一種變馬赫數(shù)噴管的密封系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)密封的技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種變馬赫數(shù)噴管的密封系統(tǒng)，其主要可以用于高超聲速變馬赫數(shù)風(fēng)洞中運(yùn)動(dòng)的噴管型面部件和靜止部件之間的密封。
【背景技術(shù)】
[0002]高超聲速風(fēng)洞是高超聲速技術(shù)研宄必不可少的地面設(shè)備，其作用是用來模擬高超聲速飛行過程中的氣流環(huán)境。為了模擬這種氣流環(huán)境，要求實(shí)驗(yàn)氣流總溫總壓很高。風(fēng)洞噴管出口馬赫數(shù)4?7的情況下，一般要求總溫在900K?2100K之間，總壓在IMPa?6.5MPa之間。
[0003]高超聲速定馬赫數(shù)風(fēng)洞噴管結(jié)構(gòu)一般采用焊接方法連接各個(gè)部件，不存在密封問題。噴管與上游加熱器的連接需要密封，一般采用子母接口，內(nèi)襯黃銅墊圈進(jìn)行密封。
[0004]高超聲速變馬赫數(shù)風(fēng)洞是在實(shí)驗(yàn)過程中風(fēng)洞噴管出口實(shí)驗(yàn)氣流馬赫數(shù)和其他狀態(tài)參數(shù)能夠根據(jù)試驗(yàn)需要作連續(xù)變化的高超聲速風(fēng)洞。這種風(fēng)洞不但要求實(shí)驗(yàn)氣流的總溫總壓很高，同時(shí)噴管的型面結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)中也根據(jù)要求連續(xù)運(yùn)動(dòng)以改變實(shí)驗(yàn)馬赫數(shù)。但是運(yùn)動(dòng)的噴管型面部件和靜止部件之間，若有高溫高壓氣流經(jīng)過，將會(huì)帶來噴管設(shè)備的燒毀，因此必須設(shè)計(jì)有效的密封以阻止氣流的泄漏，這是變馬赫數(shù)噴管正常工作的關(guān)鍵。
[0005]但是由于工作條件的極端性，常規(guī)密封方法很難有效。上述子母結(jié)構(gòu)密封只能用于靜密封，即密封面不能相對運(yùn)動(dòng)。目前國內(nèi)外現(xiàn)有的變馬赫數(shù)風(fēng)洞均為超聲速低焓風(fēng)洞，尚沒有建成的高超聲速變馬赫數(shù)風(fēng)洞，如NASALangley研宄中心的變馬赫數(shù)噴管是常溫風(fēng)洞，日本JAXA的變馬赫數(shù)噴管也采用了常溫氣流。目前也沒有查到在如上所述的高溫高壓氣流條件下進(jìn)行動(dòng)密封的相關(guān)文獻(xiàn)資料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種變馬赫數(shù)噴管的密封系統(tǒng)，其能夠保證了密封面相對運(yùn)動(dòng)不受限制，使用過程中密封面相對運(yùn)動(dòng)的阻力相對小，在氣流泄露方向形成多道密封，將高壓密封轉(zhuǎn)化為低壓密封，能夠?qū)崿F(xiàn)在高溫高壓下高超聲速變馬赫數(shù)風(fēng)洞中運(yùn)動(dòng)的噴管型面部件和靜止部件之間的密封。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:這種變馬赫數(shù)噴管的密封系統(tǒng)，上方的第一密封面與下方的第二密封面相對運(yùn)動(dòng)，第一密封面為平板，第二密封面設(shè)有多個(gè)密封槽道，每個(gè)密封槽道內(nèi)均填充石墨層，密封槽道之間及第一密封面圍成一個(gè)壓力平衡腔，在壓力平衡腔內(nèi)充填預(yù)定壓力的氣體。
[0008]由于第一密封面為平板，第二密封面設(shè)有密封槽道，所以保證了密封面相對運(yùn)動(dòng)不受限制；由于密封槽道內(nèi)填充自潤滑性的石墨層，所以使用過程中密封面相對運(yùn)動(dòng)的阻力相對小，同時(shí)在氣流泄露方向形成多道密封，能夠?qū)崿F(xiàn)在高溫高壓下高超聲速變馬赫數(shù)風(fēng)洞中運(yùn)動(dòng)的噴管型面部件和靜止部件之間的密封；由于密封槽道之間及第一密封面圍成一個(gè)壓力平衡腔，在壓力平衡腔內(nèi)充填預(yù)定壓力的氣體，所以使多個(gè)密封槽道兩邊的氣體壓差降低，起到將高壓密封問題轉(zhuǎn)化為相對低壓密封問題的作用，進(jìn)一步保證了密封的有效性。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的石墨層的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖2是本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的變馬赫數(shù)噴管的密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖3是本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的壓力平衡腔內(nèi)氣體壓力控制的流程圖。
[0012]圖4是本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的變馬赫數(shù)噴管的密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]如圖1-2所示，這種變馬赫數(shù)噴管的密封系統(tǒng)，上方的第一密封面I與下方的第二密封面2相對運(yùn)動(dòng)，第一密封面為平板，第二密封面設(shè)有多個(gè)密封槽道3，每個(gè)密封槽道內(nèi)均填充石墨層，密封槽道之間及第一密封面圍成一個(gè)壓力平衡腔7，在壓力平衡腔內(nèi)充填預(yù)定壓力的氣體。
[0014]由于第一密封面為平板，第二密封面設(shè)有密封槽道，所以保證了密封面相對運(yùn)動(dòng)不受限制；由于密封槽道內(nèi)填充自潤滑性的石墨層，所以使用過程中密封面相對運(yùn)動(dòng)的阻力相對小，同時(shí)在氣流泄露方向形成多道密封，能夠?qū)崿F(xiàn)在高溫高壓下高超聲速變馬赫數(shù)風(fēng)洞中運(yùn)動(dòng)的噴管型面部件和靜止部件之間的密封；由于密封槽道之間及第一密封面圍成一個(gè)壓力平衡腔，在壓力平衡腔內(nèi)充填預(yù)定壓力的氣體，所以使多個(gè)密封槽道兩邊的氣體壓差降低，起到將高壓密封問題轉(zhuǎn)化為相對低壓密封問題的作用，進(jìn)一步保證了密封的有效性。
[0015]另外，所述壓力平衡腔的上游設(shè)有氣體充填管道8O通過氣體充填管道將氣體充進(jìn)壓力平衡腔或從壓力平衡腔放出。
[0016]另外，在所述氣體充填管道內(nèi)安裝差壓測量設(shè)備，在所述氣體充填管道的入口安裝充氣閥和放氣閥。如圖3所示，通過差壓測量設(shè)備(例如，差壓計(jì))進(jìn)行參考壓力和壓力平衡腔內(nèi)壓力的比較，控制壓力平衡腔進(jìn)出口氣體管道閥門的開閉，從而調(diào)節(jié)壓力平衡腔內(nèi)氣體壓力。
[0017]另外，所述石墨層包括柔性石墨層4。柔性石墨具有可壓縮性，所以能夠大大增強(qiáng)密封效果。
[0018]另外，所述柔性石墨層內(nèi)夾有金屬波紋板5 O柔性石墨層內(nèi)夾有金屬波紋板增加了密封的回彈力，更好地增強(qiáng)了密封效果。
[0019]另外，所述石墨層還包括硬質(zhì)石墨層6，所述柔性石墨層4在所述密封槽道3的底部，硬質(zhì)石墨層的上、下表面分別接觸第一密封面、柔性石墨層。硬質(zhì)石墨層具有耐磨性，可以增強(qiáng)該變馬赫數(shù)噴管的密封系統(tǒng)的使用壽命。
[0020]另外，所述柔性石墨層的寬度等于所述密封槽道的寬度，所述硬質(zhì)石墨層的寬度小于所述密封槽道的寬度。夾有金屬波紋板的柔性石墨層與密封槽道同寬，處于密封槽道底部，承擔(dān)密封壓力帶來的絕大部分材料變形；硬質(zhì)石墨層寬度小于密封槽道寬度，給下面的柔性石墨層留出擠壓變形空間，使受壓面壓得更緊實(shí)。
[0021]另外，如圖1所示，所述密封槽道的橫截面為矩形。這種結(jié)構(gòu)比較簡單，制造容易。
[0022]如圖1所示，在整個(gè)變馬赫數(shù)噴管的密封系統(tǒng)中，密封平面垂直壓力和金屬波紋板的回彈力共同作用達(dá)到密封效果。
[0023]本發(fā)明的石墨密封結(jié)構(gòu)選材巧妙，結(jié)構(gòu)合理，工程上具有適用性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性良好的優(yōu)點(diǎn)。
[0024]下面以一具體應(yīng)用實(shí)例進(jìn)一步說明本發(fā)明:
[0025]高超聲速變馬赫數(shù)噴管在實(shí)驗(yàn)中通過噴管二維氣動(dòng)型面的轉(zhuǎn)動(dòng)改變噴管喉部尺寸，從而改變噴管出口馬赫數(shù)。圖2中為噴管二維氣動(dòng)型面板示意圖，其下方為實(shí)驗(yàn)高溫高壓氣流通道，且左端為噴管進(jìn)口，右端為噴管出口，噴管氣動(dòng)型面板的進(jìn)口端面和左右側(cè)面均需密封。工作中噴管入口氣體總壓6MPa，總溫900K。
[0026]首先在噴管氣動(dòng)型面板的進(jìn)口端面和左右側(cè)面根據(jù)密封要求布置密封槽道，然后在槽道內(nèi)鋪設(shè)柔性石墨條和加工的硬質(zhì)石墨條，最后壓上另一側(cè)密封面。在噴管氣動(dòng)型面板上開有平衡氣體的通道，實(shí)驗(yàn)時(shí)通入3MPa的平衡氣體，將密封槽道兩側(cè)的壓差降為3MPa，將6MPa壓力密封轉(zhuǎn)換為兩個(gè)3MPa密封。實(shí)際使用時(shí)，因?yàn)楦邷馗邏簹怏w流經(jīng)拉瓦爾噴管喉道后，其靜溫靜壓迅速下降，熱流密度也迅速下降，因此也可以將石墨密封結(jié)構(gòu)組成的氣體平衡腔截止到噴管喉部下游適當(dāng)位置，如圖4所示(圖中曲線最高位置為噴管喉部)。
[0027]本發(fā)明可以用于任意尺寸高溫高壓部件密封的設(shè)計(jì)，上述實(shí)例是為了闡述本發(fā)明，不對本發(fā)明的保護(hù)范圍構(gòu)成限制。凡與本發(fā)明設(shè)計(jì)思路相同的實(shí)施方式均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種變馬赫數(shù)噴管的密封系統(tǒng)，上方的第一密封面(I)與下方的第二密封面(2)相對運(yùn)動(dòng)，其特征在于:第一密封面為平板，第二密封面設(shè)有多個(gè)密封槽道(3)，每個(gè)密封槽道內(nèi)均填充石墨層，密封槽道之間及第一密封面圍成一個(gè)壓力平衡腔(7)，在壓力平衡腔內(nèi)充填預(yù)定壓力的氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變馬赫數(shù)噴管的密封系統(tǒng)，其特征在于:所述壓力平衡腔的上游設(shè)有氣體充填管道(8)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變馬赫數(shù)噴管的密封系統(tǒng)，其特征在于:在所述氣體充填管道內(nèi)安裝差壓測量設(shè)備，在所述氣體充填管道的入口安裝充氣閥和放氣閥。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變馬赫數(shù)噴管的密封系統(tǒng)，其特征在于:所述石墨層包括柔性石墨層⑷。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的變馬赫數(shù)噴管的密封系統(tǒng)，其特征在于:所述柔性石墨層內(nèi)夾有金屬波紋板(5)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的變馬赫數(shù)噴管的密封系統(tǒng)，其特征在于:所述石墨層還包括硬質(zhì)石墨層￠)，所述柔性石墨層(4)在所述密封槽道(3)的底部，硬質(zhì)石墨層的上、下表面分別接觸第一密封面、柔性石墨層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的變馬赫數(shù)噴管的密封系統(tǒng)，其特征在于:所述柔性石墨層的寬度等于所述密封槽道的寬度，所述硬質(zhì)石墨層的寬度小于所述密封槽道的寬度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變馬赫數(shù)噴管的密封系統(tǒng)，其特征在于:所述密封槽道的橫截面為矩形。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種變馬赫數(shù)噴管的密封系統(tǒng),其能夠保證密封面相對運(yùn)動(dòng)不受限制，使用過程中密封面相對運(yùn)動(dòng)的阻力相對小，在氣流泄露方向形成多道密封,將高壓密封轉(zhuǎn)化為低壓密封，能夠?qū)崿F(xiàn)在高溫高壓下高超聲速變馬赫數(shù)風(fēng)洞中運(yùn)動(dòng)的噴管型面部件和靜止部件之間的密封。這種變馬赫數(shù)噴管的密封系統(tǒng)，上方的第一密封面與下方的第二密封面相對運(yùn)動(dòng)，第一密封面為平板，第二密封面設(shè)有多個(gè)密封槽道，每個(gè)密封槽道內(nèi)均填充石墨層，密封槽道之間及第一密封面圍成一個(gè)壓力平衡腔，在壓力平衡腔內(nèi)充填預(yù)定壓力的氣體。
【IPC分類】F16J15-18, F16J15-48, G01M9-04
【公開號】CN104819302
【申請?zhí)枴緾N201510184406
【發(fā)明人】李東霞, 張新宇, 林建民
【申請人】中國科學(xué)院力學(xué)研究所
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年4月17日