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, 黄乃宁 , 乔桂玉 , 孙正旺, 王慧, 赵凤红, 赵莹, 陈晓琴, 向猛, 许键 , 周炜 , 刘博

(1.北京航天动力研究所, 北京100076;2.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

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是常用的三层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。

2.2 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。

(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～ 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0.5MPa下一般大于2万次, 随着工作压力的提高动作寿命要下降。