Технические статьи

ГлавнаяТехнические статьиФланцыРасчёты → Расчет фланцевых соединений валов гидротурбин

Расчет фланцевых соединений валов гидротурбин

Схема частичного раскрытия фланцевого соединения с образованием клиновидной щели

Схема частичного раскрытия фланцевого соединения с образованием клиновидной щели

Из экспериментов и опыта эксплуатации фланцевых соединений ясно, что фланцевые соединения выходят из строя в результате усталостных разрушений болтов, фланцев и зоны пере­хода от оболочек к фланцам. Величины напряжений и закон распределения неизвестны.

Дата публикации: 2 апреля 2011

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

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

Прочность фланцевых соединений

Опыт эксплуатации фланцевых соединений валов гидротурбин и других деталей, а также экспериментальное исследование прочности моделей фланцевых соединений трубчатых валов показывают, что фланцевые соединения выходят из строя в результате усталостных разрушений болтов, фланцев и зоны перехода от оболочек к фланцам. Причем существующие экспериментальные исследования подтвердили предположение , что, увеличивая коэффициент затяга до определенного значения, можно достигнуть существенного уменьшения напряжений изгиба в болтах и в сечениях перехода от фланцев к оболочкам, а следовательно, повысить долговечность не только болтов, но и оболочек, и самих фланцев.

Расчет повышения долговечности фланцев

Расчетные схемы фланцевого соединения

Рис. 1. Расчетные схемы фланцевого соединения

Фланцевые соединения валов гидроагрегатов и других машин воспринимают, кроме осевых сил и внутреннего давления, ещё силы, параллельные плоскости стыка, вызванные крутящими моментами. Болты таких фланцевых соединений часто устанавливаются во фланцевые отверстия «скользящей» посадкой с расчетом на то, что крутящий момент будет восприниматься сечениями болтов, совпадающими со стыковой плоскостью. Доли крутящего момента, воспринимаемые крепежными изделиями, могут оказаться различными из-за различных зазоров между болтами и отверстиями во фланцах.

Если в этих условиях во фланцевом соединении будет иметь место частичное раскрытие с образованием клиновидной щели (рис. 1, а), распространяющейся в область расположения болтов, вероятность их усталостного разрушения существенно увеличится. Поэтому появляется необходимость рассчитать и обеспечить определенные условия плотности в таких фланцевых соединениях. В рассматриваемых конструкциях это необходимо для обеспечения непроницаемости жидкости или газа, находящихся в полостях оболочек и для повышения долговечности конструкций с фланцевыми соединениями.

Искомые параметры фланцевых соединений

Из изложенного вытекает, что задача создания приближенной технической теории расчета деформированного и напряженного состояний и величины нераскрытия предварительно напряженных плотно прилегающих несимметричных фланцевых соединений первого рода является актуальной. В ней должно быть учтено, что рассматриваемые фланцы сопряжены, как правило, с коническими оболочками переменной жесткости и малой конусности. Должны быть получены замкнутые зависимости, позволяющие подсчитать:

  1. значение коэффициента затяга болтов, обеспечивающего заданные условия плотности (величины нераскрытия, задаваемого радиальной шириной Х1 рис. 1, б) несимметричного фланцевого соединения первого рода при заданных нагрузках Рос, р0 и р или условия плотности, соответствующие заданным коэффициенту затяга и нагрузкам;
  2. изгибающие моменты М0и М01и перерезывающие силы Q0и Q01, возникающие в сечениях переходов фланцев к оболочкам (рис. 1, б),которые зависят как от контактных напряжений, так и от коэффициента затяга;
  3. максимальные напряжения в болтах, являющиеся сложными функциями коэффициента затяга, заданных нагрузок, размеров фланцев и оболочек;
  4. напряжения в сечениях фланцев, ослабленных болтовыми отверстиями, и в сечениях оболочек, примыкающих к фланцам;
  5. контактные напряжения по разъему фланцев, эпюры которых изображены на рис. 1, условно линиями 1—3, и кольцевые напряжения во фланцах и облочках; если конические оболочки I и II (рис. 1, б) являются короткими, должны определяться также усилия в сечениях сопряжения цилиндрических и конических оболочек Рц, Qц, Мц, Р и М.

Рассматриваемая задача относится к контактным геометрически нелинейным объемным задачам теории упругости. Геометрическая нелинейность задачи обусловлена изменением площади контакта между фланцами, определяемой шириной нераскрытия Xlt  и геометрических характеристик площади контакта вследствие изменения внешних нагрузок.

Необходимость установления зависимости между площадью контакта и внешними усилиями требует получения дополнительных уравнений, которые могут быть выведены или из условия неразрывности осевых деформаций фланцевого соединения или из условия неразрывности контактных напряжений.

Значения отношений суммарного усилия затяга

Затяг болтов рассматриваемых соединений вызывает деформацию осевых волокон фланцев и прокладки.

В результате этого в материале стальных фланцев и по стыковой поверхности появляются напряжения, величины и закон распределения которых неизвестны. Приложение внешних нагрузок через оболочки на затянутое фланцевое соединение приводит к перераспределению предварительных деформаций и напряжений во фланцах, по стыковой поверхности и в болтах.

Кинематика деформации и характер перераспределения напряжений, которые при этом имеют место, неизвестны. Можно указать только, что если осевая сила будет возрастать от нуля до определенного значения, то каждому значению отношения суммарного усилия затяга всех болтов к осевому усилию, названного коэффициентом затяга, будут соответствовать определенные напряжения по стыковой плоскости, в болтах, во фланцах, в сечениях оболочек, примыкающих к фланцам, и определенная площадь плотного прилегания фланцев, которая ниже будет задаваться радиальной ширине прилегания Х1 (рис. 1, а и б). Эти напряжения являются неизвестными нелинейными функциями нагрузок. Их определение представляет собой сложную задачу, которая не может быть решена с позиции строгих методов теории упругости.

Даже определение дополнительных напряжений в болте для случая осевого приложения нагрузки к нераскрывающемуся фланцевому соединению с единичным болтом в настоящее время проводится с помощью полуэмпирических зависимостей. Для этого в расчет вводятся коэффициенты путем сопоставления результатов решения обобщенной на случай распределенной нагрузки задачи Буссинеска с результатами экспериментальных исследований по определению податливости фланцевого соединения, поскольку точный расчет искомых напряжений связан со значительными трудностями по решению объемной контактной задачи теории упругости.

Последняя задача усложняется в рассматриваемых ниже случаях, когда внешние нагрузки Р и Р1 (рис. 1, б) передаются не по центру изгиба сечения фланцевого соединения, вследствие чего в соединении и в болтах или шпильках появляются дополнительные напряжения изгиба. В связи с изложенным задача разработки теории расчета ниже решается с помощью гипотез, выдвинутых на основании экспериментальных и теоретических исследований.

Заключение

К расчету фланцевых соединений следует подходить аккуратно, ведь фланцевые соединения объектов энергетики являются зачастую особо ответственными и нуждаются в большом запасе прочности. Допуски больших погрешностей при расчетах приводят либо к колоссальной металлоемкости, либо к опасности разрушения. Применение современных методов расчета позволит если не устранить, то смягчить эти проблемы

Список литературы

  1. Соколов С. Н. Круглая пластинка на обобщенном упругом основании // Инж. сборник, Т. 11, 1952... – с. 82-86.
  2. Бугов А. У. К расчету прочности фланцевых соединений крупных валов гидротурбин // М.-Л. : Гидротурбиностроение, 1957, №4... – с. 233-246.
  3. Бугов А. У. Инженерный методы расчета симметричных кольцевых фланцевых соединений гидротурбин // Энергомашиностроение, 1970, №10... – с. 5-7.

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

Рейтинг@Mail.ru
Rambler's Top100