CN112304775A - 一种超临界二氧化碳透平壳体压力试验装置及方法 - Google Patents

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但光局
周东
李扬
王伟晓
何晓燕
王亚
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Abstract

本发明公开了一种超临界二氧化碳透平壳体压力试验装置及方法，可保障壳体耐压试验安全可靠性。包括粗加工壳体件，所述粗加工壳体件具有大轴向开口、小轴向开口、进口、出口，大轴向开口的端面高于壳体件成品的对应端面，形成凸台，小轴向开口、进口、出口的口径小于壳体件成品的对应口径；所述小轴向开口、进口、出口内分别轴向定位安装有堵头，堵头外侧通过螺栓固定有固定板；大轴向开口内设有卡槽，大轴向开口内装有端面封板和分段式挡环，所述分段式挡环具有凸缘，凸缘卡入卡槽内，分段式挡环的外侧设有连接板，连接板与端面封板通过螺栓固定；壳体端面封板上开有注液孔、压力表安装孔。

Description

一种超临界二氧化碳透平壳体压力试验装置及方法
技术领域
本发明涉及透平技术领域，特别是涉及一种超临界二氧化碳透平壳体压力试验装置及方法。
背景技术
临界二氧化碳发电系统效率高、体积小、热源适应性广，被认为是未来电力系统的最佳解决方案，因此成为全世界的研究热点。其中超临界二氧化碳透平是系统中的核心动力部件，工作在高温高压工况下，为了达到较高效率，现在开展的验证系统透平进口压力20～30MPa，温度500～600℃，未来将进行更高压力和温度参数的系统验证。透平的壳体在制造过程中须进行压力试验，以验证壳体强度，试验压力：P＝1.5ηP0
其中：P—试验压力；
P0—工作压力；
η—材料高温许用应力与常温许用应力的比值，最大取1.8；
以6MW透平机组为例，进口温度压力20MPa，600℃，壳体采用耐热钢，其试验压力可达54MPa。
透平壳体采用非径向剖分结构，有两端轴向大开口和进出两个小开口，其中两端大轴向开口设有一圈螺纹孔，用于与法兰相连，进出口无螺纹孔，通过焊接与进出口管道相连。压力试验前，将壳体毛坯进行粗加工，保留一定加工余量，试验完成后再精加工到位，为了形成封闭腔体，传统方法是在两端轴向大开口和进、出口从外侧加装封板，封板与壳体间装有密封圈，通过拧紧紧固件将封板压紧在壳体上，通过控制紧固件预紧力保证工作状态下密封圈的压缩量符合许用值，从而保证密封。传统方法完全依靠紧固件的预紧力及封板厚度保证密封圈的压缩量，确保试验时不发生泄露。
传统方法存在三个问题：
(1)试验压力高，单个螺栓承受工作拉力大；
(2)封板变形大，封板与壳体间密封面张开较多，密封圈易失效；
(3)进出口为了加工出螺纹孔需延伸出较长距离，增加毛坯成本，并且加工量大，紧固件数量多，拧紧工作操作繁琐。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超临界二氧化碳透平壳体压力试验装置及方法，可保障壳体耐压试验安全可靠性，操作简便，减小毛坯成本和加工工作量，以及大直径紧固件用量。
本发明的目的是这样实现的：
一种超临界二氧化碳透平壳体压力试验装置，
包括粗加工壳体件，所述粗加工壳体件具有大轴向开口、小轴向开口、进口、出口，大轴向开口的端面高于壳体件成品的对应端面，形成凸台，小轴向开口、进口、出口的口径小于壳体件成品的对应口径；
所述小轴向开口、进口、出口内分别装有堵头，所述堵头呈阶梯状，堵头的大端位于粗加工壳体件内，堵头大端的直径小于大轴向开口的口径，所述小轴向开口、进口、出口内对应设置止口与堵头的台阶面配合定位，台阶面上设置轴向密封圈进行密封，堵头外侧通过螺栓固定有固定板，固定板压在粗加工壳体件上，形成堵头的密封、定位；
大轴向开口内设有呈环形的卡槽，卡槽与凸台对应，大轴向开口内从内到外依次装有端面封板和分段式挡环，所述端面封板的外周面上套有径向密封圈与大轴向开口配合密封，所述分段式挡环具有凸缘，凸缘卡入卡槽内，形成轴向定位，分段式挡环的外侧设有连接板，连接板与端面封板通过螺栓固定，将连接板与端面封板夹持固定在分段式挡环上；
壳体端面封板上开有注液孔用于注入试验介质，壳体端面封板上开有压力表安装孔用于排气和安装压力表。
优选地，所述分段式挡环分为四段，其中两段为拼合段，两拼合段、对称设置，且具有平行的侧边，用于水平移动拼合出圆环状分段式挡环。
一种超临界二氧化碳透平壳体压力试验方法，方法包括以下步骤：
S1、装配
S11、分别从大轴向开口将堵头和轴向密封圈装至小轴向开口、进口、出口，并拧紧对应的螺栓，形成对粗加工壳体件的小轴向开口、进口、出口的密封；
S12、从大轴向开口将端面封板和径向密封圈、推入大轴向开口内侧；
S13、将分段式挡环装入卡槽内；
S14、通过螺栓将连接板和端面封板夹紧固定在分段式挡环上；
S2、试验
S21、将在大轴向开口朝上，通过注液孔注入试验介质，通过压力表安装孔排尽空气，再安装压力表；
S22、进行压力试验，验证粗加工壳体件的强度。
由于采用了上述技术方案，本发明螺栓不承受工作拉力，密封可靠，可保障壳体耐压试验安全可靠性，操作简便，减小毛坯成本和加工工作量，以及大直径紧固件用量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的A-A剖视示意图；
图3为分段式挡环的结构示意图；
图4为图3的B-B剖视示意图。
附图标记
附图中，1—粗加工壳体件；1-1—大轴向开口；1-1-1—大轴向开口端面；1-1-2—壳体精加工后大轴向端面；1-2—小轴向开口；1-2-1—壳体精加工后小轴向开口；1-3—进口；1-3-1—壳体精加工后进口；1-4—出口；1-4-1—壳体精加工后出口；1-5—卡槽；2、3、4—堵头；5、6、7—轴向密封圈；8—端面封板；8-1—注液孔，8-2—压力表安装孔；9—分段式挡环；9-1—挡环一；9-2—挡环二；9-3—挡环三；9-4—挡环四；10、11—径向密封圈；12、14、16—固定板；18—连接板；13、15、17、19—螺栓。
具体实施方式
参见图1-图3，为一种超临界二氧化碳透平壳体压力试验装置，包括粗加工壳体件1，粗加工壳体件1包含大轴向开口1-1、小轴向开口1-2、进口1-3、出口1-4，大轴向开口端面1-1-1相比壳体精加工后大轴向端面1-1-2向外延伸一段距离，试验完成后可加工掉，小轴向开口1-2相比壳体精加工后小轴向开口1-2-1小，试验完成后可加工掉，进口1-3相比壳体精加工后进口1-3-1小，试验完成后可加工掉，出口1-4相比壳体精加工后出口1-4-1小，试验完成后可加工掉。
为形成封闭腔体，在小轴向开口1-2、进口1-3、出口1-4上分别装有堵头2、堵头3、堵头4，堵头2上设有轴向密封圈6进行密封，堵头3上设有轴向密封圈5进行密封，堵头4上设有轴向密封圈7进行密封；在大轴向开口1-1内装有端面封板8和分段式挡环9，端面封板8在粗加工壳体件1内侧，分段式挡环9在粗加工壳体件1外侧，壳体端面封板8上设有径向密封圈10和径向密封圈11进行密封，壳体端面封板8上开有注液孔8-1用于注入试验介质，压力表安装孔8-2用于排气和安装压力表，分段式挡环9分为四段挡环：9-1、9-2、9-3和9-4都装入卡槽1-5内。其中两段为拼合段9-2、9-4，两拼合段9-2、9-4对称设置，且具有平行的侧边，用于水平移动拼合出圆环状分段式挡环9。
堵头2外侧设有固定板12，螺栓13将堵头2和固定板12压紧在粗加工壳体件1上，堵头3外侧设有固定板14，螺栓15将堵头3和固定板14压紧在粗加工壳体件1上，堵头4外侧设有固定板16，螺栓17将堵头4和固定板16压紧在粗加工壳体件1上，分段式挡环9外侧设有连接板18，4颗螺栓19将连接板18和挡板8压紧在分段式挡环9上，防止粗加工壳体件1内部未加压时，堵头2、3、4，和挡板8掉入粗加工壳体件1内部。
一种超临界二氧化碳透平壳体压力试验方法
其装配过程为：
一、从大轴向开口1-1将堵头2和轴向密封圈5装至小轴向开口1-2，拧紧螺栓13，将堵头2和固定板12压紧在粗加工壳体件1上；
二、从大轴向开口1-1将堵头3和轴向密封圈6装至进口1-3，拧紧螺栓15，将堵头3和固定板14压紧在粗加工壳体件1上；
三、从大轴向开口1-1将堵头4和轴向密封圈7装至出口1-4，拧紧螺栓17，将堵头4和固定板16压紧在粗加工壳体件1上；
以上步骤一～三顺序不限；
四、从大轴向开口1-1将端面封板8和径向密封圈10、11推入粗加工壳体件1内部；
五、将分段式挡环9装入卡槽1-5内：首先从径向将挡环一9-1和挡环三9-3卡入卡槽1-5，再径向装入挡环二9-2和挡环四9-4，将挡环9整体径向楔紧。分段式挡环9设计新颖巧妙，解决了封板8受压力向外时轴向定位的问题，并且将紧固件的受力转换为分段式挡环9和卡槽1-5受力，增加了受力面积，减小了应力，并且减小了封板8在受压时的径向变形，保证了密封圈10和密封圈11的密封能力。
六、拧紧4颗螺栓19，将连接板18和封板8压紧在分段式挡环9上；
试验时将在大轴向开口1-1朝上，便于排除空气和安装压力表，以及读取压力表数值。压力实验可以采用常规的各种实验方法。
本发明装置通过仿真计算，发现最大应力出现在卡槽1-5上，且远小于材料许用应力，封板径向变形小，满足径向密封圈10和径向密封圈11的变形要求，说明本发明装置密封可靠。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种超临界二氧化碳透平壳体压力试验装置，其特征在于：
包括粗加工壳体件，所述粗加工壳体件具有大轴向开口、小轴向开口、进口、出口，大轴向开口的端面高于壳体件成品的对应端面，形成凸台，小轴向开口、进口、出口的口径小于壳体件成品的对应口径；
所述小轴向开口、进口、出口内分别装有堵头，所述堵头呈阶梯状，堵头的大端位于粗加工壳体件内，堵头大端的直径小于大轴向开口的口径，所述小轴向开口、进口、出口内对应设置止口与堵头的台阶面配合定位，台阶面上设置轴向密封圈进行密封，堵头外侧通过螺栓固定有固定板，固定板压在粗加工壳体件上，形成堵头的密封、定位；
大轴向开口内设有呈环形的卡槽，卡槽与凸台对应，大轴向开口内从内到外依次装有端面封板和分段式挡环，所述端面封板的外周面上套有径向密封圈与大轴向开口配合密封，所述分段式挡环具有凸缘，凸缘卡入卡槽内，形成轴向定位，分段式挡环的外侧设有连接板，连接板与端面封板通过螺栓固定，将连接板与端面封板夹持固定在分段式挡环上；
壳体端面封板上开有注液孔用于注入试验介质，壳体端面封板上开有压力表安装孔用于排气和安装压力表。
2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳透平壳体压力试验装置，其特征在于：所述分段式挡环分为四段，其中两段为拼合段，两拼合段、对称设置，且具有平行的侧边，用于水平移动拼合出圆环状分段式挡环。
3.一种超临界二氧化碳透平壳体压力试验方法，其特征在于，方法包括以下步骤：
S1、装配
S11、分别从大轴向开口将堵头和轴向密封圈装至小轴向开口、进口、出口，并拧紧对应的螺栓，形成对粗加工壳体件的小轴向开口、进口、出口的密封；
S12、从大轴向开口将端面封板和径向密封圈、推入大轴向开口内侧；
S13、将分段式挡环装入卡槽内；
S14、通过螺栓将连接板和端面封板夹紧固定在分段式挡环上；
S2、试验
S21、将在大轴向开口朝上，通过注液孔注入试验介质，通过压力表安装孔排尽空气，再安装压力表；
S22、进行压力试验，验证粗加工壳体件的强度。
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CN113953784A (zh) * 2021-11-13 2022-01-21 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 一种空腔结构零件的压力渗透检测方法

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