全封闭汽轮机及其一体化永磁发电机组的制作方法

本发明涉及汽轮机及其发电装置领域，具体涉及一种用于太阳能低温差发电系统的全封闭汽轮机及其一体化永磁发电机组。

背景技术：

太阳能低温差发电是继光伏发电和太阳能高温发电之后最具竞争力的太阳能发电技术之一。太阳能低温差发电模块及系统一是指系统工作总体温度较低，二是指工作温度范围较小，以区别太阳能高温发电。太阳能低温差发电领域工作温度经常在100℃以下，通常使用低沸点有机工质的低温汽轮机组，这类工质通常易燃、易爆、有毒，且价格较高，工质一般不允许泄露。使用低沸点有机工质的低温汽轮机组，从安全性和经济性考虑都排斥使用动密封。

汽轮机是将蒸气压差势能及运动动能转换为转子高速旋转运动的机械能，继而通过发电机转化为电能的主要设备。常规火力发电和太阳能高温发电，均使用高温汽轮机，高温汽轮机通过300℃以上的高温蒸汽做功，工质为水，由于水安全廉价，所以工质允许少量泄露。这样，汽轮机组与发电机组可以通过输出轴传递动能，输出轴与汽轮机外壳使用动密封。永磁发电机具有结构简单，不需要励磁电流等许多优点，适合将永磁转子和定子绕组一体化布置，在风力发电机组中得到成功和充分的应用。但由于风力发电机组无密封要求，其类似结构不能在太阳能低温差发电领域使用。

中国专利文献公开号为cn101956679a的发明专利，提出了一种地热能或太阳能温差发动机装置及发电方法，该太阳能温差发电方法中将蒸汽动力机与发电机串联，采用蒸汽驱动蒸汽动力机，蒸汽动力机带动发电机运转发电的方式实现温差发电，但该系统装置结构庞杂，对设备运行的可靠性和安全性要求很高。

技术实现要素：

本发明提供一种全封闭汽轮机及其一体化永磁发电机组，用不同于现有技术的设计构思，在太阳能低温差发电系统中将低沸点工质动能转化为机械能及电能，提高系统的可靠性和安全性。

为解决上述技术问题，本发明采用以下方案：

全封闭汽轮机及其一体化永磁发电机组，包括圆筒形汽轮机定子、上端盖、下端盖、汽轮机永磁转子组件、定子绕组和输出电流接线盒，所述上端盖固定在汽轮机定子上方，上端盖上方连通上接口，所述下端盖固定在汽轮机定子下方，下端盖下方连通下接口，所述定子绕组缠绕在汽轮机定子的外壁上，汽轮机永磁转子组件的旋转磁场通过汽轮机定子直接输出到定子绕组，上述构件封闭在散热保护外壳之中。全封闭汽轮机及其一体化永磁发电机组垂直安装。

基于上述方案，本发明进行如下优化：

所述汽轮机定子包括圆筒，所述圆筒为整段导磁不锈钢厚壁结构，圆筒的内壁设有从径向看呈矩形或u型的内凹槽，内凹槽呈至少为2个的对称分布，且优选为偶数分布；内凹槽的上下延伸方向与圆筒的轴向呈锐角，内凹槽即为汽轮机工质的主流道；所述内凹槽的中间段深度均匀，在内凹槽的上下两端对应设有上下两个过渡段，内凹槽的深度从中间段向上下两端经过渡段逐渐过渡到零深度并延长适当的长度。圆筒的外壁设有与内壁的内凹槽相间排列的从径向看呈矩形或u型的外凹槽，外凹槽呈至少为2个的对称分布，且优选为偶数对称分布；外凹槽的上下延伸方向与圆筒的轴向呈一定的锐角；外凹槽整段深度均匀，其上、下两端分别设有上环形凹槽和下环形凹槽，以便定子绕组缠绕。具体地，汽轮机定子的内凹槽和外凹槽呈锯齿状相间排列，内壁类似炮筒膛线成为汽轮机工质的主流道，工质高速旋转通过主流道，带动汽轮机永磁转子组件旋转。

所述汽轮机永磁转子组件包括圆棒，所述圆棒为整块永磁不锈钢结构，圆棒外壁设有从径向看呈矩形或u型的转子凹槽，转子凹槽呈至少为2个的偶数对称分布。转子凹槽的上下延伸方向与圆棒轴向平行，其径向边缘即为汽轮机永磁转子组件的叶轮。优选的，转子凹槽的中间段深度均匀，其上、下两端对应设有上、下过渡段，转子凹槽从中间段深度逐渐过渡到零深度并延长适当的长度，用以引导气流通过定子流道流过，以防止气流直接通过转子凹槽而发生气流短路。圆棒的上、下圆心位置对应设有不完整的上半球形凹槽和下半球形凹槽，上半球形凹槽和下半球形凹槽分别与上端盖和下端盖连接。

汽轮机永磁转子组件最简单的结构为只有2个转子凹槽，转子凹槽间隔180°，径向充磁，2个转子凹槽正好为n和s磁极的分界线，定子绕组为简单连续的波浪形单相绕组，这一结构的全封闭汽轮机及其一体化永磁发电机组直接输出单相交流电；定子绕组也可以为交叉型三相绕组，输出三相交流电。

所述上端盖的上端连接上接口，下端通过法兰连接汽轮机定子。上端盖的下端设置有呈六边形布置的上贯通圆孔和位于上贯通圆孔底部中间的上端盖半球形凹槽，上贯通圆孔形成工质通道，上端盖半球形凹槽和汽轮机永磁转子组件的上半球形凹槽呈上下对称配合，两个半球形凹槽中间内置一颗上球形滚珠，上球形滚珠和两个半球形凹槽组成最简单的推力轴承结构。

所述下端盖的下端连接下接口，上端通过法兰连接圆筒形汽轮机定子。下端盖的上端设置有呈六边形布置的下贯通圆孔和位于下贯通圆孔底部中间的下端盖半球形凹槽。下贯通圆孔形成工质通道，下端盖半球形凹槽和汽轮机永磁转子组件的下半球形凹槽呈上下对称配合，两个半球形凹槽中间内置一颗下球形滚珠，下球形滚珠和两个半球形凹槽组成最简单的推力轴承结构。

上贯通圆孔为上下同径的圆孔，与上贯通圆孔的同径不同，下贯通圆孔为下端直径最大，向上渐缩至最小，然后又向上适当放大的喷嘴结构，工质在此处发生节流膨胀，减压加速流动。

上端盖和下端盖还可采用其它结构更复杂的组合式非整体结构，上端盖和下端盖与汽轮机定子的连接方式也可采用螺纹连接和焊接。

所述上接口与上端盖之间、下接口与下端盖之间分别通过法兰连接，上接口和下接口的另一端通过位于接口中心的内螺纹连接太阳能温差系统的其它连接管道。此外，上端盖和上接口之间可以合并为一体加工，下端盖与下接口之间可以合并为一体加工。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的全封闭汽轮机，整个装置结构不存在动密封，只有4个法兰密封和2个螺纹密封共6个静密封结构。在上端盖和上接口合并加工、下端盖和下接口合并加工的情况下，本装置只有2个法兰密封面和2个螺纹密封面共4个静密封结构，并且无转子轴，更无伸出定子的转子轴。本装置结构既降低了阻力，又提高了系统的可靠性和安全性，尤其适用于使用低沸点有机工质的低温汽轮机。

2、本发明汽轮机永磁转子组件的旋转磁场，通过导磁不锈钢或其它导磁材料直接传导至圆筒形汽轮机定子外壳及其上的定子绕组，通过旋转磁场产生电流，系统整体性好、结构简单，拆装方便。汽轮机工质在完全封闭的空间工作，只有汽轮机永磁转子组件为唯一的运动部件，与其它构件不存在动密封，系统安全性和可靠性极高。

3、本发明的全封闭汽轮机及其一体化永磁发电机组，通过工质进行自润滑、自冷却，无需专门的润滑和冷却系统，机组垂直装配在太阳能温差系统的连接管道上，不需要工质泵等额外耗能设备，简化了系统结构，提高了系统整体效率，便于系统维护。本发明设备小型化，方便多机并联，装机容量可以灵活控制。

4、本发明用于太阳能低温差发电系统中，有助于实现太阳能低温差发电的建筑一体化、模块化及小型化，形成独立的分布式局域能源系统。海洋温差发电是以海洋表层海水作为热源，海洋深层海水作为冷源，以低沸点工质驱动低温汽轮机带动发电机发电，同样海洋温差发电低温汽轮机对可靠性和密封性具有很高要求，因此本发明同时也适用于海洋温差、地热或余热发电低温汽轮机组。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图；

图2为图1的内部拆分结构示意图；

图3为图2中汽轮机定子的结构示意图；

图4为实施例的汽轮机永磁转子组件结构示意图；

图5为图2中上端盖的放大图；

图6为图5的部分结构剖视图；

图7为图5的仰视平面图；

图8为图2中下端盖的放大图；

图9为图8中下贯通圆孔的示意图；

附图标记：

1-汽轮机定子，10-圆筒，11-内凹槽，12-外凹槽，121-上环形凹槽，122-下环形凹槽，2-上端盖，20-上端盖圆棒，200-上端盖法兰边，201-上贯通圆孔，202-上端盖半球形凹槽，203-上球形滚珠，3-下端盖，30-下端盖圆棒，300-下端盖法兰边，301-下贯通圆孔，302-下端盖半球形凹槽，303-下球形滚珠，4-汽轮机永磁转子组件，40-圆棒，401-上半球形凹槽，402-下半球形凹槽，41-转子凹槽，5-定子绕组，6-输出电流接线盒，7-上接口，8-下接口，9-散热保护外壳。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行更详细的描述。

如图1、图2所示，本发明的全封闭汽轮机，包括圆筒形汽轮机定子1、上端盖2、下端盖3、汽轮机永磁转子组件4、上接口7和下接口8，上端盖3通过法兰固定在汽轮机定子1的上方且其上方与上接口7连通，下端盖3通过法兰固定在汽轮机定子1下方且其下方与下接口8连通，上述汽轮机的构件均封闭在散热保护外壳9之中。汽轮机永磁转子组件4的旋转磁场通过汽轮机定子1直接输出到定子绕组5，加上散热保护外壳9及输出电流接线盒6组成全封闭汽轮机及其一体化永磁发电机组。全封闭汽轮机及其一体化永磁发电机组垂直安装。

具体而言，如图3所示，所述汽轮机定子1包括圆筒10，圆筒10由整段导磁不锈钢厚壁制成。圆筒10内壁设有从径向看呈矩形或u型的内凹槽11。内凹槽11的尺寸和数量与圆筒的直径和壁厚相适应，且呈至少为2个的偶数对称分布，本实施例中，内凹槽11的数量设置为4个。内凹槽11与圆筒的轴向呈一定的角度，角度大小与圆筒10的直径、长度相适应，且角度必须为锐角，内凹槽11即为汽轮机工质的主流道。内凹槽11的中间段深度均匀，在内凹槽的上下两端对应设有上下两个过渡段，内凹槽11的深度从中间段向上下两端经过渡段逐渐过渡到零深度并延长适当的长度，以便与其它构件连接。圆筒外壁设有与内壁的内凹槽11相间排列的从径向看呈矩形或u型的外凹槽12，外凹槽12的尺寸和数量与圆筒的直径和壁厚相适应，且呈至少为2个的偶数对称分布，本实施例中，外凹槽12的数量设置为4个。外凹槽12与圆筒轴向呈一定的角度，角度大小与圆筒的直径、长度相适应，且角度设置为锐角。与内凹槽11不同，外凹槽12整段深度均匀，不需要过渡段，但外凹槽12的上、下两端分别设有上环形凹槽121和下环形凹槽122，以便定子绕组5缠绕。

更具体的说，圆筒形汽轮机定子1内壁的内凹槽11和外壁的外凹槽12呈锯齿状相间排列，内壁类似炮筒膛线，成为汽轮机工质的主流道，工质高速旋转通过主流道，带动汽轮机永磁转子组件4旋转，同时防止磁路在整段导磁不锈钢圆筒上短路，使磁路与绕组实现有效切割。

如图4所示，汽轮机永磁转子组件4包括圆棒40，圆棒40为整块永磁不锈钢，圆棒40外壁设有从径向看呈矩形或u型的转子凹槽41。转子凹槽41的尺寸和数量与圆棒的直径相适应，且呈至少为2个的偶数对称分布，在本实施例中，转子凹槽41的数量设置为2个。转子凹槽41与圆棒轴向平行，转子凹槽41的径向边缘即为汽轮机永磁转子组件4的叶轮。此外，转子凹槽41也可设计为更为复杂的结构，即转子凹槽41中间段深度均匀，而在其上下两端分别设置上、下两个过渡段，该过渡段使转子凹槽41从中间段深度逐渐过渡到零深度并延长适当的长度，这种结构可引导气流主要通过定子流道流过，防止气流从转子凹槽41流过而使气流短路，从而提高汽轮机效率。圆棒的上、下圆心位置对应设有不完整的上半球形凹槽401和下半球形凹槽402，上半球形凹槽401和下半球形凹槽402分别与上端盖2和下端盖3连接。

在本实施例中，汽轮机永磁转子组件4采用最简单的结构，即设置2个转子凹槽41，转子凹槽41间隔180°，径向充磁，2个转子凹槽41正好为n和s磁极的分界线，定子绕组5可以设置为简单连续的波浪形单向绕组，发电机组输出单相交流电；定子绕组5也可以设置为交叉型三相绕组，输出三相交流电。汽轮机永磁转子组件4的圆棒40也可以为非磁性金属材料与永磁材料组合而成，汽轮机叶片及叶轮也可以采用普通汽轮机结构。定子绕组5也可以内置，只要与工质相容，输出端密封可靠，可采用常见永磁风力发电机组的内置绕组结构，效率高。

如图5、图6、图7所示，所述上端盖2包括上端盖圆棒20，上端盖圆棒由整块不锈钢或其它金属材料制成，上端盖圆棒20的上端连接上接口7，下端设有上端盖法兰边200，上端盖2通过法兰与圆筒形汽轮机定子1连接于一体。上端盖圆棒20的下端设置有呈六边形布置的上贯通圆孔201和位于上贯通圆孔底部中间不完整的上端盖半球形凹槽202。上贯通圆孔201形成工质通道，上端盖半球形凹槽202和上半球形凹槽401呈上下对称配合，两个半球形凹槽之间内置有一颗上球形滚珠203，上球形滚珠203和两个半球形凹槽组成最简单的推力轴承结构。对于直径较大的转子也可采用稳定性更高的普通推力轴承。

如图8所示，下端盖3包括下端盖圆棒30，下端盖圆棒由整块不锈钢或其它金属材料制成，下端盖圆棒30的下端连接下接口8，上端设有下端盖法兰边300，下端盖通过法兰与圆筒形汽轮机定子1的底部连接为一体。下端盖圆棒30的上端设置有呈六边形布置的下贯通圆孔301和位于下贯通圆孔中间不完整的下端盖半球形凹槽302。下贯通圆孔301形成工质通道，下端盖半球形凹槽302和下半球形凹槽402呈上下对称配合，两个半球形凹槽之间内置一颗下球形滚珠303，下球形滚珠303和对应两个半球形凹槽组成最简单的推力轴承结构，对于直径较大的转子也可采用稳定性更高的普通推力轴承。

如图9所示，与上贯通圆孔201的同径不同，下贯通圆孔301为下端直径最大，向上渐缩至最小，然后又向上适当放大的喷嘴结构，工质在此处发生节流膨胀，减压加速流动。

上接口7与上端盖2之间、下接口8与下端盖3之间分别通过法兰连接，上接口7和下接口8的另一端通过螺纹连接太阳能温差系统的其它连接管道。

在本实施例的全封闭汽轮机整个结构中，不存在动密封，只有4个法兰密封和2个螺纹密封共6个静密封结构。另外，在加工工艺方便实现的条件下，上端盖2和上接口7可以合并，下端盖3与下接口8可以合并，这样密封面可以从6个减为4个，即2个法兰密封和2个螺纹密封，降低了阻力，提高了系统的可靠性和安全性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。