一种双极离心空压机的制作方法

1.本发明涉及氢燃料电池发动机技术领域，具体涉及一种双极离心空压机。


背景技术：

2.目前发展新能源燃料电池汽车被认为是交通能源动力转型的重要环节而备受重视。质子交换膜燃料电池是目前燃料电池家族中最为成熟的代表。它是以氢气和空气(空气中的氧气)做燃料发生电化学反应，将燃料的化学能直接转换成电能的装置，反应生成水。它兼备无污染、高效率、适用广、低噪声、室温快速启动、可快速补充能量和具有模块化结构等优点，很有可能成为继传统内燃机之后汽车的主要动力源之一。
3.为了保障燃料电池发动机正常工作，发动机一般需要氢气供应子系统、空气供应子系统和循环水冷却管理子系统等辅助系统。大量的研究表明，高压、大流量的空气供应对提高现有燃料电池发动机的功率输出具有明显的效果。因此，一般空气进入发动机之前，要对进气进行增压，空气压缩机就是实现该目标的一种能量转换装置，是燃料电池发动机空气供应系统的重要零部件之一，不同工况下燃料电池汽车发动机功率输出所需求的空气供应管理和调控主要靠空压机来实现。
4.目前离心式空压机设计一般采用电机直驱方式，电机转子和主轴做成一体化结构，主轴轴端固定联接离心式叶轮，叶轮内置于蜗壳内。电机转子超高速旋转下，叶轮带动气体高速旋转，与蜗壳相互作用产生高压、大流量空气，供给燃料电池发动机用于燃料电池电堆内部电化学反应的发生，其中轴承提供支撑主轴-叶轮一体化旋转部件高速旋转。
5.直驱离心式空压机一般采用电机驱动，消耗燃料电池汽车发动机功率，约为燃料电池发动机总功率输出的15-20％。因此，为提高发动机有效功率输出，降低空压机功耗，高速高效空压机技术引起广泛关注。
6.随离心式空压机转速地提高，转子承受越来越大的离心力作用。转子中永磁体材料一般抗压强度1000mpa左右，而抗拉强度80mpa左右，具有抗压不抗拉的特性，在空压机转子设计上一般采用直径较小的转子，目的是降低高速离心力对永磁体的破坏。
7.此外，燃料电池电化学反应的发生是在一定的温度、湿度和气体压力下进行的，而反应发生也伴随一定的热量的释放，因此燃料电池发动机的空气供应系统中的空气具有高温、高湿、高压、大流量和无油的特征，油液的介入会降低燃料电池催化剂的催化作用，大大降低燃料电池发动机功率输出。
8.同时，离心式空压机为了提高输出空气的压力和流量，往往采用超高转速(80000rpm以上)的转速控制实现方式，现有的传统滚动和滑动油润滑轴承很难满足要求，一是不满足燃料电池发动机的无油工作环境要求，二是由于机械摩擦力的存在，使转子-主轴转速降低和摩擦损耗增大。即使特殊轴承可以满足要求，但也会带来转子热问题及转子动力学稳定性的问题。其次也会造成轴承等支撑部件破损的危险，增加故障监测和诊断难度。此外，超高速的转子也会带来散热和冷却问题，综上所述，这些问题都对支撑主轴-叶轮超高速旋转的轴承提出了更好的使用要求，需要在具体离心式空压机设计方案中得到综合
考虑并加以解决。


技术实现要素：

9.为解决上述问题本发明目的是提供 一种双极离心空压机，包括由外到内依次设置的壳体和主轴，所述主轴外侧设有电机定子，内部设有电机转子，所述壳体两端设有一级压缩装置和二级压缩装置，所述一级压缩装置和二级压缩装置之间通过中间管道连通，所述壳体两端与所述一级压缩装置和二级压缩装置压缩装置之间分别设有一级扩压器和二级扩压器，所述壳体靠近一级扩压器处设有轴承安装座，所述轴承安装座内侧设有前轴承室，所述二级扩压器内侧设有后轴承室，所述主轴与所述前轴承室和后轴承室之间均套设有径向轴承，所述主轴穿过所述一级扩压器和二级扩压器与所述一级压缩装置和二级压缩装置固定连接；所述一级压缩装置和二级压缩装置均包括叶轮和蜗壳，一级蜗壳和二级蜗壳与所述壳体两端密封连接；一级叶轮和二级叶轮分别通过锁母与所述主轴的两端固定连接，所述靠近一级叶轮一端的主轴上套有推力盘，所述推力盘设于所述一级扩压器和轴承安装座之间且与所述一级叶轮固定连接，所述推力盘两侧均设有空气箔片轴承；所述双极离心空压机还包括冷却系统，所述冷却系统包括水冷装置和气冷装置，所述水冷系统为设于所述壳体内的螺旋状冷却液流道，所述螺旋状冷却液流道首端和末端对应的壳体上设有冷却液进入接头和冷却液出水接头，所述冷装置包括设置在所述水冷装置外侧的气体预冷通道，所述预冷通道后侧上端设有第一进气口，所述第一进气口通过管道与所述中间管道上的第一冷气接头连接，所述预冷通道前侧下端设有第二进气口，所述第二进气口穿透所述壳体，所述壳体位于所述预冷通道后侧部位设有出气口。
10.进一步地，所述电机主轴靠近第一叶轮一侧设有阶梯台。
11.进一步地，所述推力盘中心处设有凸环，所述凸环宽度与所述阶梯台宽度相同，所述凸环套于所述阶梯台内一起伸入一级扩压器，所述凸环与所述一级叶轮固定连接。
12.进一步地，所述推力盘与所述空气箔片轴承之间设有垫片。
13.进一步地，所述一级蜗壳和二级蜗壳与壳体连接面均为不带弧度的平面。
14.进一步地，所述径向轴承外侧纵向设有个空气箔片组成。
15.进一步地，所述第二进气口开在一级扩压器和轴承安装座之间。
16.进一步地，所述推力盘与所述一级扩压器和轴承安装座之间设有缝隙。
17.进一步地，所述电机主轴的两端与所述径向轴承之间设有间隙。
18.进一步地，所述前轴承室和后轴承室末端设有弹簧挡圈。
19.进一步地，所述主轴包括前端主轴和后端主轴，所述前端主轴和后端主轴固定连接两端均设有贯通的装配通气孔，所述前端主轴和后端主轴之间留有间隙，所述后端主轴内设有腔体，所述腔体内设有电机转子。
20.本发明的优势在于：（1）本发明中的电机、外壳和主轴进行一体化设计，减小整机尺寸和重量，外壳一体成型减少了分体外壳导致的连接面之间的磨损。
21.（2）两级半开式叶轮通过中间管道串联，实现小流量高压比。气体质量流量至少达到300g/s，压缩比达到4，转速高达50000-110000rpm。
22.（3）两级叶轮轴向推力相互抵消，减小推力轴承施加的轴向力。采用径向和轴向空气轴承，通过自身产生的高压气体形成气膜，减小轴承与转子摩擦，形成气悬浮电机高速直驱，减小机械损失，提高空压机的使用寿命。
23.（4）通过在壳体上设置冷却系统，水冷系统实现了对壳体及电机定子的冷却，通过中间管路将部分压缩气体引入机壳组件中，通过水冷装置进行初步降温后再次进入壳体内实现对电机、主轴、径向轴承和推力轴承冷却的，提高空压机的使用寿命。
附图说明
24.图1是本发明的外部结构示意图；图2是本发明的内部结构剖视图图；图3是图2中推力盘细节图；图4是本发明的壳体结构图。
25.图纸标号壳体（1），主轴（2），电机定子（3），电机转子（4），中间管道（5），一级扩压器（6），二级扩压器（7），轴承安装座（8），弹簧挡圈（9），后端主轴（10），径向轴承（11），一级蜗壳（12），二级蜗壳（13），一级叶轮（14），二级叶轮（15），推力盘（16），空气箔片轴承（17），螺旋状冷却液流道（18），冷却液进入接头（19），冷却液出水接头（20），预冷通道（21），第一进气口（22），第一冷气接头（23），第二进气口（24），出气口（25），装配通气孔（26），阶梯台（27），凸环（28），垫片（29），前端主轴（30）。
具体实施方式
26.下面通过结合附图的形式来对本发明的具体实施方式来做进一步的详细的说明，但以下实施例仅列举的是较优选的实施例，其仅起到解释说明的作用来帮助理解本发明，并不能理解为是对本发明作的限定。
27.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
28.下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
29.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
31.实施例1如图1-4所示本发明公开了一种双极离心空压机，包括由外到内依次设置的壳体1和主轴2，所述主轴2外侧设有电机定子3，内部设有电机转子4，所述壳体1两端设有一级压缩装置和二级压缩装置，所述一级压缩装置和二级压缩装置之间通过中间管道5连通，所述壳体1两端与所述一级压缩装置和二级压缩装置压缩装置之间分别设有一级扩压器6和二级扩压器7，所述壳体1靠近一级扩压器6处设有轴承安装座8，所述轴承安装座8内侧设有前轴承室，所述二级扩压器7内侧设有后轴承室，所述主轴2与所述前轴承室和后轴承室之间均套设有径向轴承11，所述前轴承室和后轴承室末端设有弹簧挡圈9用于阻挡轴承。
32.所述径向轴承11外侧纵向设有个空气箔片组成，所述主轴2穿过所述一级扩压器6和二级扩压器7与所述一级压缩装置和二级压缩装置固定连接；所述一级压缩装置和二级压缩装置均包括叶轮和蜗壳，一级蜗壳12和二级蜗壳13与所述壳体1两端密封连接；一级叶轮14和二级叶轮15分别通过锁母与所述主轴2的两端固定连接，所述靠近一级叶轮14一端的主轴2上套有推力盘16，所述推力盘16设于所述一级扩压器6和轴承安装座8之间且与所述一级叶轮14固定连接，所述推力盘16两侧均设有空气箔片轴承17，所述推力盘16与所述空气箔片轴承17之间设有垫片29；所述双极离心空压机还包括冷却系统，所述冷却系统包括水冷装置和气冷装置，所述水冷系统为设于所述壳体1内的螺旋状冷却液流道18，所述螺旋状冷却液流道18首端和末端对应的壳体1上设有冷却液进入接头19和冷却液出水接头20，所述气冷装置包括设置在所述水冷装置外侧的气体预冷通道21，所述预冷通道21后侧上端设有第一进气口22，所述第一进气口22通过管道与所述中间管道5上的第一冷气接头23连接，所述预冷通道21前侧下端设有第二进气口24，所述第二进气口24开在一级扩压器6和轴承安装座8之间，所述第二进气口24穿透所述壳体1，所述壳体1位于所述预冷通道21后侧部位设有出气口25。
33.所述电机主轴2靠近第一叶轮一侧设有阶梯台27。所述推力盘16中心处设有凸环28，所述凸环28宽度与所述阶梯台27宽度相同，所述凸环28套于所述阶梯台27内一起伸入。
34.所述一级蜗壳12和二级蜗壳13与壳体1连接面均为不带弧度的平面。
35.所述推力盘16与所述一级扩压器6和轴承安装座8之间设有缝隙，所述电机主轴2的两端与所述径向轴承11之间设有间隙。
36.所述主轴2包括前端主轴30和后端主轴10，所述前端主轴30和后端主轴10固定连接两端均设有贯通的装配通气孔26，所述前端主轴30和后端主轴10之间留有间隙，所述后端主轴10内设有腔体，所述腔体内设有电机转子4。
37.所述一级背板和二级背板12与所述壳体1之间通过螺栓固定连接。
38.本发明使用时，通过电机驱动主轴运转，带动两级叶轮运转，主轴旋转时轴向上会有轴向力产生，通过两级叶轮串联，可以抵消主轴在轴向上的部分轴向力，主轴上设置的径向轴承和推力轴承在主轴高速运转时，产生高压气体形成气膜，减小轴承和转子的摩擦，同时推力轴承产生的气膜可以在主轴左右串动时起到一个缓冲作用，主轴与叶轮向左串动时，左边的推力轴承产生的气膜会阻挡主轴向左串动，主轴向右时亦然，避免叶轮的左右移动与蜗壳碰撞。
39.同时壳体外部设有水冷系统，还从中间管道引入压缩气体进入壳体腔内，沿设定
的气体流道先进行冷却在进入壳体内流动，对电机定子、主轴、轴承进行气冷，冷却效果突出，避免了壳体内高速运转的部件在高温下变形或损坏，提高空压机的使用寿命。
40.本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，对其进行简单的组合变化都列为本发明的保护之内。