离心式压缩机轴系结构和离心式压缩机的制作方法

本发明用于压缩机领域，特别是涉及一种离心式压缩机轴系结构和离心式压缩机。

背景技术：

氢燃料电池要获得高的功率密度和性能，必须要在相对高的气体压力下工作，因此需要有高效率、高压缩比的空气压缩机为燃料电池提供高压空气。目前氢燃料电池采用的压缩机主要有罗茨式、涡旋式、螺杆式和离心式。其中，离心式压缩机通常由高速电机直接驱动，离心式压缩机轴系高速旋转时，电机转子在离心力的作用下会产生很大的离心应力。为了避免高速离心应力导致的破坏，电机转子外圆的直径不得不尽量缩小。又由于电机的转子往往是套装于电机的主轴上，因此电机主轴的直径往往就更小。但是电机主轴的直径缩小，将显著降低离心机轴系的刚度，进而降低轴系的临界工作转速。又由于离心机轴系还包括一个或两个叶轮(涡轮)，这将进一步导致轴系的临界转速降低。

如何在小直径转子的几何尺寸约束条件下，提高高速超高速离心式压缩机轴系的刚度，从而保证轴系具有极高的临界转速，构成了离心式压缩机轴系结构设计的难点。

技术实现要素：

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种离心式压缩机轴系结构和离心式压缩机，其通过端部的锁紧部件提供轴向锁紧力，将主轴、套筒、第二半轴和第二叶轮连接为一个整体，端面锁紧力可显著提高轴系的刚性，进而提高轴系的临界转速。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

第一方面，离心式压缩机轴系结构，包括

主轴，包括第一半轴和轴芯，所述轴芯与所述第一半轴连接，并沿轴向延伸；

第一叶轮，与所述第一半轴连接；

第二半轴，设有第一轴孔；

第二叶轮，设有第二轴孔，所述第二半轴和所述第二叶轮沿轴向依次套装在所述轴芯上；

第一锁紧部件，沿轴向设在所述第二叶轮的外侧，所述第一锁紧部件与所述轴芯连接以提供锁紧力；

套筒，设在所述第一半轴和所述第二半轴之间，并套装在所述轴芯上，所述套筒与所述轴芯之间形成安装空间；及

电机转子，设在所述安装空间中。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第一半轴在靠近所述套筒的一端设有第一凸台，并通过所述第一凸台形成呈阶梯分布的第一限位端面和第二限位端面；所述第二半轴在靠近所述套筒的一端设有第二凸台，并通过所述第二凸台形成呈阶梯分布的第三限位端面和第四限位端面，所述套筒的一端套在所述第一凸台上，并抵住所述第一限位端面，所述套筒的另一端套在所述第二凸台上，并抵住所述第四限位端面，所述电机转子设在所述第二限位端面和所述第三限位端面之间。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，还包括

第二锁紧部件，位于所述第二半轴和所述第二叶轮之间，所述第二锁紧部件与所述轴芯连接以提供将所述主轴、所述套筒、所述第二半轴联结为一个整体的锁紧力。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述第一锁紧部件和第二锁紧部件均包括螺母，所述螺母与所述轴芯螺纹连接，所述轴芯的端部具有非圆形截面，所述第一半轴的端部设有第一螺孔，所述第一叶轮通过与所述螺孔连接的螺钉锁紧在所述第一半轴上。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述第一轴孔包括与所述轴芯贴合的定位段和与所述轴芯分离的中空段。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述第一半轴上设有第一轴承，所述第二半轴上设有第二轴承。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述第一半轴上设有止推飞盘。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述第一半轴和所述轴芯一体成型。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述第一半轴上设有第二螺孔，所述轴芯旋入所述第二螺孔以与所述第二螺孔连接。

第二方面，离心式压缩机，包括第一方面中任一项所述的离心式压缩机轴系结构。

上述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：

通过端部的锁紧部件提供轴向锁紧力，将主轴、套筒、第二半轴和第二叶轮连接为一个整体，端面锁紧力可显著提高轴系的刚性，进而提高轴系的临界转速。

轴系的组合零件更少，重复装配和维修的轴系刚度和动平衡精度的一致性更容易保证，有效提高生产效率，降低制造和维修成本。

主轴、第二半轴因为不需要考虑与套筒的焊接性能，因此可以采用与套筒不一样的硬度高、耐磨性好的材料，更有利于提高轴颈表面的硬度和抗摩擦磨损的使用寿命。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明第一个实施例结构示意图；

图2是图1中a-a处截面图；

图3是本发明第一个实施例结构示意图；

图4是本发明第三个实施例结构示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本发明的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征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发明的限制。

本发明中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。在本发明的描述中，如果有描述到“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明中，除非另有明确的限定，“设置”、“安装”、“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明的实施例提供了一种离心式压缩机轴系结构，其能够用于低俗、高速、超高速离心式压缩机电机，例如在氢燃料电池领域，离心式压缩机的转速通常达到80000rpm至150000rpm，最高甚至达到500000rpm。参见图1，离心式压缩机轴系结构包括主轴1、第一叶轮2、第二半轴3、第二叶轮4、第一锁紧部件5、套筒6和电机转子7，主轴1、第二半轴3、套筒6和电机转子7形成轴组件，第一叶轮2和第二叶轮4通过轴组件实现同轴连接。

其中，主轴1包括第一半轴8和轴芯9，第一半轴8形成轴系结构的轴颈，外表面形成轴颈表面，用作整个轴系结构的旋转支撑面，轴芯9与第一半轴8连接，并沿轴向x延伸，可以理解的是，轴芯9与第一半轴8可以是一体件，例如图1、图2所示的实施例，轴芯9与第一半轴8也可以是分体件，例如图3所示的实施例。其中，轴芯9用于将第二半轴3、第二叶轮4、套筒6和电机转子7贯通连接，轴芯9可以是等直径的，也可以设置一级或多级台阶，用于限定第二半轴3、第二叶轮4、套筒6、电机转子7的轴向x或径向位置。

第一叶轮2与第一半轴8连接，第一叶轮2与第一半轴8的轴线重合，第一叶轮2具有多个叶片，第一叶轮2随第一半轴8转动时实现供气、压缩。

第二半轴3设有第一轴孔，第一轴孔用于与轴芯9配合，第二半轴3也形成轴系结构的轴颈，外表面形成轴颈表面，用作整个轴系结构的旋转支撑面。

第二叶轮4设有第二轴孔，第二轴孔用于与轴芯9配合，第二半轴3和第二叶轮4沿轴向x依次套装在轴芯9上，可以理解的是，套筒的两端分别直接或间接抵住第一半轴8和第二半轴。其中，对于两级离心式压缩机，第二叶轮4的作用与第一叶轮2的作用一致；而对于包括能量回收涡轮的压缩机，第二叶轮4为涡轮，作用在于排气过程中的能量回收。

第一锁紧部件5沿轴向x设在第二叶轮4的外侧，第一锁紧部件5与轴芯9连接以提供锁紧力，通过端部的第一锁紧部件5提供轴向x锁紧力，将主轴1、套筒6、第二半轴3和第二叶轮4连接为一个整体，端面锁紧力可显著提高轴系的刚性，进而提高轴系的临界转速。

套筒6设在第一半轴8和第二半轴3之间，并套装在轴芯9上，套筒6与轴芯9之间形成安装空间，电机转子7设在安装空间中，电机转子7用于与电机定子配合，形成电机，电机由高频驱动器供电，实现高速转动。套筒6将电机转子7罩在内部，起到保护作用，同时与主轴1、第二半轴3一起形成轴组件，实际起支承作用的轴组件直径不受电机转子7内孔尺寸限制，电机轴系刚度更佳，能够满足高速和超高速工况。

该实施例中轴系的组合零件更少，重复装配和维修的轴系刚度和动平衡精度的一致性更容易保证，有效提高生产效率，降低制造和维修成本。

参见图1、图2、图3，第一半轴8在靠近套筒6的一端设有第一凸台10，并通过第一凸台10形成呈阶梯分布的第一限位端面11和第二限位端面12；第二半轴3在靠近套筒6的一端设有第二凸台13，并通过第二凸台13形成呈阶梯分布的第三限位端面14和第四限位端面15，套筒6的一端套在第一凸台10上，并抵住第一限位端面11，套筒6的另一端套在第二凸台13上，并抵住第四限位端面15，电机转子7设在第二限位端面12和第三限位端面14之间。第一凸台10、第二凸台13很方便为电机转子7和套筒6提供径向和轴向x的定位基准，电机转子7和套筒6装配简单，轴系的装配精度易于保证。同时，由于过盈配合的接触应力和摩擦力在轴系高速旋转时会由于材料的离心应力变形而显著降低，导致轴系的抗弯刚度也显著降低，难以满足高速超高速工况需要，本实施中，套筒6通过锁紧部件的轴向x锁紧力实现紧固，两端不必采用过盈配合连接，满足高速超高速工况需要。而且，套筒6与主轴1和第二半轴3不再焊接，主轴1、第二半轴3因为不需要考虑与套筒6的焊接性能，因此可以采用与套筒6不一样的硬度高、耐磨性好的材料，更有利于提高轴颈表面的硬度和抗摩擦磨损的使用寿命。

在一些实施例中，参见图1，轴芯9贯通套筒6、第二半轴3和第二叶轮4，最终通过端部的第一锁紧部件5提供轴向x锁紧力，将主轴1、套筒6、第二半轴3和第二叶轮4连接为一个整体，其中，第一锁紧部件5可采用螺母、卡扣等，例如，参见图1，轴芯9上设有外螺纹，第一锁紧部件5采用螺母，并旋紧在轴芯9上，将主轴1、套筒6、第二半轴3和第二叶轮4连接为一个整体，端面锁紧力可显著提高轴系的刚性，进而提高轴系的临界转速。

在一些实施例中，参见图2、图3，还包括第二锁紧部件16，第二锁紧部件16位于第二半轴3和第二叶轮4之间，第二锁紧部件16与轴芯9连接以提供将主轴1、套筒6、第二半轴3联结为一个整体的锁紧力其中，第二锁紧部件16可采用螺母、卡扣等。该实施例中，第一锁紧部件的作用仅在于锁紧第二叶轮，而第二锁紧部件16止推面左侧的外圆圆柱面与第二半轴3右端内孔设置有定位面，主轴1、电机转子7、套筒6和第二半轴3在第二锁紧部件16锁紧力作用下联结为一个整体，该整体进行动平衡后，在使用过程中如果需要装配、拆卸或维修更换第二叶轮4，不必再拆卸第二锁紧部件16，非常有利于保证轴系的整体联结刚性、装配精度和动平衡精度，提高装配作业和维修效率。

第一叶轮2与第一半轴8焊接、螺纹连接、过盈配合连接或通过紧固件连接，参见图1，第一半轴8的端部设有第一螺孔，第一叶轮2通过与螺孔连接的螺钉17锁紧在第一半轴8上，第一叶轮2能够通过装卸螺钉17，快速实现安装、更换，螺钉17能够提供径向和轴向x的定位基准，第一叶轮2装配更加简单，轴系的装配精度易于保证。

参见图2，轴芯9的端部具有非圆形截面，用于轴系及叶轮装配时的扳手固定轴系，使轴系不致因为外部扭力的作用而发生旋转，以利于锁紧。

参见图1、图2，在一些实施例中，第一半轴8和轴芯9一体成型，主轴1沿轴向x全部贯通，可整体加工制造，避免了第一半轴8和轴芯9分离造成的轴系结构零件分散加工成本高、相对位置精度难以保证、装配工序复杂的缺点。

参见图3，在一些实施例中，第一半轴8和轴芯9分体成型，第一半轴8上设有第二螺孔，轴芯9旋入第二螺孔以与第二螺孔连接，即第一半轴8、轴芯9和第二半轴3可单独加工后组装为一个整体，避免了细长轴加工装夹时主轴1易弯曲，加工尺寸精度难以保证的缺点。

轴颈上均设有轴承，用于降低摩擦阻力，参见图1、图2、图3，第一半轴8上设有第一轴承18，第二半轴3上设有第二轴承19，第一轴承18和第二轴承19分别设在轴组件的轴颈位置，用于整个离心式压缩机轴系结构的旋转支撑。

在一些实施例中，参见图1、图2、图3，第一轴孔贯穿第二半轴3，第一轴孔包括定位段20和中空段21，其中，定位段20与轴芯9贴合，需要进行精加工，以保证第二半轴3的径向定位，中空段21在径向上与轴芯9分离，中空段21不必进行精加工。本实施例中将第一轴孔分为定位段20和中空段21，能够减少精加工面长度，降低加工成本。

在一些实施例中，参见图1、图2、图3，第一半轴8上设有止推飞盘22，止推飞盘22用于为轴系提供轴向x限位，承载在工作中产生的轴向x应力。

本发明实施例提供的离心式压缩机轴系结构，结构简单、轴系联结刚性高、轴系易于装配、装配和拆卸叶轮不影响原有轴系的联结和动平衡特性，能够满足高速和超高速工况。

本发明的实施例还提供一种离心式压缩机，包括以上任一实施例中的离心式压缩机轴系结构。离心式压缩机轴系结构的结构特点和技术效果已经在上文中详述，不再赘述。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。