跨超音速風(fēng)洞噴管段柔壁新型充氣密封圍帶研制

唐淋偉 馬東平 于鳳舉 丁壽和 任國柱 尹永濤

(1.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 四川綿陽 621000；2.咸陽裕華橡膠制品有限公司 陜西咸陽 712000)

跨超音速風(fēng)洞是航空航天飛行器研制必需的試驗(yàn)平臺(tái)，這類風(fēng)洞噴管段為柔壁結(jié)構(gòu)，柔壁需根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)馬赫數(shù)的大小進(jìn)行型面位置的變化，不同的柔壁位置對(duì)應(yīng)不同的馬赫數(shù)范圍。柔壁在移動(dòng)過程中柔壁周邊的密封圍帶需要泄氣，到達(dá)指定位置后需要充氣。柔壁四周不能漏氣，從而確保在柔壁移動(dòng)過程中圍帶不脫落，不刮擦洞體；同時(shí)要確保不因密封不良導(dǎo)致洞體內(nèi)外竄氣影響流場品質(zhì)。某氣動(dòng)中心現(xiàn)有幾座跨超音速風(fēng)洞柔壁，其充氣密封圍帶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易拆裝，壽命較短需經(jīng)常更換，已不適應(yīng)日益增加的風(fēng)洞試驗(yàn)需求，急需研制新型柔壁充氣圍帶。

本文作者針對(duì)現(xiàn)有多座該類風(fēng)洞充氣密封圍帶存在的問題，提出了“凹”字型結(jié)構(gòu)充氣密封圍帶設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 柔壁充氣密封圍帶問題分析

柔壁與側(cè)壁之間的密封采用充氣密封圍帶密封，老式充氣密封圍帶結(jié)構(gòu)采用分離的圓型空心內(nèi)充氣圍帶和月牙型橡膠條的組合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)是依靠壓縮空氣使橡膠膨脹形變貼緊噴管段側(cè)壁，來阻斷風(fēng)洞內(nèi)流道氣流泄漏的一種靜密封。其優(yōu)點(diǎn)是制造方便，密封效果較好；缺點(diǎn)是存在充氣圍帶泄壓后，月牙型橡膠條不歸位，柔壁移動(dòng)導(dǎo)致月牙型橡膠條對(duì)風(fēng)洞側(cè)壁的刮擦問題。橡膠條對(duì)風(fēng)洞側(cè)壁的刮擦，會(huì)局部破壞側(cè)壁的涂層，造成局部密封不良，影響側(cè)壁的平面度，最終會(huì)影響風(fēng)洞流場品質(zhì)；同時(shí)刮擦也會(huì)嚴(yán)重影響月牙型橡膠條的使用壽命，又因維護(hù)更換月牙型橡膠條不方便，大大降低了風(fēng)洞的使用效率[1]。

圖1 原充氣密封圍帶結(jié)構(gòu)示意

2 研制方案及技術(shù)指標(biāo)

為了解決老式充氣密封圍帶結(jié)構(gòu)存在的問題，基于試驗(yàn)和借鑒其他密封結(jié)構(gòu)成功經(jīng)驗(yàn)，提出了一種新型的“凹”字型密封結(jié)構(gòu)充氣密封圍帶的方案，新方案結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 新型充氣圍帶結(jié)構(gòu)

根據(jù)柔板規(guī)格和風(fēng)洞密封壓力需求，充氣密封圍帶截面采用“凹”字型截面的直線型密封結(jié)構(gòu)，兩端頭采用實(shí)心堵頭，柔板側(cè)面密封長度為12 200 mm，硬度為50～60紹爾。

充氣密封圍帶采用干燥、潔凈、常溫壓縮空氣充氣密封，充氣壓力0.8～1.8 MPa，正常使用壽命不低于5年。需要補(bǔ)償?shù)拿芊忾g隙為1～2 mm。

3 關(guān)鍵技術(shù)解決方案

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)材料選擇：圍帶主體材料選用天然橡膠與合成橡膠的共混膠料；天然橡膠具有優(yōu)良的彈性、耐磨性和抗疲勞性能，共混一定比例的合成橡膠主要用于提高天然橡膠的抗老化性能，其正常使用溫度范圍為-55～100 ℃，完全能滿足圍帶對(duì)工作環(huán)境溫度、壽命的要求。

(2)截面設(shè)計(jì)：受柔壁側(cè)面密封槽寬15 mm、深20 mm的限制，充氣密封圍帶截面外型尺寸設(shè)計(jì)寬15 mm、深19 mm，確保充氣密封圍帶在自然狀態(tài)下脫離與側(cè)壁的接觸，從而在根本上保證充氣密封圍帶不與側(cè)壁刮擦，提高密封圍帶的使用壽命；截面結(jié)構(gòu)采用“凹”字型截面，該結(jié)構(gòu)可保證充氣密封圍帶有足夠的膨脹量[2]，實(shí)現(xiàn)柔壁與風(fēng)洞側(cè)壁的密封。

(3)長度設(shè)計(jì)：鑒于充氣密封圍帶材料為橡膠，有很大的彈性，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，圍帶實(shí)際長度取密封長度的95%，圍帶在有一定預(yù)緊力下的裝配，也有利于提高圍帶的密封壽命。

(4)承壓設(shè)計(jì)：采用增強(qiáng)膠管的結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)方式，以芳綸纖維作為增強(qiáng)材料[3]，采用一層芳綸纖維的編織結(jié)構(gòu)作為增強(qiáng)層[4]。增強(qiáng)層采用采用4股1 100芳綸線，24錠編織機(jī)編織[5]，擠出軟管內(nèi)直徑為13 mm。按照增強(qiáng)膠管的承壓計(jì)算公式進(jìn)行理論校核[6]，采用一層芳綸纖維的編織結(jié)構(gòu)時(shí)，新型充氣圍帶截面的爆破壓力為3.2 MPa，滿足圍帶承壓要求。

(5)端頭設(shè)計(jì):圍帶兩端頭采用帶有過渡段的實(shí)心堵頭；端頭要保證帶體兩頭只靠帶體和膠料本身硫化封堵后承受住1.8 MPa的高壓，對(duì)堵頭要求很高。采用成型方法是：采取內(nèi)膠層中填入一定的生膠，將針織骨架層之間加有生膠并將針織層反包到帶體底面，再將針織層外及尾部包覆外膠。通過設(shè)計(jì)帶有過渡段及堵頭截面尺寸要求的模具進(jìn)行硫化而成。堵頭純膠段硫化后高度高于帶體2 mm，安裝時(shí)該處為壓縮狀態(tài)，再通過打孔后進(jìn)行固定安裝，這樣即可限制密封圍帶的移位，又可防止密封圍帶堵頭爆破。

(6)氣嘴位置設(shè)計(jì):圍帶充氣接嘴位置選擇離噴管段出口端約1 m的位置，利用靠近噴管端出口柔壁型面位置變化幅度小的特點(diǎn)，提高充氣密封圍帶氣嘴的使用壽命，也便于氣控系統(tǒng)的布線。設(shè)計(jì)的圍帶結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 新型充氣圍帶結(jié)構(gòu)示意

3.2 生產(chǎn)工藝

研制的圍帶屬于小批量生產(chǎn)，且圍帶長度較長，出于成本考慮，采用內(nèi)外模硫化工藝。按截面尺寸設(shè)計(jì)制造芯模、帶體硫化模具、氣嘴硫化模具[7]、封頭硫化模具。芯模及帶體硫化模具長2 000 mm，接頭、氣嘴硫化模具長600 mm。先將密封件成型為直條狀，向密封件內(nèi)穿入內(nèi)模(芯模)，再將帶有內(nèi)模的半成品裝入模具分段硫化[8]，直至達(dá)到所需長度后，定長裁斷。具體工藝路線見圖4。

圖4 新型充氣圍帶生產(chǎn)工藝路線

為確保密封帶具有良好的耐壓性能，要注意以下幾點(diǎn)：(1)生產(chǎn)時(shí)內(nèi)膠層要先通過氣密試驗(yàn)、厚度檢測，以保證內(nèi)膠層的氣密性；(2)增強(qiáng)層不允許有吊扣、單股、接頭等現(xiàn)象，否則應(yīng)退下重織；(3)硫化需通過多模完成[9]，硫化中如有一模出現(xiàn)壓線則整根帶體要報(bào)廢；(4)自然狀態(tài)下向圍帶內(nèi)充入0.3 MPa壓縮空氣，目視檢查[10]，圍帶試樣任意表面不允許有開裂、裂口、鼓包、不膨脹等異?，F(xiàn)象。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)所用的密封圍帶試樣除長度為1 500 mm外，其余與圖3一致。試驗(yàn)裝置如圖5所示。試驗(yàn)方法及結(jié)果如下：

(1)氣密性試驗(yàn)：自然狀態(tài)下向圍帶試樣內(nèi)充入0.5 MPa壓縮空氣，將圍帶試樣浸入水中，肉眼觀察沒有氣泡溢出。

(2)膨脹/回縮試驗(yàn)：自然狀態(tài)下向圍帶試樣內(nèi)充入0.5 MPa壓縮空氣，保壓5 min后，排空內(nèi)部空氣，圍帶試樣應(yīng)能夠立即恢復(fù)到原“凹”字形狀態(tài)，試驗(yàn)時(shí)充脹時(shí)間為2 s，排空收縮時(shí)間為3 s，充脹/收縮符合要求[11]。將圍帶試樣裝入試驗(yàn)夾具的安裝槽，如圖5所示，在未加密封壓板的狀態(tài)下向圍帶試樣內(nèi)充入0.5 MPa壓縮空氣，保壓5 min后，試樣均勻膨脹；排空內(nèi)部空氣后，圍帶試樣能夠立即恢復(fù)到原“凹”字形狀態(tài)。

圖5 膨脹/回縮試驗(yàn)裝置

(3)試驗(yàn)夾具內(nèi)密封試驗(yàn)：將圍帶試樣安裝在試驗(yàn)夾具內(nèi)，將厚度不大于0.2 mm的薄片插入密封間隙，向圍帶試樣內(nèi)充入0.8 MPa的壓縮空氣。若用力拉扯薄片無法抽出，如圖6所示，則可定性判定密封面無間隙，圍帶充氣后對(duì)密封面有足夠的壓緊力。

圖6 試驗(yàn)夾具內(nèi)密封試驗(yàn)

(4)爆破壓力試驗(yàn)：自然狀態(tài)下對(duì)圍帶試樣充氣0.8 MPa，未爆破；對(duì)圍帶試樣在試驗(yàn)夾具內(nèi)充氣2.2 MPa，未爆破。

(5)充氣疲勞試驗(yàn)：在充氣密封件充氣疲勞試驗(yàn)臺(tái)對(duì)密封圍帶試件充氣，充氣壓力0.5 MPa，保壓時(shí)間5 s，排氣、停留時(shí)間5 s，歷經(jīng)10 560次充排氣試驗(yàn)，圍帶試樣未發(fā)現(xiàn)損壞。

(6)模擬風(fēng)洞工況試驗(yàn)：設(shè)計(jì)專用圍帶試件見圖7，試驗(yàn)裝置示意圖見圖8，實(shí)際試驗(yàn)見圖9。通過圍帶氣嘴向圍帶內(nèi)充氣，使圍帶膨脹，從而密封內(nèi)外模之間間隙。通過氣室充氣嘴向氣室充氣，當(dāng)達(dá)到規(guī)定壓力時(shí)關(guān)閉氣室充氣氣源，保持 5 min，觀察氣室壓力是否變化。如在規(guī)定時(shí)間內(nèi)氣室壓力沒有變化，則說明圍帶密封良好，否則說明不滿足密封要求，需要調(diào)整改進(jìn)。試驗(yàn)結(jié)果表明充氣密封圍帶密封性能良好。

圖7 試件結(jié)構(gòu)示意(mm)

圖8 模擬風(fēng)洞工況試驗(yàn)裝置

圖9 水槽內(nèi)的密封試驗(yàn)

4 工程應(yīng)用

研制的充氣密封圍帶應(yīng)用于某新建跨超音速風(fēng)洞，如圖10所示，圍帶長度、硬度均滿足使用要求，安裝方便。常規(guī)狀態(tài)下，充氣密封圍帶采用1.2 MPa的充氣壓力，風(fēng)洞增壓試驗(yàn)時(shí)采用1.8 MPa充氣壓力，圍帶已經(jīng)承受住了數(shù)千次工況的檢驗(yàn)，密封性能穩(wěn)定，再未出現(xiàn)密封圍帶與噴管段側(cè)壁刮擦的現(xiàn)象[12]，保障了風(fēng)洞流場品質(zhì)的穩(wěn)定[13]。

圖10 圍帶在柔壁內(nèi)照片

5 結(jié)論

新研制的充氣密封圍解決了原充氣密封結(jié)構(gòu)使用中存在的問題，相關(guān)試驗(yàn)和使用結(jié)果充分表明充氣密封圍設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、生產(chǎn)工藝成熟、承壓能力強(qiáng)、產(chǎn)品性能可靠，壽命長。研制的新型的跨超音速噴管段柔壁充氣密封圍帶對(duì)后續(xù)風(fēng)洞充氣密封圍帶設(shè)計(jì)和現(xiàn)有類似風(fēng)洞柔壁充氣密封圍帶的改造也有借鑒意義。