1概述
在跨超聲速風洞運行過程中，隨著氣源壓力的下降，通過控制調壓閥的開度，以保證穩定段內氣流壓力穩定在某一運行壓力值，以維持風洞的正常運行。調壓閥的性能直接關係到風洞運行壓力、試驗段馬赫數控制精度及試驗段流場品質。實踐證明，環形縫隙套筒式調壓閥具有良好的調節特性，在國內外跨超聲速風洞中應用非常廣泛。但由於工作環境惡劣，副密封經常出現故障，嚴重影響了閥門的正常運行，給風洞設備和參試人員帶來了安全隱患，因此探索和改進副密封的結構形式是提高該閥門可靠性的關鍵。
2環形縫隙套筒式調壓閥結構
常見環形縫隙套筒式調壓閥結構如圖1所示。閥門關閉時套筒兩端有兩道密封，分別稱為主密封和副密封。副密封採用7形密封圈，由壓板固定在內筒上，主密封採用凸字形密封圈，由壓板固定在套筒上。閥前後壓差在0.1~2.0MPa之間，閥門處於關閉狀態時，套筒在油缸的推動下將主副密封圈同時壓緊，從而起到密封作用。閥門開度較小時，主、副密封處流速很快，對密封圈的衝擊很大，閥門開度增大后，氣流主要通過套筒前緣流出。
3副密封失效分析
環形縫隙套筒式調壓閥副密封最常見的故障形式是密封圈斷裂脫落，從而導致閥門漏氣，關閉不到位或套筒撞擊導向套筒的情況。在套筒處於關閉狀態時，副密封圈兩邊均受擠壓力，處於穩定狀態。而在套筒打開的狀態下，因為環帶與套筒貼合不夠緊密，此時副密封不再起密封作用，氣流同時還通過環帶從副密封圈周邊流過，套筒開度較小時，閥前後壓差較大，通過副密封圈周邊的氣流速度很快，對密封圈的衝擊很大。該密封圈的左側僅有一半得到支撐，副密封圈下緣在套筒的搓動以及右側強氣流的衝擊下，逐漸出現裂紋，最後徹底斷裂，進入套筒與內筒體的空腔內。在套筒的不斷往複運動中，斷裂的密封圈被搓成棒狀，最後從套筒和內筒體的縫隙中被吹出。閥門關閉時有些未被吹出的碎屑卡塞在壓板前，導致套筒無法繼續向關閉方向前進，從而出現套筒被彈開或無法關閉到位的情況。隨著副密封圈的大量脫落，套筒關閉時副密封圈應有的緩衝作用逐漸減弱，主密封圈就會承受強大的衝擊力，主密封圈外露部分被全部壓縮后，套筒金屬面與導向套筒直接撞擊，閥門關閉時發出金屬撞擊的聲音。副密封圈斷裂及被吹出的過程如圖2所示。
副密封圈與主密封圈材質一致，所經受的衝擊基本相同，但是兩者的結構形式以及固定方式差別很大。主密封圈如圖1放大圖P所示為凸字形，無論套筒處於關閉還是打開狀態，該密封圈的大部分被緊緊地壓在槽內，只露出少部分。這種結構在氣流的衝擊下，不會被折斷，也不會被吹出。與主密封圈相比，副密封圈的結構以及壓緊方式都不利於抵抗氣流的衝擊。因此解決該問題主要立足於不改變套筒結構，從副密封圈的結構以及壓緊方式這兩個方面來考慮。
4副密封圈改進方案及選擇
4.1方案①
如圖3所示。改變了副密封圈的外部形狀，在副密封圈的內部增加⌈形金屬彈性鋼架，以增強副密封圈在氣流的衝擊下抵抗折斷撕裂的能力，同時對副密封圈壓板下緣做了延伸，壓板前端加工出長16mm，厚1mm的凸出部分，將副密封圈半包圍保護起來，避免下緣受到氣流的衝擊。由於副密封圈內增加彈性鋼架后，副密封圈圓周方向不再有彈性，而副密封圈安裝時必須從套筒前主密封面位置套入，主密封圈位置直徑比副密封圈內徑大，如果副密封圈做成整圈，因不能拉伸而無法安裝。為此，該方案中將副密封圈分成3段以便於安裝。
該方案的優點是密封圈抗彎曲抗撕裂能力強，密封圈下緣不再受套筒的搓動以及氣流的衝擊。缺點在於，由於密封圈分段，段間接頭處密封很難處理，存在漏氣隱患。另外，密封圈壓板下緣延伸部分太薄尺寸很難保證，安裝時容易卷邊，一旦與套筒相蹭將導致該處撕裂，如與套筒咬合在一起，有導致套筒被卡塞的隱患。
4.2方案②
如圖4所示。參照主密封圈的外形和壓緊方式，將副密封圈改為J形，內部不增加補強填充材料，也不再分段。壓緊板由均為四段的內襯圈和壓板組合而成，兩者採用兩面對扣的形式將副密封圈緊緊卡在槽內。壓板與內筒體間增加密封墊片，以確保氣流不從兩者間穿過。
該方案的優點是大大改善了副密封圈的受力方式。無論套筒是開是合，密封圈都始終處於合理的包裹狀態。為了安裝方便，內襯圈與壓板間徑向兩側均設有定位止口，安裝時內襯圈壓入壓板槽內就可確保內襯圈與壓板間徑向無法移動，內襯圈和壓板貼合后所形成的空腔為密封圈的固定槽。密封圈與套筒相貼面設計為平面，在套筒關閉后套筒上的柱面與密封圈的平面相貼，即使密封圈徑向有偏移，兩者間的貼合面仍能得到保證。
風洞試驗結果證明，方案º可操作性好，密封性能可靠，能有效提高密封圈的壽命。
5結語
跨超聲速風洞環形縫隙套筒式調壓閥的⌈形副密封圈因支撐不良易撕裂，不宜做該閥的副密封圈，而J形副密封圈因具有良好支撐結構，耐氣流衝擊，適宜用於環向縫隙套筒式調壓閥的副密封圈。
