全封闭汽轮机调速结构及其采用该结构的汽轮机装置的制作方法

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调速结构及其采用该结构的汽轮机装置。

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。

全封闭汽轮机用于太阳能低温差发电系统中，可将低沸点工质动能转化为机械能及电能，但全封闭汽轮机尚存在转动速度无法自动调节的问题。在太阳能低温差发电系统中，由于蓄热、蓄冷水槽水温变化及用电负荷波动都会影响汽轮机转子转速，从而影响到输出电流的频率和功率。汽轮机转速虽然可以采用程序控制调节进气阀流量的方法进行调节，或对输出电流进行品质优化，但二者均属于复杂的自控技术，程序复杂且可靠性难以保证。另外，由瓦特发明的离心摆锤流量与速度调节结构，采用机械原理解决了蒸汽机的速度调节问题，但该调节机构采用了较多的复杂结构及构件，其传动机构涉及动密封，装配和使用都较为复杂。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供一种全封闭汽轮机调速结构及其采用该结构的汽轮机装置，解决太阳能低温差发电系统中全封闭汽轮机的速度自动调节问题，稳定输出电流的频率和功率，优化电流品质。

为解决上述技术问题，本发明采用以下方案：

全封闭的汽轮机调速结构，包括圆筒形汽轮机定子、整体永磁转子、转子轴和上端盖，所述上端盖固定在汽轮机定子的上方，转子轴的顶端固定在上端盖上，整体永磁转子套接在转子轴的外侧。所述整体永磁转子的上端设有半纺锤形或锥形的转子头，转子头上方设有上环状凸起，所述上端盖的中部设有非贯通的圆柱形上凹槽，上凹槽套接在上环状凸起上并与上环状凸起相互配合形成阻尼盒，起到缓冲和制动的作用；上凹槽的下方设有向下扩口的喇叭口，所述喇叭口的曲面与转子头的半纺锤形或锥形曲面形成向上逐渐缩小的环状配合间隙；全封闭汽轮机调速结构上、下方向垂直安装。

随着整体永磁转子转速增大和向上移动，环状配合间隙逐渐缩小，配合间隙缩小后工质流动阻力增大，使得工质流量逐渐减小，进而又使整体永磁转子转速减慢，转速减慢后整体永磁转子高度回落，环状配合间隙又增大，使得工质流动阻力又减小，流量加大，进而整体永磁转子转速增大。这种循环使整体永磁转子转速稳定在一定的范围，最后输出额定的转速和功率，进而使同步的发电机以相对稳定的频率和功率输出电流。

如上所述的全封闭汽轮机调速结构，所述整体永磁转子外观呈上下不对称的纺锤形或炮弹形，其中部设有沿旋转轴方向上下延伸的等径纵贯孔洞，纵贯孔洞与转子轴配合，使整体永磁转子套接在转子轴外侧并绕转子轴转动。整体永磁转子的外壁设有从径向看呈矩形或u型的转子凹槽，用于引导气流通过并起到冲动式转子叶轮的作用。

所述上端盖包括上端盖圆棒和上端盖圆棒下端的上端盖法兰边，所述上端盖圆棒上设有呈六边形布置的上贯通圆孔，上贯通圆孔为工质流道。所述圆柱形上凹槽位于六个上贯通圆孔的中间，所述喇叭口的上端口边缘设置于上贯通圆孔的外缘，以减小不必要的气流阻力。

所述上凹槽的中心位置设有与转子轴配合连接的螺纹接口，转子轴的顶端通过螺纹与上端盖连接。

本发明还提供一种汽轮机装置，包含如上所述的全封闭汽轮机调速结构，还包括与调速结构配合的下端盖及其上接口和下接口，所述下端盖固定在汽轮机定子的下方，上端盖的上方与上接口连通，下端盖的下方与下接口连通，汽轮机装置上、下方向垂直安装。

进一步地，如上所述的汽轮机装置，所述整体永磁转子的下端设有曲面状动叶片，动叶片的下方设有下环状凸起。动叶片的外壁设有与转子凹槽上下对应的矩形或u型凹槽，曲面状动叶片周围的气流导向介于冲动和反动之间，以提高整体转子向上运动的反冲力，沿转子凹槽向上，气流导向渐变为纯冲动式。

所述汽轮机装置的下端盖包括下端盖圆棒和下端盖圆棒上端的下端盖法兰边，下端盖圆棒上开设有呈六边形布置的下贯通圆孔，下贯通圆孔为工质通道。下贯通圆孔的中间设置有非贯通的圆柱形下凹槽，所述下凹槽套接在整体转子的下环状凸起上并与下环状凸起配合形成阻尼盒，起到缓冲和制动的作用。

上贯通圆孔为上下同径的圆孔，与上贯通圆孔不同，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。

所述下凹槽的中心设有与转子轴配合的螺纹接口，转子轴的底端通过螺纹与下端盖固定连接。所述转子轴靠近上、下两端的位置分别设有环形槽，所述环形槽的外侧套有滑环，滑环采用氟塑料或其他柔性材料制成，起到缓冲偏心摆动的作用，滑环也可用结构复杂的直线轴承代替。

所述上接口与上端盖之间、下接口与下端盖之间可采用螺纹连接，也可采用法兰连接。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的全封闭汽轮机调速结构，汽轮机永磁转子的上部端头设计为整体加工的渐变曲面，通过汽轮机转子转速的不同，自动调节转子的高低位置，转子的上部端头自身充当类似阀门的阀芯，自动调节转子的上端部与定子内缘的间隙，从而调节汽轮机工质流量，流量大小又反馈到汽轮机转子转速，通过这种自反馈循环，汽轮机转速稳定在一定范围，最后输出额定的转速和功率，进而使同步的发电机以稳定的频率和功率输出电流。本发明全封闭汽轮机调速结构可以有其它变体结构，除了应用在全封闭汽轮机调速之外，还可应用在管道的流量调节。

2、本发明的全封闭汽轮机调速结构为机械调速，结构简单，运行可靠。整个结构无常规的轴封结构，转子轴密封在定子内部且固定，不转动，并且没有现有离心调速器的飞锤、传动杆、阀门活塞、弹簧等复杂结构及构件，简化结构的同时维持了结构性能。汽轮机调速结构采用上、下方向垂直安装，受力均匀，摩擦阻力小。

3、本发明的汽轮机调速结构及汽轮机装置采用上、下方向垂直安装，受力均匀，摩擦阻力小。端盖凹槽与永磁转子端部的环状凸起相互配合形成阻尼盒，起到过速保护、缓冲和自动制动的作用，工质蒸汽即为阻尼介质，应用方便。

4、本发明的汽轮机装置，结构紧凑，可拆卸，装配和维护简单方便。装置的转子轴靠近上、下两端的位置套有柔性滑环，可缓冲偏心摆动。本装置还解决了永磁发电机组的转子速度自动调节问题，稳定了输出电流的频率和功率，优化了电流品质。

附图说明

图1为本发明实施例一的整体结构示意图；

图2为图1中整体永磁转子结构示意图；

图3为图1中上端盖结构示意图；

图4为图3的内部结构示意图；

图5为图3的a-a向截面图；

图6为本发明实施例二的整体结构示意图；

图7为图6中整体永磁转子结构示意图；

图8为图6中下端盖结构示意图；

图9为图8的内部结构示意图；

图10为图8的b-b向截面图；

图11为本发明实施例二的转子轴结构示意图；

附图标记：1-整体永磁转子，10-纵贯孔洞，11-转子头，110-上环状凸起，12-动叶片，120-下环状凸起，121-转子凹槽，2-转子轴，21-上环形凹槽，22-下环形凹槽，3-汽轮机定子，4-上端盖，40-上端盖圆棒，400-上端盖法兰边，401-上贯通圆孔，402-上凹槽，403-上螺纹接口，404-喇叭口，405-配合间隙，5-下端盖，50-下端盖圆棒，500-下端盖法兰边，501-下贯通圆孔，502-下凹槽，503-下螺纹接口，6-上接口，7-下接口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提出的一种全封闭汽轮机调速结构及装置进行更详细的描述。

实施例一

如图1、图2所示，本发明全封闭汽轮机调速结构的一种实施例，包括圆筒形整体永磁转子1、转子轴2、汽轮机定子3和上端盖4，上端盖4固定在汽轮机定子3的上方，转子轴2的顶端固定在上端盖4上。如图2所示，整体永磁转子1的中部设有沿轴向上下延伸的等径纵贯孔洞10，纵贯孔洞10与转子轴2配合，使整体永磁转子1套接在转子轴2外侧并绕转子轴转动。整体永磁转子1的上端设有半纺锤形的转子头11，转子头上方设有上环状凸起110，上环状凸起110伸入上端盖4内，全封闭汽轮机调速结构上、下方向垂直安装。

如图3、图4、图5所示，上端盖4包括上端盖圆棒40和上端盖圆棒下端的上端盖法兰边400，上端盖圆棒40由整块不锈钢或其它金属材料制成，上端盖4的底部通过法兰与汽轮机定子3的顶部连接为一体。上端盖圆棒40上开设有呈六边形布置的上贯通圆孔401，上贯通圆孔401为工质通道，六个上贯通圆孔401的中部设置有非贯通的圆柱形上凹槽402，上凹槽402套在整体永磁转子上端部的环状凸起110上，两者精密配合共同形成一个阻尼盒，起到缓冲和制动作用。上凹槽402的下方设有向下扩口的喇叭口404，喇叭口404的上端口边缘设置于上贯通圆孔的外缘，喇叭口404边缘处所在的曲面与半纺锤形转子头11的曲面形成向上逐渐缩小的环状配合间隙405。

工作时，环状配合间隙405随着整体永磁转子1转速增大并向上移动而逐渐缩小，配合间隙405缩小后工质流动阻力增大，使得工质流量逐渐减小，进而又使整体永磁转子1转速减慢，减慢后整体永磁转子1高度回落，环状配合间隙又增大，使得工质流动阻力又减小，流量加大，整体永磁转子1转速增大，这种循环使整体永磁转子1转速稳定在一定的范围，最后输出额定的转速和功率。

更具体来说，整体永磁转子1的外壁设有从径向看呈矩形或u型的转子凹槽121，用于引导气流通过并起到转子叶轮的作用。上凹槽402的中心位置设有与转子轴2的顶端配合连接的上螺纹接口403，转子轴的顶端通过螺纹与上端盖连接。

实施例二

如图6所示，本发明的汽轮机装置的一种实施例，包含实施例一中所述的全封闭汽轮机调速结构，还包括与调速结构配合的下端盖5、上接口6和下接口7，下端盖5固定在汽轮机定子3的下方，上端盖4的上方与上接口6连通，下端盖5的下方与下接口7连通。

具体来说，如图7所示，本汽轮机装置中，整体永磁转子1的外观呈不对称纺锤形或炮弹形。整体永磁转子1的下端设有曲面状动叶片12，动叶片12的下方设有下环状凸起120。介于冲动式与反动式之间的动叶片结构的流道逐渐过渡到转子凹槽上下对应的矩形或u型凹槽，曲面状动叶片周围的气流导向介于冲动式和反动式之间，沿转子凹槽121向上，气流导向渐变为纯冲动式。介于冲动式与反动式之间的的动叶片结构增加了转子整体向上的反冲升力。

如图8、图9、图10所示，汽轮机装置中的下端盖5包括下端盖圆棒50，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50的下端连接下接口7，上端设有下端盖法兰边500，下端盖通过法兰与圆筒形汽轮机定子3的底部连接为一体。下端盖圆棒500上设有呈六边形布置的下贯通圆孔501和位于下贯通圆孔中间非贯通的圆柱形下凹槽502。下贯通圆孔501形成工质通道，下凹槽502的中心设有与转子轴2连接的下螺纹接口503，下凹槽502套在整体永磁转子下端的环状凸起120上，两者精密配合共同形成一个阻尼盒，起到缓冲和制动作用。上贯通圆孔401为上下同径的圆孔，与上贯通圆孔的同径不同，下贯通圆孔501为下端最大，向上减缩至最小，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。下端盖5的阻尼盒底部，有一个o型滑环凹槽及嵌入其中的o型滑环，其作用是降低整体永磁转子1的启动摩擦阻力。

如图11所示，本汽轮机装置的转子轴2为一圆柱形金属杆，转子轴的上、下两端分别设置有与上螺纹接口403和下螺纹接口503配合的螺纹接头，转子轴2通过上述两个螺纹接头固定在上端盖4和下端盖5之间。转子轴2靠近上、下两端的部位，分别设有上环形槽21和下环形槽22，上环形槽21和下环形槽22套有氟塑料或其它材料的滑环，滑环为最简单的结构，性能稳定，易于装配。

所述上接口6与上端盖4之间、下接口7与下端盖5之间可采用螺纹连接，也可采用法兰连接。通常情况下，小口径采用螺纹连接，大口径采用法兰连接。

本实施例的汽轮机装置，整体永磁转子在高速转动下，气流及其反动冲力、浮力与重力以及摩擦阻力将达到动态平衡，整体永磁转子将悬浮在一定的高度，整体永磁转子成为一个悬浮的管道阀芯，自动调节转子的上端部与定子内缘的间隙，从而调节汽轮机工质流量，流量大小又反馈到汽轮机转子转速，通过这种自反馈循环，汽轮机转速稳定在一定范围，最后输出额定的速率和功率，进而使同步的发电机以稳定的频率和功率输出电流。

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。