1、概述

　　在跨超聲速風(fēng)洞運行過程中，隨著氣源壓力的下降，通過控制調(diào)壓閥的開度，以保證穩(wěn)定段內(nèi)氣流壓力穩(wěn)定在某一運行壓力值，以維持風(fēng)洞的正常運行。調(diào)壓閥的性能直接關(guān)系到風(fēng)洞運行壓力、試驗段馬赫數(shù)控制精度及試驗段流場品質(zhì)。實踐證明，環(huán)形縫隙套筒式調(diào)壓閥具有良好的調(diào)節(jié)特性，在國內(nèi)外跨超聲速風(fēng)洞中應(yīng)用非常廣泛。但由于工作環(huán)境惡劣，副密封經(jīng)常出現(xiàn)故障，嚴重影響了閥門的正常運行，給風(fēng)洞設(shè)備和參試人員帶來了安全隱患，因此探索和改進副密封的結(jié)構(gòu)形式是提高該閥門可靠性的關(guān)鍵。

圖1 套筒式調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)

2、環(huán)形縫隙套筒式調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)

　　常見環(huán)形縫隙套筒式調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。閥門關(guān)閉時套筒兩端有兩道密封，分別稱為主密封和副密封。副密封采用7形密封圈，由壓板固定在內(nèi)筒上，主密封采用凸字形密封圈，由壓板固定在套筒上。閥前后壓差在0.1~2.0MPa之間，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)時，套筒在油缸的推動下將主副密封圈同時壓緊，從而起到密封作用。閥門開度較小時，主、副密封處流速很快，對密封圈的沖擊很大，閥門開度增大后，氣流主要通過套筒前緣流出。

3、副密封失效分析

　　環(huán)形縫隙套筒式調(diào)壓閥副密封最常見的故障形式是密封圈斷裂脫落，從而導(dǎo)致閥門漏氣，關(guān)閉不到位或套筒撞擊導(dǎo)向套筒的情況。在套筒處于關(guān)閉狀態(tài)時，副密封圈兩邊均受擠壓力，處于穩(wěn)定狀態(tài)。而在套筒打開的狀態(tài)下，因為環(huán)帶與套筒貼合不夠緊密，此時副密封不再起密封作用，氣流同時還通過環(huán)帶從副密封圈周邊流過，套筒開度較小時，閥前后壓差較大，通過副密封圈周邊的氣流速度很快，對密封圈的沖擊很大。該密封圈的左側(cè)僅有一半得到支撐，副密封圈下緣在套筒的搓動以及右側(cè)強氣流的沖擊下，逐漸出現(xiàn)裂紋，最后徹底斷裂，進入套筒與內(nèi)筒體的空腔內(nèi)。在套筒的不斷往復(fù)運動中，斷裂的密封圈被搓成棒狀，最后從套筒和內(nèi)筒體的縫隙中被吹出。閥門關(guān)閉時有些未被吹出的碎屑卡塞在壓板前，導(dǎo)致套筒無法繼續(xù)向關(guān)閉方向前進，從而出現(xiàn)套筒被彈開或無法關(guān)閉到位的情況。隨著副密封圈的大量脫落，套筒關(guān)閉時副密封圈應(yīng)有的緩沖作用逐漸減弱，主密封圈就會承受強大的沖擊力，主密封圈外露部分被全部壓縮后，套筒金屬面與導(dǎo)向套筒直接撞擊，閥門關(guān)閉時發(fā)出金屬撞擊的聲音。副密封圈斷裂及被吹出的過程如圖2所示。

圖2 副密封圈斷裂及被吹出的過程

　　副密封圈與主密封圈材質(zhì)一致，所經(jīng)受的沖擊基本相同，但是兩者的結(jié)構(gòu)形式以及固定方式差別很大。主密封圈如圖1放大圖P所示為凸字形，無論套筒處于關(guān)閉還是打開狀態(tài)，該密封圈的大部分被緊緊地壓在槽內(nèi)，只露出少部分。這種結(jié)構(gòu)在氣流的沖擊下，不會被折斷，也不會被吹出。與主密封圈相比，副密封圈的結(jié)構(gòu)以及壓緊方式都不利于抵抗氣流的沖擊。因此解決該問題主要立足于不改變套筒結(jié)構(gòu)，從副密封圈的結(jié)構(gòu)以及壓緊方式這兩個方面來考慮。

4、副密封圈改進方案及選擇

4.1、方案①

　　如圖3所示。改變了副密封圈的外部形狀，在副密封圈的內(nèi)部增加⌈形金屬彈性鋼架，以增強副密封圈在氣流的沖擊下抵抗折斷撕裂的能力，同時對副密封圈壓板下緣做了延伸，壓板前端加工出長16mm，厚1mm的凸出部分，將副密封圈半包圍保護起來，避免下緣受到氣流的沖擊。由于副密封圈內(nèi)增加彈性鋼架后，副密封圈圓周方向不再有彈性，而副密封圈安裝時必須從套筒前主密封面位置套入，主密封圈位置直徑比副密封圈內(nèi)徑大，如果副密封圈做成整圈，因不能拉伸而無法安裝。為此，該方案中將副密封圈分成3段以便于安裝。

圖3 副密封改進方案一

　　該方案的優(yōu)點是密封圈抗彎曲抗撕裂能力強，密封圈下緣不再受套筒的搓動以及氣流的沖擊。缺點在于，由于密封圈分段，段間接頭處密封很難處理，存在漏氣隱患。另外，密封圈壓板下緣延伸部分太薄尺寸很難保證，安裝時容易卷邊，一旦與套筒相蹭將導(dǎo)致該處撕裂，如與套筒咬合在一起，有導(dǎo)致套筒被卡塞的隱患。

4.2、方案②

　　如圖4所示。參照主密封圈的外形和壓緊方式，將副密封圈改為J形，內(nèi)部不增加補強填充材料，也不再分段。壓緊板由均為四段的內(nèi)襯圈和壓板組合而成，兩者采用兩面對扣的形式將副密封圈緊緊卡在槽內(nèi)。壓板與內(nèi)筒體間增加密封墊片，以確保氣流不從兩者間穿過。

　　該方案的優(yōu)點是大大改善了副密封圈的受力方式。無論套筒是開是合，密封圈都始終處于合理的包裹狀態(tài)。為了安裝方便，內(nèi)襯圈與壓板間徑向兩側(cè)均設(shè)有定位止口，安裝時內(nèi)襯圈壓入壓板槽內(nèi)就可確保內(nèi)襯圈與壓板間徑向無法移動，內(nèi)襯圈和壓板貼合后所形成的空腔為密封圈的固定槽。密封圈與套筒相貼面設(shè)計為平面，在套筒關(guān)閉后套筒上的柱面與密封圈的平面相貼，即使密封圈徑向有偏移，兩者間的貼合面仍能得到保證。

圖4 副密封改進方案二

　　風(fēng)洞試驗結(jié)果證明，方案º可操作性好，密封性能可靠，能有效提高密封圈的壽命。

5、結(jié)語

　　跨超聲速風(fēng)洞環(huán)形縫隙套筒式調(diào)壓閥的⌈形副密封圈因支撐不良易撕裂，不宜做該閥的副密封圈，而J形副密封圈因具有良好支撐結(jié)構(gòu)，耐氣流沖擊，適宜用于環(huán)向縫隙套筒式調(diào)壓閥的副密封圈。

參考文獻

　　[1]劉政崇.風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計1M2.北京：中國宇航出版社，2005.