Конструкция болтового крепления и турбомашина с использованием этой конструкции
BOLT-FASTENING STRUCTURE AND TURBO MACHINE USING THE STRUCTURE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к конструкции узла с болтовым креплением (к конструкции болтового крепления) в турбомашине и к турбомашине с использованием конструкции болтового крепления.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Турбомашина, представляющая собой компрессор, насос, паровую турбину и т.д., снабжена корпусом, использующимся в качестве оболочки. Корпус включает в себя узел, крепление которого осуществляется с помощью болта (узел болтового крепления) и к которому предъявляется требование высокой воздухонепроницаемости. Развитие нефтяной промышленности и газовой промышленности вызывает необходимость увеличения как давления в турбомашине, так и диаметра самой турбомашины. Однако по мере увеличения давления в турбомашине и диаметра самой турбомашины происходит увеличение и вероятности утечки газа высокого давления, находящегося в корпусе, из узла болтового крепления корпуса. Для предотвращения утечки газа высокого давления требуется надежное крепление узла болтового крепления с помощью болта, для обеспечения которого широко используется устройство для натяжения болта. С помощью устройства для натяжения болта захватывается кончик болта, и болт подвергается растяжению под действием давления масла. После этого гайку опускают на элемент, подлежащий креплению (например, на корпус), и сбрасывают давление масла в устройстве для натяжения болта, на чем операция крепления с помощью болта (операция болтового крепления) завершается. Использование устройства для натяжения болта позволяет нагружать болт с большим осевым усилием, возникающим под действием силы давления масла и, таким образом, обеспечивает уменьшение изменения осевого усилия вследствие контактного трения между крепежными элементами (между болтом и гайкой).
При болтовом креплении с помощью устройства для натяжения болта существует возможность уменьшения осевого усилия болта, нагружаемого силой давления масла, после сброса давления масла в результате изменения жесткости и деформации болта и элемента, подлежащего креплению. Следовательно, для обеспечения более надежного крепления элемента, подлежащего креплению, требуется предотвращение уменьшения осевого усилия болта после сброса давления масла.
В качестве технологии, относящейся к устройству для натяжения болта, публикация нерассмотренной заявки на патент Японии №2010-501875 (перевод заявки РСТ) раскрывает способ, в котором измеряют разность между длиной болта перед тем, как его нагружают силой давления масла, и длиной болта после того, как этот болт нагружают силой давления масла, и по полученной разности определяют предварительное натяжение болта, нагружаемого силой давления масла. Публикация нерассмотренной заявки на патент Японии №2013-22710 раскрывает устройство для натяжения болта, которое может быть использовано применительно к корпусам, работающим под давлением, разного размера и в состав которого входят установленные с обеих сторон направляющие устройства, угол установки которых может свободно изменяться. Публикация нерассмотренной заявки на патент Японии №11-300547 раскрывает устройство болтового крепления корпуса турбины, в котором использование многоступенчатого гидравлического привода позволяет осуществлять демонтаж устройства для натяжения болта после сброса давления масла без затруднений.
ДОКУМЕНТЫ, ОТНОСЯЩИЕСЯ К УРОВНЮ ТЕХНИКИ
ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ
Документ 1: Публикация нерассмотренной заявки на патент Японии (перевод заявки РСТ) №2010-501875.
Документ 2: Публикация нерассмотренной заявки на патент Японии №2013-22710.
Документ 3: Публикация нерассмотренной заявки на патент Японии №11-300547.
ПРОБЛЕМЫ, РЕШАЕМЫЕ С ПОМОЩЬЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как указано выше, при болтовом креплении с использованием устройства для натяжения болта (при креплении с помощью болта) существует проблема уменьшения осевого усилия болта, нагружаемого силой давления масла, после сброса давления масла. Публикация нерассмотренной заявки на патент Японии №2010-501875 (перевод заявки РСТ), публикация нерассмотренной заявки на патент Японии №2013-22710 и публикация нерассмотренной заявки на патент Японии №11-300547 раскрывают изобретения, относящиеся к устройству для натяжения болта. Однако эти документы не раскрывают технологию предотвращения уменьшения осевого усилия болта после сброса давления масла.
Настоящее изобретение направлено на разрешение вышеуказанной проблемы. Целью изобретения является создание конструкции болтового крепления, позволяющей предотвратить уменьшение осевого усилия болта, нагружаемого силой давления масла, в составе устройства для натяжения болта после сброса давления масла, а также турбомашины с использованием этой конструкции.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Конструкции болтового крепления согласно настоящему изобретению имеет следующие признаки. Конструкция болтового крепления включает в себя первый элемент, имеющий болтовое отверстие; второй элемент, имеющий участок с внутренней резьбой; болт, вставляемый в болтовое отверстие и в участок с внутренней резьбой для крепления первого элемента и второго элемента одного к другому; и гайку, размещаемую на первом элементе, которая имеет выпуклый участок, выступающий в сторону второго элемента. Если считать продольное направление болта осевым направлением, то площадь сечения выпуклого участка гайки, перпендикулярного осевому направлению, превышает площадь сечения болта, перпендикулярного осевому направлению. Второй элемент имеет болтовое отверстие, которое располагается со стороны первого элемента относительно участка с внутренней резьбой, и длина этого болтового отверстия превышает длину выступания выпуклого участка гайки.
ПОЛЕЗНЫЙ ЭФФЕКТ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение позволяет создать конструкцию болтового крепления с возможностью предотвращения уменьшения осевого усилия болта, нагружаемого силой давления масла, создаваемой устройством для натяжения болта, после сбрасывания давления масла, а также турбомашину с использованием этой конструкции.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - вид конструкции болтового крепления согласно первому примеру осуществления настоящего изобретения в разрезе;
Фиг. 2 - вид конструкции известного болтового крепления в разрезе;
Фиг. 3А - внешний вид корпуса центробежного компрессора с горизонтальным разъемом и конструкцией болтового крепления согласно первому варианту осуществления;
Фиг. 3В - вид конструкции болтового крепления в разрезе по линии А-А на фиг. 3А; Фиг. 3С - вид в разрезе по линии В-В на фиг. 3В;
Фиг. 3D - вид в разрезе по линии В-В на фиг. 3В в случае положения болта с двусторонней резьбой, отличного от положения на фиг. 3С;
Фиг. 4 - вид конструкции болтового крепления в разрезе при использовании в конструкции болтового крепления согласно первому варианту осуществления устройства для натяжения болта, имеющего основание, форма которого отличается от формы на фиг. 1, фиг. 3С и фиг. 3D;
Фиг. 5 - вид конструкции болтового крепления согласно второму варианту осуществления изобретения в разрезе; и
Фиг. 6 - вид конструкции болтового крепления согласно третьему варианту осуществления изобретения в разрезе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Конструкция болтового крепления согласно настоящему изобретению включает в себя первый элемент, имеющий болтовое отверстие (отверстие без канавки), второй элемент, имеющий участок с внутренней резьбой (отверстие с канавкой), болт, вставляемый в болтовое отверстие и в участок с внутренней резьбой для крепления первого элемента и второго элемента одного к другому, и гайку выпуклой формы, размещаемую на первом элементе, имеющую выпуклый участок, выступающий в сторону второго элемента. Площадь сечения выпуклого участка гайки (площадь сечения, перпендикулярного продольному направлению болта) превышает площадь сечения болта (площадь сечения, перпендикулярного продольному направлению болта). Второй элемент имеет болтовое отверстие, которое располагается со стороны первого элемента относительно участка с внутренней резьбой. Длина этого болтового отверстия превышает длину выступания выпуклого участка гайки.
По сравнению с известной конструкцией болтового крепления конструкция болтового крепления согласно настоящему изобретению позволяет снизить жесткость болта во время нагружения силой давления масла, создаваемой устройством для натяжения болта, за счет болтового отверстия во втором элементе и повысить жесткость болта после сброса давления масла за счет гайки выпуклой формы. Изменение жесткости болта во время нагружения силой давления масла и после сброса давления масла позволяет предотвратить уменьшение осевого усилия болта после сброса давления масла. Предотвращение уменьшения осевого усилия болта, а также увеличение этого осевого усилия по сравнению с известной конструкцией болтового крепления обеспечивает возможность более надежного крепления элемента, подлежащего креплению (например, корпуса), и увеличения как давления в турбомашине, так диаметра самой турбомашины. Кроме того, за счет увеличения осевого усилия болта появляется возможность сокращения числа болтов, необходимых для крепления, что приводит к снижению стоимости узла болтового крепления, связанных с материалами, изготовлением, работами и т.д. Конструкция болтового крепления согласно настоящему изобретению, в общем, подходит для множества турбомашин, таких как компрессор, насос, паровая турбина и т.д., и может быть использована для крепления любой детали этих турбомашин, такой как корпус.
Ниже приводится описание вариантов осуществления конструкции болтового крепления согласно настоящему изобретению, сопровождаемое ссылками на прилагаемые чертежи. В описываемых ниже вариантах осуществления рассматриваются примеры, в которых конструкция болтового крепления согласно настоящему изобретению используется применительно к корпусу (к корпусу, работающему под давлением) центробежного компрессора для крепления верхнего фланца, являющегося первым элементом, и нижнего фланца, являющегося вторым элементом, одного к другому. При этом конструкция болтового крепления согласно настоящему изобретению может использоваться как в случаях вертикального размещения первого и второго элементов друг относительно друга, как показано в рассматриваемых ниже вариантах осуществления, так и в случаях горизонтального размещения первого и второго элементов друг относительно друга.
Первый Вариант осуществления
На фиг. 1 представлен вид конструкции 100 болтового крепления согласно первому примеру осуществления настоящего изобретения в разрезе.
На фиг. 2 - вид конструкции 200 известного болтового крепления в разрезе, представленный для сравнения.
На фиг. 3А, фиг. 3В, фиг. 3С и фиг. 3D представлены виды центробежного компрессора 300 с конструкцией 100 болтового крепления согласно первому варианту осуществления.
На фиг. 4 представлен вид конструкции болтового крепления в разрезе при использовании устройства для натяжения болта, отличного от устройства на фиг. 1.
Подробное описание видов, представленных на фиг. 3A-3D и фиг. 4, приводится ниже. При этом на фиг. 1, фиг. 2, фиг 3A-3D и фиг. 4 идентичные или соответствующие элементы конструкции обозначены одними и теми же ссылочными позициями и повторного описания этих элементов конструкции не приводится.
На фиг. 1 представлена конструкция 100 болтового крепления согласно рассматриваемому варианту осуществления, включающая в себя верхний фланец 108, нижний фланец 109, располагающийся под верхним фланцем 108, болт 106 с двусторонней резьбой для крепления верхнего фланца 108 и нижнего фланца 109 одного к другому и гайку выпуклой формы, располагающуюся над верхним фланцем 108. Для крепления верхнего фланца 108 и нижнего фланца 109 одного к другому с помощью болта 106 с двусторонней резьбой используется устройство 105 для натяжения болта. Устройство 105 для натяжения болта включает в себя три элемента, такие как стержень 102, работающий на растяжение, для захвата болта 106 с двусторонней резьбой, гидравлический домкрат 103 для нагружения стержня 102, работающего на растяжение, силой давления масла, и основание 104 для восприятия силы реакции на силу давления масла и сжатия верхнего фланца 108. Основание 104 имеет форму цилиндра, приводимого в контакт с верхней поверхностью верхнего фланца 108 в вертикальном направлении. То есть основание 104 вытянуто в виде цилиндра в направлении нормали к верхней поверхности верхнего фланца 108 (в вертикальном направлении на фиг. 1) от этой верхней поверхности. В приводимом ниже описании продольное направление болта 106 с двусторонней резьбой (вертикальное направление на фиг. 1) называется "осевым направлением".
Гайка 107 выпуклой формы имеет заплечик 120 и выпуклый участок 113, выступающий от заплечика 120 в сторону нижнего фланца 109 в осевом направлении. Заплечик 120 является участком, диаметр (максимальная длина этого участка в направлении перпендикуляра к осевому направлению) которого превышает диаметр выпуклого участка 113. Площадь сечения выпуклого участка 113 гайки, перпендикулярного осевому направлению (площадь сечения, за исключением участка отверстия), превышает площадь сечения болта 106 с двусторонней резьбой, перпендикулярного осевому направлению. Заплечик 120 гайки 107 выпуклой формы находится в контакте с верхней поверхностью верхнего фланца 108. Участок контакта заплечика 120 гайки 107 выпуклой формы с верхней поверхностью верхнего фланца 108 называется контактным участком 119.
Верхний фланец 108 включает в себя болтовые отверстия, такие как "верхнее болтовое отверстие 110 в верхнем фланце", располагающееся со стороны гайки 107 выпуклой формы, и "нижнее болтовое отверстие 111 в верхнем фланце", располагающееся в нижней части верхнего болтового отверстия 110 (со стороны нижнего фланца 109). Длина (длина в осевом направлении) верхнего болтового отверстия 110 в верхнем фланце превышает длину (длину выступания) выпуклого участка 113 гайки 107 выпуклой формы в осевом направлении. Диаметр верхнего болтового отверстия 110 в верхнем фланце превышает диаметр нижнего болтового отверстия 111 в верхнем фланце и наружный диаметр выпуклого участка 113 гайки 107 выпуклой формы. В верхнее болтовое отверстие 110 в верхнем фланце вставляется выпуклый участок 113 гайки 107 выпуклой формы. В нижнее болтовое отверстие 111 в верхнем фланце вставляется болт 106 с двусторонней резьбой.
Нижний фланец 109 включает в себя участок 118 с внутренней резьбой для крепления верхнего фланца 108 и нижнего фланца 109 одного к другому с помощью болта 106 с двусторонней резьбой. Кроме того, нижний фланец 109 включает в себя "болтовое отверстие 112 в нижнем фланце", располагающееся в верхней части участка 118 с внутренней резьбой (со стороны верхнего фланца 108). Болтовое отверстие 112 в нижнем фланце сообщается с нижним болтовым отверстием 111 в верхнем фланце 108. В болтовое отверстие 112 в нижнем фланце и в участок 118 с внутренней резьбой вставляется болт 106 с двусторонней резьбой. Длина болтового отверстия 112 в нижнем фланце превышает длину выступания выпуклого участка 113 гайки 107 выпуклой формы.
Как показано на фиг. 2, известная конструкция 200 болтового крепления включает в себя верхний фланец 108, нижний фланец 109, болт 106 с двусторонней резьбой и гайку 201, располагающуюся над верхним фланцем 108. Устройство 105 для натяжения болта обеспечивает крепление верхнего фланца 108 и нижнего фланца 109 одного к другому с помощью болта 106 с двусторонней резьбой. Верхний фланец 108 снабжен болтовым отверстием 202. В болтовое отверстие 202 вставляется болт 106 с двусторонней резьбой.
В известной конструкции 200 болтового крепления нижний фланец 109 включает в себя только участок 118 с внутренней резьбой, и крепление верхнего фланца 108 и нижнего фланца 109 одного к другому с помощью болта 106 с двусторонней резьбой осуществляется за счет участка 118 с внутренней резьбой.
В случае, когда в конструкции 100 болтового крепления согласно рассматриваемому варианту осуществления, показанной на фиг. 1, при помощи гидравлического домкрата 103 устройства 105 для натяжения болта нагружают стержень 102, работающий на растяжение, силой давления масла, происходит отжатие этого стержня 102, работающего на растяжение, вверх и растяжение болта 106 с двусторонней резьбой вверх в осевом направлении. В результате растяжения болта 106 с двусторонней резьбой на контактном участке 119 появляется зазор между заплечиком 120 гайки 107 выпуклой формы и верхней поверхностью верхнего фланца 108. При поддержании болта 106 с двусторонней резьбой 106 в растянутом состоянии путем поворота гайки 107 выпуклой формы заплечик 120 опускают на верхнюю поверхность верхнего фланца 108 и приводят в контакт с верхней поверхностью верхнего фланца 108 на контактном участке 119. Последующий сброс давления масла в гидравлическом домкрате 103 при поддержании этого состояния позволяет завершить операцию болтового крепления между верхним фланцем 108 и нижним фланцем 109.
При этом отношение между начальным осевым усилием F, возникающим в болте 106 с двусторонней резьбой при нагружении стержня 102, работающего на растяжение, силой давления масла при помощи гидравлического домкрата 103, и остаточным осевым усилием F', остающимся в болте 103 с двусторонней резьбой после сброса давления масла, определяемое в качестве коэффициента γ эффективности осевого усилия, выражается уравнением (1):
.
В результате изменения жесткости и деформации болта 106 с двусторонней резьбой и верхнего фланца 108 остаточное осевое усилие F' после сброса давления масла становится меньше, чем начальное осевое усилие F. Поэтому из соотношения в уравнении (1) следует, что коэффициент γ эффективности осевого усилия становится ниже 1, и для предотвращения уменьшения осевого усилия болта после сброса давления масла, являющегося целью настоящего изобретения, коэффициент γ эффективности осевого усилия необходимо приблизить к 1.
Коэффициент γ эффективности осевого усилия можно получить из перемещения болта 106 с двусторонней резьбой и верхнего фланца 108 и осевого усилия болта 106 с двусторонней резьбой во время нагружения силой давления масла и после сброса давления сброса давления масла. Во время нагружения силой давления масла болт 106 с двусторонней резьбой подвергается растяжению со стороны стержня 102, работающего на растяжение, а верхний фланец 108 - сжатию со стороны основания 104. При этом болт 106 с двусторонней резьбой нагружается начальным осевым усилием F, а на контактном участке 119 появляется зазор. Если перемещение заплечика 120 гайки 107 выпуклой формы в направлении вверх во время нагружения силой давления масла обозначить как λb, а перемещение верхней поверхности верхнего фланца 108 в направлении вниз обозначить как λuf, то величина Δλ зазора на контактном участке 119 можно быть выражена уравнением (2):
,
,
,
где жесткость болта 106 с двусторонней резьбой обозначена как Kb, а жесткость верхнего фланца 108 - как Kuf. Перемещения λb и λuf могут быть выражены соответственно уравнениями (3) и (4).
При поддержании зазора на контактном участке 119 гайку 107 выпуклой формы путем поворота опускают вниз на величину Δλ зазора, в результате чего заплечик 120 гайки 107 выпуклой формы опускается на верхнюю поверхность верхнего фланца 108. Последующий сброс давления масла при поддержании этого состояния обеспечивает растяжение болта 106 с двусторонней резьбой сжатие верхнего фланца 108 гайкой 107 выпуклой формы. При этом в болте 106 с двусторонней резьбой возникает остаточное осевое усилие F'. Если перемещение заплечика 120 гайки 107 выпуклой формы в направлении вверх от положения заплечика 120 в опущенном состоянии после сброса давления масла обозначить как λ'b, а перемещение верхней поверхности верхнего фланца 108 от его исходного положения обозначить как λ'uf, то сумма этих перемещений становится равной величине Δλ зазора, и поэтому получаем уравнение (5):
,
,
,
где жесткость болта 106 с двусторонней резьбой обозначена как K'b, а жесткость верхнего фланца 108 - как K'uf. Перемещения λ'b и λ'uf могут быть выражены соответственно уравнениями (6) и (7).
Из уравнений (2)-(7) получается уравнение (8), а коэффициент γ эффективности осевого усилия выражается уравнением (9), полученным из уравнения (1) и уравнения (8):
,
.
Из уравнения (9) следует, что повышения коэффициента γ эффективности осевого усилия можно достичь либо за счет снижения жесткости Kb болта 106 с двусторонней резьбой или жесткости Kuf верхнего фланца 108 во время нагружения силой давления масла, либо за счет повышения жесткости K'b болта 106 с двусторонней резьбой или жесткости K'uf верхнего фланца 108 после сброса давления масла.
В конструкции болтового крепления согласно рассматриваемому варианту осуществления по сравнению с известной конструкцией болтового крепления жесткость болта 106 с двусторонней резьбой изменяется.
Как показано на фиг. 2, известная конструкция болтового крепления включает в себя в качестве областей, влияющих на жесткость болта 106 с двусторонней резьбой, три области: участок 215 зацепления гайки 201, участок 216 незацепления болта 106 с двусторонней резьбой и участок 217 зацепления участка 118 с внутренней резьбой. При этом известно, что гайка 201 и участок 118 с внутренней резьбой водят в зацепление с болтом 106 с двусторонней резьбой не по всей его длине, а только на отдельных участках. Участками зацепления являются участок 215 зацепления гайки 201 и участок 217 зацепления участка 118 с внутренней резьбой.
Как показано на фиг. 1, конструкция болтового крепления согласно рассматриваемому варианту осуществления в отличие от известной конструкции болтового крепления включает в себя гайку, представляющую собой гайку 107 выпуклой формы, и болтовое отверстие 112 в нижнем фланце над участком 118 с внутренней резьбой нижнего фланца 109. Поэтому области, влияющие на жесткость болта 106 с двусторонней резьбой, в конструкции болтового крепления согласно рассматриваемому варианту осуществления в дополнение к трем областям, соответствующим областям в составе известной конструкции болтового крепления, представляющим собой участок 115 зацепления гайки 107 выпуклой формы, участок 116 незацепления болта 106 с двусторонней резьбой и участок 117 зацепления участка 118 с внутренней резьбой, включают в себя участок 114 незацепления гайки 107 выпуклой формы.
За счет большей длины болтового отверстия 112 в нижнем фланце по сравнению с длиной выступания выпуклого участка 113 гайки 107 выпуклой формы длина участка 116 незацепления болта 106 с двусторонней резьбой может быть увеличена по сравнению с длиной участка 216 незацепления болта 106 с двусторонней резьбой в известной конструкции болтового крепления (фиг. 2). В результате суммарная длина участков 115, 117 зацепления и участка 116 незацепления в конструкции болтового крепления согласно рассматриваемому варианту осуществления становится больше, чем суммарная длина участков 215, 217 зацепления и участка 216 незацепления в известной конструкции болтового крепления. Кроме того, в конструкции болтового крепления согласно рассматриваемому варианту осуществления к суммарной длине участков 115, 117 зацепления и участка 116 незацепления прибавляется длина участка 114 незацепления гайки 107 выпуклой формы, и полученная результирующая длина является длиной областей, влияющих на жесткость болта 106 с двусторонней резьбой. Следовательно, длина областей, влияющих на жесткость болта 106 с двусторонней резьбой, в конструкции болтового крепления согласно рассматриваемому варианту осуществления превышает соответствующую длину в известной конструкции болтового крепления.
Жесткость K болта может быть выражена уравнением (10):
,
где L, А и Е - соответственно длина, площадь сечения и коэффициент упругости области, влияющей на жесткость болта. То есть чем больше длина L, тем ниже жесткость K, а чем больше площадь сечения А или коэффициент Е упругости, тем выше жесткость K.
Как указано выше, длина областей, влияющих на жесткость болта 106 с двусторонней резьбой, в конструкции болтового крепления согласно рассматриваемому варианту осуществления становится больше, чем соответствующая длина в известной конструкции болтового крепления. Другими словами, жесткость болта 106 с двусторонней резьбой в конструкции болтового крепления согласно рассматриваемому варианту осуществления становится ниже, чем жесткость в известной конструкции болтового крепления. Это означает снижение жесткости Kb болта 106 с двусторонней резьбой во время нагружения силой давления масла в уравнении (9), что в результате обеспечивает возможность повышения коэффициента γ эффективности осевого усилия.
Кроме того, в конструкции болтового крепления согласно рассматриваемому варианту осуществления к жесткости болта 106 с двусторонней резьбой после сброса давления масла по сравнению с известной конструкцией болтового крепления добавляется жесткость, соответствующая длине участка 114 незацепления гайки 107 выпуклой формы. Это означает повышение жесткости K'b болта 106 с двусторонней резьбой после сброса давления масла в уравнении (9), что в результате обеспечивает повышение коэффициента γ эффективности осевого усилия.
После сброса давления масла в выпуклом участке 113 гайки 107 выпуклой формы возникает осевое усилие, эквивалентное остаточному осевому усилию F', возникающему в болте 106 с двусторонней резьбой. Следовательно, с учетом прочности и деформации выпуклого участка 113 площадь сечения выпуклого участка 113, перпендикулярного осевому направлению (площадь сечения, за исключением участка отверстия), в предпочтительном варианте должна быть больше площади сечения болта 106 с двусторонней резьбой, перпендикулярного осевому направлению. Увеличение площади сечения выпуклого участка 113, перпендикулярного осевому направлению, приводит к повышению жесткости K'b болта 106 с двусторонней резьбой после сброса давления масла, что обеспечивает дополнительное повышение коэффициента γ эффективности осевого усилия.
Рассмотрим далее со ссылками на фиг. 3A-3D пример использования конструкции 100 болтового крепления согласно рассматриваемому варианту осуществления применительно к турбомашине. На фиг. 3A-3D в качестве примера турбомашины с использованием конструкции 100 болтового крепления согласно рассматриваемому варианту осуществления представлен центробежный компрессор 300. На фиг. 3А представлен внешний вид корпуса центробежного компрессора 300 с горизонтальным разъемом, на фиг. 3В - вид конструкции 100 болтового крепления в разрезе по линии А-А на фиг. 3А, на фиг. 3С - вид в разрезе по линии В-В на фиг. 3В, а на фиг. 3D - вид в разрезе по линии В-В на фиг. 3В в случае положения болта 106 с двусторонней резьбой, отличного от положения на фиг. 3С. При этом на фиг. 3С и 3D показано сечение основания 104 устройства для натяжения болта, не показанного на фиг. 3А и ЗВ.
Центробежный компрессор 300 включает в себя корпус (корпус, работающий под давлением), рабочее колесо и ось вращения, располагающиеся в корпусе, и уплотнительный кожух для уплотнения торцевого участка корпуса. Рабочее колесо, ось вращения и уплотнительный кожух на фиг. 3A-3D не показаны. При этом на фиг. 3А представлен центробежный компрессор 300, снабженный корпусом с горизонтальным разъемом, однако конструкция 100 болтового крепления согласно рассматриваемому варианту осуществления может быть использована и применительно к центробежному компрессору с корпусом баррельного типа.
По сравнению с корпусом баррельного типа корпус с горизонтальным разъемом характеризуется более высокой ремонтопригодностью, но имеет проблемы, связанные с воздухонепроницаемостью. Поэтому для обеспечения возможности использования корпуса с горизонтальным разъемом большего диаметра, способного выдерживать более высокое давление, требуется более надежное крепление с помощью узла болтового крепления.
Как показано на фиг. 3А, корпус с горизонтальным разъемом включает в себя верхний корпус 301, нижний корпус 302 и узлы 303 болтового крепления. Вокруг двух корпусов (верхнего корпуса 301 и нижнего корпуса 302) корпуса с горизонтальным разъемом располагаются фланцы - фланец верхнего корпуса 301 и фланец нижнего корпуса 302, крепление которых одного к другому осуществляется с помощью узлов 303 болтового крепления и которые обеспечивают непроницаемость для газа высокого давления.
Как показано на фиг. 3В, в узлах 303 болтового крепления использована конструкция 100 болтового крепления согласно рассматриваемому варианту осуществления. То есть над фланцем верхнего корпуса 301 располагается гайка 107 выпуклой формы, а фланец нижнего корпуса 302 снабжен болтовым отверстием 112 в нижнем фланце, располагающимся над участком 118 с внутренней резьбой. В случае корпуса с горизонтальным разъемом утечка газа может беспрепятственно происходить со стороны торцевого участка 304 корпуса и со стороны его центрального участка 305 (см. фиг. 3А). Конструкция 100 болтового крепления согласно рассматриваемому варианту осуществления может быть использована как применительно только к узлам 303 болтового крепления на торцевом участке 304 корпуса и на его центральном участке 305, так и применительно ко всем узлам 303 болтового крепления.
На фиг. 3С представлен вид в разрезе по линии В-В на фиг. 3В, демонстрирующий взаимное положение болта 106 с двусторонней резьбой, гайки 107 выпуклой формы, основания 104 и верхнего корпуса 301. Как показано на фиг. 3С, сечение основания 104, перпендикулярного осевому направлению, как правило, имеет кольцеобразную форму.
На фиг. 3D представлен вид в разрезе по линии В-В на фиг. 3В, демонстрирующий взаимное положение болта 106 с двусторонней резьбой, гайки 107 выпуклой формы, основания 104а и верхнего корпуса 301. Однако в отличие от основания 104 на фиг. 3С, сечение основания 104а, перпендикулярное осевому направлению, имеет форму разрезанного кольца (форму, напоминающую букву С), отличную от формы сечения основания 104 на фиг. 3С. Для герметичного уплотнения верхнего корпуса 301 и нижнего корпуса 302 с более высокой надежностью и обеспечения непроницаемости для газа высокого давления в корпусе болт 106 с двусторонней резьбой и гайка 107 выпуклой формы в предпочтительном варианте должны быть смещены в направлении внутрь по диаметру верхнего корпуса 301. Однако в случае попытки смещения болта 106 с двусторонней резьбой и гайки 107 выпуклой формы в направлении внутрь по диаметру верхнего корпуса 301 основание 104, показанное на фиг. 3С, имеющее кольцеобразную форму сечения, перпендикулярного осевому направлению, использовано быть не может. Поэтому используется основание 104а, показанное на фиг. 3D, имеющее сечение в форме разрезанного кольца. Основание 104а располагается таким образом, чтобы разрез кольца основания 104а был обращен в направлении внутрь по диаметру верхнего корпуса 301. Основание 104а с сечением в форме разрезанного кольца может быть изготовлено в результате, например, отрезания части основания 104 с кольцеобразной формой сечения.
На фиг. 4 представлен вид конструкции болтового крепления в разрезе при использовании в конструкции 100 болтового крепления согласно рассматриваемому варианту осуществления устройства 105 для натяжения болта, имеющего основание 104b, форма которого отличается от формы на фиг. 1, фиг. 3С и фиг. 3D. На фиг. 1, фиг. 3С и фиг. 3D основание 104 устройства 105 для натяжения болта имеет форму цилиндра, приводимого в контакт с верхней поверхностью верхнего фланца 108 и верхней поверхностью фланца верхнего корпуса 301 в вертикальном направлении. Однако по форме основание устройства 105 для натяжения болта не ограничивается только цилиндром и может иметь, как основание 104b на фиг. 4 форму конуса, приводимого в контакт с верхней поверхностью верхнего фланца 108 и верхней поверхностью фланца верхнего корпуса 301 под непрямым углом. В предпочтительном варианте основание 104b имеет форму конуса, расширяющегося в направлении от верхней поверхности верхнего фланца 108 и верхней поверхности фланца верхнего корпуса 301 в сторону гидравлического домкрата 103.
Если основание 104b имеет форму конуса, то сила реакции основания 104b, возникающая во время нагружения силой давления масла устройства 105 для натяжения болта, становится больше, чем в случае, когда основание имеет форму цилиндра, и деформация при сжатии вблизи верхнего болтового отверстия 110 в верхнем фланце увеличивается. Это означает снижение жесткости Kuf верхнего фланца 108 во время нагружения силой давления масла в уравнении (9), что в результате обеспечивает возможность повышения коэффициента γ эффективности осевого усилия.
Второй Вариант осуществления
На фиг. 5 представлен вид конструкции 400 болтового крепления согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения в разрезе. На фиг. 5 ссылочными позициями, идентичными ссылочным позициям на фиг. 1, обозначены элементы конструкции, идентичные или соответствующие элементам конструкции на фиг. 1. Поэтому описания элементов и функций конструкции 400 болтового крепления, представленной на фиг. 5, идентичных элементам и функциям конструкции 100 болтового крепления согласно первому варианту осуществления изобретения, представленной на фиг. 1, не приводится.
По сравнению с конструкцией 100 болтового крепления согласно первому варианту осуществления, конструкция 400 болтового крепления согласно рассматриваемому варианту осуществления, дополнительно включает в себя подкладную шайбу 401 между верхней поверхностью верхнего фланца 108 и заплечиком 120 гайки 107 выпуклой формы. В верхнее болтовое отверстие 110 в верхнем фланце вставляется часть выпуклого участка 113 гайки 107 выпуклой формы.
Добавление подкладной шайбы 401 между верхним фланцем 108 и гайкой 107 выпуклой формы позволяет увеличить длину области, влияющей на жесткость болта 106 с двусторонней резьбой, на величину высоты 402 подкладной шайбы 401 по сравнению с конструкцией 100 болтового крепления согласно первому варианту осуществления. То есть в конструкции болтового крепления 400 согласно рассматриваемому варианту осуществления длина L в уравнении (10) становится больше, чем соответствующая длина в конструкции 100 болтового крепления согласно первому варианту осуществления, и поэтому жесткость K болта 106 с двусторонней резьбой снижается. Это означает снижение жесткости Kb болт 106 с двусторонней резьбой во время нагружения силой давления масла в уравнении (9), что в результате обеспечивает возможность повышения коэффициента γ эффективности осевого усилия.
При этом длину верхнего болтового отверстия 110 в верхнем фланце, сформированного в верхнем фланце 108, можно произвольно изменять в соответствии с высотой 402 подкладной шайбы 401. Например, если высота 402 подкладной шайбы 401 больше, чем длина выступания выпуклого участка 113 гайки 107 выпуклой формы, то длину верхнего болтового отверстия 110 в верхнем фланце можно сделать меньше, чем в первом варианте осуществления, или верхнее болтовое отверстие 110 в верхнем фланце 108 может отсутствовать. В случае отсутствия верхнего болтового отверстия 110 в верхнем фланце выпуклый участок 113 гайки 107 выпуклой формы располагается на верхней поверхности верхнего фланца 108.
Третий Вариант осуществления
На фиг. 6 представлен вид конструкции 500 болтового крепления согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения в разрезе. На фиг. 6 ссылочными позициями, идентичными ссылочным позициям на фиг. 1 и фиг. 5, обозначены элементы конструкции, идентичные или соответствующие элементам конструкции на фиг. 1 и фиг. 5. Поэтому описания элементов и функций конструкции 500 болтового крепления, представленной на фиг. 6, идентичных элементам и функциям конструкции 100 болтового крепления согласно первому варианту осуществления изобретения, представленной на фиг. 1, и конструкции 400 болтового крепления согласно второму варианту осуществления изобретения, представленной на фиг. 5, не приводится.
Конструкция 500 болтового крепления согласно рассматриваемому варианту осуществления в отличие от конструкций болтового крепления согласно первому и второму вариантам осуществления включает в себя подкладную шайбу-основание 501. Подкладная шайба-основание 501 представляет собой составной элемент, образованный путем объединения основания 104 устройства 105 для натяжения болта с подкладной шайбой 401 в конструкции 400 болтового крепления (фиг. 5) согласно второму варианту осуществления. То есть подкладная шайба-основание 501 включает в себя участок 501а основания, соответствующий основанию 104 в конструкции болтового крепления во втором варианте осуществления, и участок 501b подкладной шайбы, соответствующий подкладной шайбе 401 в конструкции болтового крепления во втором варианте осуществления. Участок 501b подкладной шайбы подкладной шайбы-основания 501 располагается между верхней поверхностью верхнего фланца 108 и заплечиком 120 гайки 107 выпуклой формы.
В результате использования подкладной шайбы-основания 501, образованной путем объединения основания с подкладной шайбой, сила реакции участка 501а основания подкладной шайбы-основания 501, возникающая во время нагружения силой давления масла устройства 105 для натяжения болта, передается и на участок 501b подкладной шайбы подкладной шайбы-основания 501. Следовательно, в конструкции 500 болтового крепления согласно рассматриваемому варианту осуществления, сила реакции участка 501а основания также передается на участок 501b подкладной шайбы подкладной шайбы-основания 501, и деформация при сжатии вблизи верхнего болтового отверстия 110 в верхнем фланце увеличивается по сравнению с конструкцией болтового крепления 400 (фиг. 5) согласно второму варианту осуществления, в которой основание 104 и подкладная шайба 401 являются отдельными элементами. Это означает снижение жесткости Kuf верхнего фланца 108 во время нагружения силой давления масла в уравнении (9), что в результате обеспечивает возможность повышения коэффициента γ эффективности осевого усилия.
Кроме того, в конструкции 500 болтового крепления согласно рассматриваемому варианту осуществления за счет использования участка 501b подкладной шайбы подкладной шайбы-основания 501 можно получить те же эффекты, что и во втором варианте осуществления. То есть длина области, влияющей на жесткость болта 106 с двусторонней резьбой, становится больше, чем в конструкции 100 болтового крепления согласно первому варианту осуществления на величину высоты 402 участка 501b подкладной шайбы подкладной шайбы-основания 501. В результате жесткость Kb болта 106 с двусторонней резьбой во время нагружения силой давления масла в уравнении (9) снижается, и обеспечивается возможность повышения коэффициента γ эффективности осевого усилия.
Как описывается в вариантах осуществления с первого по третий, за счет повышения коэффициент γ эффективности осевого усилия в уравнениях (1) и (9) конструкция болтового крепления согласно настоящему изобретению позволяет приблизить этот коэффициент у к 1 и, следовательно, обеспечивает возможность предотвращения уменьшения осевого усилия болта, нагружаемого силой давления масла, создаваемой устройством для натяжения болта, после сбрасывания давления масла.
При этом настоящее изобретение не ограничивается вариантами осуществления, рассмотренными выше, и включает в себя различные модификации. Например, подробное описание приведенных выше примеров служит для более ясного понимания настоящего изобретения, и настоящее изобретение не ограничивается вариантами осуществления, включающими в себя обязательно все описанные элементы конструкции.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
100, 400, 500 - конструкция болтового крепления;
102 - стержень, работающий на растяжение;
103 - гидравлический домкрат;
104, 104а, 104b - основание;
105 - устройство для натяжения болта;
106 - болт с двусторонней резьбой;
107 - гайка выпуклой формы;
108 - верхний фланец;
109 - нижний фланец;
110 - верхнее болтовое отверстие в верхнем фланце;
111 - нижнее болтовое отверстие в верхнем фланце;
112 - болтовое отверстие в нижнем фланце;
113 - выпуклый участок гайки выпуклой формы;
114 - участок незацепления гайки выпуклой формы;
115 - участок зацепления гайки выпуклой формы;
116 - участок незацепления болта с двусторонней резьбой;
117 - участок зацепления участка с внутренней резьбой;
118 - участок с внутренней резьбой;
119 - контактный участок;
120 - заплечик гайки выпуклой формы;
200 - известная конструкция болтового крепления;
201 - гайка;
202 - болтовое отверстие;
215 - участок зацепления гайки;
216 - участок незацепления болта с двусторонней резьбой;
217 - участок зацепления участка с внутренней резьбой;
301 - верхний корпус;
302 - нижний корпус;
303 - узлы болтового крепления;
304 - торцевой участок корпуса;
305 - центральный участок корпуса;
401 - подкладная шайба;
402 - высоты подкладной шайбы;
501 - подкладная шайба-основание;
501а - участок основания подкладной шайбы-основания;
501b - участок подкладной шайбы подкладной шайбы-основания.