Узел соединения трубопроводов турбомашины
CONNECTION NODE OF PIPELINES IN TURBOMACHINE

Изобретение относится к конструированию узлов соединительной арматуры трубопроводов в машиностроении, преимущественно турбомашиностроении.
В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) выбран узел соединения трубопроводов турбомашины, содержащий хомут, выполненный в виде пары металлических (сталь, титан, алюминий и т.д.) колодок с выемками под трубопроводы, средство соединения их между собой, прокладки, расположенные в выемках между колодками и каждым трубопроводом (А.А. Иноземцев, М.А. Нихамкин, В.Л. Сандрацкий, «Газотурбинные двигатели», ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь, 2007 г., стр. 888-889, рис. 13.2.1.6_1 в).
Основными недостатками такого технического решения является значительная масса.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение массы устройства с сохранение высокой надежности по аналогии с прототипом в условиях работы при высоких температурах.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного устройства, является снижение массы при сохранении требуемой жесткости и прочности и, как следствие, обеспечение ресурса и надежности узла соединения трубопроводов в целом, в том числе и в условиях работы при высоких температурах, то есть при температурах, близких к верхним границам температур допустимой работоспособности применяемых материалов.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что узел соединения трубопроводов турбомашины содержит хомут закрепленный на по меньшей мере двух трубопроводах и выполненный в виде пары колодок с выемками под трубопроводы, при этом в колодках выполнены сквозные отверстия под средство соединения их между собой, прокладки, расположенные в выемках между колодками и трубопроводом, при этом каждая колодка снабжена по меньшей мере одним плоским ребром жесткости, выполненным на внешней поверхности и сориентированным в поперечном направлении относительно трубопроводов, а также не превышающим по высоте габариты соответствующей колодки, при этом хомут и ребра жесткости выполнены из армированного волокном композитного материала.
При этом узел соединения трубопроводов турбомашины снабжен шарнирами с полой осью охватывающими соответствующий трубопровод, при этом каждый шарнир установлен внутри выемок, а прокладка установлена соответственно в выемках между колодками и шарниром или между шарниром и трубопроводом.
В узле соединения трубопроводов турбомашины шарнир с полой осью выполнен из антифрикционного материала.
При этом в узле соединения трубопроводов турбомашины шарнир с полой осью выполнен из фторопласта.
При этом узел соединения трубопроводов турбомашины снабжен по меньшей мере двумя крепежными элементами для средства соединения, соосными соответствующему сквозному отверстию.
При этом в узле соединения трубопроводов турбомашины крепежный элемент выполнен зацело с колодкой.
При этом в узле соединения трубопроводов турбомашины колодки выполнены симметричными относительно плоскости их разъема.
При этом в узле соединения трубопроводов турбомашины между колодками реализован зазор.
При этом в узле соединения трубопроводов турбомашины в качестве армирующего волокна выбраны полиимидные или арамидные волокна.
Снабжение каждой колодки, по меньшей мере, одним плоским ребром жесткости обеспечивает требуемую жесткость и прочность каждой колодки, которые воспринимают нагрузки с трубопроводов в работе, что обеспечивает ресурс и надежность узла соединения трубопроводов в целом.
Выполнение ребра жесткости на внешней поверхности увеличивает момент сопротивления изгибу и обеспечивает требуемую жесткость и прочность каждой колодки, которые воспринимают нагрузки (по большей части изгибающие) с трубопроводов в работе, что обеспечивает ресурс и надежность узла соединения трубопроводов в целом.
Выполнение ребра жесткости в поперечном направлении относительно трубопроводов обеспечивает максимальную эффективность работы колодок на изгиб и обеспечивает требуемую жесткость и прочность, что обеспечивает ресурс и надежность узла соединения трубопроводов в целом.
Выполнение хомута с ребрами жесткости из композитного материала снижает массу узла в целом.
Армирование композитного материала волокном обеспечивает требуемую жесткость и прочность при снижении массы, что обеспечивает ресурс и надежность узла соединения трубопроводов в целом.
Выполнение ребра жесткости, не превышающим по высоте габариты соответствующей колодки, обеспечивает требуемую жесткость и прочность колодки, которая воспринимает нагрузки с трубопроводов в работе, что обеспечивает ресурс и надежность узла соединения трубопроводов в целом.
Снабжение узла соединения трубопроводов шарнирами с полой осью, охватывающими соответствующий трубопровод, установкой шарнира в выемках, а прокладок соответственно между колодками и шарниром или между шарниром и трубопроводом, снижает нагрузку на колодки с трубопроводов, а именно, исключает ее моментную составляющую, что обеспечивает ресурс и надежность узла соединения трубопроводов в целом.
Выполнение шарнира из антифрикционного материала снижает износ шарнира, что обеспечивает ресурс и надежность узла соединения трубопроводов в целом.
Выполнение шарнира из фторопласта снижает массу узла соединения трубопроводов в целом.
Снабжение, по меньшей мере, двумя крепежными элементами для средства соединения, соосными соответствующему сквозному отверстию, обеспечивает требуемую жесткость, ресурс и надежность узла соединения трубопроводов в целом.
Выполнение крепежного элемента зацело с колодкой замещает объем материала колодки материалом крепежного элемента, что снижает массу узла соединения трубопроводов в целом.
Выполнение колодок симметричными относительно плоскости их разъема позволяет равномерно (пополам) распределить нагрузку с трубопроводов между ними. Свойство равнопрочности колодок обеспечивает требуемые ресурс и надежность узла соединения трубопроводов в целом.
Реализация зазора между колодками обеспечивает гарантированное стягивание колодок крепежными элементами в случае неточности их изготовления, то есть исключает возможность упереться одной колодки в другую до обеспечения требуемого усилия обжатия трубопровода с прокладкой, что обеспечивает требуемую жесткость, ресурс и надежность узла соединения трубопроводов в целом.
Выбор в качестве армирующего волокна полиимидных или арамидных волокон обеспечивает требуемую жесткость и прочность в условиях работы при высоких температурах.
Сущность настоящего изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 - представлен узел соединения трубопроводов из композитного материала для соединения трех трубопроводов турбомашины. В частном случае реализации композитный материал армирован полиимидными или арамидными волокнами.
На фиг. 2 - представлен увеличенный разрез данного устройства по крепежным элементам.
В частном случае реализации узел соединения трубопроводов 1, 2, 3 турбомашины содержит хомут 4 (фиг. 1), состоящий из колодок 5, 6, выполненных из композитного материала, армированного полиимидными или арамидными волокнами, что позволяет сохранять работоспособность при высоких температурах, средства крепления 7, в виде болтового соединения, и прокладок 8, выполняющих функцию демпферов (фиг. 2). Каждая колодка 5, 6 снабжена по крайней мере одним плоским ребром жесткости 9, 10, расположенных поперек трубопроводов 1, 2, 3 и не превышающих своей высотой габаритов хомута 4.
Сборка узла осуществляется следующим образом: на соединяемые участки трубопроводов 1, 2, 3 устанавливают прокладки 8. Охватывают их с двух сторон колодками 5, 6. После чего стягивают последние средствами крепления 7, в представленном случае исполнения конструкции узла - это болтовое соединение.
В работе конструкция при помощи хомута 4 образует между трубопроводами 1, 2, 3 более жесткую систему, чем каждый из трубопроводов 1, 2, 3 по отдельности. Из-за высокой динамической нагруженности турбомашины все элементы ее конструкции подвергаются динамическому воздействию, что приводит к их вынужденным колебаниям. Представленное соединение снижает амплитуды колебаний каждого трубопровода 1, 2, 3 в отдельности и привносит в систему дополнительное демпфирование за счет свойств прокладок 8, тем самым снижая динамические напряжения в трубопроводах 1, 2, 3. При этом каждый из трубопроводов 1, 2, 3 нагружает хомут 4 своей силой. Поэтому хомут 4, а именно колодки 5, 6 и их средство крепления (соединения) 7, удерживают трубопроводы 1, 2, 3 вместе, обеспечивая их совместные колебания за счет своих жесткостных и прочностных свойств.
Исполнение заявленной конструкции из композитного материала, армированного полиимидными или арамидными волокнами, позволяет значительно снизить массу и обеспечить требуемые ресурс и надежность, в том числе и при работе в условиях высоких температур всего узла в целом.