа,

пределу текучести, эти напр жени   в л ютс  допустимыми.

Таким образом, дл  примен емых в насто щее врем  материалов болтов с

Таким образом, дл  примен емых в насто щее врем  материалов болтов с

дополнительные напр жени  от осевого првделом текучести Ц 7,500 пре- усили  10-20 МПа.деле прочности 6в 700 МПа следует

установить следующие нижние пределы Принима  максимальные значени  этих напр жений, получим эквивалентразмеров полости

ные (приведенные) напр жени  в бол-

тах при т- , измен ющемс  от 1 до 8

-о макс , з

и при -т 10, принима , что

fl,

максимальный зазор в болтах выбираетс  и все болты воспринимают поперечную нагрузку:

1; 6Пр /П

С-У1Л

+ k

1(160+110+20 )1+4-70 360 МПа;

475 МПа.

Если ориентироватьс  на более точное значений относительного зазора, которое в данном случае равно

- 15

0,67-10 3, получше

dfi

при -т- 1 , Lo

6„р /(I 60+67+20)2 +4 70 280 МПа.

При допустимом запасе прочности, регламентированном дл  рассматривае узлов по отношению к

узлов по отношению к

пределу текучести, эти напр жени   вл ютс  допустимыми.

Таким образом, дл  примен емых в насто щее врем  материалов болтов с

првделом текучести Ц 7,500 пре- деле прочности 6в 700 МПа следует

установить следую

размеров полости

, Дг

и

.

10

или

ЛГ

d,

Вопросу создани  оптимальной конструкции фланцевого соединени  путем получени  более компактного узла соответствует использование материала болтов с возможно более высокими механическими свойствами.

Принима , что будут разработаны материалы с пределом текучести пор дка 1000-1200 МПа и с хорошими пластическими свойствами, что  вл етс 

-возможной перспективой, можно прин ть верхние пределы безразмерных параметров полости равными

5; -- 10 или 10 эл г ds

ds Lo

0,1df «le.

Дальнейшее повьшение этих пределов приводит к прин тию весьма малой величины прот женности полости, при котором из-за чрезмерной жесткости консоли уменьшитс  допустима  гибкость болта в пределах полости и увеличитс  неравномерность работы болтов , что будет способствовать снижению надежности.

Таким образом, можно установить следующие параметры полости как оптимальные :

Ю3

иг

& 5

10

ds

или

О, Id, Ј

Ј I

,10эдг

5dc

Узел работает следующим образом.

При приложении к соединению крут щего момента, передающегос  на фланцы в виде сил Рср, происходит смещение фланцев 1 и 2. Гайки и головки болтов 3-4, прин тые нат гом болтов к фланцам 1 и 2, перемещаютс  совместно с ними. Болт 3 с большими зазорами й 1 и л -г м«кс воспринимает поперечную силу и изгибаетс  на всей длине, как стержень с двум  защемленными кольцами, совпадающими с опорными поверхност ми гайки и головки болта .

Параллельно происходит изгиб болта 4 с минимальными зазорами, которые дл  простоты распределений примем равными нулю. Изгиб болта 4 можно представить при этом как изгиб стерж- н  с четырьм  опорами: две крайние защемлены по опорным плоскост м гайки и головки болта, а две другие расположены по середине припасованных участков с длинами 1„ (фиг.2). При этом жесткость болта 4 на изгиб больше , чем болта 3, поскольку при прочих равных параметрах он имеет 4 опоры, тогда

как болт 3 имеет лишь две опоры по кра м до выбора зазоров ДТж,акс и Д уцаисЕстественно, что чем меньше эти зазоры по сравнению с прогибом болта 4 в пределах размеров полости, тем будет больша  равномерность работы болтов обеспечени .

Рассмотрим реализацию в динамике предельных значений установленных со- . отношений:

5

0

5

0

5

0

0

5

1.

1.

иг й

макс

1 макс

й,ме

о,ые.

При этом жесткость болта 4 на Ъз- гиб будет наибольшей, поскольку в этом случае 10 - наименьший на всем назначенном диапазоне. При выборе зазора & т в пределах полости напр жени  изгиба в сечени х болта будут наибольшими .

В этом случае будет иметь место наиболее жесткое соединение из всех возможных в установленном диапазоне размеров полости. Соединение допускает минимальное смещение фланцев и обладает наименьшей равномерностью из- за малой длины 1С полости, в пределе которой происходит прогиб болта на величину иг.

Однако, в отличие от прототипа, в котором болты с максимальными зазорами вовсе не воспринимают, все болты предлагаемого решени  воспринимают поперечную нагрузку. Данные соотношени  следует примен ть, если к соединению предъ вл ютс  определенные ограничени  по максимальному допустимому смещению фланцев по направлению поперечной нагрузки. Например, в соединении фланцев валов насос-турбин, в которых поперечной нагрузки направлени  мен ютс .

Болты в данном случае должны быть выбраны из наиболее высокопрочнпх марок сталей.

2. л г и

1о

В этом случае изгибные напр жени  в болтах невелики, поскольку при одном и том же прогибе болта, равном 4г, по сравнению с предыдущим случаем длина 10 здесь в 10 раз больше, чем | в случае 1. В отношении равномерности распределени  поперечных усилий этот случай  вл етс  более предпочтитель11 1564428

ным, чем в случае 1 . Однако ограничен- ность радиального зазора полости не позвол ет здесь получить высокую равномерность распределени  поперечных усилий болтами.

3. лг 5

103 d«

и

АО - 0,Н5.

В этом случае изгибные напр жени  могут быть более, чем в 5 раз больше , чем при 810 dЈ, т.е. они могут быть больше 1350 МПа, если предположить , что весь зазор л г по плоскости разъема выбираетс .

Теоретически можно представить себе такое состо ние и весьма высокопрочные марки стали дл  этих болтов. Однако при этом из-за высокой жестко «сти на изгиб болта 4 не будет достигнута достаточно хороша  равномерность воспри ти  поперечных усилий болтами 3 и 4. Примен ть этот случай целесообразно в том же случае, что и 1 при

наличии весьма высокопрочных материа- 25 л ютс  из следующих соотношений: лов дл  болтов.

Ј Л г ; 5 -1 d

4. дг 5 -10

-э

dBH 1„

Изгибные напр жени  в данном случае будут в 5 раз больше, чем при 10 d.T.e. они будут равны 550 МПа.

Причем, если максимальный зазор в припасованных участках болтов не превосходит и макс Ю э dB, то при дг зазоры во-всех болтах по припасованным участкам будут выбраны еще при Дг d f и все последующее смещение фланцев приведет к уравниванию поперечных усилий. В этом случае будет обеспечена высока  рав- номерность воспри ти  болтами поперечной нагрузки. При уменьшении & г и 1 в пределах за вленного диапазона , при котором дополнительные нзгибные напр жени  останутс  в допустимых д$ щ и и с   тем, что полость образовапределах , данный случай, как обеспечивающий наибольшую равномерность работы болтов, можно рассматривать как наиболее предпочтительный.

Экономическа  эффективность от ис- пользовани  предлагаемого узла может быть оценена из следующих соображений

При использовании фланцевого соединени , выполненного но прототипу, одновременно и эффективно работает 30-50% болтов фланцевого соединени .

При выполнении фланцевого соединени  по предлагаемому решению и выборе

12

оптимальных размеров полости равно- мер1юсть работы может быть доведена до 50-80% и выше. Тогда соответственно может быть увеличена несуща  способность соединени  при прин тии предлагаемого узла на 20-30% пд сравнению с прототипом.

Claims (3)

1. Узел соединени  фланцев валов гидромашин, преимущественно гидроагрегатов , содержащий фланцы с отверсти ми и припасованные болты, о т - л и ч а ю щ и и с   тем, что, с целью повышени  надежности соединени  путем выравнивани  поперечной нагруз- ки на болты, в зоне, примыкающей к

плоскости разъема фланцев, концент- ричио болтам выполнены полости, ограниченные по кра м сопр женными припасованными участками болтов и фланцев, а размеры указанных полостей опредетс  из следующих со

и мак.с

0,ЫК, 10« d

Ј Л г ; 5 -1 d

5

макс

Лг де & „„„,. максимальный зазор между болтом и фланцем в зоне сопр женных припасованных участков; радиальна  ширина полос-- ти в плоскости разъема фланцев; d б - диаметр припасованной

части болта; 10 - часть высоты полости,

отсчитанна  от плоскости разъема до сопр женных припасованных участков болта и фланца.

2. Узел по п.1, отличаюп

5

на выполненной в теле борта профильной кольцевой канавки, образующа  поверхность которой имеет криволинейный профиль и плавно сопр жена с образующими поверхност ми припасованных участков болта.

3. Узел по п.1, отличающийс  тем, что полость образована выполненными во фланцах профилированными кольцевыми проточками идентичной формы, нзаимообращенные кра  которых расположены в плоскости разъема фланцев.

Фиг1