某大型高速風(fēng)洞充氣密封圍帶斷點(diǎn)修補(bǔ)新方法探索

馬東平 李 多 趙 寬 楊曉峰 鮑祿強(qiáng)

中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速所 四川 綿陽 621000

引言

某大型高速風(fēng)洞噴管段、試驗(yàn)段、補(bǔ)償段、超擴(kuò)段四個(gè)部段之間為了密封良好,確保不影響風(fēng)洞試驗(yàn)過程中的氣流流場(chǎng),均采用充氣密封圍帶的方式進(jìn)行密封。

充氣密封圍帶是通過向密封橡膠圈內(nèi)充入壓縮空氣使其膨脹來保證面與面間的密封[1-6]。在風(fēng)洞試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),充氣密封圍帶局部多次出現(xiàn)、開裂、等失效形式。大型高速風(fēng)洞中的充氣密封圍帶屬大型密封制品(周長(zhǎng)大于10m),更換成本高,加之各部段密封處結(jié)構(gòu)復(fù)雜,拆裝困難,施工周期長(zhǎng)(在15天以上),圍帶失效后會(huì)嚴(yán)重的影響風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)度,降低試驗(yàn)效率,嚴(yán)重影響型號(hào)研制進(jìn)度。因此,探索充氣密封圍帶的免拆裝、免更換,現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行斷點(diǎn)修補(bǔ)的新方法及修復(fù)技術(shù),對(duì)降低風(fēng)洞運(yùn)行維護(hù)成本,提高風(fēng)洞試驗(yàn)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(fēng)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?lián)闲园逯苓?根、試驗(yàn)段前法蘭端面1根、補(bǔ)償段前法蘭端面1根、補(bǔ)償段小門門框周邊1根、超擴(kuò)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?lián)闲园逯苓厙鷰У脑O(shè)計(jì)充氣壓力為1.80MPa,其余圍帶設(shè)計(jì)充氣壓力為0.255MPa。

根據(jù)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(bǔ)償段小門門框周邊的密封間隙為2～2.6mm;噴管段上下?lián)闲园逯苓叺拿芊忾g隙為0.2～0.5mm;試驗(yàn)段前法蘭端面、補(bǔ)償段前法蘭端面、超擴(kuò)段套筒端面的密封間隙為0～0.6mm;超擴(kuò)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(jìn)行與圍帶相匹配的爆破試驗(yàn),出廠前除核實(shí)其幾何尺寸外,主要需進(jìn)行氣密性和膨脹均勻性的檢查。

圍帶爆破試驗(yàn)壓力要求:試驗(yàn)圍帶裝入壓力試驗(yàn)?zāi)＞邇?nèi),充入1.5倍工作壓力的壓縮空氣,壓力保持30min,圍帶應(yīng)密封良好,且無異?，F(xiàn)象。

圍帶成品氣密性要求:在自由狀態(tài)0.5倍工作壓力下試驗(yàn),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(fù)原狀態(tài),其中補(bǔ)償段小門門框周邊密封圍帶排氣時(shí)間≤10s。

成品膨脹均勻性要求:圍帶在自由狀態(tài)下,充入0.5倍的工作壓力,斷面應(yīng)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(huán)狀整體模具充氣硫化和直線型分段模壓硫化兩種工藝。環(huán)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(duì)接成環(huán)狀后,裝入環(huán)狀模具中硫化成成品。其工藝特點(diǎn)是:環(huán)狀整體硫化適合與產(chǎn)品周長(zhǎng)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(dá)到成品所需的長(zhǎng)度后,最后將其對(duì)接成環(huán)狀成品。其工藝特點(diǎn)是:適合于硫化斷面尺寸相同,任意周長(zhǎng)的密封制品。由于該風(fēng)洞產(chǎn)品為大型密封制品,為了節(jié)省模具費(fèi)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(shè)計(jì)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(nèi)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(yàn)后拉開噴管段側(cè)壁檢查時(shí)發(fā)現(xiàn),該圍帶并沒有完全泄壓,圍帶依然處于膨脹狀態(tài),同時(shí)發(fā)現(xiàn)圍帶右下側(cè)有一處橫向切口,切口處可見承壓的編織層及內(nèi)外膠層已被劃破,導(dǎo)致圍帶該處緩慢漏氣。

經(jīng)查發(fā)現(xiàn)高壓充氣管路放氣閥并未開到位,導(dǎo)致放氣不徹底。后經(jīng)改造該問題已解決。同時(shí)在噴管段右側(cè)壁入口過渡板的對(duì)應(yīng)圍帶切口處發(fā)現(xiàn)一根小毛刺,經(jīng)證實(shí)正是該毛刺劃破了圍帶。

考慮到該圍帶處并無運(yùn)動(dòng)部件,噴管段側(cè)壁也很少打開,因此我部并未預(yù)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(guó)家某重點(diǎn)型號(hào)研制的時(shí)間節(jié)點(diǎn)已不允許推遲。

3 充氣密封圍帶斷點(diǎn)修補(bǔ)方法

因此,立足于對(duì)高壓充氣密封圍帶結(jié)構(gòu)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(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行充氣密封圍帶斷點(diǎn)修補(bǔ)的新方法。

該方法的主要內(nèi)容為,采用以聚四氟乙烯為材質(zhì)的通氣骨架塞入斷點(diǎn)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(jìn)行修復(fù)。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(zhì)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(shè)計(jì)為兩端大,中段小的啞鈴型,并在中段加工有對(duì)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(shí)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?yàn)榇颂幊錃夂蟛粫?huì)膨脹,實(shí)質(zhì)上為硬密封結(jié)構(gòu),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(nèi)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(diǎn)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(diǎn)處修補(bǔ)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(diǎn)修補(bǔ)原理圖(軸向剖視圖),圖4為高壓充氣密封圍帶斷點(diǎn)修補(bǔ)原理圖的放大圖。

圖3 高壓充氣密封圍帶斷點(diǎn)修補(bǔ)原理圖

圖4 高壓充氣密封圍帶斷點(diǎn)修補(bǔ)原理圖放大圖

采用上述方法對(duì)圍帶進(jìn)行修補(bǔ)后,風(fēng)洞試驗(yàn)過程中該斷點(diǎn)處密封良好,未再出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。該修補(bǔ)僅僅耗時(shí)三天時(shí)間,確保了國(guó)家某重點(diǎn)型號(hào)試驗(yàn)的進(jìn)度要求。

4 結(jié)論

實(shí)踐證明,本文采用的密封圍帶斷點(diǎn)修補(bǔ)新方法確實(shí)可靠有效,不僅節(jié)省了更換圍帶的時(shí)間,為后續(xù)工程節(jié)點(diǎn)贏得了時(shí)間,而且節(jié)約了成本,探索出一條風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)維修高壓充氣密封圍帶的新途徑。