某大型高速風洞充氣密封圍帶斷點修補新方法探索

馬東平 李 多 趙 寬 楊曉峰 鮑祿強

中國空氣動力研究與發展中心高速所 四川 綿陽 621000

引言

某大型高速風洞噴管段、試驗段、補償段、超擴段四個部段之間為了密封良好,確保不影響風洞試驗過程中的氣流流場,均采用充氣密封圍帶的方式進行密封。

充氣密封圍帶是通過向密封橡膠圈內充入壓縮空氣使其膨脹來保證面與面間的密封[1-6]。在風洞試驗過程中發現,充氣密封圍帶局部多次出現、開裂、等失效形式。大型高速風洞中的充氣密封圍帶屬大型密封制品(周長大于10m),更換成本高,加之各部段密封處結構復雜,拆裝困難,施工周期長(在15天以上),圍帶失效后會嚴重的影響風洞試驗進度,降低試驗效率,嚴重影響型號研制進度。因此,探索充氣密封圍帶的免拆裝、免更換,現場進行斷點修補的新方法及修復技術,對降低風洞運行維護成本,提高風洞試驗效率具有重要意義。

1 充氣密封圍帶概況

1.1 種類、位置、充氣壓力及密封間隙 該風洞充氣密封圍帶共有7類8根,分別布置在收縮段后法蘭端面1根,噴管段上下撓性板周邊2根、試驗段前法蘭端面1根、補償段前法蘭端面1根、補償段小門門框周邊1根、超擴段套筒端面以及套筒徑向各一根。其中,收縮段后法蘭端面圍帶和噴管段上下撓性板周邊圍帶的設計充氣壓力為1.80MPa,其余圍帶設計充氣壓力為0.255MPa。

根據不同部位的要求,各處的密封間隙要求如下:收縮段后法蘭端面和補償段小門門框周邊的密封間隙為2～2.6mm;噴管段上下撓性板周邊的密封間隙為0.2～0.5mm;試驗段前法蘭端面、補償段前法蘭端面、超擴段套筒端面的密封間隙為0～0.6mm;超擴段套筒徑向的密封間隙為2.5～3.5mm。

1.2 出廠要求 充氣密封圍帶在研制階段需進行與圍帶相匹配的爆破試驗,出廠前除核實其幾何尺寸外,主要需進行氣密性和膨脹均勻性的檢查。

圍帶爆破試驗壓力要求:試驗圍帶裝入壓力試驗模具內,充入1.5倍工作壓力的壓縮空氣,壓力保持30min,圍帶應密封良好,且無異常現象。

圍帶成品氣密性要求:在自由狀態0.5倍工作壓力下試驗,圍帶能夠正常膨脹,無異常,不漏氣,不滲氣;泄壓后,圍帶能夠自然回縮,恢復原狀態,其中補償段小門門框周邊密封圍帶排氣時間≤10s。

成品膨脹均勻性要求:圍帶在自由狀態下,充入0.5倍的工作壓力,斷面應均勻膨脹,斷面尺寸公差允許±3mm,接頭搭接處允許尺寸公差±5mm。

1.3 硫化工藝 充氣密封圍帶的硫化形式分為環狀整體模具充氣硫化和直線型分段模壓硫化兩種工藝。環狀整體模具硫化工藝過程是:先按照密封軟管的斷面尺寸制作一條圓管狀半成品,并將半成品對接成環狀后,裝入環狀模具中硫化成成品。其工藝特點是:環狀整體硫化適合與產品周長不大于7～8m的密封制品。直線型分段硫化工藝過程為:將成型好的密封軟管半成品裝入直線型模具中分段硫化直至達到成品所需的長度后,最后將其對接成環狀成品。其工藝特點是:適合于硫化斷面尺寸相同,任意周長的密封制品。由于該風洞產品為大型密封制品,為了節省模具費用及硫化的可操作性,其硫化形式采用直線型分段硫化工藝。

2 充氣密封圍帶典型故障描述

收縮段后法蘭端面充氣密封圍帶為高壓充氣密封圍帶(設計充氣壓力為1.80 Mpa,密封間隙為2～2.6mm),充氣前的截面為U型,充氣后原來凹陷部分鼓出,圍帶由內膠層、編織層和外膠層三部分組成,如圖1所示,其中承壓主要依靠編織層。

圖1 充氣密封圍帶截面

在一次試驗后拉開噴管段側壁檢查時發現,該圍帶并沒有完全泄壓,圍帶依然處于膨脹狀態,同時發現圍帶右下側有一處橫向切口,切口處可見承壓的編織層及內外膠層已被劃破,導致圍帶該處緩慢漏氣。

經查發現高壓充氣管路放氣閥并未開到位,導致放氣不徹底。后經改造該問題已解決。同時在噴管段右側壁入口過渡板的對應圍帶切口處發現一根小毛刺,經證實正是該毛刺劃破了圍帶。

考慮到該圍帶處并無運動部件,噴管段側壁也很少打開,因此我部并未預備收縮段后法蘭端面充氣密封圍的備件。更換該圍帶需要將噴管段上下入口圓弧法蘭全部取下,因入口圓弧法蘭與收縮段間以不可拆卸的柱銷定位,施工難度很大,且施工周期在15天以上,而國家某重點型號研制的時間節點已不允許推遲。

3 充氣密封圍帶斷點修補方法

因此,立足于對高壓充氣密封圍帶結構及工作原理的理解,決定嘗試采用一種不需要拆除圍帶,在風洞現場直接進行充氣密封圍帶斷點修補的新方法。

該方法的主要內容為,采用以聚四氟乙烯為材質的通氣骨架塞入斷點切口處,并將圍帶兩端捆扎在通氣骨架上,再涂覆密封膠的方式進行修復。具體包括以下步驟:

1)加工一根中心具有空腔的通氣骨架,通氣骨架材質為具有良好的粘接性及較好的彈性的聚四氟乙烯,如圖2所示。為了確保圍帶捆扎在骨架上可靠不脫落,通氣骨架設計為兩端大,中段小的啞鈴型,并在中段加工有對稱的面向通氣骨架中心的鋸齒。通氣骨架的截面形狀按照充氣膨脹后圍帶截面的實際形狀制作,截面尺寸需考慮扎絲捆扎及涂一定厚度外膠后的高度等因素。因為此處充氣后不會膨脹,實質上為硬密封結構,所以涂覆密封膠后外形需與圍帶充氣后的形狀一致。

圖2 通氣骨架

2)將密封圍帶的外膠層和編織層剝離,將密封膠涂覆在通氣骨架中段上,并把內膠層粘貼在骨架中段;

3)圍帶承壓靠編織層,因此,要確保圍帶不從骨架上滑落,必須將編制層用軟鋼絲緊緊地捆扎在骨架上,防止編織層脫落,捆扎后,再用密封膠涂覆在鋼絲上,鋼絲與密封膠形成捆扎層;

4)最后,將斷點兩端剝離出的外膠層套在捆扎層上,在外膠層的表面涂覆密封膠,直至密封膠的高度與充氣密封圍帶充氣后的高度相同,形成新的外膠層。為了確保斷點處修補后可起到密封作用,涂覆外膠后該處圍帶外形需與圍帶膨脹后的外形一致。圖3為高壓充氣密封圍帶斷點修補原理圖(軸向剖視圖),圖4為高壓充氣密封圍帶斷點修補原理圖的放大圖。

圖3 高壓充氣密封圍帶斷點修補原理圖

圖4 高壓充氣密封圍帶斷點修補原理圖放大圖

采用上述方法對圍帶進行修補后,風洞試驗過程中該斷點處密封良好,未再出現漏氣現象。該修補僅僅耗時三天時間,確保了國家某重點型號試驗的進度要求。

4 結論

實踐證明,本文采用的密封圍帶斷點修補新方法確實可靠有效,不僅節省了更換圍帶的時間,為后續工程節點贏得了時間,而且節約了成本,探索出一條風洞現場維修高壓充氣密封圍帶的新途徑。