專利名稱：高溫高壓環(huán)境下的視窗結構及其加工工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種視窗結構，尤其涉及一種高溫高壓環(huán)境下的視窗結構及其加工工 藝；具體地說，涉及一種應用于汽輪機汽缸內部件在線窺視的視窗。
背景技術：
電力工業(yè)的持續(xù)、快速和健康的發(fā)展是我國社會經濟發(fā)展的基礎和保障。與此同 時，國內在能源和環(huán)境等方面的壓力對火電技術增效、減排提出了越來越高的要求。采用超 臨界發(fā)電技術是國際、國內提高煤電機組發(fā)電效率、降低污染物排放的主要方向之一。超 臨界機組的投產對降低我國火力發(fā)電的基礎煤耗水平起到了至關重要的作用，然而由于 (超)超臨界機組的運行參數(shù)高、動態(tài)特性強，對機組的安全性要求比常規(guī)機組也要高很
^^ ο一直以來，由于汽輪機組工作參數(shù)極高(壓力超過lOMPa，溫度超過400°C )，常規(guī) 技術不能滿足人們對汽輪機缸內部件工作情況狀況監(jiān)測的需求。汽輪機組缸內核心部件汽 輪機轉子由于處于超臨界水蒸氣環(huán)境，且隨工況改變發(fā)生較大幅度的溫度變化，對該部件 的的熱應力、熱疲勞造成很大影響。掌握(超)超臨界發(fā)電機組缸內核心部件的重要參數(shù) (如溫度分布)是對其進行安全性監(jiān)測與評價的前提和基礎。目前對處于汽缸內高溫高壓蒸汽環(huán)境下的部件而言(包括汽輪機轉子)，目前尚 未見有利用視窗方式進行在線檢測技術的文獻報導及實際應用。特別是當需要對采用了葉 片冷卻技術，并且具備高轉速和振動特性的轉子部件而言，使用視窗結構對該部件的溫度 場進行在線監(jiān)控，其重要性不言而喻。國外汽機設備制造商常常在汽輪機組中用溫度探針方式對部件附近的蒸汽溫度 進行測量，近似替代部件表面溫度。如美國西屋電氣公司1988年的國際專利技術，該技術 至今尚未見有重大改進；德國西門子公司于1997年以神經網絡技術結合蒸汽溫度檢測的 思路申請了汽輪機轉子葉片溫度預測等專利，上述專利均未采用視窗結構。目前航空渦輪發(fā)動機已有較為成熟的基于視窗結構和紅外輻射測溫原理，對發(fā)動 機高溫轉動部件壁溫的長期在線測量。但是航空發(fā)動機工作壓力參數(shù)遠低于超臨界水蒸氣 工作參數(shù)，其對視窗結構的要求和蒸汽輪機汽缸視窗的要求存在很大差異。雖然存在“高壓容器的觀察視窗”(申請?zhí)?00510044340. 5)對高壓容器視窗結構 進行了描述，但是上述結構領域為深水海洋，其關鍵性的密封材料和結構不能同時耐受高 壓和高溫(450 0C )。專利“高溫高壓視窗”(專利號99226199. 6)對一種耐高溫高壓視窗結構進行了描 述，但是根據(jù)其描述，只能用于最高壓力150bar(15MPa)，溫度100°C，結構及條件與本專利
存在較大差異。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術存在的缺點和不足，提供一種高溫高壓環(huán)境下的視窗結構及其加工工藝；該視窗能夠在缸內高達0. 05 33MPa壓力及20 700°C溫度范圍內超臨界參數(shù) 水蒸氣條件下可靠工作，在線監(jiān)測缸內部件的安全性，也可用于其它類似工作要求下的探 測儀器技術領域。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明包括容器壁，設置有壓緊組件、密封組件、接口組件、螺栓、視窗組件、金屬 密封圈和保護套筒組件；接口組件的上段穿過金屬密封圈后插入容器壁的開口內；在接口組件的圓筒內，向中心依次設置有密封組件和視窗組件；接口組件底面的法蘭通過螺栓與壓緊組件的法蘭連接，壓緊組件的厚壁圓筒段深 入接口組件內部與密封組件底部連接；保護套筒組件包裹在視窗組件外壁的上段。本發(fā)明具有下列優(yōu)點和積極效果①可以工作于較高工作參數(shù)下，包括較高溫度范圍250 750°C和較高壓力范圍 0. 05 33MPa。②可以工作于水蒸氣等工作環(huán)境下。③可長期用于上述環(huán)境下的容器內部窺視、參數(shù)探測與監(jiān)控，提高容器工作的安 全、可靠性。


圖1是本發(fā)明的結構圖(軸向剖面)；圖2. 1是壓緊組件的立體圖，圖2. 2是壓緊組件的仰視圖，圖2. 3是壓緊組件的主視圖，圖2. 4是圖2. 3的A_A剖面圖；圖3是視窗組件的立體圖；圖4. 1是接口組件的仰視圖，圖4. 2是接口組件的主視圖，圖4. 3是圖4. 2的A-A剖面圖。其中1-壓緊組件，2-密封組件，3-接口 組件，4-螺栓，5-視窗組件，6-金屬密封圈，7-保護套筒組件，8-容器壁。L1-視窗組件中段圓臺部分軸向長度；L2-視窗組件下段密封組件的軸向長度；L3-視窗組件上段密封組件的軸向長度；D1-視窗組件下段圓柱體徑向直徑；
D2-視窗組件中段圓臺體徑向直徑；D3-視窗組件上段圓柱體徑向直徑；D4-接口組件上端圓柱簡體內徑直徑。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例詳細說明一、總體如圖1，本發(fā)明包括容器壁8，設置有壓緊組件1、密封組件2、接口組件3、螺栓4、 視窗組件5、金屬密封圈6和保護套筒組件7 ；接口組件3的上段穿過金屬密封圈6后插入容器壁8的開口內；在接口組件3的圓筒內，向中心依次設置有密封組件2和視窗組件5 ；接口組件3底面的法蘭通過螺栓4與壓緊組件1的法蘭連接，壓緊組件1的厚壁 圓筒段深入接口組件3內部與密封組件2底部連接；保護套筒組件7包裹在視窗組件5外壁的上段。其工作原理是容器壁8與接口組件3通過金屬密封圈6相連接，可以保證強度和密封性能要求；視窗組件5上段、下段均為圓柱體，中段為雙圓臺狀凸起，視窗組件5中、下段的外 壁由密封組件2密封，視窗組件5上段的外壁有不銹鋼材質的保護套筒組件7對其進行保 護作用，增加抗振剛度；視窗組件5與接口組件3及壓緊組件1所形成的空腔由密封組件2 填充，視窗組件5上下兩端的壓差下移動，圓臺體的外壁擠壓密封組件2，產生較大的接觸 擠壓力，從而實現(xiàn)密封效果。二、功能部件1、壓緊組件1如圖2. 1,2. 2,2. 3,2. 4，壓緊組件1為一種由厚壁圓筒和小法蘭組成的不銹鋼構件。其法蘭用于與接口組件3用螺栓4連接，厚壁圓筒段深入接口組件3內部與密封 組件2連接，并由螺栓4施加壓緊力。壓緊組件1具有一個法蘭結構，用于與接口組件3法蘭用螺栓方式相連接，提供密 封組件2的安裝預緊力和工作時的止推力。壓緊組件1還具有一個厚壁圓筒，其外徑與壓緊組件1的內徑存在0. 2mm左右間 隙，其內徑與視窗組件5相應段外徑存在0. 2mm左右間隙。2、密封組件2密封組件2由不同形狀的膨脹石墨填料環(huán)組合而成，其內、外環(huán)分別與視窗組件5 的外壁、接口組件3的內壁適配。密封組件2用于與視窗組件3和保護套筒組件7配合達到密封和耐溫的目的，防 止壓力容器內部水蒸氣泄漏或外部空氣漏入。密封組件2采用純石墨填料材料，在結構上 使用筒狀及內錐外圓面相組合的方式，其外半徑尺寸與套管存在+0. 03左右的安裝間隙配 合，與視窗相應結構具有-0. 03 +0. 02mm左右的安裝過盈配合，該結構形式的密封件不屬 于目前的成品標準件，只能定制生產或制作。
3、接 口組件 3如圖4. 1、4.2、4. 3，接口組件3底面為一法蘭盤，下段為一內徑較大、壁厚稍薄圓 筒狀，中段為一內徑較小、厚壁圓筒狀，上段為一內徑較小、壁厚稍薄圓筒狀，中、上兩段圓 筒交接處設置一臺階端面，其臺階端面上又設置有用于金屬密封圈6的V型槽。接口組件3的上段插入容器壁8的一開口內，可用焊接方式與容器壁8連接，或再 增加一普通小法蘭通過螺栓方式與容器壁8連接。接口組件3的材料選用不銹鋼或根據(jù)容器內工質和溫度選擇具體材料牌號。接口組件3用于與高參數(shù)容器相連接與固定，還用于容納視窗組件及密封組件。4、螺栓 4螺栓4為普通標準件。5、視窗組件5如圖3，視窗組件5是一種能透光或紅外熱輻射的非金屬材料，一股選用脆性材料 如石英玻璃。其形狀是5上段、下段均為圓柱體，中段為雙圓臺狀凸起。用于水蒸氣介質壓力容器時，可參考視窗材料的紅外透過波段與水蒸氣的輻射窗 口選擇視窗材料，這樣由轉子表面所輻射的紅外能可無損地通過容器內的水蒸氣介質通道。視窗組件3可透射可見光或紅外光線，用于對容器內物體進行探測或窺視；視窗 組件3可使用石英玻璃、藍寶石等具有紅外透射窗口及一定強度的材料；視窗組件3采用帶 錐面的階梯軸的結構方式，在密封組件的配合下可達到有效長期密封容器的功能。階梯軸 中間段外徑比套管結構內徑小1mm左右，兩端外徑較中間段小10mm左右，軸端過渡面錐度 75 30。之間。視窗組件5既能夠透過紅外及可見光波段光線，同時具有耐受30 40MPa內壓， 或95KPa的內部真空度，溫度范圍最高可達到700°C工作條件下的長期密封性能。由視窗組件5、接口組件3和壓緊組件4構成了一個近似封閉的空間，該空間中容 納了密封組件2，該空間中的視窗組件3與密封組件2存在相匹配的錐狀結構。視窗組件用于透射光線(包括處于紅外、可見光等波段光線)；視窗組件與密封組件相配合，可避免高溫高壓水蒸氣發(fā)生泄漏，特別是具有一種 自緊、自密封的特性。6、金屬密封圈6金屬密封圈6為標準件。7、保護套筒組件7保護套筒組件7為不銹鋼薄壁筒狀，包裹在視窗組件5外壁的上段，與接口組件3 通過焊接方式連接。三、視窗組件、密封組件和接口組件的尺寸如圖1，經計算及實際試驗需滿足以下要求a、L2長度需大于5倍填料環(huán)厚度，且軸向長于20mm ；b、D2尺寸應小于D4尺寸1mm左右；c、D2尺寸應大于D1尺寸5mm左右；
d、L1尺寸應由兩段錐面和一段柱面構成，總長度應大于15mm，其中柱面軸向長度 尺寸應大于5mm ；e、若用于水蒸氣環(huán)境下，視窗組件5右端應通過套管組件7延伸至容器壁8內，以 避免水蒸氣凝結于其端面影響光透射性。四、密封組件的加工工藝密封組件2材質為膨脹石墨填料圈，包括截面為方形及截面為梯形兩種，方形截 面填料環(huán)可由市面上購得，梯形截面需另行加工，其加工方法有兩種1)按照視窗玻璃中段圓臺面形狀使用模具擠壓加工而成；2)使用定制形狀鉸刀餃削。無論采用何種加工工藝，填料圈內壁表面應與視窗組件外壁表面吻合。
權利要求
一種高溫高壓環(huán)境下的視窗結構，包括容器壁(8)，其特征在于設置有壓緊組件(1)、密封組件(2)、接口組件(3)、螺栓(4)、視窗組件(5)、金屬密封圈(6)和保護套筒組件(7)；接口組件(3)的上段穿過金屬密封圈(6)后插入容器壁(8)的開口內；在接口組件(3)的圓筒內，向中心依次設置有密封組件(2)和視窗組件(5)；接口組件(3)底面的法蘭通過螺栓(4)與壓緊組件(1)的法蘭連接，壓緊組件(1)的厚壁圓筒段深入接口組件(3)內部與密封組件(2)底部連接；保護套筒組件(7)包裹在視窗組件(5)外壁的上段。
2.按權利要求1所述的視窗結構，其特征在于所述的壓緊組件(1)為一種由厚壁圓筒和小法蘭組成的不銹鋼構件。
3.按權利要求1所述的視窗結構，其特征在于所述的密封組件(2)由膨脹石墨填料環(huán)組合而成，其內、外環(huán)分別與視窗組件(5)的外 壁、接口組件(3)的內壁適配。
4.按權利要求1所述的視窗結構，其特征在于所述的接口組件(3)其底面為一法蘭盤，下段為一內徑較大、壁厚稍薄圓筒狀，中段為 一內徑較小、厚壁圓筒狀，上段為一內徑較小、壁厚稍薄圓筒狀，中、上兩段圓筒交接處設置 一臺階端面，其臺階端面上又設置有用于金屬密封圈(6)的V型槽。
5.按權利要求1所述的視窗結構，其特征在于所述的視窗組件5是一種能透光或紅外熱輻射的非金屬材料，其形狀是上段、下段均 為圓柱體，中段為雙圓臺狀凸起。
6.按權利要求1所述的視窗結構，其特征在于所述的保護套筒組件(7)為不銹鋼薄壁筒狀，包裹在視窗組件(5)外壁的上段。
7.按權利要求1所述視窗結構的密封組件的加工工藝，其特征在于密封組件(2)材質為膨脹石墨填料圈，包括截面為方形及截面為梯形兩種，方形截面 填料環(huán)可由市面上購得，梯形截面需另行加工，其加工方法有兩種1)按照視窗玻璃中段圓臺面形狀使用模具擠壓加工而成；2)使用定制形狀鉸刀餃削；無論采用何種加工工藝，填料圈內壁表面應與視窗組件外壁表面吻合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高溫高壓環(huán)境下的視窗結構及其加工工藝，涉及一種視窗結構，具體地說，涉及一種應用于汽輪機汽缸內部件在線窺視的視窗。本視窗結構是接口組件(3)的上段穿過金屬密封圈(6)后插入容器壁(8)的開口內；在接口組件(3)的圓筒內，向中心依次設置有密封組件(2)和視窗組件(5)；接口組件(3)底面的法蘭通過螺栓(4)與壓緊組件(1)的法蘭連接，壓緊組件(1)的厚壁圓筒段深入接口組件(3)內部與密封組件(2)底部連接；保護套筒組件(7)包裹在視窗組件(5)外壁的上段。本發(fā)明可以工作于較高工作參數(shù)下的容器內部窺視、參數(shù)探測與監(jiān)控，提高容器工作的安全、可靠性。
文檔編號C01B31/04GK101979840SQ20101051607
公開日2011年2月23日 申請日期2010年10月21日 優(yōu)先權日2010年10月21日
發(fā)明者呂方明, 楊潤澤, 王坤, 黃樹紅 申請人:華中科技大學