跨超声速风洞套筒式调压阀副密封故障分析与改进

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国空气动力研究与发展中心 作者:马东平

1、概述

  在跨超声速风洞运行过程中,随着气源压力的下降,通过控制调压阀的开度,以保证稳定段内气流压力稳定在某一运行压力值,以维持风洞的正常运行。调压阀的性能直接关系到风洞运行压力、试验段马赫数控制精度及试验段流场品质。实践证明,环形缝隙套筒式调压阀具有良好的调节特性,在国内外跨超声速风洞中应用非常广泛。但由于工作环境恶劣,副密封经常出现故障,严重影响了阀门的正常运行,给风洞设备和参试人员带来了安全隐患,因此探索和改进副密封的结构形式是提高该阀门可靠性的关键。

套筒式调压阀结构

图1 套筒式调压阀结构

2、环形缝隙套筒式调压阀结构

  常见环形缝隙套筒式调压阀结构如图1所示。阀门关闭时套筒两端有两道密封,分别称为主密封和副密封。副密封采用7形密封圈,由压板固定在内筒上,主密封采用凸字形密封圈,由压板固定在套筒上。阀前后压差在0.1~2.0MPa之间,阀门处于关闭状态时,套筒在油缸的推动下将主副密封圈同时压紧,从而起到密封作用。阀门开度较小时,主、副密封处流速很快,对密封圈的冲击很大,阀门开度增大后,气流主要通过套筒前缘流出。

3、副密封失效分析

  环形缝隙套筒式调压阀副密封最常见的故障形式是密封圈断裂脱落,从而导致阀门漏气,关闭不到位或套筒撞击导向套筒的情况。在套筒处于关闭状态时,副密封圈两边均受挤压力,处于稳定状态。而在套筒打开的状态下,因为环带与套筒贴合不够紧密,此时副密封不再起密封作用,气流同时还通过环带从副密封圈周边流过,套筒开度较小时,阀前后压差较大,通过副密封圈周边的气流速度很快,对密封圈的冲击很大。该密封圈的左侧仅有一半得到支撑,副密封圈下缘在套筒的搓动以及右侧强气流的冲击下,逐渐出现裂纹,最后彻底断裂,进入套筒与内筒体的空腔内。在套筒的不断往复运动中,断裂的密封圈被搓成棒状,最后从套筒和内筒体的缝隙中被吹出。阀门关闭时有些未被吹出的碎屑卡塞在压板前,导致套筒无法继续向关闭方向前进,从而出现套筒被弹开或无法关闭到位的情况。随着副密封圈的大量脱落,套筒关闭时副密封圈应有的缓冲作用逐渐减弱,主密封圈就会承受强大的冲击力,主密封圈外露部分被全部压缩后,套筒金属面与导向套筒直接撞击,阀门关闭时发出金属撞击的声音。副密封圈断裂及被吹出的过程如图2所示。

副密封圈断裂及被吹出的过程

图2 副密封圈断裂及被吹出的过程

  副密封圈与主密封圈材质一致,所经受的冲击基本相同,但是两者的结构形式以及固定方式差别很大。主密封圈如图1放大图P所示为凸字形,无论套筒处于关闭还是打开状态,该密封圈的大部分被紧紧地压在槽内,只露出少部分。这种结构在气流的冲击下,不会被折断,也不会被吹出。与主密封圈相比,副密封圈的结构以及压紧方式都不利于抵抗气流的冲击。因此解决该问题主要立足于不改变套筒结构,从副密封圈的结构以及压紧方式这两个方面来考虑。

4、副密封圈改进方案及选择

4.1、方案①

  如图3所示。改变了副密封圈的外部形状,在副密封圈的内部增加⌈形金属弹性钢架,以增强副密封圈在气流的冲击下抵抗折断撕裂的能力,同时对副密封圈压板下缘做了延伸,压板前端加工出长16mm,厚1mm的凸出部分,将副密封圈半包围保护起来,避免下缘受到气流的冲击。由于副密封圈内增加弹性钢架后,副密封圈圆周方向不再有弹性,而副密封圈安装时必须从套筒前主密封面位置套入,主密封圈位置直径比副密封圈内径大,如果副密封圈做成整圈,因不能拉伸而无法安装。为此,该方案中将副密封圈分成3段以便于安装。

副密封改进方案一

图3 副密封改进方案一

  该方案的优点是密封圈抗弯曲抗撕裂能力强,密封圈下缘不再受套筒的搓动以及气流的冲击。缺点在于,由于密封圈分段,段间接头处密封很难处理,存在漏气隐患。另外,密封圈压板下缘延伸部分太薄尺寸很难保证,安装时容易卷边,一旦与套筒相蹭将导致该处撕裂,如与套筒咬合在一起,有导致套筒被卡塞的隐患。

4.2、方案②

  如图4所示。参照主密封圈的外形和压紧方式,将副密封圈改为J形,内部不增加补强填充材料,也不再分段。压紧板由均为四段的内衬圈和压板组合而成,两者采用两面对扣的形式将副密封圈紧紧卡在槽内。压板与内筒体间增加密封垫片,以确保气流不从两者间穿过。

  该方案的优点是大大改善了副密封圈的受力方式。无论套筒是开是合,密封圈都始终处于合理的包裹状态。为了安装方便,内衬圈与压板间径向两侧均设有定位止口,安装时内衬圈压入压板槽内就可确保内衬圈与压板间径向无法移动,内衬圈和压板贴合后所形成的空腔为密封圈的固定槽。密封圈与套筒相贴面设计为平面,在套筒关闭后套筒上的柱面与密封圈的平面相贴,即使密封圈径向有偏移,两者间的贴合面仍能得到保证。

副密封改进方案二

图4 副密封改进方案二

  风洞试验结果证明,方案º可操作性好,密封性能可靠,能有效提高密封圈的寿命。

5、结语

  跨超声速风洞环形缝隙套筒式调压阀的⌈形副密封圈因支撑不良易撕裂,不宜做该阀的副密封圈,而J形副密封圈因具有良好支撑结构,耐气流冲击,适宜用于环向缝隙套筒式调压阀的副密封圈。

参考文献

  [1]刘政崇.风洞结构设计1M2.北京:中国宇航出版社,2005.

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