一种具有防挤出功能的超高压球面密封结构

技术领域

本发明属于航空航天产品静强度考核试验领域，涉及一种具有防挤出功能的超高压球面密封结构。

背景技术

为了保证火箭发动机的高性能以及运行过程安全可靠，航天产品用泵壳体、阀壳体和导管在制造完成后需进行静强度考核试验，用于验证结构静强度及焊缝的焊接质量。静强度考核试验的试验压力一般为航天产品工作压力的1.2倍到1.5倍，同时，试验用的密封结构不能对航天产品密封面造成损伤，方便工人使用，便于拆卸。现有的球面密封结构基本可以分为两大类：金属硬密封与橡胶圈填料密封。金属硬密封是采用金属球头与球面产生线接触实现密封，但该密封结构多次拆装后会损伤航天产品的球面，同时，仅适用于口径较小的密封工况；橡胶填料密封的球面密封槽的结构较复杂，机加工艺复杂，同时也存在着多次拆装损伤航天产品密封面和高压工况橡胶填料易被挤出的情况。因此，如何提供一种机加工艺性优良、拆装不会对航天产品球面造成损伤、超高压密封能力强的新型密封结构，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种具有防挤出功能的超高压球面密封结构，在试验时，球面挡圈可有效防止高压试验流体介质对O型橡胶圈的挤出破坏。

本发明解决技术的方案是：

一种具有防挤出功能的超高压球面密封结构，外部航天产品分为法兰结构和喷嘴结构两种，当外部航天产品为法兰结构时，球面密封结构包括密封法兰、球面挡圈、O型橡胶圈、紧固件和接管嘴；其中，密封法兰轴向竖直与外部航天产品对接；密封法兰与外部航天产品的对接处设置有密封槽；球面挡圈设置在密封法兰的密封槽中；O型橡胶圈嵌入球面挡圈的底部；密封法兰与外部航天产品对接完成后，通过紧固件从上至下依次穿过密封法兰和外部航天产品，螺纹固定；接管嘴同轴焊接在密封法兰的顶部。

在上述的一种具有防挤出功能的超高压球面密封结构，外部航天产品沿轴向设置有通孔；密封法兰与外部航天产品通孔内壁对接；密封法兰的侧壁为球面结构；外部航天产品的通孔顶端内壁为与密封法兰形状一致的球面结构，实现适应性对接。

在上述的一种具有防挤出功能的超高压球面密封结构，密封法兰的轴线处设置有通孔，该通孔与接管嘴对接，实现外部航天产品内腔与接管嘴的通道连通。

在上述的一种具有防挤出功能的超高压球面密封结构，密封槽设置在密封法兰的球面侧壁上；密封槽的截面为直角三角形结构；密封槽两个角与密封法兰球面侧壁的过渡处均设置有R1的圆角。

在上述的一种具有防挤出功能的超高压球面密封结构，密封法兰球面侧壁的直径小于外部航天产品球面内壁的直径0.4mm；且密封法兰与外部航天产品对接固定后，密封法兰球面侧壁的大径端根部高于外部航天产品顶端1mm。

在上述的一种具有防挤出功能的超高压球面密封结构，所述密封法兰球面侧壁的底端设置有竖直长度为4mm的直径段；直径段底端外壁设置有1.5x45°倒角；且直径段的内径单边直径小于外部航天产品内壁直径0.15mm。

在上述的一种具有防挤出功能的超高压球面密封结构，所述球面挡圈直径大于密封法兰球面侧壁直径0.5-0.8mm；对接时，球面挡圈先与外部航天产品内壁接触；拧紧紧固件时，球面挡圈被压缩与外部航天产品内壁紧密贴合。

在上述的一种具有防挤出功能的超高压球面密封结构，所述球面挡圈下表面设置有球形凹槽，凹槽直径与O型橡胶圈的直径相等；实现O型橡胶圈嵌入球面挡圈的凹槽中。

在上述的一种具有防挤出功能的超高压球面密封结构，当外部航天产品为喷嘴结构时，球面密封结构包括密封法兰、球面挡圈、O型橡胶圈、紧固件；其中，密封法兰顶部集成了接管嘴，为一体化结构；密封法兰与外部航天产品顶部同轴对接；球面挡圈和O型橡胶圈均设置在密封法兰与外部航天产品的对接处；紧固件从上之下依次套装在密封法兰和外部航天产品的外壁，与外部航天产品的外壁螺接固定。

在上述的一种具有防挤出功能的超高压球面密封结构，当外部航天产品为法兰结构时，紧固件为六角头螺栓；当外部航天产品为喷嘴结构时，紧固件为外套螺母结构。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明在密封槽的入口与出口处均设置R1的圆角，防止磕伤航天产品的球面。这种密封槽的优点是：机加工艺性较好；

(2)本发明的密封法兰小段下方设置有约4mm左右的直线段，直线段末端有1.5x45°倒角，实现对密封法兰进行周向限位，防止安装时密封法兰(1)相对于航天产品球面周向翻转，磕伤产品球面；

(3)本发明的球面挡圈直径大于密封法兰球面侧壁直径0.5-0.8mm，装配时，球面挡圈先于产品球面接触，当紧固件拧紧后，球面挡圈被压缩，与产品金属球面紧密贴合。这种结构的作用有两点:一是可以防止安装时，操作工人拧紧紧固件时，用力过大过猛，导致航天产品球面被磕伤的情况，二是使球面挡圈与金属球面紧密贴合，提高了高压工况下，球面挡圈防止O型橡胶圈被挤出破坏的能力。

附图说明

图1为本发明当外部航天产品为法兰结构时球面密封结构示意图；

图2为本发明当外部航天产品为喷嘴结构时球面密封结构示意图。

图中

1-密封法兰；2-球面挡圈；3-O型橡胶圈；4-紧固件；5-接管嘴。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供了一种具有防挤出功能的超高压球面密封结构，该密封结构通过紧固件4与航天产品机械接口固联，试验时，超高压流体试验介质作用于O形密封圈3，O形密封圈3有被挤出破坏的趋势，通过结构设计，球形挡圈2可与航天产品球面紧密贴合，有效减少这种趋势，提高该结构的超高压密封能力。

超高压球面密封结构，根据外部航天产品的结构形式设计。外部航天产品分为法兰结构和喷嘴结构两种，当外部航天产品为法兰结构时，如图1所示，球面密封结构包括密封法兰1、球面挡圈2、O型橡胶圈3、紧固件4和接管嘴5；其中，密封法兰1轴向竖直与外部航天产品对接；密封法兰1与外部航天产品的对接处设置有密封槽；球面挡圈2设置在密封法兰1的密封槽中；O型橡胶圈3嵌入球面挡圈2的底部；密封法兰1与外部航天产品对接完成后，通过紧固件4从上至下依次穿过密封法兰1和外部航天产品，螺纹固定；接管嘴5同轴焊接在密封法兰1的顶部。

外部航天产品沿轴向设置有通孔；密封法兰1与外部航天产品通孔内壁对接；密封法兰1的侧壁为球面结构；外部航天产品的通孔顶端内壁为与密封法兰1形状一致的球面结构，实现适应性对接。密封法兰1上焊有接管嘴，用于液压强度试验时充液与放液，安装该结构时，首先检查球面挡圈2和O型橡胶圈3是否有开裂、老化等现象，紧固件4是否变形、开裂、损伤等现象，若有进行更换，然后将球面挡圈2和O型橡胶圈3依次套入到密封法兰1的密封槽中，将密封法兰1与航天产品相配合，拧紧紧固件4，完成安装。密封法兰1的轴线处设置有通孔，该通孔与接管嘴5对接，实现外部航天产品内腔与接管嘴5的通道连通。

密封槽设置在密封法兰1的球面侧壁上；密封槽的截面为直角三角形结构；密封槽两个角与密封法兰1球面侧壁的过渡处均设置有R1的圆角。防止磕伤航天产品的球面。这种密封槽的优点是：机加工艺性较好。

密封法兰1球面侧壁的直径小于外部航天产品球面内壁的直径0.4mm；且密封法兰1与外部航天产品对接固定后，密封法兰1球面侧壁的大径端根部高于外部航天产品顶端1mm。这种结构的作用是：保证密封法兰1与航天产品的球面完全贴合。

密封法兰1球面侧壁的底端设置有竖直长度为4mm的直径段；直径段底端外壁设置有1.5x45°倒角；且直径段的内径单边直径小于外部航天产品内壁直径0.15mm。这种结构的作用是:对密封法兰1进行周向限位，防止安装时密封法兰1相对于航天产品球面周向翻转，磕伤产品球面。

球面挡圈2直径大于密封法兰1球面侧壁直径0.5-0.8mm；对接时，球面挡圈2先与外部航天产品内壁接触；拧紧紧固件4时，球面挡圈2被压缩与外部航天产品内壁紧密贴合。这种结构的作用有两点:一是可以防止安装时，操作工人拧紧紧固件4时，用力过大过猛，导致航天产品球面被磕伤的情况，二是使球面挡圈2与金属球面紧密贴合，提高了高压工况下，球面挡圈2防止O型橡胶圈3被挤出破坏的能力。

球面挡圈2下表面设置有球形凹槽，凹槽直径与O型橡胶圈3的直径相等；实现O型橡胶圈3嵌入球面挡圈2的凹槽中。该球面的圆心位置靠近球面挡圈时，O型橡胶圈3压缩量变小，反之，O型橡胶圈4的压缩量变大。该结构的作用有两点：一是增大O型橡胶圈3的接触面积，降低了高压工况下，O型橡胶圈3和球面挡圈2的应力水平，提高了密封件的使用寿命；二是通过调整球面凹槽圆心的位置，可在安装空间不变的情况下，将O型橡胶圈3的压缩量调整在25％左右。

当外部航天产品为喷嘴结构时，如图2所示，球面密封结构包括密封法兰1、球面挡圈2、O型橡胶圈3、紧固件4；其中，密封法兰1顶部集成了接管嘴，为一体化结构；密封法兰1与外部航天产品顶部同轴对接；球面挡圈2和O型橡胶圈3均设置在密封法兰1与外部航天产品的对接处；紧固件4从上之下依次套装在密封法兰1和外部航天产品的外壁，与外部航天产品的外壁螺接固定。

综上所述，当外部航天产品为法兰结构时，紧固件4为六角头螺栓；当外部航天产品为喷嘴结构时，紧固件4为外套螺母结构。

上述技术解决方案的优点是：该直线段对密封法兰1进行周向限位，防止安装时，密封法兰1相对于航天产品球面周向翻转，磕伤航天产品球面；

本发明的技术解决方案之四为：O型橡胶圈3承压的背侧设置球面挡圈2,球面挡圈2小端处有一球面凹槽，球面的直径与O型橡胶圈3的直径相等，该球面的圆心位置靠近球面挡圈时，O型橡胶圈3压缩量变小，反之，O型橡胶圈4的压缩量变大；

上述技术解决方案的优点之一是：调整球面挡圈2的球面凹槽圆心的位置，可在安装空间不变的情况下，将O型橡胶圈3的压缩量调整在20％左右，扩大了该密封结构的应用范围；

上述技术解决方案的优点之二是：O型橡胶圈3与球面挡圈2的球面凹槽相接触，可有效降低高压工况下，接触面的应力水平，提高O型橡胶圈3与球面挡圈2的使用寿命；

上述技术解决方案的优点之三是：高压工况下，密封法兰1与紧固件4会产生弹性变形，使得球面挡圈2与航天产品球面之间产生间隙，此时O型橡胶圈3将高压试验压力传递至球面挡圈2的球面凹槽表面，球面挡圈2的球面凹槽开口处的两个凸点分别沿间隙处产生变形，补偿因金属件弹性变形产生的泄漏间隙，提高了该结构的超高压密封能力。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。