本实用新型涉及一种叶轮、具有叶轮的离心压缩机、以及具有离心压缩机的燃料电池系统，特别是车用燃料电池系统。
背景技术：
燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。由于燃料电池具有传统电池所无法比拟的诸多优点，例如发电效率高、环境污染小、噪音低、燃料范围广等，近年来被广泛应用于诸如汽车工业、能源发电、船舶工业、航空航天、家用电源等行业。
燃料电池中的电化学反应是一个复杂的过程，其中的氧化剂一般为氧气或空气。研究表明，燃料电池中氧气的压力与燃料电池系统的性能有直接关系，提高空气的供气压力(即氧气的分压力)，可以增大燃料电池系统的能量密度。另外，提高燃料电池的供气压力还可以减小系统尺寸，减少空气中的含水量，维持燃料电池中的水平衡。因此，燃料电池系统中需要专门用于向燃料电池提供高压空气的供气子系统。目前，一般使用叶轮式离心压缩机作为燃料电池系统的供气子系统。
叶轮式离心压缩机通常包括叶轮、叶轮护罩和电动机。叶轮的旋转轴与电动机转轴固定并随其转动，在压缩机系统的运行过程中，随着电机带动叶轮旋转，空气沿轴向进入叶轮，通过叶轮的旋转将能量传递给空气，空气获得静压能和动能，随着叶轮的旋转沿径向离开叶轮并进入下游的扩压器中，空气在扩压器中降速增压，动能转变为静压能，进一步增加了压力。所述加压空气离开压缩机后经加湿器加湿并最终进入燃料电池通道。由于叶轮是不断旋转的，空气能够被不断地加压并推送出去，从而保持了压缩机中气体的连续流动。
对于现有的离心压缩机，体积较大、结构不够紧凑，仍需要在提升满载效率、在流量范围内保持效率稳定以及缩小整机尺寸和减少零件数量等方面进行改进提升。
技术实现要素：
本实用新型针对以上现有技术中存在的问题，提供一种叶轮、具有所述叶轮的离心压缩机及使用所述离心压缩机的燃料电池系统。
根据本实用新型的一个实施方式，叶轮包括：轮毂，其形状大致为内凹的截锥形并且具有截锥形弯曲表面，截锥形弯曲表面限定轮毂的旋转轴线，轮毂的细端为空气入口端，粗端为空气出口端；自截锥形弯曲表面伸出的围绕轮毂的旋转轴线间隔布置的多个大叶片和多个小叶片；其中，在叶轮的轴面投影图上，大叶片和小叶片的相对于轮毂旋转轴线的最外侧边缘与轮毂旋转轴线之间形成介于-15度至15度之间的叶轮子午面出口角。
根据本实用新型的一个实施方式，大叶片的流线截面形状为S形，小叶片的流线截面形状为C形。
根据本实用新型的一个实施方式，大叶片和小叶片的曲率半径与轮毂的出口端的直径的比值介于0.5至2之间。
根据本实用新型的一个实施方式，大叶片和小叶片围绕所述轮毂的旋转轴线均匀布置。
根据本实用新型的一个实施方式，轮毂的底部设置有密封结构，其与离心压缩机中的背板之间形成密封。
根据本实用新型的一个实施方式，轮毂的密封结构为自轮毂的底部向下延伸出的圆形凸台或环形凸台，在圆形凸台或环形凸台的周向面上设置有沿径向向外突出的多个环形密封齿。
根据本实用新型的一个实施方式，圆形凸台或环形凸台的直径介于轮毂的出口端直径的50％至95％之间，圆形凸台或环形凸台的轴向厚度介于4至8毫米之间，环形密封齿的数量为3至6个。
根据本实用新型的一个实施方式，圆形凸台或环形凸台的直径为轮毂的出口端直径的75％，圆形凸台或环形凸台的轴向厚度为5毫米之间，环形密封齿的数量为6个。
根据本实用新型的一个实施方式，密封齿的形状为锯齿形，其齿尖角介于50至75度之间。
根据本实用新型的一个实施方式，密封齿的形状为弧形。
根据本实用新型的一个实施方式，叶轮的加工精度Ra小于1.6微米。
本实用新型还提供一种离心压缩机，其包括：根据权利要求1-10中任一权利要求所述叶轮；电动机，用于为叶轮的转动提供动力；背板，其固定在电动机壳体上；叶轮转轴，其穿过所述背板并与电动机的电动机转轴固定，叶轮固定在叶轮转轴上以随叶轮转轴转动；叶轮护罩，其固定在背板上并使叶轮位于其与背板之间；其中，叶轮的密封结构与背板之间形成密封，并且叶轮转轴与电动机转轴是一体的。
根据本实用新型的一个实施方式，背板与电动机的壳体是一体的。
根据本实用新型的一个实施方式，叶轮与叶轮转轴之间为过盈配合。
根据本实用新型的一个实施方式，叶轮转轴末端具有螺纹部，螺母旋紧在螺纹部上以将叶轮固定在叶轮转轴上，其中，叶轮的旋转方向与螺母的松脱方向相反。
根据本实用新型的一个实施方式，叶轮护罩包括：轴向进气口，其设置在叶轮护罩的中心位置；切向排气管，其设置在叶轮护罩的周边位置；多个螺栓安装部，其设置在叶轮护罩的周边位置并与背板及电动机壳体上的螺栓安装部的位置相对应，从而能够利用螺栓同时将叶轮护罩、背板以及电动机壳体固定在一起；其中，所述多个螺栓安装部在叶轮护罩的周边不均匀分布。
根据本实用新型的一个实施方式，排气管的形状为直线与二次曲线的结合。
根据本实用新型的一个实施方式，轮毂的截锥形弯曲表面与背板的表面是光滑过渡的。
本实用新型还提供一种燃料电池系统，其包括根据以上实施方式所述的离心压缩机以及过滤装置、燃料电池堆、冷却系统、加湿器、氢供应系统、氢回收装置和控制系统等。
根据本实用新型的叶轮，其叶片的排布方式使气体排出的相对扩散速度更加均匀，并且其公称直径少于相同流量和压比下多级离心压缩机叶片最大直径。根据本实用新型的离心压缩机，由于其叶轮转轴与电动机转轴是一体的，并且叶轮、叶轮护罩以及电动机装配在一起，所以其结构更加紧凑，离心压缩机的尺寸更小，零部件数量减少，显著降低了生产及维护成本。
附图说明
为了更好地理解本实用新型的上述及其他目的、特征、优点和功能，可以参考附图中所示的优选实施方式。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本实用新型的优选实施方式，图中各个部件并非按比例绘制。
图1A-1C示出根据本实用新型的优选实施方式的叶轮；
图2A-2B示出根据本实用新型的优选实施方式的叶轮的叶片的示例性轴面投影图，其中图2A示出叶轮子午面出口角为正值时的情况，图2B示出叶轮子午面出口角为负值时的情况；
图3为图1B的局部放大图，示出叶轮的密封结构；
图4A-4B示出根据本实用新型的优选实施方式的离心压缩机；
图5为图4B的局部放大图，示出叶轮与叶轮转轴之间的固定方式；
图6A-6B示出根据本实用新型的优选实施方式的叶轮护罩；
图7为图4B的另一局部放大图，示出轮毂的截锥形弯曲表面与背板表面之间的一致性过渡。
具体实施方式
下面，参照附图详细描述本实用新型的叶轮、具有所述叶轮的离心压缩机及使用所述离心压缩机的燃料电池系统。这里所描述的仅仅是根据本实用新型的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本实用新型的其他方式，所述其他方式同样落入本实用新型的范围。
以下详细描述中出现的方位术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”等是指具体附图中的方位。
图1A-1C分别示出根据本实用新型的一个优选实施方式的叶轮10的侧视图、剖视图和俯视图。如图所示，叶轮10包括轮毂11和自轮毂11上延伸出的多个叶片。其中，通过图1B可见，轮毂11的形状大致为表面内凹的截锥形并且具有截锥形弯曲表面S，多个大叶片12和多个小叶片13从所述截锥形弯曲表面S伸出，并且在所述表面上围绕叶轮或轮毂的旋转轴线A-A间隔分布，即，如图1C所示，每个大叶片12位于相邻的两个小叶片13之间，每个小叶片13位于两个相邻的大叶片12之间。参见图1B，轮毂11的上部较细端为空气入口端，下部较粗端为空气加压之后的出口端，出口端的半径为r1。其中，每个大叶片12和每个小叶片13沿各自流线截取的截面为流线截面，每个大叶片12在其流线截面中的形状为S形，每个小叶片13在其流线截面中的形状为C形。
图2A-2B示例性地示出叶片的轴面投影图，通过轴面投影图可见，每个叶片的叶轮子午面出口角为α，所述叶轮子午面出口角是指叶片的轴面投影图中相对于轴线A-A的最外侧边缘与轴线A-A之间形成的角度，在根据本实用新型的优选实施方式中，叶轮子午面出口角α介于-15度至15度之间。图2A中示出了叶轮子午面出口角α为正值时的情况，当叶轮子午面出口角α为负值时，所述角位于相反方向，如图2B所示。这里需要对叶轮的轴面投影图进行说明，在本领域中，由于叶轮是绕轴线旋转的回转体，所以通常用圆柱坐标系描述叶轮及叶片的形状，所谓“轴面(也称子午面)”是指通过叶轮轴线(在本实用新型中为轴线A-A)的平面，轴面投影图是指将叶片上的每一点绕轴线A-A旋转到所述轴面上形成的图形。
在根据本实用新型的一个优选实施方式中，大叶片12和小叶片13不同部位处的曲率半径与轮毂11的出口端直径2r1的比值介于0.5至2之间。
在根据本实用新型的一个优选实施方式中，大叶片12和小叶片13围绕轴线A-A均匀布置，数量均为八片，当然，其数量并不局限于此，可以更多或更少。
回到图1A和1B，在根据本实用新型的一个优选实施方式中，轮毂11的底部设置有密封结构14，其与离心压缩机中的背板之间形成密封，从而降低离心压缩机中止推轴承所承受的推力。进一步地，所述密封结构14可以是自轮毂11的底部向下延伸出的圆形凸台，在圆形凸台的周向面上设置有沿径向向外突出的多个环形密封齿141，其中，圆形凸台的半径为r2，其直径2r2介于轮毂的出口端直径2r1的50％至95％之间，圆形凸台的轴向厚度H介于4至8毫米之间，环形密封齿的数量为3至6个。
在根据本实用新型的进一步的实施方式中，圆形凸台的直径2r2可以是轮毂的出口端直径2r1的75％，圆形凸台的轴向厚度H可以是5毫米，环形密封齿141的数量可以是6个。
在根据本实用新型的其他实施方式中，密封结构14可以不是圆形凸台而是环形凸台，如上所述的沿径向向外突出的多个环形密封齿141可以设置在环形凸台的外周向面上。
如图3所示，在根据本实用新型的一个优选实施方式中，密封齿141的形状为锯齿形，其齿尖角β介于50至75度之间。当然，密封齿的形状还可以是其他形状的，例如弧形。
在根据本实用新型的优选实施方式中，叶轮的表面粗糙度Ra小于1.6微米。
另一方面，本实用新型还提供一种离心压缩机。如图4A-4B所示，根据本实用新型的一个优选实施方式的离心压缩机包括根据上述实施方式所述的叶轮10，还包括用于为叶轮10的转动提供动力的电动机20，进一步地，离心压缩机还包括：固定在电动机壳体22上或者与其一体形成的背板30；穿过背板30并与电动机的电动机转轴21固定在一起或与电动机转轴21一体形成的叶轮转轴40，叶轮10固定在叶轮转轴40上以随其转动；以及叶轮护罩50，其固定在背板30上并使叶轮10位于其与背板30之间；其中，如之前所述的，叶轮10的密封结构14与背板30之间形成密封。
在根据本实用新型的一个优选实施方式中，叶轮10与叶轮转轴40之间为过盈配合。在根据本实用新型的进一步的优选实施方式中，如图5所示，叶轮转轴40的末端具有螺纹部，螺母41旋紧在所述螺纹部上从而将叶轮10固定在叶轮转轴40上，为了防止螺母41在使用过程中松脱，优选地，螺母41的松脱方向被设置成与叶轮10的旋转方向相反，这样，螺母41不仅不会松脱，反而会随着离心压缩机的使用越来越紧。
在根据本实用新型的一个优选实施方式中，如图6A-6B所示，叶轮护罩50包括位于其中心部位的用于空气流入的轴向进气口51、位于其周边部位大致切向设置以利于空气加压后流出的排气管52；以及多个螺栓安装部53，螺栓安装部53设置在叶轮护罩50的周边位置，当叶轮护罩安装在离心压缩机上时，螺栓安装部53的位置与背板30及电动机壳体22上的螺栓安装部的位置重合，从而能够利用从中穿过的螺栓同时将叶轮护罩50、背板30以及电动机壳体22固定在一起。进一步地，如图6B所示，所述多个螺栓安装部53在叶轮护罩50的周边是不均匀分布的，这样能够起到定位排气管52相对于离心压缩机的位置的作用，防止安装错误。
在根据本实用新型的一个优选实施方式中，排气管52的形状是直线与二次曲线的结合。
由图4B可见，背板30上是没有叶片的，从而叶轮护罩50的外侧隆起部分54与背板30形成无叶扩压器部分，气体在流经扩压器部分的通道时，由于流道截面增大，前面的气体分子流速降低，后面的气体分子不断涌流向前面的气体分子，使气体的绝大部分动能又转变为静压能，即起到了进一步增压的作用。如图7所示，在根据本实用新型的进一步的优选实施方式中，轮毂的截锥形弯曲表面S向背板30的表面光滑过渡，换句话说，轮毂11的轮廓向无叶扩压器部分的壁面轮廓光滑过渡，二者是基本一致或对齐的，空气能够顺畅地从叶轮来到扩压器部分，这样能够优化扩压器部分的扩压作用。
又一方面，本实用新型还提供一种燃料电池系统，其包括根据以上实施方式所述的离心压缩机以及过滤装置、燃料电池堆、冷却系统、加湿器、氢供应系统、氢回收装置和控制系统等。
本实用新型的保护范围仅由权利要求限定。得益于本实用新型的教导，本领域技术人员容易认识到可将本实用新型所公开结构的替代结构作为可行的替代实施方式，并且可将本实用新型所公开的实施方式进行组合以产生新的实施方式，它们同样落入所附权利要求书的范围内。