一种法兰内长导向内置调节元件的调节装置

技术领域

本发明涉及一种法兰内长导向内置调节元件的调节装置，属于流量控制技术领域。

背景技术

氢氧火箭发动机实现混合比调节的措施是在大直径液氢、液氧管路及燃气路导管中安装调节元件，调节元件可采用汽蚀管和燃气喷嘴等。液氢、液氧路汽蚀管安装在氢、氧副系统导管法兰内部，用于控制介质的流量和流速，调节液氢、液氧混合比；燃气喷嘴安装在涡轮燃气路导管法兰内部，用于调节涡轮的燃气流量。

调节元件轴向长度较长，在设计时，既要保证可靠密封，又要保证拆装方便，避免与法兰内壁摩擦干涉。如果将调节元件外圆设计成单一直径圆柱形，当调节元件与法兰内壁配合间隙较小时，则外圆柱面与法兰内腔接触面较大，拆装过程中接触面之间相对运动会产生摩擦力，增加调节元件拆装难度。若调节元件内部为高温介质，还会因为试验后热变形造成调节元件卡滞无法取出。

另一方面，若调节元件外圆与法兰内径配合间隙过大，调节元件在法兰内腔形成悬臂，在多次试车的高压和振动环境下，调节元件限位面根部易产生应力集中，可能造成结构破坏。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种法兰内长导向内置调节元件的调节装置，既能保证调节元件在设计公差及试验冷热状态下可以便捷地拆装，又具有一定的限位功能，保证调节元件在使用时无过多的应力集中。

本发明的技术解决方案是：

一种法兰内长导向内置调节元件的调节装置，包括第一法兰、第二法兰、调节元件；第一法兰和第二法兰均设有端部和腔体，调节元件包括拉出端头、圆柱段和导向段，所述圆柱段和导向段置于第一法兰腔体内，所述拉出端头与第一法兰端部、第二法兰端部配合形成封闭腔体结构，导向段与第一法兰的腔体内壁间隙性接触，圆柱段外壁与第一法兰腔体内壁之间形成空隙，通过拉出端头可实现高温试验后调节元件的装卸。

在上述调节装置中，所述拉出端头由调节元件的圆柱段向外直角翻转得到，所述导向段由调节元件的圆柱段向外钝角翻转形成得到，所述调节元件的拉出端头外径比圆柱段外径大5～6mm。

在上述调节装置中，所述的调节元件的导向段通过间歇设置凸台与第一法兰内壁接触，凸台沿圆周均匀分布。

在上述调节装置中，所述的一种法兰内长导向内置调节元件的调节装置还包括柔性石墨密封圈；所述的第一法兰的腔体包含过渡段、配合段、尾段；所述的第一法兰的端部包含密封台阶、限位台阶、密封面；所述第二法兰的端部包含密封凸台；柔性石墨密封圈置于密封凸台与调节元件的密封面、第一法兰的密封台阶、第一法兰的密封面组成的楔形槽式密封结构中，通过密封凸台挤压柔性石墨密封圈变形来调节石墨圈压缩量的大小，最终压缩量为27％～33％。

在上述调节装置中，所述调节元件的拉出端头包括密封面、限位面、端面；拉出端头与调节元件轴向垂直方向形成限位面52，所述调节元件的限位面与所述第一法兰的限位台阶相贴合，限位台阶对调节元件起轴向限位作用。

在上述调节装置中，所述导向段外壁与圆柱段外壁延长线设有15～25°的过渡倒角，限位面和圆柱段外壁设有圆角。

在上述调节装置中，所述调节元件限位面高度h

在上述调节装置中，所述调节元件拉出端头的端面与第二法兰密封凸台底部台阶间隙配合设计，间隙量X

X

其中，h

在上述调节装置中，所述调节元件的端面与第二法兰密封凸台的间隙范围为0.1～0.45mm。

在上述调节装置中，所述第一法兰的过渡段与调节元件的圆柱段之间的间隙范围为1.4～1.9mm。

在上述调节装置中，所述第一法兰配合段与调节元件导向段为紧密间隙配合，间隙范围为0.02～0.124mm。

在上述调节装置中，所述调节元件的导向段长度k，取值9～11mm，得到第一法兰配合段宽度K＝k+2。

在上述调节装置中，所述调节元件圆柱段外径d

在上述调节装置中，所述第一法兰过渡段的直径D

在上述调节装置中，所述第二法兰内圈凹陷高度h

在上述调节装置中，所述第一法兰总长L的计算公式为：L＝l+20，第一法兰的端部、过渡段和配合段的总长度的计算公式为：L

本发明与现有技术的有益效果在于：

(1)本发明设计了一种法兰内长导向内置调节元件的调节装置，将调节元件分为拉出端头、圆柱段、导向段三部分，对应的配合法兰分为端部、过渡段、配合段、尾段等部分，其中调节元件的拉出端头的设计既保证可靠密封又方便拆装，有效避免了试验后热变形造成调节元件卡滞无法取出的问题。

(2)本发明设计的调节元件圆柱段尺寸较长，圆柱段外径名义尺寸略小于法兰内径，圆柱段外壁与第一法兰腔体内壁之间形成一定空隙，保证了设计要求的同时避免了调节元件与法兰内壁接触，避免了拆卸时的壁间摩擦。

(3)本发明中调节元件导向段与圆柱段之间的过渡倒角设计及限位面与圆柱段之间的圆角设计有效避免了应力集中，增加了调节元件的强度。

(4)本发明导向段外圆上均布凸台，在起导向作用的同时使接触面积最小，减少了调节元件与法兰内壁的接触面积，导向段与第一法兰的腔体内壁间隙性接触，有效地防止了调节元件拆装干涉。

(5)本发明调节元件导向段与法兰内壁接触的轴向长度较短，导向段对调节元件起固定和导向作用，避免悬臂过大造成拉出端头根部应力集中。

(6)本发明提供了调节元件及其配合法兰的主要尺寸及公差的计算方法，按该方法进行设计可保证各尺寸间的精度和配合正确合理。

附图说明

图1为本发明法兰内长导向内置调节元件安装示意图；

图2为本发明法兰内长导向内置调节元件剖面图；

图3为本发明第一法兰剖面图；

图4为本发明第二法兰剖面图；

图5为本发明第一法兰与调节元件内外径公差配合图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明专利做进一步详细说明。

如图1所示为本发明法兰内长导向内置调节元件安装示意图，由图可知本发明一种法兰内长导向内置调节元件的调节装置，包括第一法兰1、第二法兰3、调节元件4、柔性石墨密封圈2；第一法兰1和第二法兰3均设有端部和腔体，调节元件4包括拉出端头5、圆柱段6和导向段7，圆柱段和导向段置于第一法兰腔体内，拉出端头与第一法兰端部、第二法兰端部配合形成封闭腔体结构，导向段与第一法兰的腔体内壁间隙性接触，圆柱段外壁与第一法兰腔体内壁之间形成空隙；本设计易于将调节元件从第一法兰的腔体里拉出和更换，即使调节元件内部为高温介质导致试验后出现热变形，也可通过拉出端头将调节元件拉出，避免了因变形出现卡滞无法取出的情况。

如图2所示为本发明法兰内长导向内置调节元件剖面图，由图可知拉出端头由调节元件的圆柱段向外直角翻转得到，导向段由调节元件的圆柱段向外钝角翻转形成得到，拉出端头5外径比圆柱段6外径大5～6mm，调节元件4为变内径形面结构，内型面由三段锥角不同的圆锥面组成，起到调节流量的作用。

如图2所示，调节元件的导向段7通过间歇设置3个凸台71与第一法兰内壁接触，凸台沿圆周均匀分布，凸台的宽度n为7～9mm，优选8mm，使调节元件在起导向作用的同时使调节元件与法兰内壁的接触面积最小，有效地防止了调节元件拆装干涉。

如图3所示为本发明第一法兰剖面图，由图可知第一法兰1的腔体包含过渡段12、配合段13、尾段14；第一法兰1的端部包含密封台阶111、限位台阶112、密封面113；第二法兰的端部包含密封凸台31。

如图1所示，柔性石墨密封圈3置于密封凸台31与调节元件的密封面51、第一法兰的密封台阶111、第一法兰的密封面113组成的楔形槽式密封结构中，通过密封凸台挤压柔性石墨密封圈变形来调节石墨圈压缩量的大小，最终压缩量为27～33％。

如图2所示，调节元件的拉出端头5包括密封面51、限位面52、端面53，从剖面图看，密封面与限位面、密封面与端面均呈直角连接；拉出端头与调节元件轴向垂直方向形成限位面52，调节元件的限位面52与第一法兰的限位台阶112相贴合，限位台阶对调节元件4起轴向限位作用，防止调节元件轴向位移。

如图2所示，导向段外壁与圆柱段外壁延长线设有15～25°的过渡倒角，限位面和圆柱段外壁面设有圆角，圆柱段与导向段过渡倒角设计防止了导向段的凸台71发生应力集中，限位面与圆柱段之间倒角设计防止了限位面52根部发生应力集中，增加了调节元件的强度。

根据法兰密封的设计要求，确定第二法兰的密封凸台高度h

调节元件拉出端头的端面53与第二法兰密封凸台31底部台阶间隙配合设计，间隙量X

本发明中第一法兰的过渡段12与调节元件的圆柱段6之间的间隙范围为1.4～1.9mm，有效地避免了调节元件与第一法兰内壁的面接触；第一法兰配合段13与调节元件导向段7为紧密间隙配合，公差选取原则为孔公差H9和轴公差f9，间隙范围为0.02～0.124mm；调节元件的导向段7长度k，取值9～11mm，优选10mm，得到第一法兰配合段13宽度K＝k+2；配合段与导向段间隙太小，配合过于紧密，调节元件拆装时摩擦增大，给拆装带来困难；配合段与导向段间隙太大，调节元件一端不能有效固定，形成悬臂，试车时长时间振动会对限位面根部造成应力集中，该设计使调节元件导向端有效固定，避免悬臂过大造成调节元件限位面根部应力集中。

调节元件圆柱段6外径d

第一法兰过渡段12的直径D

如图4所示为本发明第二法兰剖面图，第二法兰内圈凹陷高度h

第一法兰总长L的计算公式为：L＝l+20，第一法兰的端部、过渡段和配合段的总长度的计算公式为：L

调节装置安装和拆卸的具体步骤：

(1)将调节元件装入第一法兰内部，调节元件的限位面与法兰限位台阶贴合，调节元件的密封面与第一法兰内密封面及密封台阶一起组成密封凹槽，如图3所示；

(2)将柔性石墨密封圈装入密封凹槽内部；

(3)将第二法兰与第一法兰对接，第二法兰的密封凸台插入第一法兰的密封凹槽内，将柔性石墨密封圈压紧后产生挤压变形，第二法兰结构如图4所示。此时，两法兰周向螺栓孔穿螺栓并用自锁螺母锁紧，直至两法兰端面贴合，柔性石墨密封圈达到最大压缩量约30％，调节装置形成密封结构；

(4)试验结束后，进行调节元件的拆卸和更换，松开自锁螺母，取下第二法兰，将柔性石墨密封圈取出，可拉出调节元件的拉出端头将调节元件取出。

本发明以某个调节装置为例，说明相关公差配合尺寸的设计选取。

(1)根据发动机系统设计要求，确定第一法兰的有效内径D

(2)根据法兰密封的设计要求，确定第二法兰的密封凸台高度h

(3)确定调节元件相关尺寸：限位面高度h

(4)确定第一法兰的相关尺寸：选取确定第一法兰限位台阶高度H

(5)确定第二法兰的相关尺寸：根据公式及公差选取方法得到内圈凹陷高度h

下面对配合间隙设计的效果进行分析。

为避免调节元件密封段端面与第二法兰密封凸台底部台阶发生干涉，二者为间隙配合设计，间隙量为X

X

经计算，二者间隙X

第一法兰的过渡段内径D1为

如图5所示为本发明第一法兰与调节元件内外径公差配合图，图中G1为第一法兰过渡段内径公差带；G2为调节元件圆柱段外径公差带；G3为第一法兰配合段内径公差带；G4为调节元件导向段外径公差带；第一法兰配合段内径

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。