CN205298561U - 一种用于真空环境下的充气轴向密封装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于高超声速风洞领域，涉及一种用于真空环境下的充气轴向密封装置包括充气密封圈、密封筒体、转接套筒、充气管道和空气压缩机，其中充气密封圈、密封筒体和转接套筒为轴对称结构；充气密封圈安装于转接套筒的凹槽内，充气密封圈的充气接口与转接套筒的充气接口配合；密封筒体进入转接套筒内，使密封圈充气后能够充分接触到密封筒体的外表面；充气管道连接空气压缩机与充气密封圈的充气口。本实用新型充气轴向密封装置解决了波纹管连接方式的不足，降低了投资和运行成本，降低了劳动强度和管道设备更换难度，提高了管道设备更换效率，得到良好的隔振效果，可以应用于不同口径的管道设备之间轴向真空密封。

Description

一种用于真空环境下的充气轴向密封装置

技术领域

本实用新型属于高超声速风洞领域，涉及一种用于真空环境下的充气轴向密封装置。

背景技术

目前，常规高超声速风洞设备运行马赫数范围较宽(如Φ1米高超声速风洞马赫数范围为M3～M10)，喷管更换时所涉及的风洞本体由固定设备1、稳定段2、被更换喷管3、需更换的喷管4、波纹管5和试验段6依次顺接组成。一个马赫数便对应一套喷管，为方便喷管的频繁更换、真空密封和减振，试验段与喷管之间大多采用波纹管连接，如附图1所示。

采用波纹管连接方式时，喷管更换需要步骤如下：

1.拆卸被更换喷管3与稳定段2之间的连接螺栓；

2.压缩波纹管5上的拉杆，压缩距离要大于被更换喷管3和稳定段2之间定位止口的两倍；

3.拆卸并吊走稳定段2；

4.拆卸被更换喷管3与波纹管5之间的螺栓；

5.将被更换喷管3后退一定距离并通过行车吊走；

6.通过行车将需更换喷管4置于支撑机构7上；

7.将需更换喷管4与波纹管5通过螺栓连接；

8.通过行车将稳定段2置于支撑机构7上；

9.连接固定设备1与稳定段2；

10.通过拉伸波纹管5上的拉杆使需更换喷管4后退；

11.连接需更换喷管4与稳定段2；

12.松掉波纹管5上拉杆的两侧螺母，使波纹管5处于自由状态，进行设备真空检查，一次更换完成。

大型运行设备采用上述波纹管连接方式存在以下不足：

一)波纹管设备投资成本高，在进行设备更换时频繁压缩波纹管，降低了波纹管使用寿命，更换一套损坏的波纹管造价高周期长；

二)每次更换喷管需要两个人同时压缩波纹管，对于高度(L)较高的设备，还需要搭设平台来压缩波纹管，费时费力，效率低，同时存在安全隐患；

三)波纹管的最大压缩距离一般小于50mm，对于大型设备拆卸来说，波纹管的调节距离过小，拆卸时的空间受限，致使吊装要求高，容易造成设备的端面碰撞损坏；

四)波纹管自身具有一定的刚性，对于隔振连接要求高的设备来说，波纹管隔振效果差。

近年来，随着国家武器型号研制需求不断增加，要求设备试验效率进一步提高，喷管更换频率不断增加；同时型号研制向精细化发展，对于设备运行振动隔离要求越来越高。

实用新型内容

本实用新型专利的目在于提供一种密封装置，解决波纹管连接方式存在的不足，成本更低、更换设备的效率更高，而且能够提供更大范围轴向距离的调整和更优的减振效果。

为了达到上述实用新型目的，本实用新型的技术方案如下：

一种用于真空环境下的充气轴向密封装置，所述装置包括充气密封圈、密封筒体、转接套筒、充气管道和空气压缩机，其中充气密封圈、密封筒体和转接套筒为轴对称结构；

充气密封圈安装于转接套筒的凹槽内，充气密封圈的充气接口与转接套筒的充气接口配合；

密封筒体进入转接套筒内，使密封圈充气后能够充分接触到密封筒体的外表面；

充气管道连接空气压缩机与充气密封圈的充气口。

进一步，充气密封圈采用粘胶或卡槽方式安装于转接套筒的凹槽内。

进一步，转接套筒通过法兰与真空容器需要密封的一端连接。

进一步，所述装置还包括压力表和阀门，压力表和阀门安装在充气管道。

进一步，密封筒体外表面和转接套筒的内壁面为等直筒，粗糙度精度小于1.6μm，转接套筒内径大于密封筒体外径，两者间间隙为3mm～7mm。

本实用新型充气轴向密封装置解决了波纹管连接方式的不足，降低了投资和运行成本，降低了劳动强度和管道设备更换难度，提高了管道设备更换效率，得到良好的隔振效果，可以应用于不同口径的管道设备之间轴向真空密封。

附图说明

附图1为背景技术中采用波纹管连接方式的风洞简图；

附图2为本实用新型充气轴向密封装置的结构简图；

附图3为本实用新型充气密封圈与转接套筒连接处放大图；

附图4为本实用新型转接套筒与真空容积连接处放大图；

附图5为本实用新型充气密封圈充气状态下的密封面示意图；

附图6为实施例中采用本实用新型充气轴向密封装置的风洞简图。

具体实施方式

一种用于真空环境下的充气轴向密封装置，如图2所示，所述装置包括充气密封圈9、密封筒体10、转接套筒11、充气管道14和空气压缩机15，其中充气密封圈9、密封筒体10和转接套筒11为轴对称结构；

充气密封圈9安装于转接套筒11的凹槽内，充气密封圈9的充气接口与转接套筒11的充气接口配合；

密封筒体10进入转接套筒11内，使密封圈9充气后能够充分接触到密封筒体10的外表面；

充气管道14连接空气压缩机15与充气密封圈9的充气口。

实施例1

一种用于真空环境下的充气轴向密封装置，如图2所示，包括充气密封圈9、密封筒体10、转接套筒11、压力表12、阀门13、充气管道14和空气压缩机15，其中充气密封圈9、密封筒体10和转接套筒11为轴对称结构，附图中用二维剖面图示意；

充气密封圈9安装于转接套筒11的凹槽内，并且保证密封圈9在充气或者不充气状态不会随意脱落，可采用粘胶、卡槽等方式安装；将充气密封圈9的充气接口与转接套筒11的充气接口配合好；充气密封圈9在整个安装过程中处于不充气状态，见附图3；

转接套筒11安装在真空容器16需要密封的一端(入口或者出口端)，一般采用法兰连接，见附图4；

密封筒体10与管道设备8(虚线部分)连接为一个整体，保证两者之间处于密封状态，一般采用焊接的方式保证密封，见附图4；

管道设备8上的密封筒体10进入转接套筒11内，使密封圈9充气后能够充分接触到密封筒体10的外表面，见附图3；

充气管道14连接空气压缩机15与充气密封圈9的充气口，在充气管道14上安装压力表12和阀门13，便于检测和控制充气过程，见附图2。

管道设备8的密封筒体10以及转接套筒11需进行精加工，密封筒体10外表面为等直筒，并且粗糙度精度小于1.6μm；转接套筒11的内壁面也为等直筒，粗糙度精要也要小于1.6μm；密封筒体10外径需根据管道设备8的尺寸来确定，密封筒体10的外径需略大于或者等于管道设备8的外径(等于时就是将管道设备8的外表面直接加工为粗糙度小于1.6μm的等直筒)；密封筒体10加工完毕后需焊接到管道设备8上，或者直接在管道设备8的外表面加工形成粗糙度小于1.6μm的等直筒。

转接套筒11内径大于密封筒体10外径，两者间间隙为3mm～7mm，即转接套筒11的内径为密封筒体10的外径再加上6mm～14mm，公式为D_z＝D_m+6～D_m+14，其中D_z为转接套筒11内径(mm)，D_m为密封筒体10的外径(mm)。

转接套筒11需要在内部加工与密封圈9截面形状类似的密封槽，用于安装密封圈9，并留有充气密封圈充气接口，见附图3。

充气密封圈9规格根据密封筒体10直径选择，保证密封圈9没有充气时略大于密封筒体10的外径，但充气后密封圈9能够挤压到密封筒体10。充气密封圈9材料选用硅橡胶或氟橡胶，充气密封圈9的截面形状可以选择矩形、圆形、梯形或其它形状，规格选定后可由专业厂家进行定制。

上述充气轴向密封装置的密封原理如附图3和附图5所示。充气轴向密封装置连接完毕后，若充气密封圈9处于不充气状态时，如附图3，此时装置处于非密封状态，管道设备8可以轴向自由移动和调整；管道设备8安装到预定位置后，将空气压缩机15启动并设定一个稳定压力值(需大于101kPa，建议在300kPa左右)，打开阀门13通过充气管道14向充气密封圈9充气，充气密封圈9内腔膨胀增大，外表面分别挤压到转接套筒11内壁面和管道设备8上的密封筒体10，见附图5，这样转接套筒11内壁面-充气密封圈9外表面-密封筒体10外壁面形成密封面，实现真空容积16(在风洞设备中即为试验段6)与管道设备8连接处的负压密封；同时空气压缩机15自动检测密封圈9内的压力波动，并自动完成补气，维持充气压力恒定和密封状态。

当真空容积16与管道设备8连接处不需要进行密封或者需要拆卸管道设备8时，关闭空气压缩机15，通过阀门13和充气管道14将密封圈9内的空气排出，充气密封圈9自动回弹到转接套筒11的密封槽内，该装置处于不密封状态(如附图3)，管道设备8可以轴向自由移动，便于进行管道设备8轴向位置的调整、拆除以及更换。

本实用新型充气轴向密封装置使用工况为：密封压力10Pa～100000Pa；使用温度小于250℃；密封圈充气压力0.1MPa～0.5MPa；密封径向间隙3mm～7mm；适用于各种不同口径的管道设备之间真空密封。

实施例2

本实用新型充气轴向密封装置已在中国空气动力研究与发展中心Φ1米高超声速风洞得到运用，用于喷管与试验段之间的密封。喷管外径约为Φ1.1m，并且为曲面，因此加工了外径为Φ1.2m左右的等直密封筒体焊接到喷管外壁面，转接套筒内径为Φ1.2m左右。

如附图6(图中充气轴向密封装置17由附图2充气轴向密封装置的各部件连接而成)所示，使用该充气轴向密封装置Φ1米高超声速风洞不同马赫数喷管的操作步骤如下：

1.将充气轴向密封装置17的充气密封圈9放气，充气密封圈9自动缩回转接套筒11的凹槽内，被更换喷管3与试验段6之间处于不密封状态；

2.拆卸稳定段2与被更换喷管3之间的连接螺栓，将更换喷管3往试验段6方向移动一定距离；

3.拆卸并吊走稳定段2；

4.将被更换喷管3向固定设备1方向后退一定距离并通过行车吊走；

5.通过行车将需更换喷管4置于支撑机构7上，需更换喷管4进入固定设备6一定距离以便于稳定段2的安装；

6.通过行车将稳定段2置于支撑机构7上；

7.连接固定设备1与稳定段2；

7.将需更换喷管4后退并与稳定段2连接；

8.打开空气压缩机15及阀门13对密封圈9充气，进行设备真空检查，一次更换完成。

在Φ1米高超声速风洞上采用充气轴向密封装置替换波纹管(内径Φ1.2m)连接方式后得到的改进如表1所示。

内径Φ1.2m波纹管加工成本是6万元左右，加工周期需要3～5月，若出现损坏，需重新加工；口径相同的充气轴向密封加工成本为1.5万元左右，只需1个月左右即可加工完毕，使用中一般只有充气密封圈可能出现损坏，更换成本只需5千元左右，所以相比波纹管，充气轴向密封装置在加工和使用成本上都大幅下降。

一般内径Φ1.2m波纹管轴向可调节距离为±50mm，并且波纹管自身具有一定的刚性，风洞启动或者关闭过程中会产生冲击载荷，波纹管自身无法将所有载荷缓冲掉，这时会有一部分力通过波纹管作用到喷管以及试验段上，隔振效果差；而对于充气轴向密封装置，只要喷管外径小于转接套筒内径，喷管的轴向移动不会受到密封装置的限制，并且喷管与试验段之间没有刚性连接，受到冲击载荷时喷管与试验段之间不会出现力的传递，隔振效果好。因此采用充气轴向密封装置，增大了喷管轴向调节的范围，方便喷管的轴向调整、拆除以及更换，并且隔振效果更优。

采用波纹管连接方式，每次更换不同马赫数喷管时，需要4个人工作一整天才能完成一次更换；而采用充气轴向密封装置后，只需2个人工作2～3小时即可完成一次更换，降低了劳动强度和喷管更换难度，提高了喷管更换效率。

本实用新型充气轴向密封装置的有益效果：

本实用新型用于真空环境下的充气轴向密封装置，由充气密封圈、密封筒体、转接套筒、压力表，阀门，充气管道，空气压缩机组成，整个装置的加工成本和运行成本都低于相同口径的波纹管设备，加工周期也短于波纹管加工时间。该充气轴向密封装置基本不限制管道设备与真空容积之间的轴向移动，方便管道设备的轴向调整、拆除以及更换；同时由于管道设备与真空容积没有刚性连接，隔振效果好，这些都优于波纹管连接方式。采用该充气轴向密封装置更换管道设备时，只需将充气密封圈内的气体排出，管道设备即可实现轴向运动，简单快捷；而对于波纹管连接方式，先要压缩波纹管自身长度，然后拆除波纹管与管道设备之间的螺栓，才能实现管道设备的轴向移动，对于大型设备来说这一过程的难度较大，需要耗费较大的人力和较长的时间，并且波纹管压缩余量不大，管道设备轴向调节范围也较小，同时波纹管在压缩过程中存在一定的损伤，减少了波纹管使用寿命。

综上所述，本实用新型充气轴向密封装置解决了波纹管连接方式的不足，降低了投资和运行成本，降低了劳动强度和管道设备更换难度，提高了管道设备更换效率，得到良好的隔振效果，可以应用于不同口径的管道设备之间轴向真空密封。

Claims (5)

1.一种用于真空环境下的充气轴向密封装置，其特征在于，所述装置包括充气密封圈(9)、密封筒体(10)、转接套筒(11)、充气管道(14)和空气压缩机(15)，其中充气密封圈(9)、密封筒体(10)和转接套筒(11)为轴对称结构；

充气密封圈(9)安装于转接套筒(11)的凹槽内，充气密封圈(9)的充气接口与转接套筒(11)的充气接口配合；

密封筒体(10)进入转接套筒(11)内，使密封圈(9)充气后能够充分接触到密封筒体(10)的外表面；

充气管道(14)连接空气压缩机(15)与充气密封圈(9)的充气口。

2.根据权利要求1所述一种用于真空环境下的充气轴向密封装置，其特征在于，充气密封圈(9)采用粘胶或卡槽方式安装于转接套筒(11)的凹槽内。

3.根据权利要求1所述一种用于真空环境下的充气轴向密封装置，其特征在于，转接套筒(11)通过法兰与真空容器(16)需要密封的一端连接。

4.根据权利要求1所述一种用于真空环境下的充气轴向密封装置，其特征在于，所述装置还包括压力表(12)和阀门(13)，压力表(12)和阀门(13)安装在充气管道(14)。

5.根据权利要求1所述一种用于真空环境下的充气轴向密封装置，其特征在于，密封筒体(10)外表面和转接套筒(11)的内壁面为等直筒，粗糙度精度小于1.6μm，转接套筒(11)内径大于密封筒体(10)外径，两者间间隙为3mm～7mm。