航天用低溫球閥的研究

2013-11-18 何常青北京航天試驗技術研究所

　　論文通過對現有球閥的結構特征、使用特點及存在的問題進行分析并對低溫球閥一些關鍵技術進行研究，提出了適合航天用的一種低溫球閥的設計方案，同時對該球閥結構、工作原理和性能特點進行了介紹。該球閥優點突出，是一種在航天領域比較有應用前景的新型氣動真空絕熱低溫球閥。

　　球閥作為一種重要的閥門種類，在管線設計部門得到廣泛的選用，主要原因是其流阻系數小，在同壓力級的閥門種類中質量相對較輕，重心低，抗震好。作為埋藏管線，其埋深淺。閥門啟閉和開度標識位置好，視覺明顯，可快速啟閉。普通球閥啟閉密封副的必須密封比壓，有依靠非金屬閥座的材料彈性，在產品裝配或設備修理時預先調整對球體夾緊的預緊力來產生必須密封比壓，這樣的結構一般是浮動球球閥。有采用在金屬閥座與閥體配合部位之間內置金屬彈性元件，當然也要預先調整對球體夾緊的預緊力來獲得必須密封比壓，這樣的結構一般是固定球球閥。這些球閥在啟閉過程中，預緊力始終作用在啟閉密封副的摩擦面上，致使普通球閥啟閉力矩大于其他類型的閥門。

1、低溫球閥技術發展分析

　　近年來出現了一些球閥的新結構，在解決球閥啟閉力矩大和使啟閉件密封副必須密封比壓由外力施加等問題上采取了一些措施。結構形式有如下幾種：

　　①預先壓緊密封(采用聚四氟乙烯等軟質材料閥座，安裝時預先壓緊球面，形成密封);

　　②彈性平動貼緊密封(以彈性閥座或彈性元件推動閥座向球面平行移動，貼緊球面而形成密封);

　　③球體擺動壓緊密封(如軌道球閥，專利申請號為9724263818的“一種閥門”，即以球體或球瓣下端的方向節或鏈為支點，通過閥桿上的凸輪機構或撐攏盤等機構，將球體或球瓣以一定角度向閥座傾斜擺動，壓緊閥座并形成密封);

　　④斜面撐開球瓣平行推動壓緊密封(如專利號為92109430.2的“高溫高壓球閥蝶閥”，即以組合球中間帶斜面的楔球體的下行，撐開與楔球體作斜面配合的球瓣，向兩閥座平行移動，壓緊閥座后并形成密封);

　　⑤滾動球球閥密封(如專利號為99124153.3的“滾動球閥”是一種球體或球瓣向閥座平行滾動壓緊閥座而形成密封的球閥)。

　　球閥閥腔中球體或組合密封面旋轉到與閥座密封面相對應的位置時，密封面間還存有間隙，球體或組合球球瓣在推拉旋裝置上閥桿傳遞外力的推動下，沿閥座中心軸線向閥座滾動一段距離，如同一只球放在平臺上滾動，并壓緊閥座，形成密封，閥門關閉。反之，球體或組合球球瓣沿閥座中心軸線拉向閥腔中心回滾到原來的位置，密封面間形成間隙，進出口介質壓力處于平衡狀態。球體或組合球再旋轉到開啟位置，球閥開啟。

　　這些新結構從不同程度上解決了傳統球閥啟閉過程中球體始終與閥座發生摩擦，啟閉力矩大，操作費時費力，能耗大，密封副壽命短等問題，但是這些結構的球閥如果用在航天低溫系統中，基本還是滿足不了液氫溫度下的內外密封要求，因為這些結構在低溫下變形后沒

　　有相應的調節機械力施加滿足密封比壓要求。也解決不了用傳統的填料密封在低溫下帶來的外漏問題，這些殼體一般只能為上下組合結構，這樣就不利于球閥的真空絕熱夾套設計要求。為達到氫這種危險介質的嚴格內外密封要求，通過對低溫球閥關鍵技術的學習研究，提出了一種新型氣動真空絕熱低溫球閥結構設計。

2、新型低溫球閥的結構

　　新型氣動真空絕熱低溫球閥閥體為一體式加工成型，便于真空絕熱結構設計，球體與閥座和閥體密封部位組合的楔式啟閉結構，球體與閥桿連接上端設計有與一級密封座在球閥開啟時組成第一道防外漏的密封副的閥瓣結構，上下閥桿螺旋副與運動轉換機構里的牙嵌離合器組合實現操作功能要求，波紋管第二道防外漏結構，氣動及行程控制結構，彈簧自密封封結構等，如圖1所示。

新型真空低溫球閥

圖1 新型真空低溫球閥

3、新型低溫球閥的工作原理

　　閥門的開啟和關閉通過氣動執行機構和運動轉換機構來完成。開啟時，氣缸操縱氣以一定的壓力從活塞下面的進口加入使活塞帶動閥桿往上移動，這時運動轉換機構要實現動作的三次變換：第一步是上下閥桿帶動球體上移，使球體與閥座至松開位置;第二步運動轉換機

　　構中主動與被動零件嚙合，活塞帶動上閥桿繼續上移，下閥桿在嚙合后在限位措施作用下實現90°旋轉，閥門流道導通;第三步運動轉換機構中主動與被動零件脫開嚙合，上下閥桿帶動球體繼續上移，至球體閥瓣結構與一級外漏密封座接觸并密封。關閉時，氣缸操縱氣以一定的壓力從活塞上面的進口加入使活塞帶動閥桿往下移動，這時運動轉換機構也要實現動作的三次變換：第一步運動轉換機構中主動與被動零件沒嚙合，上下閥桿帶動球體下移，至球體閥瓣結構與一級外漏密封座脫開;第二步運動轉換機構中主動與被動零件嚙合，活塞帶動上閥桿繼續下移，下閥桿在嚙合后在限位措施作用下實現90°旋轉，閥門處于關閉狀態;第三步運動轉換機構中主動與被動零件脫開嚙合，上下閥桿下移并推動球體與閥座至楔緊密封位置。系統工作狀態下氣動執行器能夠提供可調節的機械密封力使球體與閥座緊密結合保證密封。系統不工作時，依靠自密封彈簧提供的機械里保證系統在低壓下球閥照樣處于密封狀態。

4、新型低溫球閥的性能特點

　　該閥門在啟閉的時候，球體與閥座密封副和閥體與一級防外漏密封座密封副都是處于松開位置，因此啟閉力矩小，操作省力，能耗小，球體與閥座摩擦小，密封副壽命長。

　　閥門不是靠調整對球體夾緊的預緊力來產生必須密封比壓，啟閉密封副的必須比壓由氣動執行機構和運動方式轉換機構配合實現一個向下壓緊的機械力提供，保證雙向密封。

　　在系統非工作下，球閥由自密封彈簧提供機械力保證球體與密封副能夠有足夠的密封比壓，解決了傳統球閥因為靠介質壓力在高壓下推動滑動閥座與球體壓緊密封而在介質低壓下閥座與球體密封副密封比壓不夠而泄露的問題。

　　該球閥的氣動執行機構與運動轉換機構配合作用，在閥門的整個啟閉過程中，上閥桿只做上下移動，這樣實現了用波紋管代替填料防外漏，解決了填料在低溫下泄露的問題。在球體轉到開啟角度時能繼續上移，使球體閥瓣結構與一級防外漏密封座接觸并密封，防止大量低溫介質進入閥桿腔。可以說該球閥在防止外漏方面有雙保險。該球閥閥體一體式加工成型，方便的與外殼體組成真空夾層，解決了因為閥門漏熱而帶來的低溫液體性質改變的問題。該球閥與管路系統可以方便安裝和拆卸，便于維護。