航天阀门中零泄漏金属波纹管动密封技术及其应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京航天动力研究所 作者:魏国俭

  论述了航天发动机阀门中金属波纹管动密封零泄漏技术的密封原理。介绍了金属波纹管动密封的构成、加工、试验以及在航天阀门中低温、高压、高温工况下的应用。

1、概述

  零泄漏的金属波纹管动密封技术不仅是液体火箭发动机阀门的关键技术,也是各行各业(航天、航空、舰艇、石油和化工等)使用阀门的关键技术。特别是在低温、高温、高压、有毒及腐蚀性的介质中使用的阀门,确保在阀门开关调节动作中零泄漏,是阀门研制、设计和使用的难点和关键,也是确保航天液体火箭发动机系统、航空、舰艇、石油和化工等介质输送系统工作安全可靠的难点和关键。由于金属波纹管动密封技术能实现动密封的零泄漏,机械式动密封难于实现零泄漏,所以许多国家在航天技术阀门领域、阀门技术领域都进行了金属波纹管动密封技术的大量研究和应用。

  我国从70年代开始,在航天的液体火箭发动机阀门上使用金属波纹管动密封技术,特别是液氢液氧火箭发动机阀门采用了金属波纹管动密封技术后,取得了多个型号火箭发动机阀门研制成功。多年来, 4个型号液氢液氧火箭发动机的多种阀门中采用金属波纹管从8种已增加到约30种,零泄漏的金属波纹管动密封在液氢液氧火箭发动机阀门使用中占据了相当重要的位置。

2、金属波纹管动密封

2.1、结构

  阀门中的金属波纹管动密封是通过金属波纹管组合件实现动密封。金属波纹管组合件一般由金属波纹管、法兰连接件和盖连接件组成(图1) 。金属波纹管靠波纹管弹性薄板材料的强度和弹性,在金属波纹管组合件中与阀瓣一起移动时进行拉伸或压缩,阻隔气控腔和介质腔之间的泄漏,起零泄漏动密封的作用,并承受着介质腔和气控腔的压力差的作用。最常用的波纹管形式是多层U形金属波纹管,图2是常用三层U形金属波纹管的剖视立体图。金属波纹管组合件通过法兰盘连接件与阀门壳体连接成一体。盖连接件与阀瓣直接或间接相连,靠气控或介质压力的驱动,使阀瓣移动起开、关和调节作用。3个金属零件由手工或自动氩弧焊焊接、电子束焊焊接和锡焊焊接等。

5、结语

  液氢和液氧火箭发动机阀门的研制证明, 金属波纹管动密封技术是确保低温、高压、高温的火箭发动机阀门零泄漏动密封关键技术, 是有效和可靠的阀门动密封技术。

  (1) 金属波纹管动密封相对机械式密封, 具有零泄漏、无接触、无摩擦和无磨损等优点, 在低温技术领域中是可靠和安全的阀门动密封。

  (2) 金属波纹管动密封不仅可用于液氢液氧火箭发动机阀门, 也可应用于一般液体火箭发动机阀门, 不仅可用于国防(火箭、导弹、舰艇和原子能) 阀门, 也可用于民用(石油、化工、水力、煤炭) 阀门中, 实现零泄漏。

  (3) 除在低温技术领域外, 在特殊工况下的高温、有毒和腐蚀等介质阀门中使用时, 金属波纹管动密封也是可靠和安全的动密封结构。

  (4) 双曲率肋式波纹管和S 形波纹管是两种有使用价值和有应用前途的阀门零泄漏动密封元件。

参考文献

  〔1〕 魏国俭. 零泄漏波纹管动密封技术研究〔R〕. 国防科技报告, 2005.
  〔2〕 魏国俭, 乔桂玉. 氢氧火箭发动机高压低温大流量阀门技术研究〔J〕. 航天推进与动力, 2004.
  〔3〕 徐开先. 波纹管类组件的制造及其应用〔M〕. 北京: 机械工业出版社, 1998.
  〔4〕 杨源泉. 阀门设计手册〔M〕. 北京: 机械工业出版社,1992.
  〔5〕 余三民. 双曲肋式波纹管〔P〕. 1985.

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