一种离心式空压机及氢燃料电池的制作方法

1.本发明用于空压机领域，特别是涉及一种离心式空压机及氢燃料电池。


背景技术：

2.氢燃料电池要想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、高压比的空压机为燃料电池提供高压空气。目前氢燃料电池采用的空压机主要是罗茨式、涡旋式、螺杆式和离心式。其中离心式空压机结构紧凑，体积下，重量轻，振动和噪音明显减小，动态响应速度快等优势，所以离心式燃料电池空压机是未来的发展趋势。
3.压缩机高速运转过程中，电机损耗和空气轴承风摩损失均会产生大量的热量，为保证压缩机正常运转，需及时散热让空压机快速达到热平衡状态。现有的空压机冷却技术中，多采用电机定子外圆通过循环冷却水的冷却方式，这种冷却方式仅对电机定子进行了冷却，而对空气轴承和电机转子无冷却效果。还有部分现有技术中，将空压机出口的高压气体部分地引进电机本体内部，对轴承和电机转子进行冷却，但是这种引气方式一方面空压机出口的高压气体温度高，可达120～150℃，冷却效果不佳，另一方面空压机出口的高压气体具有较高的压力势能，直接引进电机本体作为冷却气体是对上一级压缩功的一种浪费。


技术实现要素：

4.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，提供一种离心式空压机及氢燃料电池，其能够对电机组件的轴承和转子进行冷却，而且冷却效果更佳。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.第一方面，一种离心式空压机，包括：
7.电机组件，包括壳体、转轴、定子、转子、轴承组件和推力法兰，所述转轴转动地安装于所述壳体中，所述定子与所述壳体连接，所述转子与所述转轴连接；
8.第一压缩组件，包括第一叶轮和第一蜗壳，所述第一叶轮安装于所述转轴的前端，所述第一蜗壳安装于所述壳体的前端；
9.第二压缩组件，包括第二叶轮和第二蜗壳，所述第二叶轮安装于所述转轴的后端，所述第二蜗壳安装于所述壳体的后端；
10.空气冷却组件，包括冷却叶轮和设置于所述电机组件内部的冷却空气通道，所述冷却叶轮用于产生流经所述冷却空气通道的气流；
11.其中，所述推力法兰设置于所述转轴的后端，所述冷却叶轮与所述第一叶轮背靠背设置于所述转轴的前端。
12.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述轴承组件包括前径向轴承组件、后径向轴承组件和推力轴承组件，所述前径向轴承组件安装于所述壳体前端，所述前径向轴承组件包括前轴承座和安装在前轴承座内孔的前径向空气动压轴承；所述后径向轴承组件包括安装于壳体后端延伸出的轴承座孔内的后径向空气动压轴承，所述推力轴承组件
安装于壳体后端，所述推力轴承组件包括前推力轴承、后推力轴承和间隙隔离板，所述间隙隔离板设置于前推力轴承、后推力轴承之间，所述转轴安装在前径向空气动压轴承和后径向空气动压轴承形成的中空轴孔内，所述推力法兰安装限制在前推力轴承和后推力轴承形成的环形气腔内。
13.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，所述第一压缩组件还包括密封垫板，所述密封垫板安装于第一蜗壳内侧，所述第一叶轮背部设置有环形突起，所述密封垫板前缘设置有环形凹槽，所述第一叶轮的环形突起与所述密封垫板的环形凹槽镶嵌形成了第一压缩组件的轴向密封结构。
14.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，所述空气冷却组件还包括冷却集流器，所述冷却集流器安装于冷却叶轮外侧，并紧固在前轴承座上，所述冷却集流器的内轮廓面与冷却叶轮的叶顶形成间隙密封，所述冷却集流器与所述前轴承座之间形成冷却进气腔，所述冷却集流器与所述密封垫板之间形成环形集气腔。
15.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，所述冷却空气通道的入口设置于所述壳体后侧，并在入口处分流为第一引流通道和第二引流通道，所述第一引流通道与所述推力轴承组件的环形气腔相连通，所述第二引流通道与所述定子端部的环气腔连通，所述定子内孔与转轴外圆形成的环形通道与所述环气腔连通，所述前轴承座设有连通于所述冷却进气腔和所述环形通道之间的引气孔，所述冷却空气通道的出口设置于前轴承座上，并与所述环形集气腔连通。
16.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，所述第二叶轮背部设置有环形突起，所述后推力轴承后缘设置有环形凹槽，所述第二叶轮的环形突起与所述后推力轴承的环形凹槽镶嵌形成了第二压缩组件的轴向密封结构。
17.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，所述第一叶轮和冷却叶轮为一个零件。
18.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，所述电机组件还包括冷却水套，所述定子过盈装配在冷却水套内侧，所述冷却水套安装于壳体内表面，所述冷却水套外表面设置有螺旋环槽，螺旋环槽的两侧设置有o型密封圈，所述壳体上设置有冷却水进口和冷却水出口，并与冷却水套上的环形通道相通。
19.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，所述第一压缩组件还包括安装在所述第一叶轮径向出口处的第一扩压器，所述第二压缩组件还包括安装在所述第二叶轮径向出口处的第二扩压器。
20.第二方面，一种氢燃料电池，包括第一方面中任一实现方式所述的离心式空压机。
21.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：
22.在空压机转轴上集成了第一叶轮、第二叶轮和冷却叶轮，其中，第一叶轮、第二叶轮用于实现两级压缩，提升压比。其间，通过集成在转轴上的冷却叶轮和电机组件内部的冷却空气通道，实现对轴承和电机转子的冷却，由于冷却空气进口为大气条件，进口空气温度低，冷却效果更佳。
23.同时，空压机转轴上集成了第一叶轮、第二叶轮和冷却叶轮，其中第二叶轮安装于推力法兰一侧，第一叶轮与冷却叶轮背靠背安装于转轴另一侧，这种轴系布局不仅结构紧凑，且使轴系质量分布更均衡，有益于改善轴系高速动力学特性。
24.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
25.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
26.图1是本发明离心式空压机的一个实施例结构示意图；
27.图2是图1所示的一个实施例的冷却空气通道示意图；
28.图3是图1所示的一个实施例的轴系组件结构示意图；
29.图4是图1所示的一个实施例的第一叶轮和冷却叶轮结构示意图。
具体实施方式
30.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。
31.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。
32.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”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。
33.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。
34.其中，图1、图2和图3给出了本发明实施例的参考方向坐标系，以下结合图1、图2和图3所示的方向，对本发明的实施例进行说明。
35.参见图1、图2，本发明的实施例提供了一种离心式空压机，包括电机组件2、第一压缩组件1、第二压缩组件3和空气冷却组件4。
36.其中，电机组件2包括壳体202、转轴205、定子204、转子224、轴承组件和推力法兰206，转轴205转动地安装于壳体202中，定子204与壳体202连接，转子224与转轴205连接，转轴205能够在定子204和转子224的相互作用下进行高速旋转，从而为离心式压缩机提供动力，实现空气压缩。
37.进一步的，在一些实施例中，参见图1、图2，电机组件2还包括冷却水套203，定子204过盈装配在冷却水套203内侧，冷却水套203安装于壳体202内表面，冷却水套203外表面设置有螺旋环槽，螺旋环槽的两侧设置有o型密封圈，显然，冷却水套203的螺旋环槽与壳体
202内表面形成了供冷却水流通的密封性良好的冷却通道。壳体202上设置有冷却水进口212和冷却水出口213，并与冷却水套203上的环形通道相通。
38.第一压缩组件1包括第一叶轮102和第一蜗壳103，第一叶轮102安装于转轴205的前端，第一叶轮102通过第一螺母101紧固在转轴205前端延伸出来的螺纹拉杆上，第一蜗壳103安装于壳体202的前端。第二压缩组件3包括第二叶轮303和第二蜗壳305，第二叶轮303通过螺杆301和第二螺母302安装于转轴205的后端，第二蜗壳305安装于壳体202的后端。第一压缩组件1、第二压缩组件3分别位于壳体202的前后两端，电机组件2设置于第一压缩组件1、第二压缩组件3之间。第一叶轮102、第二叶轮303随转轴205转动时，实现二级压缩，空气经过两级压缩，大大提升了压比。
39.可以理解的是，第一压缩组件1和第二压缩组件3可以根据需要，分别进行一级或二级压缩。例如，第一压缩组件1压缩后，压缩空气经过设置于压缩机外部的连通管路进入第二压缩组件3，第二叶轮303对这部分空气进行进一步压缩和扩压，实现二级压缩；或者，第二压缩组件3压缩后，压缩空气经过设置于压缩机外部的连通管路进入第一压缩组件1，第一叶轮102对这部分空气进行进一步压缩和扩压，实现二级压缩。
40.参见图1、图2，空气冷却组件4包括冷却叶轮401和设置于电机组件2内部的冷却空气通道，冷却空气通道与外界空气直接连通，冷却叶轮401集成于转轴205，在空气压缩过程中随转轴205转动，冷却叶轮401用于产生流经冷却空气通道的气流。通过集成在转轴205上的冷却叶轮401和电机组件2内部的冷却空气通道，实现对轴承和电机转子224的冷却，可根据空压机内部的实际通流阻力，实现低压比、大流量设计，冷却风量大，冷却功耗低。同时，由于冷却空气进口为大气条件，进口空气温度低，冷却效果更佳。
41.参见图1、图2、图3，推力法兰206设置于转轴205的后端，冷却叶轮401与第一叶轮102背靠背设置于转轴205的前端。轴系组件在转轴205上集成了第一叶轮102、第二叶轮303和冷却叶轮401，其中，电机转子224位于转轴205中部，第二叶轮303安装于推力法兰206一侧，第一叶轮102与冷却叶轮401背靠背安装于转轴205另一侧，这种轴系布局通过将冷却叶轮401与两级压缩的压缩机相结合，不仅结构紧凑，且使轴系质量分布更均衡，有益于改善轴系高速动力学特性。
42.具体的，参见图1，轴承组件包括前径向轴承组件、后径向轴承组件和推力轴承组件，前径向轴承组件安装于壳体202前端，前径向轴承组件包括前轴承座201和安装在前轴承座201内孔的前径向空气动压轴承207；后径向轴承组件包括安装于壳体202后端延伸出的轴承座孔内的后径向空气动压轴承208，推力轴承组件安装于壳体202后端，推力轴承组件包括前推力轴承209、后推力轴承211和间隙隔离板210，间隙隔离板210设置于前推力轴承209、后推力轴承211之间，转轴205安装在前径向空气动压轴承207和后径向空气动压轴承208形成的中空轴孔内，推力法兰206安装限制在前推力轴承209和后推力轴承211形成的环形气腔215内。
43.进一步的，参见图1，第一压缩组件1还包括密封垫板105，密封垫板105安装于第一蜗壳103内侧，第一叶轮102背部设置有环形突起，密封垫板105前缘设置有环形凹槽，第一叶轮102的环形突起与密封垫板105的环形凹槽镶嵌形成了第一压缩组件1的轴向密封结构。其中，参见图3、图4，第一叶轮102与冷却叶轮401背靠背安装，既可分开为两个零件，也可设计为一个零件，既简化了轴系结构，又提高了叶轮强度。同时，第一叶轮102背部设置的
轴向密封结构，可有效隔离压缩出口空间与冷却叶轮401出口空间，使两侧气体不能互通。
44.进一步的，参见图1、图2，为了提升冷却叶轮401的风量、提升冷却叶轮401效率，空气冷却组件4还包括冷却集流器402，冷却集流器402安装于冷却叶轮401外侧，并紧固在前轴承座201上，冷却集流器402的内轮廓面与冷却叶轮401的叶顶形成间隙密封，保证了冷却叶轮401效率，冷却集流器402与前轴承座201之间形成冷却进气腔221，冷却集流器402与密封垫板105之间形成环形集气腔222。
45.其中，冷却空气通道用于引导冷却叶轮鼓动的气流流经轴承组件和/或转子224定子204。结合图2，在一些实施例中，冷却空气通道的入口214设置于壳体202后侧，并在入口214处分流为第一引流通道215和第二引流通道217，第一引流通道215与推力轴承组件的环形气腔216相连通，第二引流通道217与定子204端部的环气腔218连通，定子204内孔与转轴205外圆形成的环形通道219与环气腔218连通，前轴承座201设有连通于冷却进气腔221和环形通道219之间的引气孔220，冷却空气通道的出口223设置于前轴承座201上，并与环形集气腔222连通。
46.以某一实施例为例，参见图1、图2，对本发明实施例的工作原理与工作过程进行说明。
47.电机启动后，转轴205在轴承组件的支撑下运转，带动固定在转轴205前、后两端的第一叶轮102和第二叶轮303旋转。空气由第一压缩组件1入口进入，经过第一叶轮102压缩后，由第一蜗壳103收集，形成高温高压空气。该压缩空气经过设置于压缩机外部的连通管路进入第二压缩系统入口。同样地，第二叶轮303对这部分空气进行进一步压缩，经由二级蜗壳收集后形成高温高压的压缩空气供给燃料电池使用。
48.同时，电机工作产生大量的热量，且随着转速升高，轴承风摩损耗加剧，轴承发热严重，因此需对电机和轴承进行冷却。一方面电机定子204的热量通过壳体202传递给冷却水套203的螺旋环槽与壳体202内表面形成冷却通道内的冷却水。另一方面，转轴205带动冷却叶轮401转动，在冷却进气腔221内形成负压，为冷却空气进入电机组件2提供动力。冷却空气由冷却空气通道的入口214进入电机组件2，其中，一部分冷却空气经由第一引流通道215进入推力轴承气腔216，对推力轴承进行冷却，并最后经过后径向空气动压轴承缝隙224进入电机气隙；另一部分冷却空气，直接经由第二引流通道217进入环气腔218，最后与动压轴承出来的冷却空气汇合进入电机气隙进行冷却。进一步地，该冷却空气经由引气孔220进入冷却进气腔221，同时完成了对后径向空气动压轴承的冷却。最后，经过冷却叶轮401的压缩进入环形集气腔222收集后，再经由冷却空气通道的出口排出电机本体外。
49.参见图1，第二叶轮303背部设置有环形突起，后推力轴承211后缘设置有环形凹槽，第二叶轮303的环形突起与后推力轴承211的环形凹槽镶嵌形成了第二压缩组件3的轴向密封结构。可有效隔离压缩出口空间与冷却空气通道空间，使两侧气体不能互通。
50.参见图1，第一压缩组件1还包括安装在第一叶轮102径向出口处的第一扩压器104，第二压缩组件3还包括安装在第二叶轮303径向出口处的第二扩压器304。第一扩压器104用于将第一叶轮102出口的空气的动能转换静压能，第二扩压器304用于将第二叶轮303出口的空气的动能转换静压能。
51.本发明的实施例提供了一种氢燃料电池，包括以上任一实施例中的离心式空压机。
52.在本说明书的描述中，参考术语“示例”、“实施例”或“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
53.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，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。