CN110657309B - 一种基于球面承压原理的大尺寸高压管路补偿器 - Google Patents
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Abstract
一种基于球面承压原理的大尺寸高压管路补偿器，包括：前内衬筒、后内衬筒、S形铠装波纹管、三角形底座、分离结构、限位结构、平衡拉杆；三角形底座和分离结构之间通过S形铠装波纹管固定连接。S形铠装波纹管的内部设置有通过周向重叠的球面连接部搭接的前内衬筒和后内衬筒。前内衬筒和后内衬筒的筒壁周向均布有用于平衡气压的节流孔，分离结构和限位结构通过球面副联接，三角形底座和限位结构之间通过多个周向均布的平衡拉杆固定连接。本发明拓宽了补偿器在高压大直径管路的应用领域，大幅度的提高了补偿器的承压能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于球面承压原理的大尺寸高压管路补偿器，属于热力管道系统技术领域。
背景技术
随着重型液体火箭发动机推力的增加，其管路压力也相应的大幅提高。若仍然采用硬管方案，导管应力水平较高或需要更多的变形空间，造成发动机可靠性和使用维护性降低，一般通过设置高压补偿器来避免以上问题。高压补偿器通常由波纹管、内衬筒和推力平衡装置组成，分别对应补偿器的补偿、导流和承压属性。补偿器工作时，高达几十吨甚至更高的压力推力作用在平衡装置上，极易引起破坏失效，因此补偿器的承压设计就显得尤为重要。
目前常用的补偿器的设计方案有：内铰型补偿器，外铰万向节型补偿器，如图8所示。两种补偿器均存在不足：1)内铰型补偿器，通过在波纹管内部设置三脚架或者关节轴承来承担拉力，造成波纹管直径变大，压力推力明显高于外铰型，且平衡装置工作在管路介质中，流阻损失大，可靠性不高，使用维护性差，不适用于高压管路补偿。2)外铰万向节型补偿器，由于传力路径过长，会使外铰内表面处于拉弯组合的应力状态，造成材料的局部静强度不足，因此，外铰万向节型补偿器不适用于大尺寸管路补偿。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于球面承压原理的大尺寸高压管路补偿器，大幅的提升了补偿器的承压能力，突破了补偿器在高压大直径管路领域应用的局限性。
本发明的技术方案是：
一种基于球面承压原理的大尺寸高压管路补偿器，包括：前内衬筒、后内衬筒、S形铠装波纹管、三角形底座、分离结构、限位结构、平衡拉杆；
三角形底座的一端焊接有外部高压管路，三角形底座的另一端焊接S形铠装波纹管的一端，S形铠装波纹管的另一端焊接分离结构的一端，分离结构的另一端与外部高压管路焊接，S形铠装波纹管的内部设置有前内衬筒和后内衬筒，所述前内衬筒的一端与分离结构的一端焊接固定，所述后内衬筒的一端与三角形底座的另一端焊接固定；所述前内衬筒的另一端和所述后内衬筒的另一端通过周向重叠的球面连接部搭接；
所述前内衬筒和后内衬筒的筒壁周向均布有节流孔，所述节流孔用于使筒壁内外的气压平衡；
分离结构的另一端的外壁和限位结构的内壁之间通过球面副联接，所述球面副和球面连接部的球心位置重合，所述球心位置位于S形铠装波纹管轴线中点；
三角形底座和限位结构之间通过多个周向均布的平衡拉杆固定连接。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)本发明采用分离结构和限位结构形成的球形轴承作为承力部件，相比于传统平衡装置的轴鞘支承，大幅度的提高了补偿器的承压能力。
2)本发明摆脱了传力路径的限制，在大直径管路中，也不会产生较大的弯曲应力。
3)本发明平衡拉杆设置在S形铠装波纹管的外部，平衡拉杆与所述S形铠装波纹管之间不接触，流阻损失小，使用维护性好。
4)本发明平衡拉杆采用空间三角形布局，结构稳定性好。
5)本发明结构刚性好，相比于同规格的外铰万向节型平衡装置，刚度提高了约一个数量级。
6)本发明装配简单，使用维护性好。
附图说明
图1为本发明装配示意图；
图2为本发明平衡装置结构示意图；
图3为本发明平衡装置偏摆示意图；
图4为本发明一实施例三角形底座示意图；
图5为本发明一实施例分离结构示意图；
图6为本发明限位结构示意图；
图7为本发明一实施例平衡拉杆示意图；
图8为现有技术结构示意图；
图9为前、后内衬筒装配示意图。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明一种基于球面承压原理的大尺寸高压管路补偿器，包括：前内衬筒1、后内衬筒2、S形铠装波纹管3、三角形底座4、分离结构5、限位结构6、平衡拉杆7。前内衬筒1、后内衬筒2、S形铠装波纹管3、三角形底座4、分离结构5、限位结构6和平衡拉杆7的材料均为GH4169。
三角形底座4的一端焊接有外部高压管路，三角形底座4的另一端焊接S形铠装波纹管3的一端，S形铠装波纹管3的另一端焊接分离结构5的一端，分离结构5的另一端与外部高压管路焊接，S形铠装波纹管3的内部设置有前内衬筒1和后内衬筒2，所述前内衬筒1的一端与分离结构5的一端焊接固定，所述后内衬筒2的一端与三角形底座4的另一端焊接固定；所述前内衬筒1的另一端和所述后内衬筒2的另一端通过周向重叠的球面连接部搭接；
所述前内衬筒1和后内衬筒2的筒壁周向均布有节流孔，所述节流孔用于使筒壁内外的气压快速平衡；
分离结构5的另一端的外壁和限位结构6的内壁之间通过球面副联接，所述球面副和球面连接部的球心位置重合，所述球心位置位于S形铠装波纹管3轴线中点；分离结构5和限位结构6之间的接触面涂布有二硫化钼润滑脂，形成球面轴承。分离结构5可以在限位结构6中实现任意方向的偏摆。如图3所示，分离结构5可以通过在转动过程中直边段与限位结构6内缘的运动干涉进行限位。
如图3所示，三角形底座4和限位结构6之间通过多个周向均布的平衡拉杆7固定连接。本发明实施例采用3个平衡拉杆7形成空间三角形布局，结构稳定性好。平衡拉杆7设置在S形铠装波纹管3的外部，平衡拉杆7与所述S形铠装波纹管3之间不接触。三角形底座4和平衡拉杆7之间通过多个螺栓8、螺母9固定连接；限位结构6和平衡拉杆7之间通过多个螺栓8固定连接。
S形铠装波纹管3包括：铠结构和S形波纹管。所述铠结构和S形波纹管的材料相同，以保证变形协调。S形波纹管外壁两波纹之间向内壁凹陷的位置设置有铠结构，两相邻波纹之间的铠结构互不连接，所述铠结构用于抵抗S形波纹管在高压气体作用下产生的形变。
如图9所示，前内衬筒1和所述后内衬筒2均包括直筒段和球面段，所述前内衬筒1的另一端和所述后内衬筒2的另一端的通过球面段搭接，搭接面为球面，搭接段紧密贴合，所述球面的半径R1和所述直筒段的半径R满足如下关系：
R1＝R/cosα；
其中，α为补偿器的最大偏摆角即分离结构5轴线和限位结构6轴线之间的夹角最大值，如图3所示。前内衬筒1和后内衬筒2的壁厚t相同，前内衬筒1的另一端插入后内衬筒2的另一端，形成搭接部分。
具体的，平衡装置中分离结构5的内圈接口与前内衬筒1通过电子束焊接，平衡装置中三角形底座4的内圈接口与后内衬筒2通过电子束焊接，前后内衬筒通过周向重叠的球面连接部搭接。平衡装置中分离结构5和三角形底座4的外圈接口分别与S形铠装波纹管的两端通过电子束方法焊接。波纹管作为柔性部件通过变形进行补偿，平衡装置用来承受波纹管充压、偏摆产生的压力推力，内衬筒可以减小波纹管的流阻损失。如图4所示，为本发明一实施例三角形底座4示意图。如图5所示，为本发明一实施例分离结构5示意图。如图6所示，为本发明限位结构6示意图。如图7所示，为本发明一实施例平衡拉杆7示意图。
本发明补偿器适用于高压大直径管路，在波纹管内径为150mm，承压33MPa时，补偿器应力水平500MPa，刚度0.7mm；相比于同规格的外铰万向节型补偿器，应力水平低，结构刚度好，刚度大约提升了一个数量级。
本发明实施例中高压气体管路的压力为33MPa，本装置结构的承压能力达到50MPa，也可以使用。另外本装置材料均为GH4169，可以应用于600℃高温的高压大尺寸燃气管路。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.一种基于球面承压原理的大尺寸高压管路补偿器，其特征在于，包括：前内衬筒（1）、后内衬筒（2）、S形铠装波纹管（3）、三角形底座（4）、分离结构（5）、限位结构（6）、平衡拉杆（7）；
三角形底座（4）的一端焊接有外部高压管路，三角形底座（4）的另一端焊接S形铠装波纹管（3）的一端，S形铠装波纹管（3）的另一端焊接分离结构（5）的一端，分离结构（5）的另一端与外部高压管路焊接，S形铠装波纹管（3）的内部设置有前内衬筒（1）和后内衬筒（2），所述前内衬筒（1）的一端与分离结构（5）的一端焊接固定，所述后内衬筒（2）的一端与三角形底座（4）的另一端焊接固定；所述前内衬筒（1）的另一端和所述后内衬筒（2）的另一端通过周向重叠的球面连接部搭接；
所述前内衬筒（1）和后内衬筒（2）的筒壁周向均布有节流孔，所述节流孔用于使筒壁内外的气压平衡；
分离结构（5）的另一端的外壁和限位结构（6）的内壁之间通过球面副联接，所述球面副和球面连接部的球心位置重合，所述球心位置位于S形铠装波纹管（3）轴线中点；
三角形底座（4）和限位结构（6）之间通过多个周向均布的平衡拉杆（7）固定连接；
所述三角形底座（4）和平衡拉杆（7）通过多个螺栓（8）、螺母（9）固定连接；
所述限位结构（6）和平衡拉杆（7）通过多个螺栓（8）固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于球面承压原理的大尺寸高压管路补偿器，其特征在于，所述S形铠装波纹管（3）包括：铠结构和S形波纹管；
所述铠结构和S形波纹管的材料相同；
S形波纹管外壁两波纹之间向内壁凹陷的位置设置有铠结构，两相邻波纹之间的铠结构互不连接，所述铠结构用于抵抗S形波纹管在高压气体作用下产生的形变。
3.根据权利要求1~2之一所述的一种基于球面承压原理的大尺寸高压管路补偿器，其特征在于，所述前内衬筒（1）和所述后内衬筒（2）均包括直筒段和球面段，所述前内衬筒（1）的另一端和所述后内衬筒（2）的另一端的通过球面段搭接，搭接面为球面，所述球面的半径R1和所述直筒段的半径R满足如下关系：
R1=R/cosα；
其中，α为分离结构（5）轴线和限位结构（6）轴线之间夹角的最大值。
4.根据权利要求3所述的一种基于球面承压原理的大尺寸高压管路补偿器，其特征在于，所述平衡拉杆（7）设置在S形铠装波纹管（3）的外部，平衡拉杆（7）与所述S形铠装波纹管（3）之间不接触。
5.根据权利要求4所述的一种基于球面承压原理的大尺寸高压管路补偿器，其特征在于，所述分离结构（5）和限位结构（6）之间的接触面涂布有二硫化钼润滑脂。
6.根据权利要求5所述的一种基于球面承压原理的大尺寸高压管路补偿器，其特征在于，所述前内衬筒（1）、后内衬筒（2）、S形铠装波纹管（3）、三角形底座（4）、分离结构（5）、限位结构（6）和平衡拉杆（7）的材料均为GH4169。
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