БОЛТОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ВРАЩАЮЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ
BOLTED JOINT OF ROTATING PARTS

Изобретение относится к области машиностроения и авиадвигателестроения, может быть использовано для соединения вращающихся деталей ротора газотурбинного двигателя авиационного и наземного применения.
Известно болтовое соединение, включающее цилиндрическую разгрузочную втулку с круглым сечением, которую используют для центровки и разгрузки болта, снижения напряжений среза в самом болте и исключения сдвиговых деформаций в соединяемых деталях (Атлас. Детали машин. В.Н.Быков, С.П.Фадеев, Издательство «Высшая школа», 1969 г., с.83, рис.3.4). При вращении деталей в районе отверстий под болты возникают напряжения. Наличие концентратора напряжения, повышающего уровень действующих напряжений в 3-4 раза, является основным недостатком такой конструкции, снижающим циклическую долговечность и ресурс деталей.
В авиадвигателестроении широко применяется соединение деталей с помощью стяжных болтов. Отверстия под болты, являющиеся концентраторами напряжений, могут быть расположены в полотне дисков и на выносных фланцах деталей. Выносные фланцы применяют для удаления концентратора в виде отверстия из полотна диска.
Наличие концентратора напряжений - круглого отверстия под болт, которое повышает уровень действующих напряжений в 3-4 раза и снижает ресурс деталей, является основным недостатком такой конструкции.
Практически эта проблема решается путем выполнения выкружек типа «короны» во фланцах, что обеспечивает достаточную разгрузку отверстий. Эффективность подобной доработки деталей подтверждена испытаниями и широко используется, например, во фланцах под балансировочные грузики лабиринтов диска 13-ой ступени ротора компрессора высокого давления (КВД) двигателей ПС-90А, ПС-90А2 (А.А.Иноземцев, М.А.Нихамкин, В.Л.Сандрацкий. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок, том 4,стр.109).
Наиболее близким к заявляемой конструкции соединения является узел соединения, включающий пакет деталей, цилиндрическую втулку и болт с гайкой. В деталях выполнены круглые отверстия (Патент РФ №2263828, F16B 5/02, 2005 г.).
Недостатком известного узла является круглая форма отверстий под втулку, вызывающая повышенные напряжения в болте и в соединяемых деталях, снижающие циклический ресурс и надежность болтового соединения при вращении деталей.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении циклического ресурса и надежности болтового соединения вращающихся деталей при высоких параметрах работы путем разгрузки зон концентрации напряжений в указанных деталях.
Сущность изобретения заключается в том, что в болтовом соединении вращающихся деталей, объединенных в пакет, с расположенными по окружности отверстиями, внутри которых на высоту пакета деталей установлены втулки с размещенными в их центральных отверстиях стяжными болтами, согласно п.1 формулы изобретения, каждое отверстие выполнено овальной формы и вытянуто в окружном направлении, а втулка - с овальным сечением, вытянутым в окружном направлении, при этом
b/а=1,36-1,5; c>(2,5-3)×b,
где а - размер сечения втулки в радиальном направлении;
b - размер сечения втулки в окружном направлении;
с - длина окружности между центральными отверстиями соседних втулок.
Кроме того по п.2 формулы для обеспечения изолированности полостей ступеней компрессора и сохранения необходимой площади контакта между деталями и болтом необходимо соблюдать следующее соотношение:
(a-d)/2>1,4 мм,
где d - диаметр отверстия втулки под болт.
Конфигурация втулки и размеры отверстия под нее выбраны на оснований анализа геометрии дисков и расчетов напряженно-деформированного состояния.
Было обнаружено, что выполнение отверстий овальной формы, вытянутых в окружном направлении, и выполнение втулки с соответствующим овальным при соотношениях:
b/a=1,36-1,5; c>(2,5-3)×b,
позволяет эффективно разгружать зоны концентрации напряжений и повышать расчетные значения циклического ресурса деталей, оцененного по условной кривой малоцикловой усталости для дисковых сплавов (Технический отчет №12045, М., ЦИАМ, 1993. Развитие методики управления ресурсами авиационного ГТД с целью повышения прочностной надежности, увеличения ресурсов и сокращения затрат при ресурсных испытаниях (применительно к двигателю ПС-90А и его модификациям)).
Втулки с овальным сечением выполняют в заявляемой конструкции следующие функции:
- обеспечивают фиксацию деталей относительно друг друга;
- сохраняют необходимую площадь контакта между фланцами и стандартным болтом круглой формы;
- обеспечивают изолированность полостей секций (ступеней) компрессора.
Кроме того, применение втулок заявляемой конструкции упрощает процесс сборки деталей компрессора, а при изготовлении втулок из легкого и прочного материала - позволяет снижать массу фланцев дисков и всего ротора в целом.
Анализ результатов расчетов показывает, что заявляемое болтовое соединение имеет перспективу использования в современных двигателях последнего поколения.
В случае если b/а<1,36, форма отверстия стремится к окружности, возрастает уровень окружных напряжений в отверстиях соединяемых деталей, следовательно, снижается циклическая долговечность.
В случае если b/а>1,5, отверстие больше вытянуто в окружном направлении, при этом уменьшается площадь цилиндрического сечения сопрягаемых деталей, что повышает риск потери несущей способности, возрастает уровень радиальных напряжений и снижается циклическая долговечность.
В случае если с≤2,5b, расстояние между центрами отверстий уменьшается, пропорционально уменьшается и площадь цилиндрического сечения соединяемых деталей, что повышает риск потери несущей способности.
Соотношение с>3b приводит к тому, что расстояние между центрами отверстий увеличено, линии действий окружных напряжений при этом выравниваются, а эффект снижения концентраций напряжений уменьшается.
Кроме того, по п.2 формулы изобретения, для сохранения необходимой площади контакта между деталями и болтом, а также из технологических соображений необходимо соблюдать следующее соотношение: (a-d)/2>1,4 мм. В противном случае возникают технологические сложности с изготовлением втулки, т.к. толщина стенки втулки слишком мала. Кроме того, в тонкой стенке втулки возникают недопустимо высокие напряжения.
Таким образом, при высоких параметрах работы использование данной конструкции болтового соединения дает возможность не только выравнивать напряжения по толщине пакета деталей и в болтах, но и значительно снижать уровень действующих напряжений в соединяемых деталях, повышая их ресурс.
На фиг.1 представлено сечение пакета соединяемых деталей с втулкой, имеющей овальное сечение, на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1. На фиг.3 показано болтовое соединение в сборке деталей ротора КВД в аксонометрии.
Болтовое соединение включает пакет вращающихся деталей газотурбинного двигателя (ГТД), например, фланца 1 диска первой ступени (КВД), фланца 2 вала КВД и диска 3 второй ступени КВД. В деталях 1, 2, 3 выполнены овальные отверстия 4, вытянутые в окружном направлении под втулку 5 с таким же овальным сечением и размерами а и b в радиальном и окружном направлениях, соответственно. В отверстии 4 втулка 5 размещена на всю толщину пакета деталей 1, 2, 3. Во втулке 5 имеется круглое центральное отверстие 6 диаметром d под стандартный стяжной болт 7 круглого сечения. Диаметр головки болта 7 и наружный диаметр гайки 8 перекрывают при сборке радиальный размер а втулки 5 при соблюдении условия
(a-d)/2>1,4 мм.
Втулка 5 обеспечивает изолированность полостей ступеней компрессора, сохраняет необходимую площадь контакта между фланцами и стяжным болтом 7.
Отверстия 6 расположены равномерно по всей длине окружности соединяемых деталей 1, 2, 3, при этом длина окружности С между ними зависит от размера сечения b втулки 5 в окружном направлении.
Болтовое соединение собирают следующим образом.
В овальное отверстие 4 пакета вращающихся деталей 1, 2, 3 вставляют втулку 5, в которой размещают стандартный болт 7 и закрепляют гайкой 8. В процессе работы КВД концентрация напряжений в зоне отверстий 4 в полотне и во фланцах 1, дисков будут минимальной, что позволяет работать при высоких заданных параметрах двигателя, повышая циклический ресурс и надежность болтового соединения.