Фланцы валов энергетических агрегатов
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
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 Мr (рисунок 1, в),изгибающие ось конструкции.
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 Х1 со 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:
- в зависимости от типа рассматриваемого фланцевого соединения устанавливаются требуемые значения кольцевой площади контакта Х1,коэффициента и усилия затяга;
- 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:
, (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 + κ1д, (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
, (3)
где κ вычисляется по (2); σd — дополнительные изгибные напряжения в рассматриваемой точке болта, рассчитываемые в зависимости от типа фланцевого соединения, lpδ — 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
, (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:
, (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
- Бугов А. У. К расчету прочности фланцевых соединений крупных валов гидротурбин // М.-Л. : Гидротурбиностроение, 1957, №4... – с. 233-246.
- 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.
- Расчет на прочность деталей гидротурбин / А. Я. Аронсон, А. У Бугов, В. М. Малышев и др... – М.—Л. : Машиностроение, 1965. – 392 c.
- 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.