航天阀门中零泄漏金属波纹管动密封技术及其应用.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 文章编号 1002258552010 0120027206 作者简介魏国俭,研究员,硕士生导师。 航天阀门中零泄漏金属波纹管动密封技术及其应用 魏国俭 1,黄乃宁2,乔桂玉1,孙正旺1,王 慧1,赵凤红1,赵 莹1,陈晓琴1,向 猛1,许 键1,周 炜1,刘 博1 11北京航天动力研究所,北京100076;21沈阳仪表科学研究院,辽宁 沈阳110043 摘要 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。 关键词 阀门;金属波纹管;动密封;加工;试验;应用 中图分类号TH134 文献标识码A The zero leakage metal bollows dynam ic sealing technology and new application in aerospace valve W EI Guo2jian 1, HUANG Nai2 ning 2,Q I AO Gui2 yu 1, SUN Zheng2 wang 1,WANG Hui1, ZHAO Feng2 hong 1, ZHAO Ying 1 , CHEN X iao2qin 1 , X IANG M eng 1 , XU Jian 1 , ZHOU W ei 1 , L IU B o 1 11Beijing A erospace pow er Research Institute, Beijing100076, China; 21Shenyang Scientific instrum ent Institute, Shenyang110043, China AbstractThe dynam ic sealing of aerospace engine valve in high pressure, low or high temperature con2 dition dem and the zero leakage how everm etal bellow s dynam ic sealing can achieve. The paper presents the zero leakage m etal bollow s dynam ic sealing technology structure, Principle, processing, test . in aerospace valve and its new application. Key wordsvalve; m etal bellow s dynam ic sealing; processing and test; new application 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 211 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是常用的三层U形金属波纹管的剖视立体图。 722010年第1期 阀 门 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 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。 212 特性 阀门的动密封性能是靠金属波纹管组合件中的 金属波纹管的性能和特性保证的。金属波纹管是由 单层或多层薄壁管材液压而成,在航天领域中多采 用2层或3层U形不锈钢00Cr17Ni14Mo2和高温合 金GH4169材料的波纹管,其具有如下的优良特性。 图3 不锈钢波纹管的压缩拉伸刚度 3 个试件 1试验证明,金属波纹管同时具有压缩弹性 和拉伸弹性。一般阀门用的金属机械弹簧大多都是 单向的压缩弹簧,而金属波纹管,在有效的压缩和拉 伸范围内,是一个又能压又能拉的双向机械弹簧。 普通不锈钢波纹管的压缩拉伸刚度曲线见图3, GH4169波纹管的压缩拉伸刚度曲线见图4和图5。 图4 GH4169波纹管的压缩拉伸刚度 2 个试件 2金属波纹管在有效的行程范围内,靠波纹 管金属波纹结构的拉压弹性,在有压力作用的情况 下,波纹管组合件既能受外压力压缩,又能受内压力 伸长,实际上是一个既能収缩又能伸长的压力容器 图 6 。 3金属波纹管既能承受内压作用也能承受外 压作用。对于3层U形的不锈钢00Cr17Ni14Mo2 或高温合金GH4169材料的波纹管,一般能承受20 82 阀 门 2010年第1期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ～30 MPa的内压或外压,不失稳。 4适用于低温和高温 - 253～500℃的工 况。 5动作寿命在工作压力015MPa下一般大于 2万次,随着工作压力的提高动作寿命要下降。 213 原理 金属波纹管组合件利用波纹管的能压缩能拉伸 具有拉压弹性的特点,使波纹管的一端与移动的阀 头相连,另一端与固定不动的阀壳体相连,构成动的 运动副图 7 。靠波纹管本身的弹性变形实现阀瓣 的移动,靠波纹管的管壁金属材料强度承受控制腔 和工作腔的压力差。阀瓣运动前、 运动中和运动后 靠波纹管保证运动副之间即控制腔和工作腔之间的 零泄漏。在阀瓣的移动全过程,靠金属波纹管动密 封实现运动副之间无接触,无摩擦,无磨损。 金属波纹管动密封的关键部位是能压缩拉伸变 形的金属波纹管图 7 。金属波纹管的密封性能决 定了阀门的动密封性能。 机械式动密封是靠活塞槽中的非金属密封件与 金属壳体壁面之间的压缩接触面,产生接触压应力 图8、 图9 ,阻止由压缩接触面隔开的控制腔和工 作腔之间的压差泄漏。压缩接触面的密封能力与非 金属密封件和金属壳体的材料、 表面硬度、 表面粗糙 度、 尺寸、 控制腔和工作腔之间的压差等因素有关。 压缩接触面上的压应力是有限的,当压应力小于控 制腔和工作腔之间的压差就会发生泄漏。随着压差 越大泄漏就越大,机械式动密封难于做到零泄漏,而 且运动副之间有接触、 有摩擦、 有磨损,随着压应力 越大,摩擦和磨损就越大。 机械式动密封的关键部位是运动的密封件与不 动的壳体之间的环形接触面图9 ,接触面的密封 性能决定了阀门动密封性能。 11活塞 21非金属密封 O 形环、 平垫片 31壳体 41接触面上的压应力 图9 2种常用机械式动密封结构 金属波纹管动密封与机械式动密封的性能比较 922010年第1期 阀 门 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 结果证明表1 ,金属波纹管动密封性能大大优于机械式动密封性能。 3 金属波纹管组合件加工与试验 常用 的 金 属 波 纹 管 组 合 件,有 不 锈 钢 00Cr17Ni14Mo2波纹管组合件和合金钢GH4169波 纹管组合件,其工艺加工过程基本相同,不同的是 金 属 波 纹 管 组 合 件 焊 后 热 处 理 方 法。 00Cr17Ni14Mo2即316L不锈钢波纹管组合件焊后 不用时效处理,而GH4169波纹管组合件在固溶状 态焊接后需要时效处理提高波纹管的强度,同种材 料的GH4169波纹管组合件必须在固溶状态下焊 接,否则会发生裂纹。GH4169波纹管组合件加工 工艺主要内容见图10。通过机械加工和焊接的金 属波纹管组合件,不能直接安装在阀门里使用,因 为在多工序的工艺过程中,管壁材料在焊接、机械 加工、工序周转中还可能会发生划伤、碰伤等质量 问题,必须经过一系列的试验,证明金属波纹管组 合件符合产品的技术要求后才能安装在阀门中使 用。金属波纹管组合件主要试验内容见表2。 表2 金属波纹管组合件主要试验内容 序号检查数量检查内容说 明 1 2 3 4 5 6 逐件检查 抽一批产品 的5,但不少 于3件 灵活性大于3次 空气气密性试验压力同工作压力 氦气检漏按有关标准进行 测量刚度按图纸要求 X光检查或剖切焊缝检查焊缝质量 强度检查 试验压力为工作压 力的112～115倍 4 金属波纹管动密封的新应用 411 新式双曲率肋式波纹管稳压器 北京航天动力研究所于1985年就获得了国家 发明专利 “ 双曲肋式波纹管 ”图11 , 并研制成 功了肋式波纹管稳压器图12。在结构上新式双 曲率肋式波纹管与单曲率的U形波纹管有所不同。 新式双曲率肋式波纹管的轴线上有U形的曲线变 形,在波纹管的沿圆周方向均匀排列的凹形 “ 肋 ” 曲线变形,波纹管的壁面是双曲率变形结构。肋式 波纹管由专用夹具两次液压加工成型,波纹管管壁 受到两次拉伸和冷作硬化。 新式双曲率肋式波纹管与单曲率的U形波纹 管在性能上相比,具有稳定性好、刚性好、承压能 力高、残余变形小等优点。它可以用来代替膜片, 做为调节器的压力敏感元件使用。新式双曲率肋式 波纹管组合件装在液体稳压器后,进行了多台的空 气、水、液氢、液氧的试验,列举其中单台产品的 试验曲线见图13和图14。 试验结果证明,双曲率肋式波纹管稳压器具有 良好的稳压调节性能,进回程差小,动态稳定性 好,能在空气、水、液氢和液氧中使用。其缺点是 波纹管成型复杂,成本高。 412 S形波纹管液氧流量调节器 03 阀 门 2010年第1期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 132010年第1期 阀 门 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. S形波纹管用在液氧流量调节器的阀前抬座动 密封结构中,利用抬座动密封结构的阀座和阀门球 之间的缝隙,可使本阀作为系统的初级流量阀门使 用,又可以使阀门相对阀座无接触无摩擦的转动, 可以实现一阀两用。液氧通过S形波纹管液氧流 量调节器抬座缝隙的流量系数 μF值试验曲线见图 17。 S形波纹管的缺点是成型工艺复杂、成本高、 对接头的焊接要求高。 413 U形波纹管高温燃气阀 北京航天动力研究所从2001年开始研制U形 波纹管高温燃气阀,2005年申报了国家发明专利, 经过大量试验,高温试验、已成功的用于系统中。 U形波纹管组合件见图18,U形波纹管高温燃气 阀外形见图19。高温燃气阀U形波纹管所用材料 为GH4169。经过2台产品高温试验,U形波纹管 能承受内压3M Pa,外压7M Pa,动作500次、动 作间隔2s。在燃气温度540℃ 下,工作4ks后,U 形波纹管符合技术要求。 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. 收稿日期2009111120 23 阀 门 2010年第1期