Устройство для точного центрирования валов

Устройство для точного центрирования валов относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано для центрирования роторов турбоагрегата перед их соединением при проведении ремонтных работ. Полезная модель обеспечивает высокую точность центрирования и позволяет при повторной сборке достичь точности первоначального соединения валов, также обеспечивая при этом снижение трудоемкости и времени выполнения сборочных операций. Устройство содержит центрирующую втулку, установленную в соосных отверстиях соединяемых фланцев валов, выполненную с осевым коническим отверстием и продольными разрезами, каждый из которых начинается от торца втулки со стороны большего диаметра конуса и заканчивается на свободной непризонной части втулки. Во втулке установлена коническая шпилька с резьбовыми свободными концами. На резьбовом конце шпильки со стороны меньшего диаметра конуса в упор к наружному торцу фланца установлена гайка. 2 з.п.ф., 3 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано для центрирования роторов турбоагрегата перед их соединением при проведении ремонтных работ. Заявляемая полезная модель обеспечивает высокую точность центрирования соединяемых валов, в частности, роторов турбин большой мощности, позволяя при повторной сборке достичь точности первоначального соединения валов. Кроме того, применение предлагаемого технического решения позволяет сократить трудоемкость и время выполнения сборочных операций при ремонтах.

Узлы фланцевых соединений роторов работают в тяжелых условиях нагружения и являются ответственными элементами, в значительной степени определяющими надежность работы турбоагрегата. К точности их изготовления и сборки предъявляются чрезвычайно высокие требования, так как недостаточная точность центрирования валов при повторной сборке может привести к повышенным напряжениям в деталях соединения, повышенной вибрации подшипников, и, следовательно, к снижению надежности узла.

При эксплуатации турбоагрегата предусмотрены его периодические планово-предупредительные ремонты с разборкой отдельных узлов, в том числе, и фланцевых соединений роторов турбины (иногда бывают также внеплановые аварийные ремонты). После ремонта отдельных роторов при их соединении в валопровод сначала выполняют точное центрирование - совмещение осей соединяемых валов с высокой точностью, а затем - соединение (сбалчивание) фланцев соединяемых валов. Совмещение осей соединяемых валов обычно выполняется путем совмещения осей их полумуфт, которое в свою очередь достигается при совмещении осей отверстий под призонные болты, выполненных во фланцах полумуфт.

Известно легкосъемное крепежное соединение с регулируемым радиальным натягом [патент SU 1833485 A3, МПК F16B 5/02, дата публикации - 07.08.1993 г.], содержащее втулку и размещенную внутри втулки шпильку, сопряженные поверхности втулки и шпильки выполнены коническими, на резьбовые концы шпильки навинчены гайки. На торцевой поверхности втулки со стороны меньшего диаметра отверстия выполнены пазы под монтажное приспособление, предназначенное для предотвращения поворота втулки при сборке.

При использовании данного технического решения для соединения фланцев полумуфт обеспечивается создание радиального натяга, при котором происходит центровка соединяемых валов, а также осевого усилия, стягивающего и жестко фиксирующего фланцы валов.

Недостатком известного устройства является то, что в данной конструкции для центрирования соединяемых валов требуется приложение значительной части усилия затяга шпильки только для разжатия втулки конусной шпилькой, и, соответственно, уменьшенной части усилия затяга - на смещение роторов. Вследствие того, что общее усилия затяга шпильки ограничено по величине, зачастую невозможно обеспечить точное совмещение осей валов, т.е. их точную «автоматическую» центровку.

Также следует отметить, что в известном устройстве для исключения проворота втулки в цилиндрических отверстиях фланцев предусмотрены пазы под монтажное приспособление на торцевой поверхности втулки со стороны меньшего диаметра конуса. Однако, при применении данного технического решения существует возможность проворота шпильки в коническом отверстии втулки, что может привести к повреждению сопрягаемых конических поверхностей шпильки и втулки и дополнительным трудностям при сборке-разборке устройства.

Кроме того, в качестве недостатка известного решения следует указать необходимость применения дополнительного монтажного приспособления, повышающего трудоемкость и усложняющего выполнение сборочных работ и операций центрирования.

В качестве технического решения, наиболее близкого к заявляемой полезной модели по совокупности существенных признаков, предлагается выбрать устройство для точного совмещения полумуфт валов, описание конструкции которого содержится в патенте RU 2087290 С1, МПК В23Р 19/06, дата публикации - 20.08.1997 г.

Устройство содержит центрирующие втулки, каждая из которых установлена с зазором в соосных отверстиях соединяемых фланцев полумуфт валов. Каждая втулка имеет внутреннюю коническую поверхность и выполнена разрезной с одним сквозным продольным разрезом. В осевом коническом отверстии втулки установлен конический штырь, предназначенный для распирания разрезной втулки и смещения валов до полного выбора зазора между втулкой и соосными отверстиями, т.е. для центрирования соединяемых фланцев путем совмещения соосных отверстий. Торец втулки со стороны большего диаметра конуса снабжен упорным буртиком, упирающимся в наружную торцевую поверхность фланца и фиксирующим положение втулки в осевом направлении.

Данное решение позволяет выполнить осевое совмещение отверстий под призонные болты в полумуфтах, а также осуществить фиксацию взаимного положения полумуфт перед установкой призонных болтов.

Недостатком известного устройства является то, что при разжимании втулки конусным штырем наличие только одного продольного разреза втулки вызывает неодинаковые деформации осевых сечений втулки в разных радиальных направлениях и, соответственно, снижает точность центрирования полумуфт.

Кроме того, использование специального монтажного приспособления для запрессовки втулки при выполнении центрирования значительно усложняет выполнение самой операции.

Также следует отметить, что при реализации известного технического решения требуется очень высокая точность обработки сопрягаемых конических поверхностей втулки и распорного штыря, так как в случае возможных технологических отклонений указанных поверхностей наличие упорного буртика на втулке увеличивает усилие прижима фланцев полумуфт по контактным торцевым поверхностям и, соответственно, увеличивает трение между ними, препятствующее смещению полумуфт при центрировании.

Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении точности центрирования соединяемых валов при повторной сборке в процессе проведении ремонтных работ при одновременном снижении трудоемкости и сокращении времени выполнения центрирования.

Для достижения указанного выше технического результата предлагается устройство для точного центрирования валов, содержащее центрирующую втулку, установленную с зазором в сквозных соосных отверстиях соединяемых фланцев валов. Втулка выполнена с внутренним осевым сквозным коническим отверстием.

При этом, согласно заявляемой полезной модели, центрирующая разрезная втулка выполнена с продольными разрезами, каждый из которых начинается от торца втулки со стороны большего диаметра конуса и заканчивается на свободной непризонной части поверхности втулки со стороны меньшего диаметра конуса. Непризонной частью поверхности втулки принято называть участок поверхности втулки, находящийся вне зоны рабочего контакта с поверхностью отверстия фланца. Обычно непризонный участок выполняют обниженным и с более грубой обработкой поверхности.

В осевом отверстии втулки установлена шпилька, выполненная с центральным коническим участком, сопряженным с внутренней конической поверхностью втулки. Шпилька выполнена с резьбовыми свободными концами. На свободном резьбовом конце шпильки со стороны меньшего диаметра конуса установлена гайка в упор к наружному торцу фланца.

Чтобы было возможно осуществление центрирования валов при повторных сборках, в соединяемых фланцах полумуфт валов должны быть выполнены соосные отверстия для установки в них соединительных призонных болтов или шпилек. Отверстия, например, могут быть совместно обработаны с высокой точностью при первоначальном соединении валов.

Выполнение центрирующей втулки с несколькими продольными разрезами, выполненными так, как описано выше, обеспечивает при разжатии втулки конусной шпилькой более равномерную по сравнению с прототипом деформацию втулки в разных радиальных направлениях за счет более равномерного распределения усилия и тем самым обеспечивает повышение точности центрирования полумуфт. К тому же, по сравнению с прототипом в новой конструкции для разжатия втулки, выполненной с продольными разрезами, каждый из которых начинается от торца втулки со стороны большего диаметра конуса и заканчивается на свободной нерабочей части втулки, требуется меньшая доля от общего усилия затяга шпильки (при этом соответственно увеличивается доля усилия затяга на смещение роторов), что также влияет на повышение точности центрирования.

Применение установленной в центрирующей втулке конусной шпильки с резьбовыми концами значительно упрощает выполнение процесса центрирования, поскольку затяжка гайки, установленной со стороны меньшего диаметра конуса в упор к наружному торцу фланца, может быть легко осуществлена, например, с помощью динамометрического ключа.

Таким образом, описанное выше устройство для точного центрирования валов обеспечивает повышение точности центрирования валов при повторной сборке, а также значительно упрощает выполнение операции центрирования, позволяет снизить трудоемкость и сократить время выполнения операции.

Результаты расчетно-экспериментальных исследований, проведенных авторами, показали, что выполнение центрирующей втулки устройства для точного центрирования валов с четырьмя симметрично расположенными продольными разрезами, каждый из которых начинается от торца втулки со стороны большего диаметра конуса и заканчивается на свободной непризонной части втулки со стороны меньшего диаметра конуса, обеспечивает при разжимании втулки конической шпилькой наиболее эффективную передачу усилия затяга шпильки на смещение и центрирование роторов. Именно при таком выполнении втулки за счет равномерного распределения усилия и симметричной деформации осевых сечений втулки в радиальных направлениях обеспечивается оптимальная точность совмещения осей валов - точность, достигнутая при их первоначальном соединении.

С целью обеспечения большей надежности и долговечности гайки и втулки при многократном использовании в устройстве для точного центрирования валов может быть дополнительно установлена промежуточная втулка, которая охватывает шпильку с гарантированным радиальным зазором и размещена между гайкой, установленной на свободном резьбовом конце шпильки со стороны меньшего диаметра конуса, и центрирующей втулкой. Промежуточная втулка установлена между центрирующей втулкой и гайкой в упор к их торцам.

На фиг.1 представлен разрез главного вида устройства для точного центрирования валов, на фиг.2 отдельно представлена центрирующая втулка, продольный разрез, на фиг.3 - центрирующая втулка, вид слева (со стороны большего диаметра внутреннего конического отверстия втулки).

Графические материалы содержат пример конкретного выполнения устройства для точного центрирования валов, в частности, роторов турбоагрегата.

Устройство содержит центрирующую втулку 1, которая установлена с зазором в сквозных соосных отверстиях 2, 3 соединяемых фланцев 4, 5 полумуфт роторов. Центрирующая втулка выполнена с внутренним осевым сквозным коническим отверстием 6 и четырьмя симметрично расположенными на теле втулки продольными разрезами 7. Каждый разрез начинается от торца втулки со стороны большего диаметра конуса D₁ и заканчивается на свободной непризонной части втулки со стороны меньшего диаметра конуса D₂. В осевом отверстии 6 втулки 1 установлена шпилька 8 с резьбовыми свободными концами 9, 10. Шпилька 8 выполнена с центральным коническим участком, сопряженным с внутренней конической поверхностью отверстия 6 втулки 1. В рабочем состоянии на свободном резьбовом конце 9 шпильки 8 со стороны меньшего диаметра конуса в упор к наружному торцу фланца 5 установлена гайка 11.

Между гайкой 11 и центрирующей втулкой 1 установлена промежуточная втулка 12, которая охватывает шпильку 8 с гарантированным радиальным зазором, при этом промежуточная втулка 12 установлена своими торцевыми поверхностями в упор к торцам гайки 11 и центрирующей втулки 1.

Как уже отмечалось выше, при выполнении повторной сборки валопровода совмещение осей роторов может быть обеспечено путем совмещения осей соосных отверстий, выполненных во фланцах соединяемых полумуфт роторов. Соосность отверстий во фланцах полумуфт можно обеспечить, например, во время первоначального соединения роторов путем совместной обработки ответных друг другу отверстий во фланцах с одного установа инструмента. В дальнейшем, при повторных сборках, центрирование роторов выполняют с помощью элементов центрирования, устанавливаемых в соосных отверстиях соединяемых фланцев.

Комплекты конусных втулок и шпилек изготавливают под размер конкретных соединяемых фланцев и отверстий в них, и впоследствии эти комплекты могут многократно использоваться при повторных сборках валопровода.

Центрирование роторов происходит следующим образом.

При выполнении повторной сборки отверстия 2, 3, выполненные во фланцах 4, 5 соединяемых полумуфт валов, предварительно совмещают с небольшой точностью, затем стягивают полумуфты до соприкосновения торцев, после чего в каждую пару отверстий 2, 3 устанавливают центрирующую втулку 1 со шпилькой 8, промежуточную втулку 12 и гайку 11.

Затяг гайки 11 со стороны меньшего диаметра конуса вызывает осевое смещение шпильки 8 в эту же сторону и вследствие «клинового эффекта» - разжатие конической втулки в радиальных направлениях. В результате разжатия втулки 1 под действием поперечных сил от достаточно жесткого «клинового» узла «шпилька - втулка» происходит взаимное радиальное и тангенциальное смещение полумуфт относительно друг друга до точного совмещения осей фланцевых отверстий 2 и 3, а, следовательно, и до совпадения центральных осей полумуфт и осей соединяемых роторов.

Выполнение продольных разрезов в теле центрирующей втулки, каждый из которых начинается от торца втулки со стороны большего диаметра конуса и заканчивается на непризонной части втулки, обеспечивает наиболее эффективную передачу усилия затяга шпильки на смещение и центрирование полумуфт роторов. При выполнении центрирующей втулки с четырьмя симметрично расположенными разрезами обеспечивается равномерное распределение усилия и симметричная деформация осевых сечений втулки в радиальных направлениях.

Разжатие центрирующей втулки 1 конической шпилькой 8 путем затяжки гайки 11 является по сравнению с прототипом значительно более простой и технологичной операцией. При этом значительно сокращается время выполнения центрирования.

Таким образом, при выполнении центрирования обеспечивается точность совмещения центральных осей полумуфт роторов, достигнутая при первоначальном соединении роторов. Кроме того, применение предлагаемого устройства обеспечивает снижении трудоемкости и сокращение времени выполнения центрирования.

После того, как выполнено центрирование роторов, выполняют их соединение (фиксацию). Для этого после центрирования в ранее выполненные во фланцах установочные отверстия устанавливают призонные болты, осуществляют их предварительную затяжку, после чего центрирующие элементы удаляют, а в освободившиеся отверстия также устанавливают штатные призонные болты и производят окончательную затяжку всех призонных болтов.

1. Устройство для точного центрирования валов, содержащее центрирующую втулку, выполненную с внутренним осевым сквозным коническим отверстием и установленную с зазором в сквозных соосных отверстиях соединяемых фланцев валов, отличающееся тем, что центрирующая втулка выполнена с продольными разрезами, каждый из которых начинается от торца втулки со стороны большего диаметра конуса и заканчивается на свободной непризонной части втулки со стороны меньшего диаметра конуса, в осевом отверстии втулки установлена шпилька с резьбовыми свободными концами, шпилька выполнена с центральным коническим участком, сопряженным с внутренней конической поверхностью отверстия втулки, на свободном резьбовом конце шпильки со стороны меньшего диаметра конуса в упор к наружному торцу фланца установлена гайка.

2. Устройство для точного центрирования валов по п.1, отличающееся тем, что центрирующая втулка выполнена с четырьмя симметрично расположенными продольными разрезами.

3. Устройство для точного центрирования валов по п.1 или 2, отличающееся тем, что между гайкой и центрирующей втулкой установлена промежуточная втулка, охватывающая шпильку, при этом промежуточная втулка установлена таким образом, что между ней и шпилькой имеется гарантированный радиальный зазор.