２０１３年第６期 低 温 工 程 ＣＲＹ０ＧＥＮＩＣＳ ＮＯ．６ ２０１３ Ｓｕｍ ＮＯ．１９６ 总第１９６期 一种低温截止阀的设计及试验 刘春姐 张立强 余 锋 林 杨 石朝锋 （北京宇航系统工程研究所北京 １０００７６） 摘 要：针对应用于气瓶充、放气的截止阀所经历的放气低温工况，提供了一种温度补偿结构，解 决了阀门阀杆处低温密封问题。应用Ｆｌｕｅｎｔ软件对补偿结构的温度梯度进行了分析，确定了补偿结 构长度以保证密封部位处于环境温度。通过低温通气试验，通气振动试验验证截止阀动作灵活，密封 良好，满足使用要求。 关键词：截止阀 低温 温度补偿 密封 中图分类号：ＴＢ６６３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００．６５１６（２０１３）０６．００３６－０４ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｏｆ ａ ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｃｕｔ－ｏｆｆ ｖａｌｖｅ Ｌｉｕ Ｃｈｕｎｊｉｅ Ｚｈａｎｇ Ｌｉｑｉａｎｇ Ｙｕ Ｆｅｎｇ Ｌｉｎ Ｙａｎｇ Ｓｈｉ Ｚｈａｏｆｅｎｇ （Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｗｏｒｋ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｗａｓ ａｐｐｅａｒｅｄ ｗｈｅｎ ｃｕｔ—ｏｆｆ ｖａｌｖｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ ｇａｓ，ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｗａｓ ｏｆｆｅｒｅｄ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｌｅａｋａｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃｕｔ—ｏｆｆ ｖａｌｖｅ．Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｕｓｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｆｌｕｅｎｔ ｔｏ ｏｂ— ｔａｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｌｖｅ—ｓｔｅｍ，ａｌｓｏ ｔｈｅ ｌｏｎｇ ｖａｌｖｅ－ｓｔｅｍ ｃａｎ ｇｕａｒａｎｔｅｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｒｅ— ｇｉｏｎ ｗａｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｗａｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｔｅｓｔ ｗｈｉｃｈ ｈａｄ ｇｏｏｄ ｓｅａ１．ｆｌｅｘｉｂｌｅ ａｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｕｔ—ｏｆｆ ｖａｌｖｅ；ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ；ｓｅａｌ １ 引 言 难点，应用较成熟的结构为填料函密封和焊接金属波 纹管 。为保证填料的密封性能，其工作温度一般 手动截止阀（以下简称截止阀）广泛应用于运载 火箭增压输送系统中。其中用于气瓶充放气的的截 止阀在放气过程中受到阀座处的节流作用，放气时， 气体膨胀而温度降低¨。 ，气体温度的变化通过热交 不能低于一４０℃ ，这就要求在低温阀门上工作的 填料函装置应尽量在接近环境温度下工作。在航天 领域地面设备应用的很多低温阀门中，为了确保阀杆 处填料函的温度，均采用了加长阀杆长度的方法，所 换 。 导致截止阀阀杆存在温度梯度，增加了密封结 构的设计难度。依据理论分析和实测数据，阀座通径 以造成这些阀门的尺寸均较大 ，不适于飞行产品； 焊接金属波纹管密封多用于介质不允许微量泄漏和 不适宜填料的场合，密封性能好，能达到零泄漏。但 为了满足一定寿命和工作行程的要求，需要提供一定 为 １０ ｍｍ，气瓶由３５ ＭＰａ放气至３ ＭＰａ时，阀门内 气体低温可达１００ Ｋ，已属于低温阀门范畴 。 低温阀门阀杆处的动密封结构是阀门设计中的 收稿日期：２０１３—０７—０４；修订日期：２０１３—１０—３０ 的安装空间，使其很难应用于小结构密封中；另外，波 作者简介：刘春姐，女，３５岁，博士、高级工程师。 第６期 液氢循环预冷泵用电机的研制 ４．３ 液氢介质（一２５３℃）负载运行试验研究 常。由此可见，电机能够适应液氢环境，冷热冲击对 电机电气性能影响不大。 ５ 结 论 将绝热发泡好的循环泵电机装入液氢介质循环 管路中进行负载运行试验（见图６）。试验前对试验 系统进行吹除置换。液氢贮箱加注完毕后，通过贮箱 增压使液氢流动对系统进行预冷使其温度达到液氢 液氢介质用循环泵永磁同步电机的性能与常规 温区，此时电机转子浸泡于液氢介质中。预冷结束 后，按照循环泵额定点参数调节流量，启动变频控制 电源，开始长时间运转试验。试验过程中，电机工作 转速始终稳定在（１０ ０００±５０）ｒ／ｒａｉｎ，电流为４．６ Ａ， 电机单次连续工作时间达到１８５ ｍｉｎ，累计工作时间 达到１０ ｈ １０ ｍｉｎ，运行状态稳定，参数结果均满足设 电机有很大不同，文章对该种特殊电机设计中的关键 技术进行了分析，并通过样机进行试验验证，结果表 明，样机性能与设计指标相符，能够满足循环预冷系 统要求，达到了预期目的。随着我国在发动机循环预 冷技术研究的不断深入，循环泵电机的关键参数考核 以及性能指标也在不断的得到试验验证，其研究成果 不仅为航天型号新型产品研制积累经验，也为产品民 用化奠定技术基础。目前，除航天型号配套使用外， 该种电机也可用于输送液化天然气、液化石油气、液 氮等低温危险介质，应用前景广阔。 参 考 文 献 １ 田玉蓉，张福忠，唐一华．低温推进剂火箭发动机循环预冷方法研 计要求，详见表３。试验完毕后测量其绝缘性能正 究［Ｊ］．导弹与航天运载技术，２００３（２）：７－１５． ２孙晓玲，刘忠明，张燕．液化天然气潜液泵的研制［Ｊ］．低温工程， 图６液氢介质运行试验 Ｆｉｇ．６ Ｗｏｒｋｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｎ ｌｉｑｕｉｄ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ２０１０（２）：２０－２３． ３ 陈风波，王立峰．运载火箭用典型低温密封材料［Ｊ］．宇航材料工 艺，２００９（３）：１２－１５． 表３循环泵电机液氢试验性能 Ｔａｂｌｅ ３ Ｂａｓｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｐｕｍｐ ｍｏｔｏｒ ｉｎ ｌｉｑｕｉｄ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ４牛宝林．密封材料在深冷环境中的应用［Ｊ］．低温工程，１９９６（６）： ３２．３７． ５赵飞明，徐永祥．低温静密封技术研究［Ｊ］．低温工程，２００１（２）： ２３—２６． ６ Ｈａｕｓ Ｓｅｅｈａｓｅ．Ａ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔａｃｔｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｒｅｌｉａｂｌｅ，１９９１，４０（５）：５１３—５２３． （上接第３９页） ２ 李军，李玉军，王祖温，等．气动充放气系统的流场计算［Ｊ］．机床 与液压，１９９９（２）：２４－２６． ７刘先禹，霍金海 低温阀门特点的探讨［Ｊ］．广州化工，２００９（５） １９７．１９９． ８ 刘先禹，霍金海 超低温截止阀结构设计［Ｊ］．机电设备，２０１１（３）：１－２． ３ 朱冬，杨庆俊，包钢，等．气动充放气系统二维非定常流场数值模 拟［Ｊ］．中南大学学报，２０１１（６）：１６６３－１６６４． ９ 魏国俭，黄乃宁，乔桂玉，等．航天阀门中零泄漏金属波纹管动密 封技术及其应用［Ｊ］．阀门，２０１０（１）：２７—２８． ４ 丁小东，欧阳峥嵘，张绪德．低温阀门冷态试验的稳态传热模拟 与分析［Ｊ］．低温与超导，２００８（６）：２２－２４． ５ 金滔，夏雨亮，洪剑平，等．低温阀门冷态试验的动态传热过程模 拟与分析［Ｊ］．低温工程，２００７（４）：３５—３７． ６ 鹿彪，张丽红．低温阀门的设计与研制［Ｊ］．流体机械，１９９４（４）： １－６，６３． １Ｏ吴堂荣，唐勇．低温阀门密封性能的研究与分析［Ｊ］．阀门，２００９ （２）：２６—２８． １１路兰卿．低温截止阀设计［Ｊ］．低温工程，２００５（６）：５６—５９． １２成大先主编．机械设计手册（第五版）［Ｍ］．北京：化学工业出版 社．２００７．
