УСТРОЙСТВО ФИКСАЦИИ ВЫСОКОНАПРЯЖЕННОГО СОЕДИНЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК F01D25/28 

Изобретение относится к области энергомашиностроения, конкретно турбостроения, в частности, к устройствам фиксации высоконапряженных резьбовых соединений, которое используется для креплений фланцевых соединений, а также высоконагруженных опор корпусов турбомашин, воспринимающих значительные вибрационные нагрузки при работе. Настоящее изобретение может быть также использовано для надежной фиксации высоконапряженных резьбовых соединений любого другого тяжелого оборудования, испытывающего при работе значительные вибрационные нагрузки, например кузнечно-прессового, прокатных станов, горно-добывающего оборудования и т.п.

Как известно из практики, фланцевое соединение фундаментных опор турбомашины является очень ответственной частью корпуса турбины, именно от его надежной работы часто зависит безаварийное функционирование турбоагрегата.

Помимо силового разрушения шпилек, на практике часто встречаются усталостные разрушения резьбовых соединений - результат действия многоцикловых переменных нагрузок. При этом амплитуда переменной нагрузки, приводящей к разрушению, может быть в 10-20 раз меньше, чем при статическом воздействии нагрузки.

Практика и результаты исследований показывают, что наиболее слабым местом в соединении при переменном нагружении является резьба в области первого (считая от опорного торца гайки) витка, где в наибольшей степени и концентрируется нагрузка, передаваемая резьбой (И.А.Биргер, Г.Б.Иосилевич, Резьбовые и фланцевые соединения. М.: Машиностроение, 1990 г., стр.177).

С ростом мощности турбоагрегатов возрастают усилия, действующие на фланцевые соединения. Эти усилия столь велики, что могут вызвать пластическую деформацию шпильки или даже ее обрыв, а такое явление как пропаривание фланцевых соединений носит массовый характер. Чтобы уменьшить величину действующих напряжений в шпильке можно увеличивать размеры фланца, но это ведет к снижению маневренных качеств турбины, поэтому такое большое значение имеет разработка других подходов к решению этой задачи (А.Д.Трухний, С.М.Лосев, Стационарные паровые турбины. М.: Энергоиздат, 1981, стр.89).

Наиболее близким устройством аналогичного назначения к предлагаемому, для решения поставленной технической задачи и по совокупности признаков, выбранном в качестве прототипа, является устройство фланцевого соединения опор корпусов цилиндров паровых турбин. Упомянутое устройство используется ОАО “Ленинградский Металлический Завод” на протяжении последних лет. Устройство включает фланцы опор крепления корпуса турбины, в которых выполнено отверстие под шпильку, шпильки с колпачковой гайкой, обеспечивающей расположение шпильки как можно ближе друг к другу, для уменьшения отрывной силы (см. ОСТ 108.021.110-84. Турбины паровые стационарные. М., МЭМ, 1984).

К причинам, препятствующим достижению ниже технического результата при использовании известного устройства по прототипу, относится то, что оно не обеспечивает достаточную степень надежности крепления опор корпуса турбоагрегата, не имеет достаточный запас прочности при значительных вибрационных и динамических воздействиях, что как следствие препятствует достижению оптимальной степени надежности резьбового соединения и безаварийности работы, увеличению ресурса систем турбоагрегата в целом.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является разработка такого устройства высоконапряженного резьбового соединения, которое позволяет обеспечить надежную его работу в условиях, значительных вибрационных и динамических, в том числе и появляющихся кратковременных силовых воздействий.

Указанный технический результат при осуществлении предлагаемого устройства достигается тем, что устройства фиксации резьбового соединения, включающее фланцы опор крепления корпуса цилиндров турбины, стяжные шпильки, колпачковую гайку, дополнительно снабжается, внутренней гайкой с диаметром резьбы, соотносящимся с диаметром стяжной шпильки как 2 к 1 и установленную с зазором не менее 1 мм, к верхней поверхности резьбового соединения, при этом имеющую внутреннюю и наружную резьбу, выполненную с одинаковым шагом, стопорными штифтами и отверстием под нагревающее устройство для создания теплового натяга и отверстиями для затяжки внутренней гайки.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, а также выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил технического решения, характеризующегося признаками, тождественными предлагаемым.

Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого технического решения по совокупности признаков, позволил выявить в заявленном устройстве совокупность существенных отличительных признаков, по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату и изложенную в нижеприведенной формуле изобретения.

Результаты поиска показали, что предлагаемое изобретение не вытекает явным для специалиста образом из известного уровня техники и определенного заявителем. В частности, предлагаемым изобретением не предусматриваются следующее:

- дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;

- замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;

- исключение какой-либо части (элемента) устройства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом известного из уровня техники для такого исключения результата, как например, упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности, сокращение продолжительности процесса и т.п.;

- увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;

- создание устройства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, а достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Более того, следует обратить внимание, что как уже упоминалось выше, известные устройства фиксации резьбового соединения не позволяют решить поставленную заявителем техническую задачу обеспечения надежной работы резьбового соединения в условиях при значительных вибрационных и динамических, в том числе и кратковременных динамических воздействий. Для достижения желаемого технического результата, заявитель принципиально изменил схему взаимодействия элементов известных известного устройства, а также снабдил его новыми узлами. При реализации предлагаемого устройства за счет применения внутренней гайки с диаметром резьбы, соотносящимся с диаметром стяжной шпильки как 2 к 1 и установленной с зазором к верхней поверхности соединения, составляющим не менее 1 мм, при этом имеющую внутреннюю и наружную резьбу, выполненную с одинаковым шагом, а также снабженную стопорными штифтами в количестве не менее 2, возникает неочевидный эффект возрастания величины усилия затяга без изменения напряженно-деформируемого состояния шпильки, с одновременной реализацией перехода традиционно имеющих место в известных резьбовых соединениях, динамических изгибных напряжений в напряжения растяжения при возрастании податливости резьбового соединения стяжной шпильки.

Таким образом, можно сделать вывод, что предлагаемое заявителем устройство обеспечивает достижение усматриваемого им неочевидного технического результата, а следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

Сущность предлагаемого устройства высоконапряженного резьбового соединения представлена на чертеже, где приведены основные его элементы и их взаимосвязь. В частности показаны: колпачковая гайка 1, соединяющаяся с дополнительной внутренней гайкой 2 штифтами 4, стяжная шпилька 3, фиксирующая верхнюю 5 и нижнюю 6 части соединения. Между внутренней гайкой и верхней частью соединения имеется гарантированный зазор 7, а также пазы 11, 12 под нагревающее устройство для создания теплового натяга, при этом для затяжки внутренней гайки предусмотрены отверстия 13. Резьба выделена позициями 8, 9, 10.

Предлагаемое устройство фиксации высоконапряженного резьбового соединения работает следующим образом.

Предлагаемое устройство фиксации собирают следующим образом.

Внутреннюю гайку 2, имеющую высоту, позволяющую установить ее с гарантированным зазором не менее 1 мм к верхней поверхности соединения, за отверстия 13, вворачивают соответствующим инструментом в колпачковую гайку 1 до упора в ее торцевую поверхность. В таком состоянии выполняются отверстия под штифты 4 и устанавливаются штифты 4. Штифты обеспечивают полноту передачи крутящего момента при навинчивании колпачковой гайки 4 с гайкой 2 на шпильку 3. Штифтов 4 должно быть не менее двух. Отверстия 11 в гайке 1 и отверстие 12 в шпильки 3 прорезаны для установки нагревательного элемента с целью создания необходимого натяга при завинчивании соединения.

За счет применения дополнительной резьбы 9 гайки 2 увеличивается податливость всего резьбового соединения устройства фиксации и снижаются резьбовые напряжения в шпильке 3. Проведенный оценочный расчет и динамометрические испытания опытного образца предлагаемого устройства фиксации, снабженного внутренней гайкой с диаметром, соотносящимся с диаметром стяжной шпильки, как 2 к 1 и установленную с зазором в 2 мм, к верхней поверхности соединения узла турбоагрегата, при этом имеющую внутреннюю и наружную резьбу, выполненную с одинаковым шагом, а также 2 стопорных штифта для затяжки внутренней гайки, показали, что для устройства фиксации, имеющего длинные шпильки (длина равна десяти диаметрам), податливость резьбы увеличивается на ~7%, а напряжения в шпильке уменьшаются на ~3%.

Применительно к аналогичному устройству, имеющему короткие шпильки (длина которых равна двум диаметрам), податливость резьбы увеличивается более чем на 20%, а напряжения в шпильке снижаются на величину порядка 10%.

При этом результаты испытаний показывают что, за счет установки внутренней гайки 2 с зазором 7, возникает дополнительный полезный эффект значительного снижения изгибного напряжения в шпильке 3, поскольку основные изгибающие усилия переводятся на колпачковую гайку 1, а затем трансформируясь в растягивающие усилия передаются на шпильку 3.

Таким образом, при реализации устройства предлагаемой конструкции реализуется эффект усиления прижимного усилия высоконапряженного резьбового соединения с одновременной трансформацией, традиционно имеющих место в известных резьбовых соединениях, динамических изгибных напряжений в напряжения растяжения при возрастании податливости резьбового соединения стяжной шпильки, что в комплексе позволяет решить поставленную заявителем техническую задачу, а именно обеспечить надежную работу высоконапряженного резьбового соединения в условиях значительных вибрационных и динамических, в том числе и появляющихся кратковременных динамических воздействий и, как следствие, достичь оптимальной степени надежности и безаварийности работы, увеличению ресурса систем турбоагрегата в целом.

Вышеприведенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании предлагаемого способа следующей совокупности условий:

• устройство, воплощающее предлагаемое техническое решение при его осуществлении, используется в турбостроении, в частности при производстве и монтаже мощных паровых турбин;

• для заявленного устройства в том виде как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы патента, подтверждается возможность его осуществления с помощью приведенных в описании заявки средств и методов;

• устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, а именно обеспечить надежную работу высоконапряженного резьбового соединения в условиях, значительных вибрационных и динамических, в том числе и появляющихся кратковременных значительных динамических воздействий, что как следствие, обеспечивает достижение оптимальной степени надежности и безаварийности работы, увеличению межремонтного цикла соответствующих узлов турбоагрегата в целом.

Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию патентоспособности "промышленная применимость".

Устройство фиксации высоконапряженного соединения включает фланцы опор крепления корпуса цилиндров турбины, стяжные шпильки, колпачковую гайку и внутреннею гайку. Диаметр резьбы внутренней гайки соотносится с диаметром стяжной шпильки не менее 2 к 1. Внутренняя гайка установлена с зазором к верхней поверхности соединения и имеет внутреннюю и наружную резьбу, выполненную с одинаковым шагом. Устройство фиксации высоконапряженного соединения также имеет стопорные штифты, отверстия под них и паз под нагревающее устройство для обеспечения теплового натяга. При этом зазор между внутренней гайкой и верхней поверхностью резьбового соединения составляет не менее 1 мм, а число стопорных штифтов не может быть менее 2. Изобретение позволяет обеспечить надежную работу устройства фиксации высоконапряженного соединения в условиях при значительных вибрационных и динамических, в том числе и кратковременных динамических воздействий. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство фиксации высоконапряженного соединения, включающее фланцы опор крепления корпуса цилиндров турбины, стяжные шпильки, колпачковую гайку, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжается внутренней гайкой с диаметром резьбы, соотносящимся с диаметром стяжной шпильки не менее 2 к 1, установленной с зазором к верхней поверхности соединения, при этом внутренняя гайка имеет внутреннюю и наружную резьбу, выполненную с одинаковым шагом, а также стопорные штифты, отверстия под них и паз под нагревающее устройство для обеспечения теплового натяга.2. Устройство фиксации высоконапряженного соединения по п.1, отличающееся тем, что зазор между внутренней гайкой и верхней поверхностью резьбового соединения составляет не менее 1 мм, а число стопорных штифтов не может быть менее 2.