螺旋通道式汽轮机及汽轮机设备的制作方法

本实用新型涉及汽轮机技术领域，尤其是涉及一种螺旋通道式汽轮机及汽轮机设备。

背景技术：

汽轮机不仅可作为发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等，还可用于低沸点工质汽轮机系统。在产生电能的过程中，汽轮机将锅炉传递来的蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力，通过传动连接的发电机进行发电。

但是发电厂使用的传统汽轮机，体积笨重，结构复杂，造价昂贵。例如，发电厂使用的传统汽轮机，包括转动部分和静止部分两个部分。静止部分又称静子，静子由进汽部分、汽缸、隔板和静叶栅、汽封及轴承等结构组成。静止部分中的汽缸是汽轮机的外壳，它将汽轮机的通流部分与大气隔开，形成汽轮机内部封闭的汽室，保证蒸汽在汽轮机内部完成能量的转换过程。汽缸内安装着喷嘴室、隔板、隔板套等零部件；汽缸外连接着进汽、排汽、抽汽等管道。转动部分又称转子，转子由主轴、叶轮、动叶片和联轴器等结构组成。从中可以看出传统汽轮机的结构复杂。

此外，汽缸的高、中压段一般采用非常厚的合金钢或碳钢铸造而成，工艺复杂成本高，存在受热不均会导致缸体容易变形等等弊端；转子一般采用合金钢锻件整体加工而成，加工后的转子需要被进一步的精加工，而且必须在装配上所有的叶片，进行全速转动试验和精确动平衡之后才能安装在汽轮机上；套装转子、叶轮、轴封套、联轴节等部件都是分别加工后，热套在阶梯型主轴上的，且各部件与主轴之间采用过盈配合，以防止叶轮等因离心力及温差作用引起松动，并用键传递力矩；锻件大，加工工艺要求高，加工周期长，而且大锻件质量难以保证。从中可以看出传统汽轮机的制造工艺及装配工艺复杂、装配精度要求高。

另外，汽轮机工作的时候，入口的高压蒸汽与汽轮机每一级叶片，都是垂直接触，尤其是汽轮机末级叶片，叶片外径的线速度非常高。如果蒸汽中有水滴成分，水滴垂直撞击汽轮机末级叶片，巨大的线速度和垂直撞击，很有可能造成汽轮机末级叶片疲劳甚至损坏。如果蒸汽的垂直速度携带着铁锈、铁砂和水垢等物质，进入到汽轮机内、并垂直撞击叶片，将导致叶片的损坏，尤其是高速旋转的末级叶片。如果断掉的叶片在汽轮机缸体内来回高速撞击，这很有可能造成汽轮机整机报废，甚至出现更为严重的事故。从中可以看出，传统汽轮机在使用中的维护和维修工序较为复杂、成本较高且末级叶片易损坏。

传统的汽轮机由于对汽体流通通道的要求，造成整体结构复杂、装配精度要求高、在使用中的维护和维修工序较为复杂、制造成本高的问题。因此需要提供一种气道更为简单、结构更为简化、性能更为持久的汽轮机。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种螺旋通道式汽轮机及汽轮机设备，以解决现有汽轮机结构复杂、制造工艺复杂、装配工艺要求高、维修工序复杂以及汽轮机末级叶片容易损坏的技术问题。该螺旋道式汽轮机主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等，还可用于低沸点工质汽轮机系统。

第一方面，本实用新型提供一种螺旋通道式汽轮机，包括：汽轮机壳体、旋转轴、螺旋转子、底板、螺旋转子封口和转子保护层和排汽管道，其中：

所述汽轮机壳体内部形成一个腔体；所述旋转轴枢装于所述汽轮机壳体内、且所述旋转轴贯穿所述汽轮机壳体；所述螺旋转子位于所述腔体内、且与所述旋转轴固接；所述底板与所述螺旋转子封口和转子保护层配合形成一端开口、且包裹于所述螺旋转子外侧的套筒，所述螺旋转子与所述套筒配合形成螺旋通道，且沿所述旋转轴的轴心线，所述螺旋通道包括第一端和第二端，沿所述旋转轴的轴心线方向所述第一端靠近所述底板，所述第二端远离所述底板，且沿所述第一端到所述第二端方向，所述螺旋通道单位长度的容积逐渐增大；所述旋转轴上设有蒸汽通道，所述蒸汽通道一端开口在所述旋转轴的端面上，另一端开口在所述第一端的起始位置；

所述排汽管道设置于所述汽轮机壳体上，位于所述第二端的出口位置，用于将所述螺旋通道排出的汽体排出。

进一步地，所述螺旋通道的匝道沿所述第一端到所述第二端方向的尺寸逐渐增大。

进一步地，所述螺旋转子为多级，从所述底板开始沿所述旋转轴的长度方向，后一级的所述螺旋转子的叶片半径大于前一级所述螺旋转子的叶片。

进一步地，还包括用于向所述螺旋通道供汽的进汽管道，所述进汽管道与所述旋转轴的端面开口处形成对接。

进一步地，所述汽轮机壳体包括底座和上盖，所述底座与所述上盖具有一体式结构；或者，

所述底座与所述上盖可拆卸连接。

进一步地，所述旋转轴与所述汽轮机壳体连接处安装有轴承，所述底座上设置有用于固定所述轴承的轴承座。

进一步地，所述进汽管道与所述旋转轴连接处设置有用于防止连接处漏汽的第一轴封，且所述第一轴封与所述进汽管道具有一体式结构；所述旋转轴远离所述底板的一端设置有用于防止汽体从所述轴承与所述旋转轴连接处排出的第二轴封。

进一步地，所述旋转轴远离所述进汽管道的一端的尾端设置有止推轴承，所述止推轴承用于限制所述旋转轴的轴向位置。

进一步地，还包括温度控制设备和压力控制设备，所述温度控制设备用于检测所述腔体内的温度高低，所述压力控制设备用于检测所述腔体内的压力大小。

第二方面，本实用新型还提供一种汽轮机设备，包括如上述技术方案中提出的任一种螺旋通道式汽轮机。

本实用新型提供的螺旋通道式汽轮机及汽轮机设备能产生如下有益效果：

本实用新型提供一种螺旋通道式汽轮机，包括：汽轮机壳体、旋转轴、螺旋转子、底板、螺旋转子封口和转子保护层和排汽管道，其中：汽轮机壳体内部形成一个腔体；旋转轴枢装于汽轮机壳体内、且旋转轴贯穿汽轮机壳体；螺旋转子位于腔体内、且与旋转轴固接；底板与螺旋转子封口和转子保护层配合形成一端开口、且包裹于螺旋转子外侧的套筒，螺旋转子与套筒配合形成螺旋通道，且沿旋转轴的轴心线，螺旋通道包括第一端和第二端，沿旋转轴的轴心线方向第一端接近底板，第二端远离底板，且沿第一端到第二端方向，螺旋通道单位长度的容积逐渐增大；旋转轴上设有蒸汽通道，蒸汽通道一端开口在旋转轴的端面上，另一端开口在第一端的起始位置；排汽管道设置于汽轮机壳体上，位于第二端的出口位置，用于将螺旋通道排出的汽体排出。使用时，蒸汽从旋转轴端面上的开口进入、且流经蒸汽通道进入螺旋通道的第一端的起始位置；由于螺旋通道一端有底板阻挡，蒸汽只能够从另一端出去，并且螺旋通道单位长度的容积逐渐增大，流入第一端的蒸汽沿着螺旋通道流动，逐级泄压，并推动螺旋转子转动；螺旋转子转动的同时带动与其固接的旋转轴转动，旋转轴的输出端输出动能，带动发电机设备发电输出或驱动其他装置。本实用新型提供的螺旋通道式汽轮机不仅整机结构简单、体积小、质量轻、维修及养护工序简易、装配及制造工艺简单，而且蒸汽沿螺旋通道流动，末级叶片不易损坏，螺旋转子使用寿命长，从而本实用新型提供的螺旋通道式汽轮机使用寿命长。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的螺旋通道式汽轮机及汽轮机设备中单级螺旋转子结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的安装有单级螺旋转子的螺旋通道式汽轮机结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的螺旋通道式汽轮机及汽轮机设备中两级螺旋转子结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的安装有两级螺旋转子的螺旋通道式汽轮机结构示意图。

图标：101－上盖；102－底座；2－旋转轴；201－蒸汽通道；3－螺旋转子；301－第一端；302－第二端；4－底板；5－螺旋转子封口和转子保护层；6－排汽管道；7－进汽管道；8－轴承；9－轴承座；10－第一轴封；11－第二轴封；12－止推轴承。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

汽轮机设备中汽轮机是必不可少的装置。汽轮机不仅可作为发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等，还可用于低沸点工质汽轮机系统。发电系统中锅炉通过燃烧燃料，产生蒸汽，蒸汽通过管道进入汽轮机的气道内，驱动汽轮机的转子转动，汽轮机转子转动后带动与其相连的旋转轴2转动，旋转轴2的输出端与发电机相连，带动发电机发电，进行电力输出。在发电系统供电的过程中，汽轮机起到了至关重要的作用，汽轮机将蒸汽的能量转换成为输出轴的旋转式动力，带动发电机供电。

此外，汽轮机可通过其旋转轴的输出端直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等，还可用于低沸点工质汽轮机系统。

本实用新型提供一种汽轮机设备，包括以下技术方案中提出的任一种螺旋通道式汽轮机。

如图1－2所示，本实用新型提供一种螺旋通道式汽轮机，包括：汽轮机壳体、旋转轴2、螺旋转子3、底板4、螺旋转子封口和转子保护层5和排汽管道6，其中：

汽轮机壳体内部形成一个腔体；旋转轴2枢装于汽轮机壳体内、且旋转轴2贯穿汽轮机壳体；螺旋转子3位于腔体内、且与旋转轴2固接；底板4与螺旋转子封口和转子保护层5配合形成一端开口、且包裹于螺旋转子3外侧的套筒，螺旋转子3与套筒配合形成螺旋通道，且沿旋转轴2的轴心线，螺旋通道包括第一端301和第二端302，沿旋转轴2的轴心线方向第一端301靠近底板4，第二端302远离底板4，且沿第一端301到第二端302方向，螺旋通道单位长度的容积逐渐增大；旋转轴2上设有蒸汽通道201，蒸汽通道201一端开口在旋转轴2的端面上，另一端开口在第一端301的起始位置；

排汽管道6设置于汽轮机壳体上，位于第二端302出口位置，用于将螺旋通道排出的汽体排出。

具体的，使用时，蒸汽从旋转轴2端面上的开口进入、且流经蒸汽通道201进入螺旋通道的第一端301的起始位置；由于螺旋通道一端有底板4阻挡，蒸汽只能够从另一端出去，并且螺旋通道单位长度的容积逐渐增大，流入第一端301的蒸汽沿着螺旋通道流动，逐级泄压，并推动螺旋转子3转动；螺旋转子3转动的同时带动与其固接的旋转轴2转动，旋转轴2的输出端输出动能，带动发电机设备发电输出或驱动其他装置。本实用新型提供的螺旋通道式汽轮机不仅整机结构简单、体积小、质量轻、维修及养护工序简易、装配及制造工艺简单，而且蒸汽沿螺旋通道流动，末级叶片不易损坏，螺旋转子3使用寿命长，从而本实用新型提供的螺旋通道式汽轮机使用寿命长。

需要说明的是，由于螺旋通道被底板4与螺旋转子封口和转子保护层5形成的一端开口的套筒包裹，且螺旋转子3与套筒配合形成螺旋通道，从蒸汽通道201进入螺旋通道第一端301的高压蒸汽，只能沿螺旋通道由第一端301向第二端302方向流动。因为沿第一端301到第二端302方向，螺旋通道单位长度的容积逐渐增大，高压蒸汽在由第一端301流向第二端302的过程中逐渐泄压形成乏汽，并且在该过程中蒸汽对螺旋转子3做功、推动其转动；最终泄压之后的乏汽从第二端302的开口处流出，充盈汽轮机壳体形成的腔体内部。为了保证汽轮机的安全性，在汽轮机壳体上设置有排气管道，泄压之后的乏汽通过排出管道排出腔体的内部。

需要说明的是，高压蒸汽进入到螺旋通道的第一端301后，顺着螺旋通道的旋转轨道进行流动、逐级泄压，即使高压蒸汽里面夹杂着例如，水滴、铁锈、铁砂和水垢等异物进入到螺旋通道式汽轮机的螺旋通道内，也会顺着螺旋通道排出，不会对螺旋转子3造成较大的伤害。本实用新型提供的螺旋通道式汽轮机的螺旋转子3使用寿命长。

由于高压蒸汽通过蒸汽通道201进入到螺旋通道的第一端301，所以第一端301为高压区；因为沿第一端301到第二端302方向，螺旋通道单位长度的容积逐渐增大，高压蒸汽在由第一端301流向第二端302的过程中逐渐泄压，所以第二端302为低压区。

另外，底板4与螺旋转子封口和转子保护层5形成的套筒与螺旋转子3及旋转轴2相互配合，将进入高压区的高温蒸汽封闭于螺旋通道内，使其只能沿螺旋通道流动而不发生其他部位的汽体泄露，底板4与螺旋转子封口和转子保护层5需要承受高压蒸汽作用于其上的力的作用。基于此，选取底板4与螺旋转子封口和转子保护层5的材料为合金钢，且对二者进行加厚处理，具体的厚度大小可依据进入汽轮机的高压蒸汽的最高压力进行设定。优选地，选取底板4与螺旋转子封口和转子保护层5为双层结构。

另外，螺旋转子封口和转子保护层5可为两层，一层为用于封闭螺旋转子3的相邻两叶片的侧边以形成螺旋通道的封口，一层为裹覆于若干封口与螺旋转子3叶片形成的结构外侧的外壳体，该外壳体与底板4配合形成一端开口、且包裹于螺旋转子3外侧的套筒。

为了使通过蒸汽通道201进入第一端301的高压蒸汽沿第一端301到第二端302方向移动，螺旋通道单位长度的容积逐渐增大。

使螺旋通道单位长度的容积增大的方法是，螺旋通道的匝道沿第一端301到第二端302方向的尺寸逐渐增大。

具体地，如图1－2所示，高压蒸汽通过旋转轴2上的蒸汽通道201进入到螺旋通道的第一端301，所有的高压蒸汽都被密封在螺旋通道内，高压蒸汽将力作用在螺旋转子3上。螺旋转子3承受的压力等于压强和受力面积的乘积，由于第一端301即高压区匝道的面积非常小，所以受力面积非常小，因此该处螺旋转子3承受的压力就比较小；之后，高压蒸汽沿螺旋通道不断地膨胀容积，不断的做功并消耗压力及能量；经过几十级甚至更多的螺旋道并伴随着能量的不断衰减，最后从螺旋通道的第二端302的尾端排出没有压力的乏汽；汽轮机壳体上的排汽管道6将腔体内的乏汽排出，使其进入到凝汽器进行冷凝，进行剩余热量的利用，并且还原成为冷凝水继续循环使用。

虽然沿第一端301到第二端302方向，螺旋通道的匝道尺寸逐渐增大可以增大螺旋通道单位长度的容积，但是该方法并不是无限的。如果一味的选择增大匝道尺寸的方法来增大螺旋通道的单位长度的容积，与螺旋转子3固接的旋转轴2的长度就要做的很长，该状态下不仅旋转轴2的强度与刚度要求需提高很多，而且整机的尺寸很大。

因此为了进一步优化本实用新型提供的螺旋通道式汽轮机，使其适应大功率状态下的使用需求。如图3－4所示，螺旋转子3设置为多级，从底板4开始沿旋转轴2的长度方向，后一级的螺旋转子3的叶片半径大于前一级螺旋转子3的叶片。

可选取螺旋转子3为两级，前一级螺旋转子3及套筒和旋转轴2组成高压缸，后一级螺旋转子3及部分套筒和旋转轴2组成低压缸；或者，可选取螺旋转子3为三级甚至更多级。具体地，后一级螺旋转子3的叶片与前一级螺旋转子3的叶片具有一体式结构，二者形成整个螺旋转子3。后一级螺旋转子3的叶片形成的螺旋通道的匝道大小也遵循上一级螺旋转子3的叶片形成的螺旋通道的匝道大小变化规律，即螺旋通道的匝道沿第一端301到第二端302方向的尺寸逐渐增大。但是后一级螺旋转子3形成的起始匝道的大小，需根据前一级螺旋转子3形成的尾端匝道的容积及后一级螺旋转子3的叶片的半径进行计算后确定。

需要说明的是，螺旋转子3的叶片角度可影响蒸汽在螺旋通道内的流动速度。在相同结构的汽轮机中，只改变螺旋转子3的叶片角度，当螺旋转子3的叶片与旋转轴2的中心线的垂直方向夹角大时，汽体通过螺旋通道的速度快；当螺旋转子3的叶片与旋转轴2的中心线的垂直方向夹角小时，汽体通过螺旋通道的速度慢。

另外，由于螺旋转子3需要接触高压蒸汽，并执行整个汽轮机的核心任务，选取螺旋转子3的材料为优质合金钢。汽轮机的螺旋转子3一般为几十匝以上，其每个叶片只承受前后螺旋通道内的压力差，所以不需要很厚。但在设计及制造螺旋转子3时要尽可能考虑其余量厚度，保证汽轮机螺旋道压力，能够完全控制在绝对安全的范围内。争取可以做到整个汽轮机转子一次性投入，螺旋道不需要再打开和进行检修。

本实用新型提供的螺旋通道式汽轮机还包括用于向螺旋通道供汽的进汽管道7，进汽管道7与旋转轴2的端面开口处形成对接。

具体地，进汽管道7与旋转轴2端面上的蒸汽通道201开口相连，从锅炉排出的高压蒸汽依次通过进汽管道7和蒸汽通道201，进入到螺旋通道的第一端301。

另外，汽轮机壳体包括底座102和上盖101，底座102与上盖101具有一体式结构；或者，

底座102与上盖101可拆卸连接。

具体地，优选汽轮机壳体的底座102与上盖101为可拆卸结构。底座102与上盖101的可拆卸结构，便于螺旋通道式汽轮机的制造、装配及维护。由于旋转轴2放置于底座102上，且旋转轴2上连接有螺旋转子3、底板4、螺旋转子封口和转子保护层5等结构，整体重量较大，底座102需要选取较厚的合金钢以满足整个螺旋通道式汽轮机的稳定性与安全性。但因为旋转轴2上的重量小于传统汽轮机旋转轴2上的重量，本实用新型提供的螺旋通道式汽轮机的底座102厚度远小于传统汽轮机的底座102厚度。

此外，因为上盖101与底座102形成的腔体内为泄压之后的乏汽，上盖101和底座102并不与高压蒸汽接触，所以上盖101选用一般钢材或者合金钢即可，而且上盖101厚度可远远小于传统汽轮机的上盖101厚度。总之概括起来说，与传统汽轮机相比，本实用新型提供的螺旋通道式汽轮机不需要拥有传统汽轮机很厚的合金钢汽缸体，本实用新型提供的螺旋通道式汽轮机的重量和成本造价会降低很多。

另外，由于旋转轴2在螺旋转子3的带动下高速的旋转，旋转轴2与汽轮机壳体枢装处容易发生磨损，所以在旋转轴2与汽轮机壳体连接处安装轴承8，底座102上设置用于固定轴承8的轴承座9。轴承座9与底座102可为一体式结构。

另外，为了防止锅炉排出的高压蒸汽在进汽管道7与旋转轴2连接处发生泄露，在该位置设置有用于防止连接处漏汽的第一轴封10，且第一轴封10与进汽管道7具有一体式结构，严防高压蒸汽的泄漏；此外，为了防止汽轮机壳体形成的腔体内的乏汽泄露，而不便于排汽管道6进行乏汽的排出与利用，在旋转轴2远离底板4的一端设置有用于防止汽体从轴承8与旋转轴2连接处排出的第二轴封11。

另外，为了防止旋转轴2在转动时，发生沿中心线方向的晃动，旋转轴2远离进汽管道7的一端的尾端设置有止推轴承12，止推轴承12用于限制旋转轴2的轴向位置，从而限制螺旋转子3不发生轴向和径向位移。

本实用新型提供的螺旋通道式汽轮机还包括温度控制设备和压力控制设备，温度控制设备用于检测腔体内的温度高低，压力控制设备用于检测腔体内的压力大小。温度控制设备和压力控制设备能够保护螺旋通道式汽轮机设备进行长期和稳定的运转。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。