Температуронезависимое центрирование деталей

Температуронезависимое центрирование

Обычный способ центрирования по цилиндрическим поверхностям неприменим, когда в системе соединяемых деталей возникают значительные тепловые деформации. Если охватывающая деталь имеет более высокую температуру или выполнена из материала с более высоким коэффициентом теплового расширения, чем охватываемая деталь, то в соединении образуется зазор, нарушающий центрирование. Если же охватывающая деталь имеет меньшую температуру или выполнена из материала с меньшим коэффициентом теплового расширения, чем охватываемая, то при нагревании возникает натяг, нагружающий соединение и вызывающий деформацию деталей, т. е. в конечном счете также нарушающий центрирование.

Это явление имеет особенно большое значение в конструкции тепловых машин (например, газовых турбин) с корпусами большого диаметра, зачастую выполняемыми из различных материалов.

Пусть в соединении кольцевых отсеков корпусов аксиального компрессора и турбины, центрируемых один относительно другого буртиком по посадке H8/h7 один из отсеков выполнен из легкого сплава с α1 = 23·10–6 1/°С; другой — из стали с α2 = 11·10–6 1/°С. Диаметр центрирующего буртика D0 = 1000 мм.

Отверстие, выполненное по Н8, может иметь отклонения в пределах 0—0,14 мм, а диаметр центрирующего буртика — в пределах от 0 до 0,09 мм. Следовательно, в соединении, собранном в холодном состоянии, зазор может колебаться от 0 до 0,23 мм.

Пусть рабочая температура отсеков 150°С. Разность увеличения диаметров центрирующих поверхностей ΔD = D0tраб1–α2).

Подставляя численные значения, получаем ΔD = 1000·150(23–11)·10–6 = 1,8 мм.

Прибавляя первоначальный зазор 0–0,23 мм, получаем зазоры в горячем состоянии: минимальный 1,8 мм, максимальный 2,03 мм. Разумеется, точность центрирования при этом совершенно теряется.

Центрирование фланцев

На рис. 260 (фланцевое соединение) представлены некоторые способы температуронезависимого центрирования. Стальной фланец 1 центрируется буртиком в корпусной детали 2 из алюминиевого сплава (рис. 260, а). При нагреве системы в соединении появляется зазор; центрирование осуществляется лишь неопределенным действием затяжки крепежных болтов. Более уверенное центрирование обеспечивает стяжка соединения призонными болтами (рис. 260, б). Однако при нагреве в соединении возникает натяг, деформирующий узел. Натяг возникает и при центрировании наружным буртиком на стальном фланце (рис. 260, в).

Такие способы центрирования допустимы, когда одна из соединяемых деталей обладает податливостью в радиальном направлении, например, если стальной фланец переходит в цилиндрический тонкостенный корпус 3 (рис. 260, г), который может несколько расширяться в радиальном направлении, что несколько уменьшает напряжения в узле.

При системе двойного центрирования (рис 260, д) соединение в холодном состоянии центрируется по внутреннему буртику стального фланца. Наружный буртик выполняют с зазором m, равным полуразности теплового увеличения диаметров алюминиевого и стального фланцев. При нагреве функцию центрирования принимает на себя наружный буртик; на внутреннем буртике образуется зазор. В период разогрева между крайними значениями температур центрирование получается неопределенным. Разновидностью этого способа является центрирование буртиком, входящим с внутренним зазором n в кольцевую выточку сопряженной детали (рис. 260, е).

Радиально-лучевое центрирование. При равномерном тепловом расширении все участки цилиндрических деталей перемещаются по радиусам, сходящимся в оси симметрии деталей. Если расположить центрирующие элементы лучами по радиусам, то центрирование будет сохраняться при любых тепловых деформациях системы. Число центрирующих элементов должно быть не менее трех. Этот вид центрирования называют радиально-лучевым.

Радиально-лучевое центрирование фланцев

Примеры лучевого центрирования показаны на рис. 261 (сопряжение охватывающей детали из алюминиевого сплава со стальной охватываемой деталью). В конструкции а центрирующими элементами являются подголовки болтов 1 с лысками, плотно входящие в радиальные прорези на фланце. Фланец притягивают к корпусу тарированной силой с таким расчетом, чтобы сила трения на стыке была меньше термических сил, возникающих при нагревании-охлаждении. Иногда систему затягивают до упора гайки в подголовок болта так, чтобы в соединении был минимальный осевой зазор (несколько сотых миллиметра). Центрирование буртиком в данном случае излишне, так как буртик служит только для размещения уплотнения.

Разновидностью радиально-лучевого центрирования является штифтовое (пальцевое) центрирование. Центрирующие штифты плотно устанавливают в совместно обработанные отверстия соединяемых деталей (рис. 261, б). Буртик в данном случае служит для предварительного центрирования фланцев при обработке. Затяжку соединения этот способ не обеспечивает; штифты лишь фиксируют детали в осевом и радиальном направлениях. Герметичность соединения можно обеспечить упругими уплотняющими элементами, закладываемыми в стык (рис. 261, в).

В соединениях, передающих крутящий момент, радиально-лучевое центрирование осуществляют с помощью шпонок 1 (рис. 262), болтов 2 с лысками, торцовых кулачков 3, прямобочных 4 или торцовых 5 шлицев, радиальных штифтов 6 и 7.

Радиально-лучевое центрирование фланцевых соединений

Предварительное центрирование соединяемых фланцев цилиндрической поверхностью 8 применяют в тех случаях, когда охватывающая деталь расширяется при рабочих температурах больше, чем охватываемая. В обратном случае между охватывающей и охватываемой деталями предусматривают радиальный зазор 9. Отверстия под центрирующие штифты обрабатывают раздельно по кондуктору или совместно с применением центрирующих фальшколец.

На рис. 263 представлены примеры лучевого центрирования подшипников скольжения и качения в корпусах из легких сплавов.

Лучевое центрирование подшипников скольжения и качения

Часто применяют лучевую подвеску деталей, работающих при высоких температурных перепадах, например, в топочных устройствах. На рис. 264, а изображена оселучевая подвеска жаровой коробки 1 на продольных ребрах 2, обеспечивающих свободу радиальных и осевых деформаций. На рис. 264, б и в приведены узлы подвески камер горения 3 газовых турбин в корпусах 4 с помощью радиальных центрирующих стаканов 5.

Лучевая подвеска камер сгорания

Центрирование насадных деталей. Задача температуронезависимого центрирования встречается при посадке на валу роторов турбин, центробежных и осевых компрессоров и других агрегатов. Если температура ротора высока (рабочие диски турбин) или роторы изготовлены из легкого сплава (центробежные и аксиальные компрессоры), то на посадочном поясе образуется зазор, приводящий к дисбалансу и биениям ротора. У быстроходных роторов зазор увеличивается еще под действием центробежных сил, вызывающих напряжения растяжения, наибольшие у отверстия ротора. В таких случаях необходимо нейтрализовать влияние и температуры, и сил инерции.

Эффективным средством является охлаждение роторов. Этот прием широко применяют в газовых турбинах. Охлаждающий воздух, отбираемый из первых ступеней компрессора, омывает рабочие диски, после чего вводится в общий газовый тракт турбины. Охлаждение роторов паровых турбин затруднительнее.

Центрирование насадных деталей

Способы температуронезависимого центрирования насадных деталей приведены на рис. 265. При ступенчатом центрировании (рис. 265, а) ротор при сборке центрируется на валу внутренней поверхностью отверстия. В рабочем состоянии, когда диаметр ступицы увеличивается, центрирование осуществляют буртики колец, охватывающие ступицу с обеих сторон. В промежутке между крайними положениями ротор децентрирован, что может вызвать появление опасных вибраций.

Многоступенчатое центрирование осуществляют с помощью гребенчатых дисков с зазорами, последовательно увеличивающимися к периферии (рис. 265, б). По мере нагрева и увеличения размеров ступицы вступают последовательно в действие новые гребешки, благодаря чему центрирование сохраняется на всех стадиях нагрева. Иногда применяют установку между валом и ступицей пружинных С-образных колец (рис 265, в). В данном случае возможны смещения ротора относительно вала в пределах упругой деформации колец и, как следствие, радиальное и осевое биение ротора.

Лучевое центрирование осуществляют боковыми гранями шлицев 1, плоскости которых сходятся на оси вала (рис. 265, г). При равномерном нагреве деталей и осесимметричном растяжении ступицы центробежными силами соблюдается геометрическое подобие системы, в силу чего центрирование сохраняется при любых условиях работы. Практически тот же результат получается при обыкновенных прямобочных шлицах 2 с центрированием по рабочим граням. Отклонения от правильного центрирования тем меньше, чем тоньше шлицы, т. е. чем больше их число.

На рис. 265, д показан способ лучевого центрирования по торцовым зубьям, входящим в радиальные пазы ведущих шайб.

При посадке на вал деталей с длинными ступицами следует считаться также с изменением осевых размеров ступицы. При нагреве, симметричном в экваториальной и меридиональной плоскостях, каждая точка детали перемещается по лучам, исходящим из геометрического центра детали.

Наиболее правильно расположить центрирующие элементы в меридиональной плоскости симметрии детали по радиусам, сходящимся на оси. Этот принцип положен в основу пальцевых втулок (рис. 265, е), часто применяемых в турбостроении. Пальцы устанавливают в промежуточной втулке, так как иначе сборка соединения невозможна. Втулку вводят в ступицы ротора, закладывают пальцы изнутри и в таком виде ротор устанавливают на вал.

Втулку сажают на вал по посадке с натягом (иногда с затяжкой по конической поверхности). Размеры втулки, нагруженной незначительными центробежными силами, практически не изменяются; сохраняется и натяг между втулкой и валом. Система обеспечивает свободу температурных деформаций ступицы в радиальном и осевом направлениях (по обе стороны от плоскости расположения пальцев).

Более технологичный прием — установка пальцев снаружи в отверстия, совместно обработанные в ступице и на валу. Условие сохранения центровки и неизменности расположения меридиональной плоскости симметрии ротора заключается в том, чтобы оси отверстий сходились на оси вала в меридиональной плоскости симметрии (рис. 265, ж). Такой же эффект получается и при установке пальцев в ряд (слева или справа от плоскости симметрии ротора). Однако система наклонных пальцев не обеспечивает правильного центрирования при изменении размеров ступицы под действием растягивающих сил. Центробежные силы, направленные перпендикулярно оси вала, изгибают пальцы. Следовательно, система применима в тех случаях, когда преобладают тепловые деформации, а деформации растяжения невелики. Правильность центрирования при действии центробежных сил обеспечивается тем в большей мере, чем ближе пальцы расположены к оси симметрии детали.

Правильное центрирование можно обеспечить и при наличии растягивающих напряжений, если пальцы расположить радиально с одной стороны ротора (положение В, рис. 265, з). Однако в этом случае осевые тепловые деформации направлены от плоскости расположения пальцев, и меридиональная плоскость симметрии ротора будет при тепловых деформациях несколько смещаться вдоль вала. Плоскость ротора, не изменяющая своего положения относительно вала, вообще определяется положением точек пересечения осей пальцев с осью вала (положения А, Б и В).

Если центрируемая деталь имеет торцовый упор, определяющий направление осевых деформаций, и если преобладают осевые тепловые деформации (случай длинных ступиц), то оси пальцев должны сходиться в плоскости упорного буртика (рис. 265, и). Это обеспечивает беспрепятственное тепловое расширение ступицы.

Разновидностью лучевого центрирования является установка ротора на конусах, образующие которых сходятся в меридиональной плоскости симметрии ротора (рис. 265, к). В этом случае условия правильного центрирования и неизменности расположения меридиональной плоскости симметрии ротора обеспечиваются полностью. Момент ротору можно передавать шпонкой, шлицами или коническими зубьями. Система не обеспечивает центрирования при увеличении размеров отверстия под действием растягивающих сил. Исключение представляет случай, когда конусы стянуты пружиной, постоянно выбирающей зазор на посадочных поверхностях. Угол наклона конусов должен быть меньше угла трения (для возвращения ступицы в исходное состояние при остывании).

При установке последовательно нескольких роторов (рис. 265, л) конусы обеспечивают правильное радиальное центрирование и сохранение положения меридиональных плоскостей симметрии каждого ротора на валу, а также предотвращают осевые напряжения сжатия в ступицах и напряжения растяжения в валу при колебаниях температуры.

Пружинная затяжка (рис. 265, м) смягчает осенаправленные напряжения в системе, но не решает задачи радиального центрирования роторов и не обеспечивает неизменности их осевого положения на валу. Плоскости симметрии роторов при тепловых деформациях смещаются в этом случае на величину, пропорциональную их расстоянию от фиксирующего буртика.

Правильное центрирование можно обеспечить также отнесением центрирующих поясов от зоны действия растягивающих напряжений. С этой целью центрирующие поверхности m отделяют от тела ротора кольцевыми выборками (рис. 265, н). Будучи практически разгруженными от растягивающих напряжений, центрирующие пояса сохраняют первоначальные размеры и посадку на валу. При известной форме перехода от тела ротора к центрирующим поясам плотность посадки может даже возрасти в результате растяжения ступицы центробежными силами, сопровождающегося сближением и сжатием посадочных поясов. Если теплопередачу от тела ротора к посадочным поясам ослабить уменьшением сечения переходных участков и одновременно ввести охлаждение посадочных поясов, например, с помощью ребер (рис. 265, о), то система может обеспечить центрирование и при температурных деформациях ротора.

Своеобразная конструкция представлена на рис, 265, п. Ступица ротора разделена глубокими кольцевыми канавками на две части — массивную, рассчитанную на восприятие центробежных и термических сил, и тонкостенную центрирующую втулку. Размеры центрирующей втулки, изолированной от растягивающих напряжений и от теплопередачи из ротора, практически не меняются, что обеспечивает правильное центрирование ротора при всех условиях работы. Конструкция применима в стационарных установках.

Отвод теплоты. Действенным средством снижения термических напряжений и деформаций, уменьшения короблений и сохранения прочности материала является уменьшение перепада температур. Этого достигают изоляцией детали от действия источника теплоты или увеличением теплоотвода в окружающую среду. При особо высоких температурах вводят системы с принудительным охлаждением (воздухом, маслом, водой).

Крепление фрикционных накладок

Конструкция дискового фрикционного сцепления, в котором одна накладка прикреплена к корпусу сцепления, а вторая — к нажимному диску (рис. 266, а), нерациональна, так как тепло, выделяющееся при включении сцепления, переходит в тонкий ведомый диск и перегревает его. Значительно лучше конструкция (рис. 266, б), где фрикционные накладки прикреплены к ведомому диску. Благодаря высоким теплоизоляционным свойствам накладки надежно защищают тонкий диск от перегрева; тепло, выделяющееся при включении, переходит в массивный корпус сцепления и нажимной диск, которые вследствие большой теплоемкости нагреваются при включениях незначительно.

Усиление теплоотвода от гильзы цилиндра

Теплопередачу можно интенсифицировать путем устранения термических сопротивлений. В блочном двигателе водяного охлаждения с сухими гильзами (рис. 267, а) теплоотвод от гильз в охлаждающую воду затруднен из-за наличия лишней стенки, неизбежного присутствия масляной пленки и загрязнений на поверхности запрессовки. Гораздо лучше охлаждение гильз, непосредственно омываемых водой (рис. 267, б).

На рис, 268, а представлены ранние конструкции выхлопного патрубка двигателя воздушного охлаждения, а на рис. 268, б — современная конструкция с сильно развитым оребрением и улучшенным теплоотводом.

Варианты усиления теплоотвода

Охлаждение участков расположения седла и направляющей выпускного клапана должно быть равномерным, иначе возможно искажение цилиндрической формы седла и, как следствие, нарушение правильной работы клапана. На рис. 268, в представлен пример ошибочной конструкции выхлопного патрубка двигателя с водяным охлаждением. Ошибка заключается в одностороннем подводе охлаждающей воды: вокруг седла и направляющей остаются плохо охлаждаемые массивы 1. На рис. 268, г показана наиболее правильная конструкция, в которой вода подведена равномерно по всей окружности седла и направляющей.

На рис. 268, д представлена неудовлетворительная по условиям охлаждения конструкция поршня. Для улучшения теплоотвода в масло, забрасываемое из картера, в днище делают крестообразные 2, продольные 3 или вафельные 4 ребра, которые вместе с тем увеличивают прочность и жесткость днища (рис. 268, е, ж). Наибольшую поверхность охлаждения при наименьшей массе обеспечивают столбчатые охладители 5, однако они не увеличивают жесткость днища.

В особо теплонапряженных поршнях вводят принудительное масляное охлаждение (рис. 268, з). Масло подается из шатунной шейки коленчатого вала по каналу в шатуне и через отверстие в головке поступает в полость под днищем, откуда стекает в картер.

Применение материалов высокой теплопроводности способствует переходу тепловой энергии из наиболее нагретых участков детали в более холодные и уменьшению температурного перепада. В деталях, изготовленных из материалов низкой теплопроводности, внутренний теплопереход усиливают введением вставок из теплопроводных металлов (алюминия, меди) или заполнением внутренних полостей жидким теплопереносчиком (например, легкоплавким металлом).

Наиболее полное выражение последний способ получил в конструкции выпускных клапанов с натриевым охлаждением. Применение жидкого теплоносителя здесь особенно выгодно потому, что в силу поступательно-возвратного перемещения клапана теплоноситель постоянно находится в движении и интенсивно передает тепловую энергию от горячей головки клапана в относительно холодный шток.

Металлический натрий обладает высокими свойствами как теплопереносчик: низкой температурой плавления (97°С), большой удельной теплоемкостью [1,13 Дж/(кг·°С)], малой плотностью (0,97 кг/дм3 в твердом состоянии и 0,74 кг/дм3 в жидком). Температура кипения 880°С. Исключительно высокая скрытая теплота испарения (4620 Дж/кг) обеспечивает крупный резерв теплопоглощения на случай кратковременного повышения температуры клапана сверх 880°С.

Изготовление пустотелых клапанов вызывает значительные технологические трудности. Однако повышенные затраты на изготовление вполне окупаются увеличением надежности и срока службы.

Изготовление пустотелого клапана методом редуцирования начинается с вытяжки заготовки в виде полого стакана (рис. 269, а) который уковывают в несколько переходов до закрытия цилиндрической части полости (рис. 269, б и в). Затем следует сверление, развертывание отверстия и обдирка наружной поверхности (рис. 269, г). Для заковки конца штока оставляют припуск s. После заковки (рис. 269, д) сверлят и развертывают коническое отверстие под уплотнительную пробку (рис. 269, е). Зачем клапан предварительно обрабатывают снаружи и заполняют примерно на 60% объема полости натрием при 200—300°С в нейтральной атмосфере. Отверстие заглушают конической пробкой, торец штока наплавляют стеллитом. Затем следует чистовая механическая обработка клапана.

Изготовление пустотелых клапанов

Проще изготовление пустотелых клапанов путем приварки донышка (рис. 269, ж). После приварки сферическую поверхность головки клапана, фаски и торец штока наплавляют стеллитом. Затем поверхности клапана шлифуют и полируют. Однако сварке поддаются только некоторые клапанные стали. Наиболее жаропрочные стали мартенситно-аустенитного класса не свариваются. К тому же сварные клапаны менее прочны, чем клапаны, полученные редуцированием.