Система разъемного соединения вращающегося тела с охватываемым им полым вращающимся валом машины

 

Использование: для точного соединения деталей и узлов газовых турбин и поворотных ремизоподъемных механизмов. Сущность изобретения: сопрягаемая поверхность вала 5 имеет цилиндрическую форму и серию продольных канавок очень малой глубины с острыми краями, которые эквидистантно распределены по окружности цилиндрической сопрягаемой поверхности так, что при этом образуется желобчатая головка с аксиальным коническим отверстием . Поверхность последнего взаимодействует с соответствующей конической пробкой, закрепленной на одном конце тягового стержня 23, обеспечивающего плотное сцепление цилиндрической сопрягаемой поверхности вала 5 с цилиндрической сопрягаемой поверхностью вращающегося тела за счет радиального давления. Количество продольных канавок, расположенных по окружности вала 5, находится в пределах 8 - 12. их глубина не превышает 0,1 мм, а длина насадочных поверхностей вращающегося тела и вала 5 равна длине сопряженных поверхностей конической расточки и пробки. 5 ил. сл С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з F 16 0 1/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

iF;- :

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ

22 (2l

4922 1

1 (21) 4614687/27 (22) 14,07.89 (46) 23.11.92. Бюл. М 43 (31) 21381 А/88 (32) 15.07.88 (33) Т (71) Нуовопиньоне Индустрие Мекканике э

Фондериа, С. и. А. (IT) (76) Константино Винчигерра и Массино

Коп ини(IT) (56) Орлов П.И. Основы конструирования,—

М.: Машиностроение, 1988, т. 1, с 238, рис.

213.13. (54) СИСТЕМА РАЗЪЕМНОГО СОЕДИНЕНИЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ТЕЛА С ОХВАТЫВАЕМЫМ ИМ ПОЛЫМ ВРАЩАЮЩИМСЯ

ВАЛОМ МАШИНЫ (57) Использование: для точного соединения деталей и узлов газовых турбин и поворотных ремизоподьемных механизмов.

Сущность изобретения: сопрягаемая повер„„Я „„1777635 A3 хность вала 5 имеет цилиндрическую форму и серию продольных канавок очень малой глубины с острыми краями, которые эквидистантно распределены по окружности цилиндрической сопрягаемой поверхности так, что при этом образуется желобчатая головка с аксиальным коническим отверстием, Поверхность последнего взаимодействует с соответствующей конической пробкой, закрепленной на одном конце тягового стержня 23, обеспечивающего плотное сцепление цилиндрической сопрягаемой поверхности вала 5 с цилиндрической сопрягаемой поверхностью вращающегося тела за счет радиального давления, Количество продольных канавок, расположенных по окружности вала 5, находится в пределах 8 — 12. их глубина не пре- Б вышает 0,1 мм, а длина насадочных поверхностей вращающегося тела и вала 5 равна длине сопряженных поверхностей конической расточки и пробки. 5 ил. 1I»

1777635

Изобретение касается системы соединения вращающегося тела с вращающимся валом, экономичной, работоспособной и простой в конструкции и проверке, которая надежно обеспечивает передачу больших вращающихся моментов, не требует при соединении двух тел какого-либо относительного аксиального смещения, обеспечивает точную . и оптимальную центровку двух соединяемых тел, благодаря чему исключается необходимость в осуществлении финальной балансировки двух связанных между собой тел, обеспечивается возмо>кность соединения двух раздельна сбалансированных вращающихся тел, легкое и быстрое многократное соединение и рассоединение двух вращающихся тел из легко доступной зоны.

Предлагаемая система в основном рассчитана на применение в конструкциях вращающихся машин, в частности, в конструкциях газовых турбин и поворотных ремизоподьемных механизмов, В современной техйике, когда вращающееся тело, например, импеллер или ди. сковый ротор газовой турбины, устанавливается на вращающемся валу, соединение этих элементов делается таким, чтобы элементы можно было разъединить, действуя из легко доступной зоны.

Соединительный узел должен строго концентричным в целях исключения дисбаланса и должен быть способным передавать большие вращающие моменты, Всем этим требованиям, если не считать очевидно непригодных систем соединения на шлицах, которые ослабляют вал и наносят дисбаланс, удовлетворяют конические системы соединения с натягом, например система, описанная в патенте США К 4516906, выданном 14 мая

1985 г (заявка подана автором настоящего изобретения 8 апреля 1982 г.) или в книге

Орлова П.И. "Основы конструирования" (М.: Машиностроение, 1988, т, !, с. 238, рис. 213.13), В таких известных системах вращающий момент передается от вращающегося вала к вращающему телу посредством радиального взаимодействия двух конических поверхностей соединяемых тел, что достигается аксиальным смещением конических поверхностей одна относительно другой. Более конкретно, конический конец вращающегося тела вставляется в соответствующее конические отверстие вращающегося тела, после чего сопрягаемые конические поверхности стягиваются натяжным стержнем, проходящим внутри вращающегося вала, настолько, чтобы это обеспечивало доста10

20 точное радиальное взаимодействие, а следовательно и трение между сопряженными коническими поверхностями, необходимое для передачи требуемого вращательного момента

Однако системы соединения такого типа обладают целым рядом серьезных недостатков, которые зачастую создают существенные проблемы, препятствующие широкому распространению таких систем в технике.

Без сомнений основной недостаток известных систем соединения состоит в том, что коническая полость вращающегося тела и конический конец вращающегося вала образуя фиксированный элемент, включающий опорные и упорные подшипники, всегда подвергаются относительно аксиальному смещени о. Такое относительное аксиальное смещение, которое в случае больших размеров конической системы соединения, например, в системах передачи мощности между валом и ротором в наземных газовых турбинах, может составлять несколько миллиметров, а это создает серьезную проблему, так как возникает опасноСть повреждения таких тонких деталей ротора, как лопатки, которые движутся в непосредственной близости от конической поверхности статора, либо повре>кдений уплотнений. Действительно, в некоторых случаях такая опасность делает нежелательным использование в газовых турбинах конических соединений с натягом, несмотря на неоспоримое преимущество таких соединений., - которое заключается в том, чта обслуживание турбин такой конструкции является весьма простым делом, так как разборку турбины

40 можно производить с нару>кнаи cTopoHbt °

Другой недостаток известных конических систем соединения обусловлен конической формой сопрягаемых поверхностей, что затрудняет обработку и проверку сопрягаемых поверхностей и не позволяет достигать оптимальной центровки вращающегося тела и вращающегося вала. Известно, что конические системы соединения характеризуются значительным дисбалансом вращающейся системы, а это делает такие системы соединения неприемлемыми без проведения балансировки, а это, в свою очередь, делает невозможной быструю смену роторов, балансировка которых производится отдельно от вала.

Следующий недостаток известных конических систем соединения заключается в том, что она не обеспечивают передачу очень больших вращающихся моментов.

1777635

Целью изобретения является исключение укаэанных недостатков путем создания эффективной и простой системы разъемного соединения вращающегося тела и полого вращающегося вала без необ- 5 ходимости какого-либо их относительного аксиального смещения, обладающей высокой надежностью, способной передавать большие вращающие моменты, и характеризующейся. оптимальной самоцентров- 30 кой вала и вращающегося тела, которое легко может быть заменено другим вращающимся телом, не требуя при этом осуществления новой балансировки. Цель изобретения достигается использованием в системе соединения не конических поверхностей, а цилиндрических поверхностей, которые, как известно, значительно проще в обработке и проверке, В этом аспекте, поскольку сопрягаемые цилиндрические поверхности можно обрабатывать и проверять с высокой точностью, обеспечивается возможность всегда поддерживать концентричность или центровку вращающегося тела 25 на оптимальном уровне, т. е. достигать пренебрежимо малого дисбаланса, а это, в свою очередь, позволяет производить быструю, простую и экономичную замену одного вращающегося тела другим вращающимся телом, балансировка которого осуществлялась независимо и отдельно от балансировки вала, и исключает необходимость осуществления балансировки вновь собранной вращающейся си- З5 стемы, что решает крайне важную проблему серийного производства и открывает новые горизонты для применения вращающихся машин, в частности, газо вых турбин.

Высоко надежная разъемная система соединения, в которой не требуется аксиального смещения указанных цилиндрических поверхностей в соответствии с настоящим изобретением оказывается возможной, благодаря тому, что на сопрягаемой цилиндрической поверхности вала, имеющей диаметр и аксиальную длину, соответствующие диаметру и аксиальной длине сопрягаемой поверхности отверстия вращающегося тела (с достаточным. допуском для свободной посадки), сделаны продольные канавки с очень малой глубиной, порядка нескольких десятков долей миллиметра, которые, как будет подробно описано ниже, которые действуют как облегчающие или снижающие давление пазы.

Укаэанные канавки простираются по всей аксиальной длине сопрягаемой цилиндрической поверхности, имеют острые края, которые образуются в результате механической обработки, и равномерно, эквидистантно располагаются по всей окружности цилиндрической поверхности так, что образуется цилиндрическая желобчатая головка вала, на которой длина канавок приблизительно равна длине разделяющих эти канавки продольных выступов. Экспериментально установлено, что оптимальные результаты получаются тогда, . когда на окружности сопрягаемой поверхности вала имеется 8-12. эквидистантных продольных канавок. При большем числе канавок эффективность системы соединения снижается, а при меньшем числе более широких канавок создаются слишком высокие напряжения в соединяемом вращающемся теле.

Поскольку указанные канавки на сопрягаемой поверхности вала выполняют только функцию облегчения, необходимую для предотвращения контакта и соответствующей передачи давления, при формировании этих канавок не требуется соблюдение жестких допусков и специальной обработки их поверхностей, что упрощает технологию их образования и соответственно снижает производственные затраты, причем ввиду очень малой глубины канавок они практически не уменьшают механическую прочность вращающегося вала.

В желобчатой головке вращающегося вала имеется коническое отверстие, аксиальная длина которого равна длине сопрягаемой части вала. Это коническое отверстие сопрягается с конической пробкой на конце тягового стержня, проходящего по всей длине полого вращающегося вала и натягиваемого с определенным усилием с противоположного пробке конца вала, находящегося в легко доступной зоне, с использованием соответствующего гидравлического домкрата с последующей фиксацией в напряженном состоянии с помощью стопорной гайки, Таким образом, под воздействием прикладываемого усилия между коническими поверхностями указанной пробки и указанного отверстия в сопрягаемом конце вращающегося вала возникает относительное аксиальное смещение так, что цилиндрическая головка вала с продольными канавками расширяется в радиальном направлении и вследствие этого плотно прижимается к цилиндрической поверхности стыковочного отверстия вращающегося вала. причем никакого относительного аксиального смещения между валом и вращающимся телом, как требуется, не происходит.

1777635

Однако упругое радиальное сжатие сопрягаемых поверхностей с учетом наличия продольных облегающих канавок на сои рягаемой цилиндрической поверхности вращающегося вала создается только в необлегченных зонах. Таким образом, в рассматриваемом соединении создается ситуация, в которой слой радиального сжатия включает в себя расположенные эквидистантно несжатые зоны. Радиальное давление со стороны продольных выступов головки вала вызывает соответствующую упругую деформацию цилиндрической поверхности стыковочного отверстия вращающегося тела, в результате чего на последней образуются продольные выпуклости, число и располо>кение которых соответствуют числу и расположению канавок на стыковочном конце вращающегося вала и которые внедряются в указанные канавки. В процессе передачи вращающего момента указанные продольные выпуклости на цилиндрической поверхности стыковочного отверстия вращающегося тела выполняют функцию множества микрошлицов, которые, как показали эксперименты обеспечивают передачу вращающего момента, в два-три раза превышающего вращающий момент, которые может передаваться в случае конической системы соединения с натягом такой длины и с таким же .средним диаметром.

Описанная конструкция системы соединения обеспечивает расширение области применения системы на те случаи, в которых .конические системы соединения в натягом непригодны ввиду их недостаточной надежности в отношении скручивания.

Вследствие того, что указанные продольные выпуклости на цилиндрической по.верхности стыковочного отверстия вращающегося тела и указанное радиальное расширение стыковочного конца вала с продольными канавками возникают в результате упругой деформации, то, когда прикладываемое к конической пробке со стороны тягового стержня усилие в целях демонтажа вращающегося тела снимается, указанная упругая деформация уменьшается до нуля, благодаря чему обеспечивается легкий демонтаж вращающегося тела без какога-либо заедания и вазможность расстыковки вращающегося тела и вращающегося вала неограниченное число раз.

Ниже со ссылками на прилагаемые пояснительные рисунки приведено подробное описание предпочтительных вариантов реализации принципов настоящего изобретения, которые являются не ограничивающими примерами, не исключающими многочисленные модификации, ахватываемых приведенной в конце описанной формулой изобретения, На фиг. 1 дан частичный разрез газовой турбины, в которой используется разъемная система соединения, сконструированная в соответствии с принципами настоящего изобретения; на фиг. 2 — в увеличенном мас- штабе общий вид разъемной системы соеди10 .кения, используемой в газовой турбине на фиг. 1 (система представлена в расстыковочном состоянии); на фиг,3 — продольный разрез разъемной системы соединения, изображенной на фиг. 2 (система представ15 лена в состыкованном состоянии); на фиг. 4 — в значительно увеличенном масштабе поперечный разрез разъемного соединения, сконструированного в соответствии с принципами изобретения (раэрез иллюстрирует

20 эффект радиального упругого расширения системы); на фиг. 5-частичный продольный разрез модифицированной конструкции разьемной системы соединения, воплощающий в себя принципы изобретения и пред25 назначенной для использования в ремиэоподъем нам механизме.

В конструкцию газовой турбины входят статор 1 и ступень турбины 2, ротор 3, который состоит из двух несущих лопатки дисков и посредством ступицы 4 смонтирован на передаточном валу 5, Ступица 4 ротора 3 имеет цилиндрическое аксиальное стыковочное отверстие 6 (см. фиг. 2), внутренняя поверхность которого является сопрягаемой поверхностью ротора. Внутрь отверстия 6 входит стыковочный конец вала 5 имеющий, соответствующую цилиндрическую сопрягаемую поверхность 7, Указанный вал 5 представляет собой полый

4п цилиндр с двумя наконечниками 8 и 9, из которых наконечник 8 имеет цилиндрическую сопрягаемую поверхность 7. Оба наконечника 8 и 9 соединены между собой центральной трубой 10, в которую они за45 прессованы. Вал 5 вращается в двух опорных подшипниках 11 и 12 (см. фиг. 2).

Осевое смещение вала 5 ограничивается упорным подшипником 13, взаимодействующим с упорным кольцом 14 наконечника 8.. Все указанные подшипники установлены в цилиндре 15 кожуха 16 газавой турбины, Указанные цилиндрические сопрягаемые поверхности 6 и 7 имеют одинаковую аксиальную длину N приблизительно pBs ные диаметры так, что обе поверхности сопрягаются совершенно свободно и просто. На цилиндрической сопрягаемой поверхности 7 наконечника 8 имеются продольные канавки 17 очень малой глуби1777635

10 ны, простирающиеся по всей аксиальной длине поверхности 7.

Канавка 17 равномерно и зквидистан-. тно.распределены по всей окружности цилиндрической сопрягаемой поверхности 7 цилиндрической стыковочной головки 18 вала 5. Ширина каждой канавки 17 предпочтительно равна ширине разделяющих канавок продольных выступов 19 (см. фиг.

2). В предпочтительном варианте реализации принципов настоящего изобретения размеры канавок 17-следует выбирать таким образом, чтобы их число на поверхности 7 головки 18 находилось в пределах от

8 до,12. В цилиндрической стыковочной головке 18 имеется аксиальное коническое отверстие 20, сужающееся в направлении от конца 21 головки 18 к противоположному концу вала 5. Конические отверстие 20 взаимодействует с конической пробкой 22, закрепленной на конце тягового стержня

23, проходящего внутри полого вала 5 и предназначенного для смыкания указанных цилиндрических сопрягаемых поверхностей 6 и 7 под действием определенного тягового усилия, создаваемого гидравлическим домкратом. Созданное гидравлическим домкратом тяговое усилие фиксируется с помощью стопорной гайки

24, навинчиваемой на резьбовой конец тягового стержня 23 и упирающейся в край

25 наконечника 9 полого вала 5. В этом аспекте, аксиальное смещение конической пробки 22, создаваемое натяжением тягового стержня 23, вызывает упругое радиальное расширение стыковочной головки.18, в результате чего продольные выступы 19 сопрягаемой поверхности 7 плотно. прижимаются к внутренней поверхности цилиндрического отверстия 6 ступицы 4 вращающегося тела. Перемещающееся упругое сжатие стыковочных поверхностей 6 и 7 вызывает некоторое упругое вспучивание металла на внутренней поверхности стыковочного отверстия 6 с образованием продольных выпуклостей 29, совпадающих с продольными канавками 17 на сопрягаемой по- верхности 7 стыковочной головки 18 и действующих подобно микрошлицам (см. фиг. 4).

В модифицированном варианте реализации принципов настоящего изобретения, представленном на рис. 5 и рассчитанном на использовании в конструкции ремизоподьемных механизмов, где под лежащие передаче вращающие моменты намного меньше вращаЮщих моментов, действующих в трансмиссии газовых турбин, используется полая коническая пробка 26 позволяет производить натяжение проходящего через нее тягового стержня 27, для чего в рассматриваемом случаи используется стопорная гайка 24, навинчиваемая на резьбовой конец тягового стержня 27, другой конец которого имеет резьбу и закреплен в резьбовом отверстии вращающегося вала 5, имеющего сплошную структуру.

10

Формула изобретения

Система разьемного соединения вращающегося тела с охватываемым им полым вращающимся валом машины, содержащая средства сцепления сопряженных поверх2р настей вала и вращающегося тела, выполненные в виде расположенной в полости вала в зоне конца последнего конической расточки, большее основание которой ле. жит в плоскости торца вала, расположенного в указанной расточке распорного элемента в виде пробки с конической наружной поверхностью ответной поверхности упомянутой конической рас,очки, а также выступов, расположенных на наружной поверхности вала и отделенных друг относительно друга посредством продольных канавок, ширина которых в окружном направлении соответствует ширине выступов, при атом коническая пробка соединена с одним концом расположенного в полости вала тягового стержня, второй конец кото-, рого кинематически связан с механизмом

его аксиального перемещения и фиксации в виде домкрата и стопорной стойки соответ40 ственно, а посадочные поверхности вращающихся тела и вала сопряжены по ненапряженной посадке, причем упомянутая поверхность вала расположена в зоне конической расточки последнего, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности и долговечности соединения за счет высокой точности центрирования при многоразовых повторных сборках посредством обеспечения работы материала соединяемых деталей исключительно в зоне упругих деформаций, количество продольных канавок, расположенных по окружности вала, находится в пределах от 8 до 12, их глубина не превышает 0,1 мм, а длина посадочных поверхностей вращающегося тела и вала равна длине сопряженных поверхностей конической расточки и пробки.

14

10.-4 17

2120 18

1777635

1777635

Составитель В.Иванов

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор О.Густи

Редактор О.Стенина

Заказ 4132 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101