CN103867823A - 一种小型固体火箭发动机摆动喷管球面动密封结构 - Google Patents

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杨敬贤
沈铁华
张亮
杨威
罗骄
牛禄
郑庆
娄德全
涂鹏
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    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L27/00—Adjustable joints, Joints allowing movement
    • F16L27/02—Universal joints, i.e. with mechanical connection allowing angular movement or adjustment of the axes of the parts in any direction
    • F16L27/04—Universal joints, i.e. with mechanical connection allowing angular movement or adjustment of the axes of the parts in any direction with partly spherical engaging surfaces
    • F16L27/06—Universal joints, i.e. with mechanical connection allowing angular movement or adjustment of the axes of the parts in any direction with partly spherical engaging surfaces with special sealing means between the engaging surfaces

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Abstract

本发明提供一种小型固体火箭发动机摆动喷管球面动密封结构，包括：可动阳球体，从两侧覆盖在所述可动阳球体的上游密封球面和下游密封球面；位于所述上游密封球面外侧的上游阴球体；位于所述下游密封球面的下游阴球体；所述上游阴球体与下游阴球体通过连接螺栓连接；所述上游阴球体与下游阴球体对接面处安装有静密封圈；所述上游阴球体与下游阴球体对接面紧邻所述上游密封球面和下游密封球面处具有矩形缺口，所述矩形缺口内安装有聚四氟乙烯夹套，所述聚四氟乙烯夹套内安装有弹性支撑件，所述聚四氟乙烯夹套在所述弹性支撑件作用下紧贴所述矩形缺口的边缘。本发明在高温高压下和高转速下有极好的耐磨性、耐酸碱性、耐腐蚀性等优点。

Description

一种小型固体火箭发动机摆动喷管球面动密封结构
技术领域
本发明涉及航空航天小型固体火箭发动机推力矢量技术领域，具体涉及一种小型固体火箭发动机用摆动喷管高压球面动密封技术。
背景技术
固体火箭发动机的推力矢量技术属于航天动力技术的关键，特别是新型小型固体火箭发动机推力矢量技术的发展长期制约了低层空间航天飞行器的技术发展，小型固体火箭发动机推力矢量技术的发展是固体火箭发动机技术研究的一个重要领域，采用小型珠承或者球窝结构的摆动喷管技术是小型固体火箭发动机推力矢量技术的重要研究方向，其具有结构简单，伺服作动力小等优点。制约小型珠承或球窝结构摆动喷管技术发展的一项关键技术就是动密封技术。
小型球窝和珠承结构摆动喷管动密封结构是摆动喷管的重要部件，是实现球窝和珠承结构摆动喷管在发动机工作过程中稳定可靠工作的关键结构。目前在航空航天领域小型珠承和球窝结构的摆动喷管中的动密封结构普遍采用的是橡胶O形密封圈结构。此类橡胶O形圈在通常的静密封、平面或线性动密封中已经有很成熟的应用，应用于球面动密封的橡胶O形密封圈，由于橡胶O形密封圈采用的橡胶材料在动摩擦下的应力状态比较复杂；而且橡胶材料的动摩擦系数偏大，因此摩擦副间相互运动负载比较大；同时在珠承和球窝摆动喷管中的动密封结构中采用的橡胶O形密封圈在动态下O形密封圈本身会存在扭转情况，产生更为复杂的密封特性；再有就是小型固体火箭发动机珠承和球窝摆动喷管其动密封结构的摩擦面相对运动速度变化比较大，通常要求快速启动，快速停止，时间通常在1秒内完成；密封面上下游之间的压差较大、一般＞10MPa；应用工况的温度变化范围较大，在-50℃～+200℃；密封介质存在固态颗粒，这些都对采用橡胶O形密封圈造成很大困难，以上的诸多因素限制了小型珠承和球窝摆动喷管技术的发展。
发明内容
本发明解决的问难是小型固体火箭发动机珠承和球窝摆动喷管之间缺乏的球面动密封；为了解决所述问题，本发明提供一种小型固体火箭发动机珠承和球窝摆动喷管密封结构。
本发明提供的小型固体火箭发动机摆动喷管球面动密封结构，包括：可动阳球体，从两侧覆盖在所述可动阳球体的上游密封球面和下游密封球面；位于所述上游密封球面外侧的上游阴球体；位于所述下游密封球面的下游阴球体；所述上游阴球体与下游阴球体通过连接螺栓连接；所述上游阴球体与下游阴球体对接面处安装有静密封圈；所述上游阴球体与下游阴球体对接面紧邻所述上游密封球面和下游密封球面处具有矩形缺口，所述矩形缺口内安装有聚四氟乙烯夹套，所述聚四氟乙烯夹套内安装有弹性支撑件，所述聚四氟乙烯夹套在所述弹性支撑件作用下紧贴所述矩形缺口的边缘。   
进一步，所述可动阳球体在喷管工作过程中绕其球面部分的球心可作全轴向摆动，其余结构不运动。
进一步，所述上游密封球面、下游密封球面同球心。
进一步，所述聚四氟乙烯夹套采用聚四氟乙烯材料整体加工；所述的聚四氟乙烯夹套为唇形结构，唇口方向为压强高一侧；所述的聚四氟乙烯夹套唇形结构在工作时，唇口要有一定的开口度。
进一步，所述弹性支撑件和聚四氟乙烯夹套在安装中具有一定的径向预压缩；弹性支撑件采用高温不锈钢空心结构。本发明所提出的小型固体火箭发动机珠承和球窝摆动喷管动密封结构利用了聚四氟乙烯的耐高温、可压缩、润滑等特性，结合珠承和球窝摆动喷管的工作特性，它通过在圆柱面和球面匹配的结构空间中安装预压缩的基体为聚四氟乙烯空心密封圈，在保证结构的高温、高压、高热流密度、高介质颗粒、高运动特性下的可靠密封的同时，提高了结构的可靠性，空心密封圈结构使得结构质量更轻。
本发明小型固体火箭发动机珠承和球窝摆动喷管动密封结构与现有技术相比，具有可靠性高、密封稳定、球面摩擦系数小等特点；还具有温度适用范围更广、结构简单、伺服力矩小等优点；并且对固体火箭发动机密封结构的高颗粒含量动密封有更好的适应性，具有自润滑性能好，电绝缘性强、膨胀系数小，在高温高压下和高转速下有极好的耐磨性、耐酸碱性、耐腐蚀性等优点。
附图说明
图 1是本发明提供的小型固体火箭发动机摆动喷管球面动密封结构示意图；
图2是本发明提供的小型固体火箭发动机摆动喷管球面动密封结构的区域A的局部放大示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明球面动密封结构主要包括有：上游阴球体1、下游阴球体2、可动阳球体3、静密封圈4、连接螺栓5、弹性支撑件6、聚四氟乙烯夹套7、上游密封球面8、下游密封球面9组成。可动阳球体3在喷管工作过程中绕其球面部分的球心可作全轴向摆动，其余结构不运动；上游阴球体1与下游阴球体2通过连接螺栓5连接；上游阴球体1与下游阴球体2通过静密封圈4实现；上游阴球体1、下游阴球体2、静密封圈4、连接螺栓5组成的固定部分通过由弹性支撑件6和聚四氟乙烯夹套7组成的动密封件实现动密封，密封面为上游密封球面8、下游密封球面9；上游密封球面8、下游密封球面9同球心；聚四氟乙烯夹套7采用聚四氟乙烯材料整体加工；所述的聚四氟乙烯夹套7为唇形结构，唇口方向为压强高一侧；聚四氟乙烯夹套7唇形结构在工作时，唇口要有一定的开口度，确保工作过程中进入密封部位的颗粒物质能够被唇口空间收集；所述的聚四氟乙烯夹套7的空心结构中安装弹性支撑件6；所述的弹性支撑件6和聚四氟乙烯夹套7在安装中具有一定的径向预压缩，保证密封可靠性；弹性支撑件6采用高温不锈钢空心结构，满足长时间贮存和高温工作需求。
本发明具有可靠性高、密封稳定、球面摩擦系数小等特点；还具有温度适用范围更广、结构简单、伺服力矩小等优点；并且对固体火箭发动机密封结构的高颗粒含量动密封有更好的适应性，具有自润滑性能好，电绝缘性强、膨胀系数小，在高温高压下和高转速下有极好的耐磨性、耐酸碱性、耐腐蚀性等优点，可推广使用。
在本发明的一个实施例中，所提供的小型固体火箭发动机摆动喷管球面动密封结构的密封面直径为160mm，达到的技术指标如下：
a.          工作压强：20MPa；
b.         上游阴球体1、下游阴球体2的旋转线速度可达到3m/s，而现有的旋转线速度为0.4~0.8m/s；；
c.          适应温度范围：-268℃～+316℃；
d.         摩擦系数：0.09；
e.          颗粒浓度（体积）：3%。

Claims (5)

1.小型固体火箭发动机摆动喷管球面动密封结构，其特征在于，包括：可动阳球体（3），从两侧覆盖在所述可动阳球体（3）的上游密封球面（8）和下游密封球面（9）；位于所述上游密封球面（8）外侧的上游阴球体（1）；位于所述下游密封球面（9）的下游阴球体（2）；所述上游阴球体（1）与下游阴球体（2）通过连接螺栓（5）连接；所述上游阴球体（1）与下游阴球体（2）对接面处安装有静密封圈（4）；所述上游阴球体（1）与下游阴球体（2）对接面紧邻所述上游密封球面（8）和下游密封球面（9）处具有矩形缺口，所述矩形缺口内安装有聚四氟乙烯夹套（7），所述聚四氟乙烯夹套（7）内安装有弹性支撑件（6），所述聚四氟乙烯夹套（7）在所述弹性支撑件（6）作用下紧贴所述矩形缺口的边缘。
2.依据权利要求1所述的小型固体火箭发动机摆动喷管球面动密封结构，其特征在于，所述可动阳球体（3）在喷管工作过程中绕其球面部分的球心可作全轴向摆动，其余结构不运动。
3.依据权利要求1所述的小型固体火箭发动机摆动喷管球面动密封结构，其特征在于，所述上游密封球面（8）、下游密封球面（9）同球心。
4.依据权利要求1所述的小型固体火箭发动机摆动喷管球面动密封结构，其特征在于，所述聚四氟乙烯夹套（7）采用聚四氟乙烯材料整体加工；所述的聚四氟乙烯夹套（7）为唇形结构，唇口方向为压强高一侧；所述的聚四氟乙烯夹套（7）唇形结构在工作时，唇口要有一定的开口度。
5.依据权利要求1所述的小型固体火箭发动机摆动喷管球面动密封结构，其特征在于，所述弹性支撑件（6）和聚四氟乙烯夹套（7）在安装中具有一定的径向预压缩；弹性支撑件（6）采用高温不锈钢空心结构。
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