唐淋偉 馬東平 于鳳舉 丁壽和 任國柱 尹永濤

(1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 四川綿陽 621000；2.咸陽裕華橡膠制品有限公司 陜西咸陽 712000)

跨超音速風洞是航空航天飛行器研制必需的試驗平臺，這類風洞噴管段為柔壁結構，柔壁需根據風洞試驗馬赫數的大小進行型面位置的變化，不同的柔壁位置對應不同的馬赫數范圍。柔壁在移動過程中柔壁周邊的密封圍帶需要泄氣，到達指定位置后需要充氣。柔壁四周不能漏氣，從而確保在柔壁移動過程中圍帶不脫落，不刮擦洞體；同時要確保不因密封不良導致洞體內外竄氣影響流場品質。某氣動中心現有幾座跨超音速風洞柔壁，其充氣密封圍帶結構復雜，不易拆裝，壽命較短需經常更換，已不適應日益增加的風洞試驗需求，急需研制新型柔壁充氣圍帶。

本文作者針對現有多座該類風洞充氣密封圍帶存在的問題，提出了“凹”字型結構充氣密封圍帶設計方案，并進行試驗驗證。

1 柔壁充氣密封圍帶問題分析

柔壁與側壁之間的密封采用充氣密封圍帶密封，老式充氣密封圍帶結構采用分離的圓型空心內充氣圍帶和月牙型橡膠條的組合結構，如圖1所示。該結構是依靠壓縮空氣使橡膠膨脹形變貼緊噴管段側壁，來阻斷風洞內流道氣流泄漏的一種靜密封。其優(yōu)點是制造方便，密封效果較好；缺點是存在充氣圍帶泄壓后，月牙型橡膠條不歸位，柔壁移動導致月牙型橡膠條對風洞側壁的刮擦問題。橡膠條對風洞側壁的刮擦，會局部破壞側壁的涂層，造成局部密封不良，影響側壁的平面度，最終會影響風洞流場品質；同時刮擦也會嚴重影響月牙型橡膠條的使用壽命，又因維護更換月牙型橡膠條不方便，大大降低了風洞的使用效率[1]。

圖1 原充氣密封圍帶結構示意

2 研制方案及技術指標

為了解決老式充氣密封圍帶結構存在的問題，基于試驗和借鑒其他密封結構成功經驗，提出了一種新型的“凹”字型密封結構充氣密封圍帶的方案，新方案結構如圖2所示。

圖2 新型充氣圍帶結構

根據柔板規(guī)格和風洞密封壓力需求，充氣密封圍帶截面采用“凹”字型截面的直線型密封結構，兩端頭采用實心堵頭，柔板側面密封長度為12 200 mm，硬度為50～60紹爾。

充氣密封圍帶采用干燥、潔凈、常溫壓縮空氣充氣密封，充氣壓力0.8～1.8 MPa，正常使用壽命不低于5年。需要補償的密封間隙為1～2 mm。

3 關鍵技術解決方案

3.1 結構設計

(1)材料選擇：圍帶主體材料選用天然橡膠與合成橡膠的共混膠料；天然橡膠具有優(yōu)良的彈性、耐磨性和抗疲勞性能，共混一定比例的合成橡膠主要用于提高天然橡膠的抗老化性能，其正常使用溫度范圍為-55～100 ℃，完全能滿足圍帶對工作環(huán)境溫度、壽命的要求。

(2)截面設計：受柔壁側面密封槽寬15 mm、深20 mm的限制，充氣密封圍帶截面外型尺寸設計寬15 mm、深19 mm，確保充氣密封圍帶在自然狀態(tài)下脫離與側壁的接觸，從而在根本上保證充氣密封圍帶不與側壁刮擦，提高密封圍帶的使用壽命；截面結構采用“凹”字型截面，該結構可保證充氣密封圍帶有足夠的膨脹量[2]，實現柔壁與風洞側壁的密封。

(3)長度設計：鑒于充氣密封圍帶材料為橡膠，有很大的彈性，根據工程經驗，圍帶實際長度取密封長度的95%，圍帶在有一定預緊力下的裝配，也有利于提高圍帶的密封壽命。

(4)承壓設計：采用增強膠管的結構和增強方式，以芳綸纖維作為增強材料[3]，采用一層芳綸纖維的編織結構作為增強層[4]。增強層采用采用4股1 100芳綸線，24錠編織機編織[5]，擠出軟管內直徑為13 mm。按照增強膠管的承壓計算公式進行理論校核[6]，采用一層芳綸纖維的編織結構時，新型充氣圍帶截面的爆破壓力為3.2 MPa，滿足圍帶承壓要求。

(5)端頭設計:圍帶兩端頭采用帶有過渡段的實心堵頭；端頭要保證帶體兩頭只靠帶體和膠料本身硫化封堵后承受住1.8 MPa的高壓，對堵頭要求很高。采用成型方法是：采取內膠層中填入一定的生膠，將針織骨架層之間加有生膠并將針織層反包到帶體底面，再將針織層外及尾部包覆外膠。通過設計帶有過渡段及堵頭截面尺寸要求的模具進行硫化而成。堵頭純膠段硫化后高度高于帶體2 mm，安裝時該處為壓縮狀態(tài)，再通過打孔后進行固定安裝，這樣即可限制密封圍帶的移位，又可防止密封圍帶堵頭爆破。

(6)氣嘴位置設計:圍帶充氣接嘴位置選擇離噴管段出口端約1 m的位置，利用靠近噴管端出口柔壁型面位置變化幅度小的特點，提高充氣密封圍帶氣嘴的使用壽命，也便于氣控系統的布線。設計的圍帶結構如圖3所示。

圖3 新型充氣圍帶結構示意

3.2 生產工藝

研制的圍帶屬于小批量生產，且圍帶長度較長，出于成本考慮，采用內外模硫化工藝。按截面尺寸設計制造芯模、帶體硫化模具、氣嘴硫化模具[7]、封頭硫化模具。芯模及帶體硫化模具長2 000 mm，接頭、氣嘴硫化模具長600 mm。先將密封件成型為直條狀，向密封件內穿入內模(芯模)，再將帶有內模的半成品裝入模具分段硫化[8]，直至達到所需長度后，定長裁斷。具體工藝路線見圖4。

圖4 新型充氣圍帶生產工藝路線

為確保密封帶具有良好的耐壓性能，要注意以下幾點：(1)生產時內膠層要先通過氣密試驗、厚度檢測，以保證內膠層的氣密性；(2)增強層不允許有吊扣、單股、接頭等現象，否則應退下重織；(3)硫化需通過多模完成[9]，硫化中如有一模出現壓線則整根帶體要報廢；(4)自然狀態(tài)下向圍帶內充入0.3 MPa壓縮空氣，目視檢查[10]，圍帶試樣任意表面不允許有開裂、裂口、鼓包、不膨脹等異?，F象。

3.3 試驗驗證

試驗所用的密封圍帶試樣除長度為1 500 mm外，其余與圖3一致。試驗裝置如圖5所示。試驗方法及結果如下：

(1)氣密性試驗：自然狀態(tài)下向圍帶試樣內充入0.5 MPa壓縮空氣，將圍帶試樣浸入水中，肉眼觀察沒有氣泡溢出。

(2)膨脹/回縮試驗：自然狀態(tài)下向圍帶試樣內充入0.5 MPa壓縮空氣，保壓5 min后，排空內部空氣，圍帶試樣應能夠立即恢復到原“凹”字形狀態(tài)，試驗時充脹時間為2 s，排空收縮時間為3 s，充脹/收縮符合要求[11]。將圍帶試樣裝入試驗夾具的安裝槽，如圖5所示，在未加密封壓板的狀態(tài)下向圍帶試樣內充入0.5 MPa壓縮空氣，保壓5 min后，試樣均勻膨脹；排空內部空氣后，圍帶試樣能夠立即恢復到原“凹”字形狀態(tài)。

圖5 膨脹/回縮試驗裝置

(3)試驗夾具內密封試驗：將圍帶試樣安裝在試驗夾具內，將厚度不大于0.2 mm的薄片插入密封間隙，向圍帶試樣內充入0.8 MPa的壓縮空氣。若用力拉扯薄片無法抽出，如圖6所示，則可定性判定密封面無間隙，圍帶充氣后對密封面有足夠的壓緊力。

圖6 試驗夾具內密封試驗

(4)爆破壓力試驗：自然狀態(tài)下對圍帶試樣充氣0.8 MPa，未爆破；對圍帶試樣在試驗夾具內充氣2.2 MPa，未爆破。

(5)充氣疲勞試驗：在充氣密封件充氣疲勞試驗臺對密封圍帶試件充氣，充氣壓力0.5 MPa，保壓時間5 s，排氣、停留時間5 s，歷經10 560次充排氣試驗，圍帶試樣未發(fā)現損壞。

(6)模擬風洞工況試驗：設計專用圍帶試件見圖7，試驗裝置示意圖見圖8，實際試驗見圖9。通過圍帶氣嘴向圍帶內充氣，使圍帶膨脹，從而密封內外模之間間隙。通過氣室充氣嘴向氣室充氣，當達到規(guī)定壓力時關閉氣室充氣氣源，保持 5 min，觀察氣室壓力是否變化。如在規(guī)定時間內氣室壓力沒有變化，則說明圍帶密封良好，否則說明不滿足密封要求，需要調整改進。試驗結果表明充氣密封圍帶密封性能良好。

圖7 試件結構示意(mm)

圖8 模擬風洞工況試驗裝置

圖9 水槽內的密封試驗

4 工程應用

研制的充氣密封圍帶應用于某新建跨超音速風洞，如圖10所示，圍帶長度、硬度均滿足使用要求，安裝方便。常規(guī)狀態(tài)下，充氣密封圍帶采用1.2 MPa的充氣壓力，風洞增壓試驗時采用1.8 MPa充氣壓力，圍帶已經承受住了數千次工況的檢驗，密封性能穩(wěn)定，再未出現密封圍帶與噴管段側壁刮擦的現象[12]，保障了風洞流場品質的穩(wěn)定[13]。

圖10 圍帶在柔壁內照片

5 結論

新研制的充氣密封圍解決了原充氣密封結構使用中存在的問題，相關試驗和使用結果充分表明充氣密封圍設計結構緊湊、生產工藝成熟、承壓能力強、產品性能可靠，壽命長。研制的新型的跨超音速噴管段柔壁充氣密封圍帶對后續(xù)風洞充氣密封圍帶設計和現有類似風洞柔壁充氣密封圍帶的改造也有借鑒意義。