УСТРОЙСТВО ДЛЯ ШАРНИРНОГО СОЕДИНЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ
FACILITY FOR HINGED CONNECTION OF PIPELINES

Изобретение относится к соединительным устройствам для шарнирного соединения двух трубопроводов, в частности двух трубопроводов системы подачи горячего воздуха от двигателя на летательном аппарате, с обеспечением возможности дополнительной компенсации допусков, при этом конец первого трубопровода шарнирно соединяется с помощью соединительного стержня с концом второго трубопровода таким образом, что между ними образуется зазор.
Известные конструкции соединительных устройств для шарнирного соединения трубопроводов, используемых для транспортировки жидкостей и/или газообразных сред, имеющих высокую температуру и/или находящихся под высоким давлением, в частности, горячих газов или аналогичных сред, снабжены уплотняющими устройствами с использованием металлических уплотняющих манжет и пластических материалов для обеспечения необходимого уплотнения. Например, такие трубопроводы используются на летательных аппаратах в системах запуска двигателей, в системах кондиционирования воздуха для пассажирской кабины и в антиобледенительных системах крыльев и аэродинамических управляющих поверхностей.
Из-за высоких температур жидкостей или газов, дополнительных вибраций, а также относительных смещений концов трубопроводов, возникающих в процессе работы, пластические материалы, которые используются для обеспечения уплотнения, достаточно быстро стираются.
В частности, в тех случаях, когда требуется обеспечивать повышенный уровень безопасности, например в местах соединений трубопроводов подачи горячего воздуха от двигателя на летательном аппарате, из-за вышеуказанного быстрого износа уплотнений необходима частая проверка их состояния, что увеличивает расходы на техническое обслуживание.
Кроме того, известные соединительные устройства сложно монтировать, поскольку регулирующие устройства, обеспечивающие регулирование компенсации допусков, размещаются в зоне зазора между концами труб.
Целью настоящего изобретения является устранение недостатков известных конструкций вышеуказанных соединительных устройств.
Для достижения этой цели предлагается устройство, в котором противолежащие концы труб охвачены уплотняющим устройством, в частности металлическим сильфоном, для уплотнения зазора, и первый конец соединительного стержня снабжен регулирующим устройством для регулировки длины, что в общем случае обеспечивает большой срок службы предлагаемого в изобретении устройства, а регулирующее устройство, размещенное на конце соединительного стержня, одновременно облегчает сборку устройства. Кроме того, предлагаемое в изобретении устройство не требует технического обслуживания практически на протяжении всего срока его службы даже при использовании устройства в случаях, когда требуется высокий уровень безопасности, например для соединений трубопроводов системы подачи горячего воздуха от двигателя на летательном аппарате или в аналогичных применениях.
В другом варианте осуществления изобретения каждый из концов труб снабжен опорным кольцом, в котором по существу по центру размещено приемное приспособление для прикрепления соединительного стержня, причем приемное устройство соединяется с внутренней поверхностью опорного кольца с помощью, по меньшей мере, двух ребер жесткости (связей), отходящих от приемного приспособления радиально наружу.
В результате обеспечивается по существу центральное приемное приспособление для соединительного стержня на концах труб, в результате чего может осуществляться практически однородная передача нагрузок между первым и вторым трубопроводами.
В другом варианте осуществления изобретения ребра жесткости размещаются на равных расстояниях друг от друга.
В этом варианте обеспечивается по существу однородная передача нагрузок, которые должны передаваться от приемных приспособлений к опорным кольцам.
В другом варианте осуществления изобретения приемные приспособления снабжены опорными обоймами, в которых имеются полусферические проемы, открывающиеся в направлении внутренних пространств первого и второго трубопроводов.
Опорные обоймы, снабженные полусферическими проемами, вместе с шаровыми головками, имеющимися на концах соединительного стержня, обеспечивают шарнирное соединение концов труб.
В другом варианте осуществления изобретения первый трубопровод и/или второй трубопровод выполнены так, чтобы их можно было отсоединять в зоне опорного кольца с использованием трубного соединительного устройства, например соединения с использованием V-образного фланца.
В этом случае упрощается сборка соединительного устройства, поскольку возможность отсоединения первого трубопровода улучшает доступ к регулирующему устройству, расположенному на конце соединительного стержня.
В другом варианте осуществления изобретения каждая из опорных обойм и каждое из приемных приспособлений имеют сквозные проходы для прохождения соединительного стержня.
Когда трубопровод находится под давлением, на концы труб в зоне размещения соединительного устройства действуют силы, стремящиеся оторвать их друг от друга, и эти растягивающие нагрузки передаются от опорных обойм, устроенных в приемных приспособлениях, к шаровым головкам на концах соединительного стержня. Благодаря приемным приспособлениям растягивающая сила преобразуется в силу сжатия, так что опорные обоймы в приемных приспособлениях по существу подвергаются действию только сил сжатия. Поэтому предлагаемое в изобретении соединительное устройство обладает очень высокой нагрузочной способностью, когда трубопровод находится под давлением.
Кроме того, полусферы в приемных приспособлениях взаимодействуют с шаровыми головками для обеспечения компенсации допусков в направлении, которое в основном перпендикулярно продольной оси первого и второго трубопроводов.
В другом варианте осуществления изобретения соединительный стержень снабжен на первом конце навинчиваемой шаровой головкой, используемой в качестве регулирующего устройства, и на втором конце - фиксированной шаровой головкой.
При необходимости навинчиваемая шаровая головка используется для регулировки длины соединительного стержня и, соответственно, для изменения компенсации допусков в направлении продольной оси первого и второго трубопроводов. Поскольку к навинчиваемой шаровой головке имеется легкий доступ в зоне первого приемного приспособления первого опорного кольца в зависимости от длины первого трубопровода, то в предлагаемом в изобретении соединительном устройстве можно легко изменять компенсацию допусков.
На чертежах показано следующее.
Фигура 1 - продольное сечение соединительного устройства.
Фигура 2 - поперечное сечение соединительного устройства по линии А-А.
На фигуре 1 приведен вид продольного сечения предлагаемого в изобретении соединительного устройства. Одинаковые конструктивные элементы указаны на фигурах одними и теми же ссылочными номерами.
Соединительное устройство 1 шарнирно соединяет конец 2 трубы первого трубопровода 3 с концом 4 трубы второго трубопровода 5. Система 6 координат приведена для иллюстрации пространственного положения осей x, у и z. Первый трубопровод 3 и второй трубопровод 5 расположены вдоль продольных осей 7, 8. Предлагаемое в изобретении соединительное устройство с самого начала обеспечивает регулируемую компенсацию допусков, а именно компенсацию по длине между первым 3 и вторым 5 трубопроводами в направлении оси х. Кроме того, концы 2, 4 труб могут значительно смещаться параллельно осям у и z. Далее, соединительное устройство 1 может немного поворачиваться в зоне металлического сильфона 11. Взаимодействие вышеуказанных возможностей перемещения дает возможность шарнирного соединения первого 3 и второго 5 трубопроводов с помощью соединительного устройства 1.
На конце 2 трубы первого трубопровода 3 размещается опорное кольцо 9. Соответственно, на конце 4 трубы второго трубопровода 5 размещается опорное кольцо 10. Опорные кольца 9, 10 жестко соединены с концами 2, 4 труб, в частности приварены к трубопроводам 3, 5 с помощью непрерывного сварного шва, обеспечивающего герметичность, в зонах концов 2, 4 труб. Концы 2, 4 труб или опорные кольца 9, 10 охватываются металлическим сильфоном 11, обеспечивающим уплотнение. Металлический сильфон 11 снабжен непрерывными фланцами 12, 13, которые соединяются с концами 2, 4 труб или с опорными кольцами 9, 10 с помощью непрерывных сварных швов, обеспечивающих газонепроницаемость. Металлический сильфон 11 обеспечивает полное уплотнение соединительного устройства 1, и в то же время обеспечивается высокая подвижность концов труб.
Кроме сильфона 11 могут использоваться и другие типы уплотнительных устройств. В зависимости от температуры и/или давления среды, которая должна проходить через соединительное устройство 1, могут использоваться, например, армированные рукава или пластмассовые сильфоны.
Опорное кольцо 9 снабжено приемным приспособлением 14, а опорное кольцо 10 снабжено приемным приспособлением 15. Приемные приспособления 14, 15 располагаются примерно по центру первого 3 и второго 5 трубопроводов по отношению к продольным осям 7, 8. Приемное приспособление 14 соединено с опорным кольцом 9 с помощью трех ребер 16, 17, 18 жесткости, причем ребро 18 на фигуре 1 не показано. Приемное приспособление 15 соединено с опорным кольцом 10 с помощью трех ребер 19, 20, 21 жесткости, причем ребро 21 на фигуре 1 также не показано.
Ребра 16, 17, 18 жесткости равномерно распределены по кольцу внешней поверхности 22 приемного приспособления, отходят от нее наружу по радиусу и соединяются с внутренней поверхностью 23 опорного кольца 9. Соответственно, ребра 19, 20, 21 жесткости равномерно распределены по кольцу внешней поверхности 24 приемного приспособления, отходят от нее наружу по радиусу и соединяются с внутренней поверхностью 25 опорного кольца 10.
Вышеописанная конструкция обеспечивает размещение приемных приспособлений 14, 15 примерно по центру концов 2, 4 труб трубопроводов 3, 5 относительно продольных осей 7, 8 и, соответственно, симметричную передачу нагрузок.
Для того чтобы ребра 16-21 жесткости и приемные приспособления 14, 15 не создавали в трубопроводе высокого сопротивления потоку, обтекающему соединительное устройство 1, и для обеспечения достаточного объемного потока жидкой или газообразной среды, проходящего через соединительное устройство 1, диаметр труб первого 3 и второго 5 трубопроводов, которые должны соединяться, предпочтительно должен быть не менее 100 мм.
В полостях приемных приспособлений 14, 15 имеются опорные обоймы 26, 27, соответственно. Полусферический проем 28 в опорной обойме 26 открывается в направлении внутреннего пространства 30 первого трубопровода 3, а полусферический проем 29 в опорной обойме 27 открывается в направлении внутреннего пространства 31 второго трубопровода 5. Опорные обоймы 26, 27 изготовлены из материала, имеющего низкий коэффициент кинетического трения, предпочтительно из металла.
Соединительный стержень 32, обеспечивающий соединение опорных колец 9, 10, снабжен на первом конце 33 навинчиваемой шаровой головкой 34, служащей регулирующим элементом 35 для регулировки длины соединительного стержня 32 по оси x и для сборки соединительного устройства 1, и фиксированной шаровой головкой 37 на втором конце 36. Соединительный стержень 32, предпочтительно имеющий примерно круглую форму в поперечном сечении, проходит вдоль продольной оси 38. Для того чтобы можно было навинтить на соединительный стержень 32 навинчиваемую шаровую головку 34, по меньшей мере зона первого конца 33 соединительного стержня 32 снабжена соответствующей резьбой. По меньшей мере зоны навинчиваемой шаровой головки 34 и фиксированной шаровой головки 37 плотно фиксируются в полусферических проемах 28, 29, соответственно, в результате чего обеспечивается шарнирное соединение между первым 3 и вторым 5 трубопроводами с формированием зазора 39. Полусферические проемы 28, 29 открываются в противоположных направлениях, и поэтому смещения концов 2, 4 труб преобразуются в растягивающее усилие, которое может быть эффективно передано соединительному стержню 32 через шаровые головки 34, 37.
Приемные приспособления 14, 15 снабжены сквозными проходами 40 и 41 для прохождения через них соединительного стержня 32. Сквозные проходы 40, 41 предпочтительно имеют коническую форму, и их минимальный диаметр на сторонах, обращенных в сторону зазора 39, заметно больше, чем внешний диаметр соединительного стержня 32 для обеспечения достаточной подвижности стержня 32 внутри сквозных проходов 40, 41 в направлении, поперечном относительно оси х. В зонах опорных обойм 26, 27 сквозные проходы 40, 41 имеют такой диаметр, который обеспечивает достаточную подвижность соединительного стержня 32. Опорные обоймы 26, 27 также снабжены сквозными проходами 42, 43 для прохождения соединительного стержня 32, причем проходы 42, 43 также имеют такой диаметр, который обеспечивает достаточную подвижность соединительного стержня 32.
Навинчиваемая шаровая головка 34 и фиксированная шаровая головка 37 удерживаются в полусферических проемах 28, 29, соответственно, с помощью крепежных элементов 44, 45. Крепежные элементы 44, 45 вводятся в соответствующие непрерывные канавки в зонах полостей приемных приспособлений 14, 15. Крепежные элементы 44, 45, которые могут использоваться, содержат стопорные шайбы, фиксирующие кольца и аналогичные детали, которые размещаются в непрерывных канавках приемных приспособлений 14, 15. Для того чтобы не загромождать чертеж, отдельные ссылочные номера для канавок не указываются.
Когда среда, находящаяся под давлением, проходит через первый 3 и второй 5 трубопроводы, концы 2, 4 труб с опорными кольцами 9, 10 отходят друг от друга, в результате чего соединительный стержень 32 подвергается в основном только растягивающим нагрузкам. Эти растягивающие усилия могут очень эффективно передаваться навинчиваемой шаровой головке 34 и фиксированной шаровой головке 37 соединительного стержня от опорных обойм 26, 27 в полусферических проемах 28, 29.
Если же соединительный стержень 32 подвергается сжимающим нагрузкам, то крепежные элементы 44, 45 предотвращают выталкивание навинчиваемой шаровой головки 34 и фиксированной шаровой головки 37 из полусферических проемов 28, 29 опорных обойм 26, 27, если сжимающие нагрузки, которые должны быть поглощены, будут не слишком велики.
Необходимо заметить, что предлагаемое в изобретении соединительное устройство способно поглощать гораздо большие растягивающие усилия в направлении оси x, чем сжимающие усилия, действующие в противоположном направлении.
По существу соединительный стержень 32 предотвращает в основном действие значительных нагрузок на металлический сильфон 11, как в случае растягивания, так и в случае сжатия.
Предлагаемое в изобретении соединительное устройство по существу позволяет первому трубопроводу 3 и второму трубопроводу 5 перемещаться в двух возможных направлениях.
Противолежащие концы 2, 4 труб могут смещаться друг относительно друга в основном параллельно плоскости, в которой лежат оси y и z. Продольные оси 7, 8 примерно параллельны друг другу, в то время как продольная ось 38 соединительного стержня 32 может проходить под углом до 15° по отношению к осям 7, 8.
Кроме того, первый 3 и второй 5 трубопроводы могут "изгибаться" в одну сторону или в противоположные стороны в зоне соединительного устройства 1, так что каждая из продольных осей 7, 8 может проходить под углом до 15° по отношению к продольной оси 38 соединительного стержня 32. В этом случае продольные оси 7, 8 не будут параллельны.
Максимально возможные углы зависят в частности от максимального диаметра конических сквозных проходов 40, 41 в приемных приспособлениях 14, 15, а также от гибкости металлического сильфона 11.
Зазор 39 необходим для компенсации перемещений концов 2, 4 труб первого 3 и второго 5 трубопровода друг относительно друга.
Поворачивая навинчиваемую шаровую головку 34, которая может навинчиваться на соединительный стержень 32, можно не только обеспечивать шарнирное соединение между первым 3 и вторым 5 трубопроводами, то также регулировать длину стержня и, соответственно, компенсацию допусков для предлагаемого в изобретении соединительного устройства 1 в направлении оси х.
Крутильные движения первого 3 и второго 5 трубопроводов друг относительно друга вокруг оси x не может быть поглощено соединительным устройством 1, поскольку это движение должно было бы поглощаться металлическим сильфоном 11, который не приспособлен для этого вида нагрузок.
Для предотвращения самопроизвольного рассоединения навинчиваемой шаровой головки 34 и соединительного стержня 32 предусмотрено предохранительное устройство 46. В варианте осуществления изобретения, представленном на фигуре 1, в качестве предохранительного устройства 46 используется контргайка 47, которая дополнительно предохраняется от откручивания предохранительной скобой 48. Также возможно использование других предохранительных устройств, таких как корончатые гайки с предохранительными шплинтами, самозаконтривающиеся гайки или аналогичные устройства.
Для сборки соединительного устройства 1 первый трубопровод 3 сконструирован таким образом, чтобы его можно было снять в зоне конца 2 трубы, для чего используется соединение с помощью V-образного фланца (не показан). Когда опорные кольца 9, 10 и металлический сильфон 11 приварены, можно первоначально ввести сзади соединительный стержень 32 через сквозные проходы 41, 43 в приемном приспособлении 15 без шаровой головки 34 и затем провести его через сквозные проходы в приемном приспособлении 14. Опорные обоймы 26, 27 на этой стадии сборки уже установлены в приемных приспособлениях 14, 15.
Затем навинчиваемая шаровая головка 34 навинчивается на соединительный стержень 32 и фиксируется предохранительным устройством 46 для предотвращения ее самопроизвольного отсоединения, после того как будет достигнута необходимая величина зазора 39, обеспечивающего шарнирное соединение первого 3 и второго 5 трубопроводов. Большая величина зазора 39 обеспечивает большие смещения концов труб трубопроводов. Наконец, крепежные элементы 44, 45 для фиксации навинчиваемой шаровой головки 34 и фиксированной шаровой головки 37, соответственно, в опорных обоймах 26, 27 устанавливаются в приемные приспособления 14, 15 и/или в имеющиеся в них желобки.
В завершение процесса сборки первый трубопровод 3 снова герметизируется с помощью V-образного соединительного фланца, и на этом сборка заканчивается. Вместо V-образного соединительного фланца могут использоваться и другие разъемные устройства для соединения труб.
Симметричная конструкция соединительного стержня 32 и приемных приспособлений 14, 15 обеспечивает возможность установки соединительного стержня в соединительное устройство повернутым на 180° по сравнению устройством, представленным на фигуре 1, так что навинчиваемая шаровая головка 34 будет находиться во втором приемном приспособлении 15. В этом случае V-образный соединительный фланец располагается в зоне конца 4 второй трубы. В этом случае сборка начинается с приемного приспособления 14 и далее осуществляется в порядке, описанном выше.
Кроме того, концы 2, 4 обеих труб могут быть снабжены разъемным соединением с использованием V-образного фланца для упрощения сборки.
Использование металлического сильфона 11 в качестве уплотняющего устройства обеспечивает необычайно большой срок службы предлагаемого в изобретении устройства 1, и оно практически не требует технического обслуживания, так что множество соединительных устройств может использоваться с низкой вероятностью отказа даже в тех случаях, когда требуется повышенный уровень безопасности.
Поскольку используется регулирующее устройство 35 в форме шаровой головки 34, которая может навинчиваться на первый конец 33 соединительного стержня в зоне первого опорного кольца 9, то длину соединительного стержня 32 можно изменять после отделения первого трубопровода по V-образному соединительному фланцу, не показанному на фигуре 1, путем вращения навинчиваемой шаровой головки 34 после снятия предохранительного устройства 46, в результате чего легко обеспечивается компенсация допусков между первым 3 и вторым 5 трубопроводами в направлении оси х.
На фигуре 2 показан вид поперечного сечения соединительного устройства 1 по линии А-А без соединительного стержня 32. Система 6 координат используется для иллюстрации пространственного положения осей x, y и z.
Приемное приспособление 14 установлено примерно по центру внутри опорного кольца 9 во внутреннем пространстве 30 с помощью ребер 16, 17 и 18 жесткости. Ребра 16, 17, 18 жесткости равномерно распределены по кольцу внешней поверхности 22 приемного приспособления, отходят от нее наружу по радиусу и соединяются с внутренней поверхностью 23 опорного кольца 9. Соответственно, ребра 16, 17, 18 жесткости равномерно распределены по кольцу внутренней поверхности 23 опорного кольца 9. Центральное расположение приемного приспособления 14 в опорном кольце 9 и/или в конце 2 трубы первого трубопровода обеспечивает симметричную передачу нагрузок между концами 2,4 труб.
Опорные кольца 9, 10 вместе с приемными приспособлениями 14, 15, закрепленными с помощью ребер 16 - 21 жесткости, предпочтительно имеют неразъемную конструкцию, например изготавливаются литьем. В качестве альтернативного варианта опорные кольца 9,10 и приемные приспособления 14, 15 могут быть соединены с ребрами 16-21 жесткости с использованием известных способов соединения, например сваркой, с помощью заклепок или других соединительных средств.
Опорное кольцо 9 соединяется с трубопроводом 3 с помощью непрерывного газонепроницаемого сварного шва. Опорная обойма 26 вставляется в соответствующую полость в приемном приспособлении 14. Приемное приспособление 14 предпочтительно снабжено коническим сквозным проходом 40 для прохождения через него соединительного стержня 32. Опорная обойма 26 снабжена сквозным проходом 42 для прохождения через него соединительного стержня 32.
Конструкция опорного кольца 10, в особенности центральное расположение приемного устройства 15, и ребер 19, 20, 21 жесткости аналогична вышеописанной конструкции опорного кольца 9.
Предлагаемое в изобретении соединительное устройство 1 прежде всего предназначено для шарнирного соединения трубопроводов 3, 5, используемых для транспортировки жидкостей и/или газообразных сред, имеющих высокую температуру и находящихся под высоким давлением. Соединительное устройство 1 особенно подходит для систем, в которые пропускается горячий воздух, различные жидкости, водяной пар и другие среды. Соединительное устройство 1 также обеспечивает простую компенсацию допусков между трубопроводами 3, 5 с помощью регулирующего устройства 35, находящегося на конце соединительного стержня 32. Кроме того, соединительное устройство 1 отличается легкостью сборки и проверки.
В частности, соединительное устройство 1 предлагается для соединения трубопроводов 3, 5 системы подачи горячего воздуха от двигателя на летательном аппарате, в которой возможны температуры до 850°С и давления до 20 бар, причем выбор материала, из которого изготовлено соединительное устройство 1, зависит от величин температуры и давления.
В трубопроводах системы подачи горячего воздуха от двигателя на летательном аппарате температура воздуха обычно не превышает 360°С при давлении до 16 бар, и поэтому соединительное устройство 1 хорошо подходит для выполнения соединений между такими трубопроводами.
Для изготовления частей соединительного устройства 1 предпочтительно используется титан и/или сталь.
Предлагаемое в изобретении устройство способно поглощать действующие по оси x растягивающие нагрузки до 20'000 Н и сжимающие нагрузки до 2'000 Н. Трубопроводы 3, 5, которые должны быть соединены, предпочтительно должны иметь диаметр не менее 100 мм. Кроме вышеописанного применения, возможны и другие применения, например в конструкциях энергетических установок, в химическом оборудовании, в оборудовании для прачечных, в медицинском оборудовании и в других областях.
Первый 3 и второй 5 трубопроводы, опорные кольца 9, 10 с ребрами 16-21 жесткости, а также металлический сильфон 11 предпочтительно изготавливаются из металла, в частности из титана. Соединительный стержень 32 с фиксированной шаровой головкой 37 и навинчиваемой шаровой головкой 34 предпочтительно изготавливается из стали.
В качестве альтернативного варианта, в зависимости от температуры и давления пропускаемой среды, части соединительного устройства 1 также могут быть изготовлены из высококачественной стали, алюминиевых сплавов, которые могут выдерживать соответствующие тепловые и механические нагрузки, а также из термостойкой легированной стали. Совершенно необязательно, чтобы все составляющие компоненты соединительного устройства были выполнены из одного и того же металла.