专利名称：高温高压环境下的视窗结构及其加工工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种视窗结构，尤其涉及一种高温高压环境下的视窗结构及其加工工 艺；具体地说，涉及一种应用于汽轮机汽缸内部件在线窥视的视窗。
背景技术：
电力工业的持续、快速和健康的发展是我国社会经济发展的基础和保障。与此同 时，国内在能源和环境等方面的压力对火电技术增效、减排提出了越来越高的要求。采用超 临界发电技术是国际、国内提高煤电机组发电效率、降低污染物排放的主要方向之一。超 临界机组的投产对降低我国火力发电的基础煤耗水平起到了至关重要的作用，然而由于 (超)超临界机组的运行参数高、动态特性强，对机组的安全性要求比常规机组也要高很
^^ ο一直以来，由于汽轮机组工作参数极高(压力超过lOMPa，温度超过400°C )，常规 技术不能满足人们对汽轮机缸内部件工作情况状况监测的需求。汽轮机组缸内核心部件汽 轮机转子由于处于超临界水蒸气环境，且随工况改变发生较大幅度的温度变化，对该部件 的的热应力、热疲劳造成很大影响。掌握(超)超临界发电机组缸内核心部件的重要参数 (如温度分布)是对其进行安全性监测与评价的前提和基础。目前对处于汽缸内高温高压蒸汽环境下的部件而言(包括汽轮机转子)，目前尚 未见有利用视窗方式进行在线检测技术的文献报导及实际应用。特别是当需要对采用了叶 片冷却技术，并且具备高转速和振动特性的转子部件而言，使用视窗结构对该部件的温度 场进行在线监控，其重要性不言而喻。国外汽机设备制造商常常在汽轮机组中用温度探针方式对部件附近的蒸汽温度 进行测量，近似替代部件表面温度。如美国西屋电气公司1988年的国际专利技术，该技术 至今尚未见有重大改进；德国西门子公司于1997年以神经网络技术结合蒸汽温度检测的 思路申请了汽轮机转子叶片温度预测等专利，上述专利均未采用视窗结构。目前航空涡轮发动机已有较为成熟的基于视窗结构和红外辐射测温原理，对发动 机高温转动部件壁温的长期在线测量。但是航空发动机工作压力参数远低于超临界水蒸气 工作参数，其对视窗结构的要求和蒸汽轮机汽缸视窗的要求存在很大差异。虽然存在“高压容器的观察视窗”(申请号200510044340. 5)对高压容器视窗结构 进行了描述，但是上述结构领域为深水海洋，其关键性的密封材料和结构不能同时耐受高 压和高温(450 0C )。专利“高温高压视窗”(专利号99226199. 6)对一种耐高温高压视窗结构进行了描 述，但是根据其描述，只能用于最高压力150bar(15MPa)，温度100°C，结构及条件与本专利
存在较大差异。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种高温高压环境下的视窗结构及其加工工艺；该视窗能够在缸内高达0. 05 33MPa压力及20 700°C温度范围内超临界参数 水蒸气条件下可靠工作，在线监测缸内部件的安全性，也可用于其它类似工作要求下的探 测仪器技术领域。本发明的目的是这样实现的本发明包括容器壁，设置有压紧组件、密封组件、接口组件、螺栓、视窗组件、金属 密封圈和保护套筒组件；接口组件的上段穿过金属密封圈后插入容器壁的开口内；在接口组件的圆筒内，向中心依次设置有密封组件和视窗组件；接口组件底面的法兰通过螺栓与压紧组件的法兰连接，压紧组件的厚壁圆筒段深 入接口组件内部与密封组件底部连接；保护套筒组件包裹在视窗组件外壁的上段。本发明具有下列优点和积极效果①可以工作于较高工作参数下，包括较高温度范围250 750°C和较高压力范围 0. 05 33MPa。②可以工作于水蒸气等工作环境下。③可长期用于上述环境下的容器内部窥视、参数探测与监控，提高容器工作的安 全、可靠性。
图1是本发明的结构图(轴向剖面)；图2. 1是压紧组件的立体图，图2. 2是压紧组件的仰视图，图2. 3是压紧组件的主视图，图2. 4是图2. 3的A_A剖面图；图3是视窗组件的立体图；图4. 1是接口组件的仰视图，图4. 2是接口组件的主视图，图4. 3是图4. 2的A-A剖面图。其中1-压紧组件，2-密封组件，3-接口 组件，4-螺栓，5-视窗组件，6-金属密封圈，7-保护套筒组件，8-容器壁。L1-视窗组件中段圆台部分轴向长度；L2-视窗组件下段密封组件的轴向长度；L3-视窗组件上段密封组件的轴向长度；D1-视窗组件下段圆柱体径向直径；
D2-视窗组件中段圆台体径向直径；D3-视窗组件上段圆柱体径向直径；D4-接口组件上端圆柱简体内径直径。
具体实施例方式下面结合附图和实施例详细说明一、总体如图1，本发明包括容器壁8，设置有压紧组件1、密封组件2、接口组件3、螺栓4、 视窗组件5、金属密封圈6和保护套筒组件7 ；接口组件3的上段穿过金属密封圈6后插入容器壁8的开口内；在接口组件3的圆筒内，向中心依次设置有密封组件2和视窗组件5 ；接口组件3底面的法兰通过螺栓4与压紧组件1的法兰连接，压紧组件1的厚壁 圆筒段深入接口组件3内部与密封组件2底部连接；保护套筒组件7包裹在视窗组件5外壁的上段。其工作原理是容器壁8与接口组件3通过金属密封圈6相连接，可以保证强度和密封性能要求；视窗组件5上段、下段均为圆柱体，中段为双圆台状凸起，视窗组件5中、下段的外 壁由密封组件2密封，视窗组件5上段的外壁有不锈钢材质的保护套筒组件7对其进行保 护作用，增加抗振刚度；视窗组件5与接口组件3及压紧组件1所形成的空腔由密封组件2 填充，视窗组件5上下两端的压差下移动，圆台体的外壁挤压密封组件2，产生较大的接触 挤压力，从而实现密封效果。二、功能部件1、压紧组件1如图2. 1,2. 2,2. 3,2. 4，压紧组件1为一种由厚壁圆筒和小法兰组成的不锈钢构件。其法兰用于与接口组件3用螺栓4连接，厚壁圆筒段深入接口组件3内部与密封 组件2连接，并由螺栓4施加压紧力。压紧组件1具有一个法兰结构，用于与接口组件3法兰用螺栓方式相连接，提供密 封组件2的安装预紧力和工作时的止推力。压紧组件1还具有一个厚壁圆筒，其外径与压紧组件1的内径存在0. 2mm左右间 隙，其内径与视窗组件5相应段外径存在0. 2mm左右间隙。2、密封组件2密封组件2由不同形状的膨胀石墨填料环组合而成，其内、外环分别与视窗组件5 的外壁、接口组件3的内壁适配。密封组件2用于与视窗组件3和保护套筒组件7配合达到密封和耐温的目的，防 止压力容器内部水蒸气泄漏或外部空气漏入。密封组件2采用纯石墨填料材料，在结构上 使用筒状及内锥外圆面相组合的方式，其外半径尺寸与套管存在+0. 03左右的安装间隙配 合，与视窗相应结构具有-0. 03 +0. 02mm左右的安装过盈配合，该结构形式的密封件不属 于目前的成品标准件，只能定制生产或制作。
3、接 口组件 3如图4. 1、4.2、4. 3，接口组件3底面为一法兰盘，下段为一内径较大、壁厚稍薄圆 筒状，中段为一内径较小、厚壁圆筒状，上段为一内径较小、壁厚稍薄圆筒状，中、上两段圆 筒交接处设置一台阶端面，其台阶端面上又设置有用于金属密封圈6的V型槽。接口组件3的上段插入容器壁8的一开口内，可用焊接方式与容器壁8连接，或再 增加一普通小法兰通过螺栓方式与容器壁8连接。接口组件3的材料选用不锈钢或根据容器内工质和温度选择具体材料牌号。接口组件3用于与高参数容器相连接与固定，还用于容纳视窗组件及密封组件。4、螺栓 4螺栓4为普通标准件。5、视窗组件5如图3，视窗组件5是一种能透光或红外热辐射的非金属材料，一股选用脆性材料 如石英玻璃。其形状是5上段、下段均为圆柱体，中段为双圆台状凸起。用于水蒸气介质压力容器时，可参考视窗材料的红外透过波段与水蒸气的辐射窗 口选择视窗材料，这样由转子表面所辐射的红外能可无损地通过容器内的水蒸气介质通道。视窗组件3可透射可见光或红外光线，用于对容器内物体进行探测或窥视；视窗 组件3可使用石英玻璃、蓝宝石等具有红外透射窗口及一定强度的材料；视窗组件3采用带 锥面的阶梯轴的结构方式，在密封组件的配合下可达到有效长期密封容器的功能。阶梯轴 中间段外径比套管结构内径小1mm左右，两端外径较中间段小10mm左右，轴端过渡面锥度 75 30。之间。视窗组件5既能够透过红外及可见光波段光线，同时具有耐受30 40MPa内压， 或95KPa的内部真空度，温度范围最高可达到700°C工作条件下的长期密封性能。由视窗组件5、接口组件3和压紧组件4构成了一个近似封闭的空间，该空间中容 纳了密封组件2，该空间中的视窗组件3与密封组件2存在相匹配的锥状结构。视窗组件用于透射光线(包括处于红外、可见光等波段光线)；视窗组件与密封组件相配合，可避免高温高压水蒸气发生泄漏，特别是具有一种 自紧、自密封的特性。6、金属密封圈6金属密封圈6为标准件。7、保护套筒组件7保护套筒组件7为不锈钢薄壁筒状，包裹在视窗组件5外壁的上段，与接口组件3 通过焊接方式连接。三、视窗组件、密封组件和接口组件的尺寸如图1，经计算及实际试验需满足以下要求a、L2长度需大于5倍填料环厚度，且轴向长于20mm ；b、D2尺寸应小于D4尺寸1mm左右；c、D2尺寸应大于D1尺寸5mm左右；
d、L1尺寸应由两段锥面和一段柱面构成，总长度应大于15mm，其中柱面轴向长度 尺寸应大于5mm ；e、若用于水蒸气环境下，视窗组件5右端应通过套管组件7延伸至容器壁8内，以 避免水蒸气凝结于其端面影响光透射性。四、密封组件的加工工艺密封组件2材质为膨胀石墨填料圈，包括截面为方形及截面为梯形两种，方形截 面填料环可由市面上购得，梯形截面需另行加工，其加工方法有两种1)按照视窗玻璃中段圆台面形状使用模具挤压加工而成；2)使用定制形状铰刀饺削。无论采用何种加工工艺，填料圈内壁表面应与视窗组件外壁表面吻合。
权利要求
一种高温高压环境下的视窗结构，包括容器壁(8)，其特征在于设置有压紧组件(1)、密封组件(2)、接口组件(3)、螺栓(4)、视窗组件(5)、金属密封圈(6)和保护套筒组件(7)；接口组件(3)的上段穿过金属密封圈(6)后插入容器壁(8)的开口内；在接口组件(3)的圆筒内，向中心依次设置有密封组件(2)和视窗组件(5)；接口组件(3)底面的法兰通过螺栓(4)与压紧组件(1)的法兰连接，压紧组件(1)的厚壁圆筒段深入接口组件(3)内部与密封组件(2)底部连接；保护套筒组件(7)包裹在视窗组件(5)外壁的上段。
2.按权利要求1所述的视窗结构，其特征在于所述的压紧组件(1)为一种由厚壁圆筒和小法兰组成的不锈钢构件。
3.按权利要求1所述的视窗结构，其特征在于所述的密封组件(2)由膨胀石墨填料环组合而成，其内、外环分别与视窗组件(5)的外 壁、接口组件(3)的内壁适配。
4.按权利要求1所述的视窗结构，其特征在于所述的接口组件(3)其底面为一法兰盘，下段为一内径较大、壁厚稍薄圆筒状，中段为 一内径较小、厚壁圆筒状，上段为一内径较小、壁厚稍薄圆筒状，中、上两段圆筒交接处设置 一台阶端面，其台阶端面上又设置有用于金属密封圈(6)的V型槽。
5.按权利要求1所述的视窗结构，其特征在于所述的视窗组件5是一种能透光或红外热辐射的非金属材料，其形状是上段、下段均 为圆柱体，中段为双圆台状凸起。
6.按权利要求1所述的视窗结构，其特征在于所述的保护套筒组件(7)为不锈钢薄壁筒状，包裹在视窗组件(5)外壁的上段。
7.按权利要求1所述视窗结构的密封组件的加工工艺，其特征在于密封组件(2)材质为膨胀石墨填料圈，包括截面为方形及截面为梯形两种，方形截面 填料环可由市面上购得，梯形截面需另行加工，其加工方法有两种1)按照视窗玻璃中段圆台面形状使用模具挤压加工而成；2)使用定制形状铰刀饺削；无论采用何种加工工艺，填料圈内壁表面应与视窗组件外壁表面吻合。
全文摘要
本发明公开了一种高温高压环境下的视窗结构及其加工工艺，涉及一种视窗结构，具体地说，涉及一种应用于汽轮机汽缸内部件在线窥视的视窗。本视窗结构是接口组件(3)的上段穿过金属密封圈(6)后插入容器壁(8)的开口内；在接口组件(3)的圆筒内，向中心依次设置有密封组件(2)和视窗组件(5)；接口组件(3)底面的法兰通过螺栓(4)与压紧组件(1)的法兰连接，压紧组件(1)的厚壁圆筒段深入接口组件(3)内部与密封组件(2)底部连接；保护套筒组件(7)包裹在视窗组件(5)外壁的上段。本发明可以工作于较高工作参数下的容器内部窥视、参数探测与监控，提高容器工作的安全、可靠性。
文档编号C01B31/04GK101979840SQ20101051607
公开日2011年2月23日 申请日期2010年10月21日 优先权日2010年10月21日
发明者吕方明, 杨润泽, 王坤, 黄树红 申请人:华中科技大学