Болтовое соединение вращающихся деталей



Болтовое соединение вращающихся деталей
Болтовое соединение вращающихся деталей
Болтовое соединение вращающихся деталей

 


Владельцы патента RU 2472981:

Открытое акционерное общество "Авиадвигатель" (RU)

Изобретение относится к области машиностроения и авиадвигателестроения и может быть использовано для соединения вращающихся деталей ротора газотурбинного двигателя авиационного и наземного применения. Болтовое соединение вращающихся деталей, объединенных в пакет, с расположенными по окружности отверстиями, внутри которых на высоту пакета деталей установлены втулки с размещенными в их центральных отверстиях стяжными болтами. Каждое отверстие выполнено овальной формы и вытянуто в окружном направлении, а втулка - с овальным сечением, вытянутым в окружном направлении. При этом b/a=1,36-1,5; с>(2,5-3)×b, где а - размер сечения втулки в радиальном направлении; b - размер сечения втулки в окружном направлении; с - длина окружности между центральными отверстиями соседних втулок. Обеспечивается повышение циклического ресурса и надежности болтового соединения вращающихся деталей при высоких параметрах работы путем разгрузки зон концентрации напряжений в указанных деталях. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения и авиадвигателестроения, может быть использовано для соединения вращающихся деталей ротора газотурбинного двигателя авиационного и наземного применения.

Известно болтовое соединение, включающее цилиндрическую разгрузочную втулку с круглым сечением, которую используют для центровки и разгрузки болта, снижения напряжений среза в самом болте и исключения сдвиговых деформаций в соединяемых деталях (Атлас. Детали машин. В.Н.Быков, С.П.Фадеев, Издательство «Высшая школа», 1969 г., с.83, рис.3.4). При вращении деталей в районе отверстий под болты возникают напряжения. Наличие концентратора напряжения, повышающего уровень действующих напряжений в 3-4 раза, является основным недостатком такой конструкции, снижающим циклическую долговечность и ресурс деталей.

В авиадвигателестроении широко применяется соединение деталей с помощью стяжных болтов. Отверстия под болты, являющиеся концентраторами напряжений, могут быть расположены в полотне дисков и на выносных фланцах деталей. Выносные фланцы применяют для удаления концентратора в виде отверстия из полотна диска.

Наличие концентратора напряжений - круглого отверстия под болт, которое повышает уровень действующих напряжений в 3-4 раза и снижает ресурс деталей, является основным недостатком такой конструкции.

Практически эта проблема решается путем выполнения выкружек типа «короны» во фланцах, что обеспечивает достаточную разгрузку отверстий. Эффективность подобной доработки деталей подтверждена испытаниями и широко используется, например, во фланцах под балансировочные грузики лабиринтов диска 13-ой ступени ротора компрессора высокого давления (КВД) двигателей ПС-90А, ПС-90А2 (А.А.Иноземцев, М.А.Нихамкин, В.Л.Сандрацкий. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок, том 4,стр.109).

Наиболее близким к заявляемой конструкции соединения является узел соединения, включающий пакет деталей, цилиндрическую втулку и болт с гайкой. В деталях выполнены круглые отверстия (Патент РФ №2263828, F16B 5/02, 2005 г.).

Недостатком известного узла является круглая форма отверстий под втулку, вызывающая повышенные напряжения в болте и в соединяемых деталях, снижающие циклический ресурс и надежность болтового соединения при вращении деталей.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении циклического ресурса и надежности болтового соединения вращающихся деталей при высоких параметрах работы путем разгрузки зон концентрации напряжений в указанных деталях.

Сущность изобретения заключается в том, что в болтовом соединении вращающихся деталей, объединенных в пакет, с расположенными по окружности отверстиями, внутри которых на высоту пакета деталей установлены втулки с размещенными в их центральных отверстиях стяжными болтами, согласно п.1 формулы изобретения, каждое отверстие выполнено овальной формы и вытянуто в окружном направлении, а втулка - с овальным сечением, вытянутым в окружном направлении, при этом

b/а=1,36-1,5; c>(2,5-3)×b,

где а - размер сечения втулки в радиальном направлении;

b - размер сечения втулки в окружном направлении;

с - длина окружности между центральными отверстиями соседних втулок.

Кроме того по п.2 формулы для обеспечения изолированности полостей ступеней компрессора и сохранения необходимой площади контакта между деталями и болтом необходимо соблюдать следующее соотношение:

(a-d)/2>1,4 мм,

где d - диаметр отверстия втулки под болт.

Конфигурация втулки и размеры отверстия под нее выбраны на оснований анализа геометрии дисков и расчетов напряженно-деформированного состояния.

Было обнаружено, что выполнение отверстий овальной формы, вытянутых в окружном направлении, и выполнение втулки с соответствующим овальным при соотношениях:

b/a=1,36-1,5; c>(2,5-3)×b,

позволяет эффективно разгружать зоны концентрации напряжений и повышать расчетные значения циклического ресурса деталей, оцененного по условной кривой малоцикловой усталости для дисковых сплавов (Технический отчет №12045, М., ЦИАМ, 1993. Развитие методики управления ресурсами авиационного ГТД с целью повышения прочностной надежности, увеличения ресурсов и сокращения затрат при ресурсных испытаниях (применительно к двигателю ПС-90А и его модификациям)).

Втулки с овальным сечением выполняют в заявляемой конструкции следующие функции:

- обеспечивают фиксацию деталей относительно друг друга;

- сохраняют необходимую площадь контакта между фланцами и стандартным болтом круглой формы;

- обеспечивают изолированность полостей секций (ступеней) компрессора.

Кроме того, применение втулок заявляемой конструкции упрощает процесс сборки деталей компрессора, а при изготовлении втулок из легкого и прочного материала - позволяет снижать массу фланцев дисков и всего ротора в целом.

Анализ результатов расчетов показывает, что заявляемое болтовое соединение имеет перспективу использования в современных двигателях последнего поколения.

В случае если b/а<1,36, форма отверстия стремится к окружности, возрастает уровень окружных напряжений в отверстиях соединяемых деталей, следовательно, снижается циклическая долговечность.

В случае если b/а>1,5, отверстие больше вытянуто в окружном направлении, при этом уменьшается площадь цилиндрического сечения сопрягаемых деталей, что повышает риск потери несущей способности, возрастает уровень радиальных напряжений и снижается циклическая долговечность.

В случае если с≤2,5b, расстояние между центрами отверстий уменьшается, пропорционально уменьшается и площадь цилиндрического сечения соединяемых деталей, что повышает риск потери несущей способности.

Соотношение с>3b приводит к тому, что расстояние между центрами отверстий увеличено, линии действий окружных напряжений при этом выравниваются, а эффект снижения концентраций напряжений уменьшается.

Кроме того, по п.2 формулы изобретения, для сохранения необходимой площади контакта между деталями и болтом, а также из технологических соображений необходимо соблюдать следующее соотношение: (a-d)/2>1,4 мм. В противном случае возникают технологические сложности с изготовлением втулки, т.к. толщина стенки втулки слишком мала. Кроме того, в тонкой стенке втулки возникают недопустимо высокие напряжения.

Таким образом, при высоких параметрах работы использование данной конструкции болтового соединения дает возможность не только выравнивать напряжения по толщине пакета деталей и в болтах, но и значительно снижать уровень действующих напряжений в соединяемых деталях, повышая их ресурс.

На фиг.1 представлено сечение пакета соединяемых деталей с втулкой, имеющей овальное сечение, на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1. На фиг.3 показано болтовое соединение в сборке деталей ротора КВД в аксонометрии.

Болтовое соединение включает пакет вращающихся деталей газотурбинного двигателя (ГТД), например, фланца 1 диска первой ступени (КВД), фланца 2 вала КВД и диска 3 второй ступени КВД. В деталях 1, 2, 3 выполнены овальные отверстия 4, вытянутые в окружном направлении под втулку 5 с таким же овальным сечением и размерами а и b в радиальном и окружном направлениях, соответственно. В отверстии 4 втулка 5 размещена на всю толщину пакета деталей 1, 2, 3. Во втулке 5 имеется круглое центральное отверстие 6 диаметром d под стандартный стяжной болт 7 круглого сечения. Диаметр головки болта 7 и наружный диаметр гайки 8 перекрывают при сборке радиальный размер а втулки 5 при соблюдении условия

(a-d)/2>1,4 мм.

Втулка 5 обеспечивает изолированность полостей ступеней компрессора, сохраняет необходимую площадь контакта между фланцами и стяжным болтом 7.

Отверстия 6 расположены равномерно по всей длине окружности соединяемых деталей 1, 2, 3, при этом длина окружности С между ними зависит от размера сечения b втулки 5 в окружном направлении.

Болтовое соединение собирают следующим образом.

В овальное отверстие 4 пакета вращающихся деталей 1, 2, 3 вставляют втулку 5, в которой размещают стандартный болт 7 и закрепляют гайкой 8. В процессе работы КВД концентрация напряжений в зоне отверстий 4 в полотне и во фланцах 1, дисков будут минимальной, что позволяет работать при высоких заданных параметрах двигателя, повышая циклический ресурс и надежность болтового соединения.

1. Болтовое соединение вращающихся деталей, объединенных в пакет, с расположенными по окружности отверстиями, внутри которых на высоту пакета деталей установлены втулки с размещенными в их центральных отверстиях стяжными болтами, отличающееся тем, что каждое отверстие выполнено овальной формы и вытянуто в окружном направлении, а втулка - с овальным сечением, вытянутым в окружном направлении, при этом b/a=1,36-1,5; c>(2,5-3)·b,
где а - размер сечения втулки в радиальном направлении;
b - размер сечения втулки в окружном направлении;
с - длина окружности между центральными отверстиями соседних втулок.

2. Болтовое соединение вращающихся деталей по п.1, отличающееся тем, что (a-d)/2>1,4 мм, где d - диаметр отверстия втулки под болт.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к соединительной системе с всесторонним силовым замыканием и способу соединений и направлено на возможность регулировать независимо друг от друга силы предварительного натяжения на подлежащих затяжке составных частей.

Изобретение относится к прокладке, снижающей фреттинг-износ, и к узлам крепления, в которых используется прокладка, и направлено на снижение стирания контактных поверхностей узлов, подвергающихся мелкой вибрации.

Изобретение относится к сборочной системе облегченных плит, в частности ячеистых панелей, и направлено на снижение количества деталей системы и на возможность легкой установки соединительного элемента.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к гидромашиностроению, и может быть использовано для соединения валов гидротурбин с валами гидрогенераторов и направлено на повышение жесткости конструкции и усталостной прочности соединения путем уменьшения напряжения изгиба под резьбовой частью шпильки.

Изобретение относится к узлу летательного аппарата и касается крыла и фюзеляжа летательного аппарата, оснащенного средствами молниезащиты. .

Изобретение относится к узлам крепления и способам крепления посредством упомянутых узлов. .

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для соединения деталей или сборочных единиц различных машин. .

Изобретение относится к крепежным элементам. .

Изобретение относится к области общего и специального тяжелого машиностроения и может использоваться во всех областях промышленного производства для обеспечения соединения высоконагруженных элементов механических конструкций, и направлено на повышение производительности и снижение трудоемкости соединения элементов конструкции без использования сложных затягивающих устройств

Изобретение относится к разъемным средствам крепления объектов на стержнях в области строительства и направлено на повышение надежности соединения

Изобретение относится к семейству устройств крепления с переменной конусностью. Семейство устройств крепления элементов с предварительно выполненными в них цилиндрическими отверстиями, при этом каждое устройство содержит: винт, выполненный вокруг оси и содержащий усеченный конусный стержень и головку, втулку, выполненную с возможностью захождения в нее стержня винта, при этом втулка выполнена вокруг той же оси и содержит цилиндрическую наружную поверхность и усеченную конусную внутреннюю поверхность, отличающееся тем, что содержит, по меньшей мере, два устройства, втулки которых до посадки с натягом имеют одинаковый наружный диаметр и разную степень конусности внутренней поверхности. Технический результат заявленного изобретения заключается в том, что при помощи трех или четырех контрольных наборов устройств одинакового наружного диаметра можно затягивать элементы любой толщины, не меняя диаметра отверстия соединяемых элементов. 23 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области строительства, в частности к болтовым соединениям тонкого листа с толстым, и направлено на повышение прочности соединения. Болтовое соединение тонкого листа с толстым, включающее тонкий лист, выполненный с отверстием для прохождения болта, и толстый лист, выполненный с отверстием большего диаметра, в которое завальцованы кромки тонкого листа, шайбы, болт и гайку. Между шайбой и тонким листом установлено С-образное кольцо высотой больше чем или равной трем толщинам тонкого листа и толщиной менее или равной полуразности диаметров отверстий в толстом и тонком листах. Торец кольца со стороны тонкого листа закруглен по радиусу, равному толщине тонкого листа. 3 ил.

Изобретение относится к области общего и специального тяжелого машиностроения и может использоваться во всех областях промышленного производства для обеспечения соединения высоконагруженных элементов механических конструкций. Устройство для создания гарантированного натяга в разъемном резьбовом соединении деталей, состоящем из двух соединяемых деталей, содержащее резьбовой стержень с фланцевой головкой, отличающееся тем, что оно снабжено проставочным кольцом и домкратными болтами с развитой опорной поверхностью, а проставочное кольцо расположено между фланцевой головкой и соединяемой деталью и выполнено с антифрикционным покрытием, причем фланцевая головка выполнена с концентрично расположенными резьбовыми отверстиями, в которых установлены домкратные болты, упирающиеся опорной поверхностью в проставочное кольцо, при этом домкратные болты снабжены датчиками напряжений, электрически связанными со световыми индикаторами, распложенными в головках домкратных болтов, а фланцевая головка выполнена в виде звездочки или многогранника под ключ. Что позволяет достичь повышения производительности и снижения трудоемкости соединения элементов конструкции за счет исключения использования сложных затягивающих устройств-гайковертов. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области механосборочного производства конструкций, к которым предъявляются высокие требования надежности и ресурса при воздействии циклических нагрузок, в частности к способам соединения металлических деталей авиационных конструкций. В способе выполнения болтовых соединений с радиальным натягом в болтовом шве выполняют установку болта в отверстие и шайбы на стержень болта со стороны резьбовой части, навинчивание и затяжку гайки нормированным крутящим моментом, подпрессовку болта со стороны головки с одновременным прижимом деталей поддержкой со стороны гайки. Подпрессовку каждого болта осуществляют при приложении динамической нагрузки с последующей подтяжкой гайки нормированным крутящим моментом. Количество циклов динамическая подпрессовка-подтяжка гайки выбирают в зависимости от конструктивно-технологических параметров соединяемых деталей. Обеспечивается повышенный уровень стяжки деталей в широком диапазоне толщины пакета и величины радиального натяга, что позволяет повысить усталостную долговечность конструкции в зоне болтовых соединений. 2 ил.

Изобретение относится к устройству для крепления первой детали ко второй детали, которая сама по себе прикреплена к третьей детали, и направлено на повышение качества сборки элементов конструкции. Устройство для крепления первой детали ко второй детали, которая сама по себе прикреплена к третьей детали, причем первая деталь удерживает винт, который может быть вставлен в отверстие второй детали и в отверстие третьей детали, гайка, которая завинчена на винте, выполнена с возможностью затягивания первой детали на второй детали. Винт жестко соединен с первой деталью посредством элемента, который может упруго деформироваться по мере затягивания гайки, причем упомянутый элемент является пружиной. Винт имеет поверхность, выполненную с возможностью опоры на третью деталь, и имеется зазор между этой опорной поверхностью и третьей деталью до затягивания гайки. Пружина имеет достаточные ход деформации и жесткость для компенсации зазора во время затягивания гайки и расположения первой детали на второй детали в соответствии с заданным усилием. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Легкосъемное беззазорное крепежное соединение фланцев относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано для стягивания и жесткой фиксации фланцев полумуфт валов машин во время монтажа и ремонтов. Крепежное соединение содержит втулку, установленную в сквозных соосных цилиндрических отверстиях соединяемых фланцев, сопряженную по внутренней конической поверхности с установленной в ней конической шпилькой, на резьбовых концах которой навинчены гайки. Втулка зафиксирована в осевом направлении. Внутренняя поверхность втулки имеет призонный участок, длина которого превышает длину призонного участка наружной поверхности втулки. Втулка выполнена с продольными разрезами, начинающимися от торца втулки со стороны меньшего диаметра конуса и заканчивающимися на нерабочем участке внутренней поверхности втулки со стороны большего диаметра конуса. Изобретение обеспечивает повышение надежности фланцевого соединения за счет повышения его несущей способности, а также повышение ремонтопригодности, технологичности и снижение трудоемкости выполнения сборочно-монтажных работ. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к устройству для механического соединения посредством поворотной оси по меньшей мере двух деталей и направлено на упрощение соединения деталей посредством поворотной оси. Устройство выполнено с возможностью продолжения в продольном направлении в соосные каналы, выполненные в двух деталях, шарнирно соединенных друг относительно друга вокруг оси, содержит: цилиндрический корпус, содержащий концевой участок, выполненный с продольным пазом, причем цилиндрический корпус содержит в продольном направлении цилиндрический канал, продолженный каналом в форме усеченного конуса, продолжающимся в концевой участок, предназначенный для размещения в канале детали; вставку в форме усеченного конуса, по существу ответную каналу в форме усеченного конуса, при этом вставка содержит резьбовое отверстие, продолжающееся в продольном направлении при размещении вставки в канале в форме усеченного конуса; и винт с резьбовым концом, выполненным с возможностью взаимодействия посредством ввинчивания с резьбовым отверстием вставки, обеспечивая фиксирование цилиндрического корпуса в канале и создание поворотного соединения вокруг оси. 9 з.п. ф-лы, 14 ил.
Наверх