Технические статьи

ГлавнаяТехнические статьиФланцыЭнергетика → Фланцы валов энергетических агрегатов

Фланцы валов энергетических агрегатов

Раскрытие фланцевого соединения под изгибающей нагрузкой

Раскрытие фланцевого соединения под изгибающей нагрузкой

Фланцы вращающихся деталей объектов энергетики претерпевают как осевые воздействия, так и высокочастотные динамические радиальные нагрузки, напряжения от внутреннего давления масла. Ввиду высокой металлоемкости и ответственности данных фланцевых соединений их расчет является актуальной задачей.

Дата публикации: 16 мая 2011

Автор: Дроздов М.В., ООО «Инженерный Союз»

Разместите статью о трубопроводах в данном каталоге
Ваша информация на каталоге технических статей

Фланцевые соединения сложнонагруженных соединений объектов энергетики

Фланцы вращающихся деталей объектов энергетики (фланцы валов, роторов и др.) претерпевают осевые, изгибающие и гидростатические нагрузки. Ввиду высокой металлоемкости и ответственности производства таких фланцевых соединений их расчет является актуальной задачей. Фланец карданного вала автомобиля также претерпевает сложное переменное воздействие механических усилий разной направленности.

Фланцевые соединения ротора и других деталей гидроагрегатов

Фланцевые соединения деталей объектов энергетики выполняются контактирующими

Фланцевые соединения ротора и других деталей гидроагрегата воспринимают, кроме осевого усилия Рос (рисунок 1, а), усилия от внутреннего давления масла, а также моменты М(рисунок 1, в),изгибающие ось конструкции.

Контактирующее фланцевое соединение под воздействием изгибающих и осевых усилий.

Рисунок 1. Контактирующее фланцевое соединение под воздействием изгибающих и осевых усилий.

Дополнительные напряжения в крепеже от изгибающих усилий

Изгибающий момент вызывает дополнительные напряжения в крепеже и перераспределение контактных напряжений в стыке.

Случай отсутствия раскрытия фланцевого соединения

Рассмотрим сначала фланцевые соединения, в которых осевые силы не вызывают даже частичного раскрытия (рисунок 1, а и б).

Если прилагать к такому фланцевому соединению, растягиваемому через оболочки постоянными силами Рос, увеличивающийся изгибающий момент Мr, то радиальная ширина нераскрытия Х1 начнет уменьшаться с той стороны, где момент вызывает деформацию растяжения. При этом абсолютное значение контактных напряжений будет возрастать в нижней части стыка и иметь максимальное значение в точке 2 рисунок 1, в).

Раскрытие фланцевого соединения под действием изгибающего момента

При некотором значении изгибающего момента ширина нераскрытия Х1 со стороны растяжения изгибающим моментом обратится в нуль и сольется с точкой 1. Дальнейшее увеличение момента вызовет раскрытие фланцев с образованием сквозной щели со стороны точки 1 (рисунок 1, в,г).

В нижней части фланцевого соединения, (со стороны точки 2) будет происходить дальнейшее возрастание контактных напряжений по абсолютному значению, но ширина контакта не будет меняться, так как в исходном положении Х1 = t.

Усиление раскрытия соединения стальных фланцев при частичном раскрытии в ненагруженном изгибающим моментом состоянии

Описанная выше схема деформации усложнится, если в исходном положении (до приложения момента) имело место частичное раскрытие соединения стальных фланцев (Х1 t) (рисунок 1, д,е). Приложение увеличивающегося изгибающего момента вызовет в этом случае такую же картину изменения контактных условий со стороны точки 1, как и в первом случае.

Однако при этом ширина прилегания фланцев Хсо стороны точки 2 будет увеличиваться до тех пор, пока не будет выполнено условие Х1= t. Дальнейшее увеличение момента будет приводить к возрастанию абсолютного значения контактных напряже-ий по всей ширине Х1= t в нижней части стыка, как и в первом расчетном случае.

Расчёт соединения фланцев

Упрощение фланцевых соединений до эффективных втулок

Попытка отразить в расчетной схеме все особенности деформации рассматриваемых фланцевых соединений была бы связана с большими трудностями в определении момента инерции стыка весьма сложной конфигурации, и вряд ли она была бы оправдана.

Изгибная жесткость стыка рассматриваемых фланцевых соединений может быть заменена жесткостью эффективных втулок, связанных жесткой диафрагмой, как это можно сделать также в случае фланцевых соединений лопастей.

Площади сечений эффективных втулок следует определять исходя из величины площади фактического контакта фланцев, определяемой наружным диаметром кольцевой площади контакта, размером Х1, диаметром болтовых отверстий и их количеством.

В данном случае плоскость разъема не будет деформироваться вследствие симметричного приложения изгибающих моментов относительно этой плоскости.

Расчет можно производить в следующей последовательности:

  1. в зависимости от типа рассматриваемого фланцевого соединения устанавливаются требуемые значения кольцевой площади контакта Х1,коэффициента и усилия затяга;
  2. подсчитываются значения дополнительного коэффициента затяга, а затем и дополнительного усилия затяга, на которые надо увеличить их значения, чтобы изгибающий момент не нарушил бы заданные условия плотности.

Расчёт параметров нераскрывающегося фланцевого соединения

Расчёт коэффициента затяга болтов и гаек для нераскрывающихся фланцевых соединений

Для нераскрывающихся фланцевых соединений выражение для дополнительного коэффициента затяга болтов и гаек получится в виде:

kappa_{1d} = {M_r R_{delta}}/{ P_{oc} lambda_{Phi} sum{1}{n}{{{a_i}^2}/{{lambda_{Phi i}}^x}} },         (1)

где Rδ — радиус окружности центров болтовых отверстий, λФi — податливость эффективной втулки, соответствующей i-му болту, λФ — коэффициент податливости фланцевого соединения.

 

Остальные обозначения ясны из предыдущего изложения и из рис. 32.

Полный коэффициент затяга

κ = κ1 2 + κ,       (2)

где κ1 2 — коэффициент затяга в зависимости от рассматриваемого типа фланцевого соединения.

Расчёт максимальных напряжений для нераскрывающихся фланцевых соединений

Выражение для суммарных максимальных напряжений в i-м болте может быть получено в виде

{sigma_{delta i}}^m = {P_{oc}}/{sum{1}{n}{F_{delta i}}} (kappa + chi) + sigma_d + {M_r E_{delta i} {X_{delta i}}^m}/{l_{p delta i}} {sum{1}{n}{{{a_i}^2}/{{lambda_{Phi i}}^x}}}^(-1),   (3)

где κ вычисляется по (2); σd — дополнительные изгибные напряжения в рассматриваемой точке болта, рассчитываемые в зависимости от типа фланцевого соединения, l — рабочая длина болта, χ — коэффициент основной нагрузки фланцевого соединения.

 

Расчёт параметров раскрывающегося фланцевого соединения

Выражение для дополнительного значения коэффициента затяга в случае частичного раскрытия фланцевого соединения от изгибающего момента получается в виде

kappa_{2d} = { (M_r - P_{oc} a_0) X_{1m}}/{ P_{oc} lambda_{Phi} m (1+ a_0) },    (4)

где Х1m — ширина стыка (рисунок 1, г), по которой сохраняется контакт фланцев.

Полный коэффициент затяга

κ = κ1 2 + κ2d,    (5)

Выражение для суммарных максимальных напряжений в i-м болте можно получить в таком виде:

{sigma_{delta i}}^m = {P_{oc}}/{sum{1}{n}{F_{delta i}}} (kappa + chi) + sigma_d + {M_r - P_{oc} (kappa + chi) a_0}/{ m } {E_{delta i} {X_{delta i}}^m}/{l_{p delta i}},       (6)

где Хδim — ордината точки i-го болта, максимально удаленной от главной центральной оси OY.

Если болты фланцевого соединения расположены так плотно, что сечения эффективных объемов сливаются, расчет дополнительных напряжений в болтах от изгибающего момента можно производить в соответствии с методом, изложенным в работе [4].

Заключение. Применение результатов расчета при производстве фланцев

Фланцевые соединения валов энергетического оборудования являются ответственными соединениями, нуждающимися в тщательном расчете и специальных испытаниях. Из-за высокой сложности прилагаемых усилий приходится делать ряд упрощений.

При проектировании и производстве фланцев энергетического оборудования необходимо руководствоваться расчетами для повышения надежности и снижения ресурсоемкости производства.

Список литературы

  1. Бугов А. У. К расчету прочности фланцевых соединений крупных валов гидротурбин // М.-Л. : Гидротурбиностроение, 1957, №4... – с. 233-246.
  2. Макаренков А. Г. Исследование напряженного состояния фланцевого соединения с учетом физической нелинейности материала // «Прикладная механика». Отд. математики, механики и кибернетики. Изд-во АН УССР, 1970, т. VI, вып. 2... – с. 45—48.
  3. Расчет на прочность деталей гидротурбин / А. Я. Аронсон, А. У Бугов, В. М. Малышев и др... – М.—Л. : Машиностроение, 1965. – 392 c.
  4. Герметичность неподвижных соединений гидравлических систем / В. Г. Бабкин, А. А. Зайченко, В. В. Александров и др... – М. : Машиностроение, 1977. – 120 c.

Получив доступ к данной странице, Вы автоматически принимаете Пользовательское соглашение.

Rambler's Top100