一种适用于低温复合材料贮箱的大直径开口密封结构 |
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| 申请号 | CN202210617853.4 | 申请日 | 2022-06-01 | 公开(公告)号 | CN115127020B | 公开(公告)日 | 2024-04-09 |
| 申请人 | 北京宇航系统工程研究所; | 发明人 | 张健; 刘德博; 吴会强; 杨瑞生; 胡正根; 杨子涵; 孙伟召; 王晓博; 郭彦明; 董曼红; | ||||
| 摘要 | 一种适用于低温 复合材料 贮箱的大直径开口密封结构，包括：复合材料板件、金属 法兰 盘、紧固 螺栓 等；复合材料板件沿周向设置若干通孔；金属法兰盘与复合材料板件 接触 一面沿周向设置 螺纹 盲孔 ，在螺纹盲孔形成的螺纹盲孔圈的内 外圈 分别设置密封槽，用于放置 石墨 密封圈 ；金属法兰盘位于复合材料板材一侧；密封 垫 块 沿周向分布在复合材料板材另一侧，安装 位置 与复合材料板材上的通孔位置对应；密封垫块两侧的密封槽中分别安装金属 橡胶 复合密封圈和空心金属O型密封圈；紧固螺栓实现复合材料板件、金属法兰盘和密封垫块的固定。本 发明 提高了复合材料贮箱使用过程中的安全性和可靠性，密封结构可以实现多次拆装。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种适用于低温复合材料贮箱的大直径开口密封结构，其特征在于，包括：复合材料板件(1)、金属法兰盘(2)、紧固螺栓(3)、密封垫块(4)、石墨密封圈(5)、金属橡胶复合密封圈(6)和空心金属O型密封圈(7)； |
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| 说明书全文 | 一种适用于低温复合材料贮箱的大直径开口密封结构技术领域[0001] 本发明涉及一种大直径开口密封结构。 背景技术[0002] 复合材料贮箱是以碳纤维为增强材料，环氧树脂为基体材料的新型贮箱结构，以往的复合材料贮箱都以金属层(铝合金或钛合金)为内衬层，外部缠绕或铺放复合材料层，其中金属内衬起到防渗漏和复合材料缠绕工装的作用，外层的复合材料起到承受内压载荷的作用。其两端的法兰密封结构都采用金属+金属的常规密封方式，密封结构采用常规方案即可满足要求 [0003] 随着材料技术和成型工艺的进步，无内衬复合材料贮箱成为复合材料贮箱的发展方向，无内衬复合材料贮箱大部分主结构都采用复合材料，不需要金属内衬或内部防渗漏层，复合材料同时作为防渗漏结构和受力结构，而此时复合材料贮箱的两端大开口无法采用金属+金属的密封结构形式，需要研制新型的复合材料+金属的密封结构，但是由于金属材料与复合材料热膨胀系数的差异、材料强度差异、可加工性差异、渗漏机理差异等，密封结构的设计难度巨大，传统的金属+金属的密封结构没有可以借鉴的方案，需要针对复合材料本身特点进行密封结构的重新研制。 [0004] 复合材料与金属材料不同，树脂材料的热膨胀系数大于碳纤维，在低温条件下树脂收缩会使其与碳纤维之间的界面产生较大的温度应力，在外力的作用下复合材料可以承受的应变范围会大大减少，即在低温条件下，复合材料的脆性增加。所以，施加在复合材料表面的压力不宜过大，过大的压力会导致复合材料表层的树脂发生压缩破坏，从而产生紧固件力矩的丧失，使金属与复材之间的密封间隙增大，导致燃料的渗漏。同时，密封圈材料本身的模量及硬度需要小于复合材料表层的树脂层硬度，否则在密封圈的压缩过程中，就会产生复合材料表层树脂的破坏，导致密封圈与复合材料之间产生间隙导致渗漏。复合材料与金属法兰之间的密封结构设计需要攻克多项难题：(1)采用的密封圈材料模量和硬度适宜，不能在压缩过程中损伤复合材料表层；(2)复合材料本身不能进行槽式、台阶式等破坏形式的机加工处理，会使复合材料产生分层缺陷，导致结构破坏。(3)密封圈材料需要满足不同情况下的性能要求，例如在箱内密封圈需要与燃料介质相容，不发生脆化、溶解等问题。(4)密封结构需要满足反复拆装条件下仍然可以可靠密封的要求，密封面之间不能采用不可拆卸的胶接形式。(5)复合材料本身的性能均匀性较差，需要考虑密封结构的多道密封，保证可靠性和安全性。(6)大开口密封结构需要较高的承载能力，承担外部管路连接，支架支撑的作用，在外部承载的条件下仍具备可靠的密封性能。 [0005] 综合以上无内衬复合材料贮箱大开口低温密封的要求，密封结构和密封圈形式的设计都面临了巨大挑战。 发明内容[0006] 本发明所要解决的技术问题是：本发明提出一种适用于低温复合材料贮箱的大直径开口密封结构，实现了复合材料贮箱大直径开口后的可靠低温密封，提高了复合材料贮箱使用过程中的安全性和可靠性，密封结构可以实现多次拆装。 [0008] 复合材料板件为复合材料贮箱的一部分，提供金属法兰盘的安装平面和密封面，沿周向设置若干通孔，用于安装紧固螺栓； [0010] 金属法兰盘位于复合材料板件一侧；密封垫块沿周向分布在复合材料板件另一侧，安装位置与复合材料板件上的通孔位置对应；密封垫块与复合材料板件接触一侧的密封槽中安装金属橡胶复合密封圈，与紧固螺栓接触一侧的密封槽中安装空心金属O型密封圈； [0011] 紧固螺栓穿过密封垫块的中心孔和复合材料板件上的通孔，端部安装在金属法兰盘上的螺纹盲孔中，实现复合材料板件、金属法兰盘和密封垫块的固定。 [0012] 进一步的，所述复合材料板件的基础铺层结构采用铺层结构[±12/902/±45/902/±75/0]s，其中±75°、0°铺层采用厚度0.08mm的超薄铺层，复合材料板件1的平面粗糙度要求Ra0.8，平面度小于1mm。 [0013] 进一步的，金属法兰盘由金属锻件制造而成，设置有密封槽一侧的法兰平面表面粗糙度要求为Ra0.8，平面度小于1mm；在温度≥‑196℃使用条件下，金属法兰盘材料为铝合金或模具钢；在‑253℃≤温度<‑196℃使用条件下，金属法兰盘材料采用因瓦钢材料进行制造；金属法兰盘与复合材料板件安装完成后，要求安装间隙小于0.06mm。 [0015] 进一步的，所述密封垫块采用不锈钢材料，包括六棱柱段和圆柱段；圆柱段为大端，侧壁对称设置有用于夹持的平行面；密封垫块两端的密封面表面粗糙度要求Ra0.8，平面度小于1mm，安装完成后密封垫块与复合材料板件之间的间隙小于0.1mm。 [0016] 进一步的，所述石墨密封圈为采用石墨模压制成，横截面为矩形，具体截面尺寸根据使用压力不同进行优化设计。 [0017] 进一步的，所述金属橡胶复合密封圈包括C型金属骨架与金属骨架外表面包覆的橡胶层，金属骨架的C型开口朝向贮箱内气体泄出路径方向。 [0018] 进一步的，所述空心金属O型密封圈包括中空金属圈和其中充压的气体，气体压力为0.6MPa，金属圈材料为不锈钢或合金钢，空心金属O型密封圈的结构根据紧固螺栓的大小调整。 [0019] 一种适用于低温复合材料贮箱的大直径开口密封结构的安装方法，包括： [0020] 将石墨密封圈安装到金属法兰盘的密封槽中，将金属法兰盘放置在复合材料贮箱内部，将金属法兰盘沿贮箱的中心轴向箱外方向移动，逐渐靠近复合材料板件，使得金属法兰盘有密封槽一侧平面与复合材料板件对接，金属法兰盘上的螺纹盲孔与复合材料板件上的的通孔对齐； [0021] 将金属橡胶复合密封圈放入密封垫块与复合材料板件接触一侧的密封槽中，对齐密封垫块和复合材料板件的通孔； [0022] 将空心金属O型密封圈放入密封垫块与紧固螺栓接触一侧的密封槽中，放入紧固螺栓并与金属法兰盘的螺纹盲孔进行预紧，预紧螺栓之前需要采用六角孔工装固定并压紧密封垫块，保证预紧过程中密封垫块不发生旋转，使空心金属O型密封圈处于初步压紧状态； [0023] 将各处紧固螺栓和密封垫块都预紧到位后，按设定的每级a N·m的力矩幅值按圈逐级施加力矩至设定的最终力矩值，施加力矩完毕后测量金属法兰盘与复合材料板件之间的间隙，测量位置为相临紧固螺栓的中间部位，保证间隙值不大于0.06mm；测量密封垫块与复合材料板件之间的安装间隙，保证间隙值不大于0.1mm；测量紧固螺栓与密封垫块之间密封面的安装间隙，保证间隙值不大于0.1mm，完成所述密封结构安装；a为设定的数值。 [0024] 本发明与现有技术相比的有益效果是： [0025] (1)本发明提出了复合材料与金属法兰直接接触的平面密封结构，采用简单的零件组合形成高可靠，可重复拆装的密封结构，特制的密封垫块有效的保证了拆装过程中复合材料的表面质量，提升了反复拆装过程中复合材料与金属法兰之间的密封效果。 [0026] (2)本发明的结构采用双道密封+内压自紧密封原理，在复合材料贮箱低温内压条件下，补偿了金属法兰收缩产生的密封面间隙增大和螺栓预紧力下降问题，密封安全性和可靠性较高。 [0027] (3)本发明的密封结构合理利用了不同材质密封圈的密封特性，采用多种密封圈配合的形式，解决了不同密封部位的介质相容、低温收缩、表面摩擦、压力损伤等问题，保证了多个密封部位的功能协调。 [0028] (4)本发明采用特制的密封垫块，同时具备缓解复合材料板件压力和保证密封的作用，加强了紧固螺栓可施加力矩的幅值，增强了密封结构的可靠性，避免了复合材料平面局部应力集中的问题。 [0030] 图1为本发明所述的金属法兰盘结构； [0031] 图2为本发明所述的紧固螺栓结构； [0032] 图3为本发明所述的密封垫块结构； [0033] 图4为本发明所述的石墨密封圈； [0034] 图5为本发明所述的金属橡胶复合圈； [0035] 图6为本发明所述的空心金属密封圈； [0036] 图7为本发明所述的复合材料板件与金属法兰盘组合结构图； [0037] 图8为本发明所述复合材料板件、金属法兰盘、密封垫块组合图； [0038] 图9为本发明所述大开口直径法兰密封结构局部图； [0039] 图10为本发明所述大开口直径法兰密封结构整体图。 具体实施方式[0040] 下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。 [0041] 实施例： [0042] 如图1～10，适用于低温复合材料贮箱的大直径开口密封结构包括：复合材料板件1、金属法兰盘2、紧固螺栓3、密封垫块4、石墨密封圈5、金属橡胶复合密封圈6、空心金属O型密封圈7。 [0043] 低温复合材料贮箱的大直径开口密封结构的设计思路是： [0044] 密封原理：基本密封原理利用密封槽+密封圈的结构形式，同时采用金属法兰盘2内安装的形式，利用箱体的内压对密封面形成自压紧的作用，抵消低温下金属法兰盘2收缩产生的密封面压紧力松弛问题。密封圈采用低温下热膨胀系数极低、弹性良好的石墨密封圈5，避免了常规橡胶密封圈低温的收缩和脆化问题。紧固螺栓3与复合材料之间采用特制的密封垫块4，分散螺栓预紧力对复合材料表面的应力集中效应，其本身具备的密封槽结构也可以实现金属法兰盘2与复合材料板件1之间密封外的第二道密封。整个密封结构实现了双道高可靠密封。 [0045] 复合材料板件1：复合材料板件1作为复合材料贮箱的一部分，提供金属法兰盘2的安装平面和密封面，其基础铺层结构采用特定的优化铺层结构[±12/902/±45/902/±75/0]s，其总厚度约为10mm，常规铺层单层厚度约为0.12mm，其中±75°、0°铺层采用厚度 0.08mm左右的超薄铺层，以适应复合材料贮箱内压条件下的受力情况和抗渗漏性能要求，此铺层结构在低温下的平面热膨胀系数均匀，在受内压条件下的应力分布均匀，不会出现开口局部应力集中的现象，超薄铺层结构的加入增强了复合材料板件的层间结合强度，使其在低温条件下的抗层间分层能力增强，保证了在螺栓压缩应力下复合材料板件不会出现层间缺陷。复合材料板件总厚度10mm左右，其平面粗糙度要求Ra0.8，平面度小于1mm，其开口直径在400mm以上，其上有48个Ф11mm的通孔，用于紧固螺栓3通过复合材料板件1与金属法兰盘2连接。 [0046] 如图1所示，金属法兰盘2：金属法兰盘2由金属锻件制造而成，其与复合材料板件1接触一面存在螺纹盲孔，用于紧固螺栓3的连接。在对接螺纹盲孔形成的螺纹盲孔圈的内外圈存在2道密封槽用于放置密封圈，金属法兰盘2上设置有密封槽一侧的平面表面粗糙度要求Ra0.8，平面度小于1mm，法兰厚度22mm。在温度≥‑196℃使用条件下，金属法兰盘2材料可以为铝合金、模具钢等常规材料；在温度‑253℃≤温度<‑196℃使用条件下，金属法兰盘2材料采用因瓦钢材料进行制造。金属法兰盘2从复合材料贮箱箱内向箱外方向进行安装，金属法兰盘2与复合材料板件1安装完成后，要求安装间隙小于0.06mm。 [0047] 如图2所示，紧固螺栓3：紧固螺栓3采用不锈钢或高温合金材料进行制造，与普通标准螺栓不同的是，其与密封垫块4的接触面需要进行加工，保证其表面粗糙度Ra0.8，平面度小于1mm，紧固螺栓3与密封垫块4之间采用小直径密封圈进行密封，密封圈采用空心金属O型密封圈7，用于抵抗螺栓旋转紧固过程中产生的摩擦作用，保证螺栓拧紧后的可靠密封。螺栓施加力矩要求30±3N.m，紧固螺栓3与密封垫块4安装完成后的间隙小于0.1mm。 [0048] 如图3所示，密封垫块4：密封垫块4采用不锈钢材料进行制造，包括六棱柱段和圆柱段；圆柱段为大端，侧壁对称设置有用于夹持的平行面，密封垫块4的中心通孔与复合材料板件1通孔直径一致，其一面与复合材料板件1平面接触，另一面与紧固螺栓3接触，两个接触面都有密封槽用于密封圈的安装，与复合材料板件1接触一面的密封圈采用金属骨架+橡胶蒙皮的金属橡胶复合密封圈6；与紧固螺栓3接触一面的密封圈采用空心金属O型密封圈7，密封垫块4的两个密封面表面粗糙度要求Ra0.8，平面度小于1mm，安装完成后密封垫块4与复合材料板件1之间的间隙小于0.1mm。其与复合材料板件1的接触面较大，可以缓解紧固螺栓3施加力矩对复合材料板件1产生的压力，防止局部集中力对复合材料板件1的树脂层产生压缩破坏。密封垫块4的六角形状在紧固件安装时，采用工装固定，保证紧固螺栓3拧紧时，不会产生密封垫块4与复合材料板件1之间的相互滑动，这种相对滑动会对复合材料板件1表面的树脂层产生划伤，不利于密封结构的重复拆装。 [0049] 如图4所示，石墨密封圈5：石墨密封圈5为采用石墨模压制成，横截面为矩形，具体截面尺寸根据使用压力不同进行优化设计，其具有低温下膨胀系数低，弹性模量保持度好，化学性质稳定等优点，在低温条件不会出现橡胶材料脆化回弹降低的问题，其表面硬度略低于碳纤维复合材料表面硬度，在压紧变形过程中不会破坏复合材料的表面状态。 [0050] 如图5所示，金属橡胶复合密封圈6：金属橡胶复合圈6包括C型金属骨架与其外表面包覆的一定厚度的橡胶层，金属骨架材料一般为低膨胀系数合金，C型开口朝向箱内气体泄出路径方向，在箱内气体压力作用下具有开口张开加大密封圈与密封面接触面积的自密封作用。橡胶层可以缓解密封圈对复合材料表面的压力集中作用，金属骨架的支撑作用可以弥补低温下橡胶模量下降的缺点，密封圈位于复合材料板件1与密封垫块4之间，不与箱内介质直接接触，温度条件较好且介质相容性要求不高，采用金属橡胶复合密封圈6可以很好的起到密封作用的同时降低生产成本。 [0051] 如图6所示，空心金属O型密封圈7：空心金属O型密封圈7由一定厚度的中空金属圈和其中充压的气体组成，气体压力为0.6MPa，金属圈材料一般为不锈钢、合金钢等硬度较高的金属材料，其表面刚度较高，回弹模量高，耐磨损，在紧固螺栓3在施加力矩的过程中，密封圈也可以保证较高的密封效果，密封圈表层也不会在摩擦作用下出现磨损损伤而降低密封效果，空心金属O型密封圈7的结构可以根据螺栓的大小灵活调整。 [0052] 适用于低温复合材料贮箱的大直径开口密封结构的安装方法，包括步骤如下： [0053] 第一步，将石墨密封圈5安装到金属法兰盘2的密封槽中，将金属法兰盘2放置在复合材料贮箱内部，将金属法兰盘2沿贮箱的中心轴向箱外方向移动，逐渐靠近复合材料板件1，将金属法兰盘2有密封槽一侧平面与复合材料板件1的对接孔对齐，形成如图7所示金属法兰盘+复合材料板件的组合结构。 [0054] 第二步，将金属骨架+橡胶蒙皮的复合密封圈6放入密封垫块4与复合材料板件1接触一侧的密封槽中，对齐密封垫块4和复合材料板件1的通孔，形成如图8所示金属法兰盘2+复合材料板件1+密封垫块4的组合结构。 [0055] 第三步，将空心金属O型密封圈7放入密封垫块4上端的密封槽中，放入紧固螺栓3并与金属法兰盘2的螺纹盲孔进行预紧，预紧螺栓之前需要采用六角孔工装固定并压紧密封垫块4，保证预紧过程中密封垫块4不发生旋转，使空心金属O型密封圈7处于初步压紧状态，形成如图9所示金属法兰盘2+复合材料板件1+密封垫块4+紧固螺栓3的组合结构。 [0056] 第四步，将48处紧固螺栓3和密封垫块4都预紧到位后，按每级5N·m的力矩幅值按圈逐级施加，从5N·m逐渐施加到30N·m，施加力矩完毕后测量金属法兰盘2与复合材料板件1之间的间隙，测量位置为相临紧固螺栓3的中间部位，均匀测量24处，保证间隙值不大于0.06mm。测量密封垫块4与复合材料板件1之间的安装间隙，48处紧固螺栓3均需要进行测量，保证间隙值不大于0.1mm。测量紧固螺栓3与密封垫块4之间密封面的安装间隙，保证间隙值不大于0.1mm，即完成了图10所示的密封结构安装。 [0057] 需要拆卸金属法兰盘时，采用六角孔工装固定密封垫块4，逐级按圈拧松紧固螺栓3，在紧固螺栓3完全旋出金属法兰盘2之前，需要外部工装固定金属法兰盘2，防止法兰盘2脱落砸伤箱体，将所有紧固螺栓3取出后卸下密封垫块4，检查复合材料板件1平面状态，平面状态良好后可以按安装流程完成密封结构的重新安装，所有密封件需要更换。 [0058] 本发明未详细说明的部分属于本领域技术人员公知技术。 |
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