ПАТРУБОК СДВИГОВОЙ КОМБИНИРОВАННЫЙ Российский патент 2008 года по МПК B63B3/00 

Изобретение относится к судостроению и может быть использовано в судостроительной промышленности при создании судов и кораблей, включая атомные подводные лодки (АЛЛ) с блочными паротурбинными установками (БПТУ) и атомные ледоколы с паротурбинной установкой (ПТУ).

Известно взятое за прототип АС №1293403 на опорную связь - амортизирующее устройство от 1 ноября 1986 г., содержащее корпус и крышку, связанные между собой через параллельно расположенные элементы, отличающееся тем, что вершины гофр резинокордных элементов направлены в одну сторону, а давление газа в камере, образованной резинокордным элементом и крышкой, в два раза больше давления газа в камере, образованной резинокордонным элементом и корпусом.

Изобретение-прототип использовано в судостроительной промышленности для снижения механических колебаний фундаментов, возбуждаемых при работе судовых виброактивных агрегатов, механизмов и оборудования, в том числе и в БПТУ с большими массогабаритными показателями и мощностью.

В процессе опытной эксплуатации корабельных БПТУ были обнаружены существенные недостатки опорных и неопорных связей, конструктивно изготовленных на базе резинокордных элементов-оболочек. Так, низкочастотное амортизирующее устройство-прототип в виде патрубка имеет в осевом направлении частоту, примерно 1,6 Гц, т.к. резинокордная U-образная оболочка (РКО), перекатываясь по направляющим поверхностям его крышки и корпуса, хорошо работает на сдвиг вдоль оси патрубка. Но, если сдвигать крышку относительно корпуса в радиальном направлении, то потребуется приложить гораздо большее усилие, ибо жесткость оболочки в данном направлении значительно больше, и частоты такого патрубка в радиальном направлении составляют не менее 3 Гц. Вследствие этого, когда вершина гофры растягивается или сжимается, именно в данном месте чаще всего возникает дефект оболочки. Тем не менее, подобные амортизирующие устройства с одной оболочкой и нагрузкой до 100 тн получили внедрение (элемент виброизолирующий - ЭВ 100) при создании амортизирующего крепления БПТУ для ряда проектов отечественных АПЛ.

В настоящее время, когда требования по надежности и виброакустическим характеристикам (ВАХ), предъявляемым к БПТУ перспективных АПЛ ужесточились, они в таком виде невостребованы. Существенно повысить надежность патрубков, созданных с использованием РКО, проблематично, т.к. ее конструктивное исполнение исключает одинаковые условия работы как в осевом, так и в радиальном направлениях. Кроме того, оболочки (основная и дополнительная - резервная) «работают» одновременно.

Эта проблема, особенно остро, заявила о себе при создании надежных и эффективных низкочастотных неопорных связей - патрубков, сильфонов, компенсаторов, резинокордных рукавов и шлангов, которые предусматриваются в главной энергетической установке (ГЭУ) нового поколения.

Общеизвестно, что определяющий вклад по передаче вибрации от работающей БПТУ во внешнее поле корабля вносят именно неопорные связи - патрубки циркуляционной трассы (ЦТ) главного конденсатора (ГК), когда его трубный пучок колеблется под действием знакопеременных сил пробегающего по нему потока забортной воды, и чем больше скорость корабля, тем эти силы больше. Кроме того, на трубный пучок сбрасывается пар от турбины, например, главного агрегата (ГТЗА) или вспомогательного агрегата (АТГ), или одновременно с обеих турбин и от этого вибрация трубного пучка только усиливается. Далее часть колебательной энергии от установки по структуре патрубка, а большая часть энергии потоком заборной воды передается по ЦТ во внешнюю среду, что в конечном итоге и определяет внешнее поле АПЛ, которое по мере возрастания снижает скрытность корабля, а тем самым и его боевую эффективность.

В настоящее время задача состоит в обеспечении живучести и скрытности АПЛ, а также снижении трудозатрат на ее постройку, путем создания надежных, высокоэффективных и малогабаритных связей (патрубков) ГЭУ корабля на единой элементной базе и принципе их работы.

Перед решением задачи необходимо отметить следующее: опорные и неопорные связи состоят из набора известных конструктивных элементов, которые существенно отличаются как по своим массогабаритным показателям, так и по форме исполнения. Все они обеспечивают перемещение БПТУ внутри прочного корпуса АПЛ. А разница заключается лишь в том, что опорные связи (амортизаторы) воспринимают весовую нагрузку БПТУ, а неопорные связи (патрубки) пропускают сквозь себя рабочие среды: пар, воду, масло, воздух и т.д. В результате эксплуатации подтвердилось, что РКО не обладает одинаковыми жесткостными характеристиками во всех направлениях. Более того, работая в агрессивных средах, с резким изменением давления, оболочки выходили из строя и ограничивали общий ресурс всего изделия.

В случае дефекта РКО патрубка ЦТ необходимо было ограничивать попадание забортной воды в отсек, поэтому уменьшали глубину погружения АПЛ и даже «отключали» ГК аварийного борта ГЭУ.

Во время работы БПТУ на малошумном режиме конфигурация U-образной оболочки патрубка в процессе маневра корабля менялась таким образом, что ее «замыкало». Это только усиливало передачу вибрации как по среде - забортной воде, так и по структуре элементам конструкции самого патрубка на корпусе АПЛ.

Тем не менее, РКО отечественной технологии изготовления давно опробированы, сравнительно просты в изготовлении, поэтому иногда их применяют, размещая под углом 90 градусов по отношению друг к другу, чтобы каждая из оболочек могла работать только в своей плоскости. Фактически требовалось два прямоточных патрубка размещать под углом 90 градусов и соединять друг с другом угловым проставышем - «коленом» посредством крепежа. В последующем эти оболочки, подобным образом, конструктивно встроили в единое изделие, которое назвали «угловым патрубком ЦТ ГК». В таком виде угловой патрубок применили в БПТУ на АПЛ III поколения. Для АПЛ IV поколения БПТУ была снабжена угловым патрубком (в дальнейшем «патрубок IV поколения»), в котором РКО были заменены на тонкослойные резинометаллические (ТРМ) элементы, выполненные в виде плоской шайбы, у которой, чередуясь, тонкие слои резины и металла с помощью герметика запрессованы между двумя металлическими обоймами, причем внутренний диаметр такого ТРМ элемента может соответствовать диаметру ЦТ ГК или сумма проходных сечений нескольких ТРМ элементов соизмерима с проходным сечением ЦТ. Ранее ТРМ элементы использовались в амортизирующих креплениях БПТУ в качестве ограничителей перемещения последних, воспринимая ударные нагрузки. Они жестко устанавливались на фундаменте с определенным зазором до блока, причем на сдвиг не работали строго, т.к. жесткость ТРМ элементов в данном направлении очень мала (меньше жесткости всех РКО амортизирующего крепления). Сама БПТУ устанавливалась на низкочастотную амортизацию в виде патрубков, внутри которых находился сжатый воздух. Надежность же работы ТРМ элементов не вызывала сомнений, поэтому от РКО в патрубке IV поколения полностью отказались.

Естественно, между этими опорно-неопорными связями нет ничего общего по массогабаритным показателям, и если низкочастотный амортизатор с РКО внешне похож на прямоточный патрубок с РКО, то вышеуказанные низкочастотные угловые патрубки никакой критики не выдерживают. В добавок ко всему приходится считаться с действительностью, т.к. в соответствии с требованиями ресурсосберегающих технологий необходимо снизить трудозатраты на изготовление опорно-неопорных связей. Это может быть достигнуто благодаря комплексному подходу при проектировании ЦТ ГК БПТУ, амортизирующего крепления последней и самой ГЭУ, за счет комбинирования U-образной оболочки и ТРМ элемента в одном патрубке с идеализацией работы каждого только в одном направлении, кроме того, наибольшей унификации составных частей и элементов самих опорно-неопорных патрубков.

В заявляемом устройстве использованы неоспоримые достоинства известных ТРМ элементов и U-образных оболочек в новой их взаимосвязи по использованию в различных устройствах, которые в свою очередь имеют различные функциональное назначение, и при этом эти устройства - ПСК находятся в большом сходстве по своему конструктивному исполнению и внешнему виду.

Поставленная задача решена следующим образом, где на фиг.1 и 2 представлен вариант ПСК, содержащий корпус 1 и крышку 2, соединенных между собой посредством РКО 3, вершина гофры которой направлена вдоль оси патрубка к его корпусу, кроме того, ПСК снабжен ТРМ элементом 4, который выполнен в виде чередующихся между собой слоев резины и металла, расположенных друг над другом и запрессованных с помощью герметика между верхней и нижней металлическими обоймами элемента с образованием кольцеобразного плоского цилиндра 5, размещенного ниже РКО и жестко установленного в корпусе, разделяя его на верхнюю и нижнюю части с обеспечением радиальных перемещений крышки и нижней части корпуса, при этом жесткостные характеристики РКО и условия ее работы подобраны таким образом, что вершина гофры направлена к нижней части, а сама РКО работает за счет перекатывания гофры вдоль цилиндрических направляющих поверхностей верхней части корпуса и охватывающей его крышкой с обеспечением ее перемещений относительно корпуса вдоль оси патрубка.

В случае опорной связи, когда предлагается, что корпус 1 и крышка 2 «глухого» исполнения, то они совместно с РКО 3 и ТРМ элементом 4 образуют рабочий объем, сообщаемый с системой сжатого воздуха. Если же только предположить, что опорную связь можно получить из неопорной связи (ПСК) путем надежного и герметичного закрытия одного ее фланца опорной поверхностью - рамой БРТУ, а другого фланца - опорной поверхностью фундамента, станет ясно, что это реально и такой вариант вполне возможен. Только трубку с манометром ранее, показывающего давление забортной воды, например, в рабочем канале патрубка, необходимо теперь соединить с системой сжатого воздуха. В таком конструктивном исполнении ПСК становится опорной связью. Именно такой ПСК, как один из вариантов ПСК, отображают фиг.1 и 2.

Тем не менее, в случае неопорной связи целесообразнее предварительно в корпусе 1 и крышке 2 проточить вдоль их единой оси сквозное отверстие, которое совместно с кольцеобразной РКО 3 и ТРМ элементом 4 образуют вдоль оси ПСК рабочий канал, например, водовод системы охлаждения ГЭУ (ЦТ ГК БПТУ). При этом крышку целесообразно изготовить с горловиной перед ее фланцем 6, что облегчает монтаж ПСК в отсеке АПЛ, обеспечивая установку (заводку) крепежа в отверстия фланца со стороны патрубка.

Для быстрого обнаружения дефекта рабочей РКО, используемого в качестве неопорной связи ПСК в ГЭУ АПЛ, необходимо его снабдить предохранительной РКО 7. Давление газа в камере 8, образованной оболочками, должно быть меньше давления забортной воды в ЦТ ГК. Камера посредством прочной трубки 9 сообщена через редуктор с системой аварийной защиты ГЭУ, которая в случае дефекта рабочей РКО (аварийный сигнал - «соль в ПСК») в автоматическом режиме анализирует ситуацию и принимает меры по ее ликвидации.

В прямоточном патрубке направление потока рабочей среды - забортной воды, в отличие от угловых патрубков, не меняется и не искажается, но в случае необходимости, даже в них можно предусмотреть место для глушителей гидродинамического шума (ГДШ). На фиг.2 поз.10 - ГДШ в виде резинокордных шаров, заполненных газом под давлением, размещены в металлических корпусах с перфорацией, а те в свою очередь, установлены внутри ПСК.

Исходя из вышеизложенного ПСК работает следующим образом.

Исходные условия:

1) ПСК (опорный или упорный низкочастотный пневматический амортизатор, т.е. опорная связь), находящаяся под весовой нагрузкой от БПТУ, обеспечивает осевые перемещения между корпусом 1 и крышкой 2. Это происходит за счет РКО 3, т.к. она перекатывается (внутренняя часть РКО по отношению к внешней) по направляющим поверхностям крышки и верхней части корпуса, ибо ТРМ элемент 4 на сжатие и растяжение не работает, а совместно с частями корпуса представляет его, как одно целое. В то же время при сдвиге корпуса 1 относительно крышки 2 в радиальном направлении крышка 2 как бы «тянет» за собой верхнюю часть корпуса (они практически сдвигаются совместно с РКО 3 одновременно, как бы одно целое), т.к. в этом случае их перемещение относительно нижней части корпуса осуществляется уже за счет ТРМ элемента 4, который в данной плоскости значительно мягче РКО 3. Кроме того, при резком сжатии в осевом направлении ТРМ элемент 4 работает как ограничитель перемещения крышки относительно корпуса, предотвращая их от повреждения.

2) ПСК (неопорная связь) работает аналогично, но за исключением того, что сквозь ПСК проходит рабочая среда - забортная вода.

В случае использования ПСК в качестве патрубка (амортизатора) целесообразно его «глухие» фланцы изготовлять меньшей толщины, чем фланцы ПСК в качестве патрубка (неопорной связи), т.к. давление газа значительно меньше давления забортной воды, т.е. фланцы крышки и корпуса можно изготовить меньшим габаритом и конфигурацией, схожей с фланцем ЭВ-100, повторяющим ширину опорной плиты фундамента, а с другой стороны, где крышка, ширину опорной плиты промежуточной рамы БПТУ. Во избежание перемещения БПТУ при бортовой качке корабля или дифференте АПЛ опорные амортизаторы применяют в качестве упорных амортизаторов.

Во всем остальном, а именно направляющие цилиндрические поверхности под РКО крышки и корпуса, сами РКО, ТРМ элементы и крепеж между собой унифицированы. Таким образом, разница в опорно-неопорных связях может быть сведена к различию фланцев под крепеж.

Поставленную задачу можно считать выполненной с наименьшими трудозатратами по сравнению с их раздельным, независимо друг от друга, исполнением разными контрагентами проектанта БПТУ.

Если предположить, что в перспективе БПТУ по мощности унифицировано, а количество АПЛ в серии невелико, то в свете требований по внедрению в промышленность ресурсосберегающих технологий упускать возможность наибольшей унификации применяемых в БПТУ опорно-неопорных связей нельзя. Тем более, что, изготовив герметичные заглушки для фланцев неопорной связи, легко из последней получить опорную связь и, наоборот: из опорной связи - неопорную.

Предлагаемое изобретение на унифицированные опорно-неопорные связи наделено неизвестными до сих пор признаками. Сочетание РКО с ТРМ элементом в ПСК позволяет получить существенный положительный эффект, а именно улучшить виброизоляцию, повысить надежность работы его элементов (РКО). Массогабаритные показатели такого прямоточного ПСК, по сравнению с угловым патрубком IV поколения, говорят сами за себя (см. фиг.3).

Унифицированный низкочастотный патрубок - ПСК значительно улучшает компоновку БПТУ перспективных ГЭУ и снижает трудозатраты на ее создание. Опорно-неопорные связи являются главными связями БПТУ, определяющими уровень ее вибрации, передаваемой на корпус корабля и во внешнюю среду, поэтому решение этой задачи весьма актуально и своевременно.

Изобретение относится к судостроению и касается создания судов и кораблей, включая подводные лодки с блочными паротурбинными установками и атомные ледоколы с паротурбинной установкой. Патрубок снабжен резинометаллическим элементом, который выполнен в виде чередующихся между собой слоев резины и металла, запрессованных с помощью герметика между верхней и нижней металлическими обоймами, и жестко установлен в корпусе, разделяя его на верхнюю и нижнюю части с обеспечением радиальных перемещений крышки и нижней части корпуса. Изобретение обеспечивает живучесть и скрытность атомных подводных лодок, а также снижает трудозатраты на их постройку посредством создания надежных высокоэффективных и малогабаритных патрубков главной энергетической установки корабля на единой элементной базе и принципе их работы. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Патрубок сдвиговой комбинированный, содержащий корпус и крышку, соединенные между собой посредством рабочей резинокордной оболочки, вершина гофры которой направлена вдоль оси патрубка к его корпусу, отличающийся тем, что патрубок снабжен резинометаллическим элементом, который выполнен в виде чередующихся между собой слоев резины и металла, запрессованных с помощью герметика между верхней и нижней металлическими обоймами, и жестко установлен в корпусе, разделяя его на верхнюю и нижнюю части с обеспечением радиальных перемещений крышки и нижней части корпуса.2. Патрубок по п.1, отличающийся тем, что крышка, рабочая резинокордная оболочка, резинометаллический элемент и корпус образуют рабочий объем, соединенный с системой сжатого газа, например воздуха.3. Патрубок по п.1, отличающийся тем, что в крышке и корпусе вдоль оси патрубка выполнены сквозные отверстия, с образованием совместно с резинометаллическим элементом единого водовода, сообщаемого с рабочей средой, например забортной водой циркуляционной трассы главного конденсатора блочной паротурбинной установки атомной подводной лодки.4. Патрубок по любому из пп.2 и 3, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной (предохранительной) резинокордной оболочкой и давление газа в полученной с помощью оболочек камере не больше давления среды газа в рабочем объеме или водоводе с забортной водой, «запираемой» рабочей оболочкой.5. Патрубок по п.3, отличающийся тем, что он снабжен глушителями гидродинамического шума в виде резинокордных шаров, заполненных газом под давлением, которые размещены в металлических с перфорацией (отверстиями) шаровидных прочных корпусах, которые, в свою очередь, установлены внутрь патрубка.6. Патрубок по п.3, отличающийся тем, что крышка снабжена горловиной с фланцем.