CN112502858A - 一种适应长期贮存的火药起动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适应长期贮存的火药起动器，解决火药起动器长期贮存存在的密封能力和可靠性下降的难题。该起动器包括电爆管、顶盖、壳体、火药装药、挡药板、点火器架、点火药盒、喷管、第一金属碟形密封件、第二金属碟形密封件和碗型密封件；电爆管设置在顶盖的上端，且电爆管与顶盖之间设置有第一金属碟形密封件；顶盖设置在壳体的上方，且顶盖与壳体之间设置有第二金属碟形密封件；火药装药和挡药板均设置在壳体内；点火药盒设置在点火器架上；点火器架设置在壳体内，且位于火药装药的上方，用于对点火药盒进行支撑；喷管设置在壳体的下方，且喷管与壳体之间设置有碗型密封件。

Description

一种适应长期贮存的火药起动器

技术领域

本发明涉及火箭发动机起动器领域，具体涉及一种适应长期贮存的火药起动器，可用于指导耐高温、密封性要求高及适应长期贮存的火药起动器(固体小火箭)类产品的结构设计及实现。

背景技术

某型发动机为泵压式常规推进剂液体火箭发动机，使用火药起动器完成系统起动并快速进入稳定工作阶段。火药起动器一般由电爆管、点火药盒、火药装药和起动器等四部分组成。其工作原理为电爆管通电工作点燃点火药盒，点火药盒点燃火药装药，火药装药燃烧产生高温高压的火药燃气，经喷管喷出驱动涡轮，为发动机提供初始动力源。该型发动机要求火药起动器具备装配状态下长期贮存的能力。

火药起动器本质上属于小型固体火箭发动机范畴，具体工作原理和设计方法与固体火箭发动机类似，但因实际使用的目的和功能不同，又在以下方面存在显著不同：1)工作时间较短，一般在1s～2s左右；2)主要燃烧产物一般为气体，且要求燃气洁净、状态稳定；3)燃烧产物内要求无坚硬固体颗粒；4)在自身工作和发动机工作过程中保持可靠密封及结构完整。

目前火药起动器(固体小火箭)均采用非金属材料或者金属平垫圈完成密封，此种方式存在以下突出问题：1)非金属材料耐高温性能偏低且容易老化；2)电爆管的旋转拧紧，影响非金属密封材料的结构完整性；3)长期贮存存在装配应力松弛且不具备自我补偿能力。同时产品未进行全密封设计，长期贮存过程中推进剂和油脂等在火药起动器内部形成综合气氛环境，对内装的火药装药等产生不利影响。上述因素均会影响产品长期贮存的密封性和可靠性，对液体火箭发动机的正常工作产生影响。

发明内容

针对火药起动器(固体小火箭)存在耐高温能力差、老化及应力松弛导致的密封性能及可靠性下降问题，以及产品未进行全密封设计不能适应长期贮存需要的问题，本发明提供一种适应长期贮存的火药起动器，解决了长期贮存存在的密封能力和可靠性下降的难题，显著提高了产品装配状态下的长期贮存密封能力和可靠性。

为解决以上问题，本发明技术方案是：

一种适应长期贮存的火药起动器，包括电爆管、顶盖、壳体、火药装药、挡药板、点火器架、点火药盒、喷管、第一金属碟形密封件、第二金属碟形密封件和碗型密封件；所述电爆管设置在顶盖的上端，且电爆管与顶盖之间设置有第一金属碟形密封件；所述顶盖设置在壳体的上方，且顶盖与壳体之间设置有第二金属碟形密封件；所述火药装药和挡药板均设置在壳体内，且挡药板位于火药装药的下端，用于对火药装药进行支撑；所述点火药盒设置在点火器架上，且位于顶盖的腔体内，用于点燃火药装药；所述点火器架设置在壳体内，且位于火药装药的上方，用于对点火药盒进行支撑；所述喷管设置在壳体的下方，且喷管与壳体之间设置有碗型密封件，所述碗型密封件包括密封膜片和设置在密封膜片外周面上的碗状折边，所述碗状折边设置在喷管与壳体之间的轴向接触面上；所述第一金属碟形密封件为锥形垫圈结构，其横截面为平行四边形，所述平行四边形相对的两个拐角处设置有倒角，使得第一金属碟形密封件与电爆管之间形成一个轴向密封和一个径向密封，第一金属碟形密封件与顶盖之间形成一个轴向密封和一个径向密封；所述第二金属碟形密封件与第一金属碟形密封件结构相同，所述第二金属碟形密封件与顶盖之间形成一个轴向密封和一个径向密封，所述第二金属碟形密封件与壳体之间形成一个轴向密封和一个径向密封。

进一步地，所述第一金属碟形密封件、第二金属碟形密封件和碗型密封件的表面设置有软金属层，用于提高密封的可靠性。

进一步地，所述碗状折边与喷管、壳体之间的间隙为0.025mm～0.2mm。

进一步地，所述第一金属碟形密封件和第二金属碟形密封件采用高温合金制作。

进一步地，所述高温合金为GH4202或GH3044。

进一步地，所述电爆管通过外套螺母设置在顶盖的上端。

进一步地，所述密封膜片的端面设置有刻痕槽。

进一步地，所述顶盖和壳体之间通过法兰连接。

进一步地，所述碗型密封件采用软金属材料制作。

进一步地，所述碗型密封件采用纯铝制作。

本发明技术方案与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明火药起动器采用金属碟形密封结构，金属碟形密封结构主要依靠碟形垫圈的弹性变形，在密封部位产生四道(内外各两道)连续的线状密封实现密封，在装配预紧力发生变化时，依靠碟形垫圈结构回弹，保证密封部位处于稳定、可靠密封状态，提高了长期贮存的密封可靠性。

2.本发明在现有圆片状密封膜片的基础上，通过将膜片设计成碗状结构，并控制其碗状折边与关联结构的间隙，在规定拧紧力矩作用下，增加并实现了圆周方面的密封，提高了密封可靠性。

3.本发明起动器采用高温合金作为密封材料，实现了产品在500℃的温度下可靠密封的要求。

附图说明

图1为本发明适应长期贮存的火药起动器的结构示意图；

图2为本发明第一金属碟形密封件的结构示意图；

图3为本发明第一金属碟形密封件的安装示意图；

图4为本发明碗型密封件的结构示意结构；

图5为图4的B-B剖视图；

图6为图4的A-A剖视图；

图7为本发明碗型密封件的安装示意结构。

附图标记：1-电爆管，2-顶盖，3-壳体，4-火药装药，5-挡药板，6-点火器架，7-点火药盒，8-喷管，9-第一金属碟形密封件，10-第二金属碟形密封件，11-碗型密封件，12-外套螺母，901-倒角，110-密封膜片，111-碗状折边，112-刻痕槽。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

本发明提供一种适应长期贮存的火药起动器，该火药起动器采用金属碟形密封结构，以高温合金作为密封材料，在尾部增加碗型密封件，实现了产品在长期装配状态下的密封可靠性，以及500℃温度下可靠密封的要求，很好的满足了某型发动机使用需求，在耐高温、密封性要求高及适应长期贮存的火药起动器(固体小火箭)类产品的结构设计及实现方面具有较大推广应用价值。

如图1所示，本发明提供的适应长期贮存的火药起动器包括电爆管1、顶盖2、壳体3、火药装药4、挡药板5、点火器架6、点火药盒7、喷管8、第一金属碟形密封件9、第二金属碟形密封件10和碗型密封件11。电爆管1通过外套螺母12设置在顶盖2的上端，且电爆管1与顶盖2之间设置有第一金属碟形密封件9；顶盖2设置在壳体3的上方，且顶盖2与壳体3间设置有第二金属碟形密封件10；火药装药4和挡药板5均设置在壳体3内，且挡药板5位于火药装药4的下端，用于对火药装药4进行支撑；点火药盒7设置在点火器架6上，且位于顶盖2的腔体内，用于点燃火药装药4；点火器架6设置在壳体3内，且位于火药装药4的上方，用于对点火药盒7进行支撑；喷管8设置在壳体3的下方，且喷管8与壳体3之间设置有碗型密封件11。

如图1、图2和图3所示，本发明电爆管1与顶盖2之间、顶盖2与壳体3之间均采用金属碟形密封结构。第一金属碟形密封件9为锥形垫圈结构，其横截面为平行四边形，平行四边形相对的两个拐角处设置有倒角901，使得第一金属碟形密封件9与电爆管1之间形成一个轴向密封和一个径向密封，第一金属碟形密封件9与顶盖2之间形成一个轴向密封和一个径向密封；第二金属碟形密封件10与第一金属碟形密封件9结构相同，第二金属碟形密封件10与顶盖2之间形成一个轴向密封和一个径向密封，第二金属碟形密封件10与壳体3之间形成一个轴向密封和一个径向密封。第一金属碟形密封件9、第二金属碟形密封件10解决了目前密封设计方案存在的耐高温能力差、老化及应力松弛导致的密封性能及可靠性下降问题，提高了长期贮存的密封可靠性。两种碟形垫圈的基本截面尺寸均相同，材料均为高温合金，主要差异在于内外径尺寸根据使用部位结构不同进行调整，并通过匹配不同的拧紧力矩保证密封效果。

如图1、图4、图5、图6和图7所示，本发明喷管8与壳体3之间设置有碗型密封件11，碗型密封件11包括密封膜片110以及设置在密封膜片110外周面上的碗状折边111，碗状折边111设置在喷管8与壳体3的之间的轴向接触面上，隔绝外界气氛环境对内部装配的火工品的影响，实现了产品的可靠全密封设计，提高产品的长期贮存能力。该密封结构的尾部采用碗型密封膜片110设计，并控制其与关联结构的配合间隙，即碗状折边111与喷管8、壳体3之间的间隙为0.025mm～0.2mm，依靠膜片的受压变形实现底部和圆周方面的密封，在规定拧紧力矩作用下，增加并实现了圆周方向的密封环节，提高了密封可靠性，同时，密封膜片的端面设置有刻痕槽112，方便密封膜片110的破裂。

本发明第一金属碟形密封件9、第二金属碟形密封件10和碗型密封件11的表面设置有软金属层，用于提高密封的可靠性。与此同时，本发明第一金属碟形密封件9和第二金属碟形密封件10采用高温合金制作，实现了产品在500℃的温度下可靠密封的要求，利用高温合金材料在不同温度环境下优良的机械性能，使得碟形密封环在规定的高温、低温和常温等环境下均处于弹性变形状态，并在发动机试车过程中的高温(500℃)环境下仍处于可靠密封状态，满足了发动机使用要求。该高温合金一般是GH4202或GH3044，本发明考虑实际使用需求选用GH3044。

本发明火药起动器除密封件外的其他部件主体金属材料采用耐自然环境能力优异、常温和高温机械性能较好，机加及焊接工艺性好的不锈钢1Cr11Ni2W2MoV，同时取消了原来的表面镀涂覆设计，提高了长期贮存结构件耐腐蚀能力和高温环境下的结构强度裕度。

发动机工作过程中，火药起动器承受的压力作用(0.1MPa～15MPa)和温度作用(-45℃～+500℃)梯度变化均较大，非金属密封材料和无补偿功能的金属平垫圈密封结构使得产品的密封状态存在一定的不稳定性。金属碟形密封结构主要依靠碟形垫圈的弹性变形，在密封部位产生四道(内外各两道)连续的线状密封实现密封，在装配预紧力发生变化时，依靠碟形垫圈结构回弹，保证密封部位处于稳定、可靠密封状态。碟形垫圈基本形状与碟形弹簧类似，但在密封部位增加倒角901设计，密封直径大时，一般采用法兰连接结构(即顶盖2和壳体3之间通过法兰连接)，密封直径小时采用接管嘴—管接头—外套螺母12连接形式(即电爆管1通过外套螺母12与顶盖2连接)。碟形垫圈的截面形状是一个平行四边形，与法兰或接管嘴-管接头-外套螺母12密封面接触部位为一个倒角901，这样在每一侧都存在两道密封，一个是轴向密封，另一个是径向密封，实现了冗余设计，增加了密封的可靠性；密封表面的软金属(铜、银、铝)镀层可进一步提高密封的可靠性。碟形密封垫圈在密封槽中，当受到轴向压紧力时，还具有力放大作用，从而在较小的预紧力作用下，会给密封面产生较大的密封比压，确保密封结构的可靠性。可应用在高低温、大振动与冲击、高压、热力交变载荷等恶劣环境。

本发明火药起动器中，电爆管1与顶盖2之间密封直径较小，采用接管嘴—管接头—外套螺母12连接形式，顶盖2与壳体3之间密封直径较大，采用法兰连接形式。装配拧紧后，碟形垫圈处于刚性结构零件组成的封闭空间中，且受装配预紧力作用处于压缩、弹性变形状态，密封部位承受压力作用实现密封。在长期贮存应力松弛或者工作时温度发生急剧变化的情况下，装配预紧力变化，依靠碟形垫圈的结构弹性变形能力，保证密封部位处于稳定、可靠的密封状态。

Claims (10)

1.一种适应长期贮存的火药起动器，其特征在于：包括电爆管(1)、顶盖(2)、壳体(3)、火药装药(4)、挡药板(5)、点火器架(6)、点火药盒(7)、喷管(8)、第一金属碟形密封件(9)、第二金属碟形密封件(10)和碗型密封件(11)；

所述电爆管(1)设置在顶盖(2)的上端，且电爆管(1)与顶盖(2)之间设置有第一金属碟形密封件(9)；

所述顶盖(2)设置在壳体(3)的上方，且顶盖(2)与壳体(3)之间设置有第二金属碟形密封件(10)；

所述火药装药(4)和挡药板(5)均设置在壳体(3)内，且挡药板(5)位于火药装药(4)的下端，用于对火药装药(4)进行支撑；

所述点火药盒(7)设置在点火器架(6)上，且位于顶盖(2)的腔体内，用于点燃火药装药(4)；

所述点火器架(6)设置在壳体(3)内，且位于火药装药(4)的上方，用于对点火药盒(7)进行支撑；

所述喷管(8)设置在壳体(3)内腔底端，且喷管(8)与壳体(3)之间设置有碗型密封膜片(110)，所述碗型密封件(11)包括密封膜片(110)和设置在密封膜片(110)外周面上的碗状折边(111)，所述碗状折边(111)设置在喷管(8)与壳体(3)之间的轴向接触面上；

所述第一金属碟形密封件(9)为锥形垫圈结构，其横截面为平行四边形，所述平行四边形相对的两个拐角处设置有倒角(901)，使得第一金属碟形密封件(9)与电爆管(1)之间形成一个轴向密封和一个径向密封，第一金属碟形密封件(9)与顶盖(2)之间形成一个轴向密封和一个径向密封；

所述第二金属碟形密封件(10)与第一金属碟形密封件(9)结构相同，所述第二金属碟形密封件(10)与顶盖(2)之间形成一个轴向密封和一个径向密封，所述第二金属碟形密封件(10)与壳体(3)之间形成一个轴向密封和一个径向密封。

2.根据权利要求1所述的适应长期贮存的火药起动器，其特征在于：所述第一金属碟形密封件(9)、第二金属碟形密封件(10)和碗型密封件(11)的表面设置有软金属层，用于提高密封的可靠性。

3.根据权利要求2所述的适应长期贮存的火药起动器，其特征在于：所述碗状折边(111)与喷管(8)、壳体(3)之间的间隙为0.025mm～0.2mm。

4.根据权利要求1或2或3所述的适应长期贮存的火药起动器，其特征在于：所述第一金属碟形密封件(9)和第二金属碟形密封件(10)采用高温合金制作。

5.根据权利要求4所述的适应长期贮存的火药起动器，其特征在于：所述高温合金为GH4202或GH3044。

6.根据权利要求5所述的适应长期贮存的火药起动器，其特征在于：所述电爆管(1)通过外套螺母(12)设置在顶盖(2)的上端。

7.根据权利要求6所述的适应长期贮存的火药起动器，其特征在于：所述密封膜片(110)的端面设置有刻痕槽(112)。

8.根据权利要求7所述的适应长期贮存的火药起动器，其特征在于：所述顶盖(2)和壳体(3)之间通过法兰连接。

9.根据权利要求8所述的适应长期贮存的火药起动器，其特征在于：所述碗型密封件(11)采用软金属材料制作。

10.根据权利要求8所述的适应长期贮存的火药起动器，其特征在于：所述碗型密封件(11)采用纯铝制作。

Images