燃料电池用小型高速两级离心气泵轴向温度均衡结构的制作方法

本实用新型涉及一种离心气泵，尤其是一种燃料电池用小型高速两级离心气泵轴向温度均衡结构。

背景技术：

质子交换膜氢燃料电池已成为目前氢能利用的热点之一，小型气泵是氢燃料电池主要辅助部件之一，对于汽车用燃料电池，小型气泵可用于燃料电池进堆气体的增压(也称为燃料电池用空压机)，促进空气中所含氧气与氢气的反应，是保障燃料电池高效、稳定、可靠运行的关键设备之一；对于在密闭空间使用的燃料电池，专门配备了氧源提供氧气在电堆中反应，小型气泵可用于将电堆中未反应完的氧气循环利用(也称为富氧循环泵)，保证氧气的高效率利用。两级离心型式是目前燃料电池用气泵采用的主流结构型式之一，根据燃料电池系统需求，气泵需要满足小型化、高效率等多种特性需求，因此燃料电池用两级离心气泵一般转速都在5万转/分钟甚至10万转/分钟以上，高速轴承是影响其工作稳定性和可靠性的核心部件之一。为了降低轴承高速运转时的发热，一般都会采用气泵配套高速电机的水冷循环进行轴承部位的冷却，对改善高速轴承的运行环境起到一定作用。但是，在实际工作过程中，除了轴承本身运转发热外，气泵内部，在一二级叶轮区域，压缩气体温度存在着较大的差异，二级叶轮区域气体温度远高于一级叶轮区域。在受到气泵高速电机的水冷循环同样冷却作用的基础上，由于一二级叶轮区域气体温度的温度差异，一二级轴承及轴承套受气流热量影响发生的形变也存在差异，当这种变形量的差异大到一定程度时，将会对高速运转的整个轴系产生较大的不良影响，甚至危害到轴承和气泵的使用寿命，从而影响整个燃料电池。因此，采用轴向温度均衡结构，使得两个叶轮区域气流产生流动，促进双方温度均衡，降低两个区域的温度差，可以改善轴承的运行环境，从而提高轴承乃至气泵的使用寿命。

技术实现要素：

本实用新型是要提供一种燃料电池用小型高速两级离心气泵轴向温度均衡结构，通过均衡一二级轴承及轴承套部位附近气流的温度差，减小一二级轴承及轴承套由于温度差引起的形变差，从而提高轴承运转的稳定性和可靠性，最终改善气泵的使用寿命。

本实用新型的技术方案是：一种燃料电池用小型高速两级离心气泵轴向温度均衡结构，包括高速电机壳体、电机轴、轴承、轴承套、离心叶轮，所述电机壳体左侧装有一级离心叶轮、一级轴承和一级轴承套，右侧装有二级离心叶轮、二级轴承和二级轴承套；所述一级离心叶轮和二级离心叶轮分别安装在电机轴的两侧，并分别通过一二级轴承和轴承套支撑；所述电机轴为中空轴，中空轴靠近一级离心叶轮端沿径向开有泄流直孔，靠近二级离心叶轮端朝着径向开有倾斜进流孔，所述电机轴的左侧腔连通泄流直孔，右侧腔连通倾斜入流孔；在气泵运行过程中，二级离心叶轮区域的高温高压气流在压力差作用下沿着轴内部通道，从二级离心叶轮区域流向温度相对较低的一级离心叶轮区域，使一、二级轴承和一、二轴承套的温度差得到均衡，从而减小一级轴承、一级轴承套和二级轴承、二级轴承套在不同温度环境中的变形量差异。

进一步，所述中空轴，在轴内部沿着轴向开一定长度和大小的圆形通孔，孔的轴向位置、直径大小与气泵高速转动下的轴的结构强度、临界转速、一二级区域温度差、压力差相匹配，并且不影响气泵本身气动性能。

进一步，所述中空轴的沿径向的泄流直孔结构为在靠近一级叶轮区域沿着径向开一定数量和大小的通孔，其中，泄流通孔的数量、孔径大小、轴向位置与二级离心叶轮区域来流的温度、压力以及一级离心叶轮区域的温度、压力相匹配，以利于两个区域气流的流动，促进温度均衡。

进一步，所述中空轴朝着径向开的倾斜孔为在靠近二级叶轮区域的右侧流动腔朝着径向，与轴线有一定夹角的开有一定数量和大小的倾斜入流通孔，其中，入流通孔的数量、孔径大小、轴向位置、倾斜角度与二级离心叶轮区域来流的温度、压力，以及一级离心叶轮区域的温度、压力相匹配，减少高温高压气流流入时的损失，促进二级离心叶轮区域气流向一级离心叶轮区域的流动。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的燃料电池用小型高速两级离心气泵轴向温度均衡结构，通过将二级叶轮区域高温高压气体通过中空轴结构引流至一级叶轮区域，能够产生以下有益效果：

1)采用轴向温度均衡结构后，在不影响气泵本身气动性能的前提下，促使二级叶轮区域的高温高压气体沿着中空轴及相关结构流向一级叶轮区域轴承附近部位，促进一二级轴承附近部位的温度均衡；

2)采用轴向温度均衡结构后，在不影响气泵本身气动性能的前提下，促使二级叶轮区域的高温高压气体沿着中空轴及相关结构流向一级叶轮区域轴承附近部位，降低一二级轴承及配套部件热形变的差异；

3)采用轴向温度均衡结构后，在不影响气泵本身气动性能的前提下，促使二级叶轮区域的高温高压气体沿着中空轴及相关结构流向一级叶轮区域轴承附近部位，改善轴承的运行环境和状态，从而提高轴承乃至气泵的使用寿命。

总体而言，本实用新型的一种燃料电池用小型高速两级离心气泵轴向温度均衡结构能够改善高速轴承的使用环境和运行状态，有效提升气泵运行可靠性和使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型的燃料电池气体气泵轴向温度均衡结构示意图；

其中：1—一级离心叶轮、2—一级轴承、3—一级轴承套、4—电机定子、5—电机转子、6—电机中空轴、7—二级轴承套、8—二级轴承、9—二级离心叶轮、10—电机壳体。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种燃料电池用小型高速两级离心气泵轴向温度均衡结构，包括电机定子4、电机转子5、电机中空轴6、一、二级轴承2，8、一、二级轴承套3，7、一级离心叶轮1、二级离心叶轮9、电机壳体10等部件。电机壳体10内装有电机定子4及电机转子5，电机转子5中装有中空轴6，中空轴6两端分别布置有一级离心叶轮1和二级离心叶轮9，分别形成一、二级离心叶轮区域，一级离心叶轮区域内中空轴6通过一级轴承2和一级轴承套3与电机壳体10连接；二级离心叶轮区域内中空轴6通过二级轴承8和二级轴承套7与电机壳体10连接。

中空轴6内部采用中空结构，在靠近一级离心叶轮1端沿径向开有泄流直孔，在靠近二级离心叶轮9端朝着径向开有倾斜进流孔，在气泵运行过程中，二级离心叶轮区域的高温高压气流沿着轴内部流道，从二级离心叶轮区域流向温度相对较低的一级离心叶轮区域，使一、二级轴承2，8及一、二级轴承套3，7所受外部温度得到一定程度的均衡，从而减小部件(一级轴承2、一级轴承套3、二级轴承8、二级轴承套7)由于温度不同引起变形量差异，提高高速轴承运行的可靠性；

中空轴6的内部中空结构为，根据通流需求，在中空轴6内部沿着轴向开一定长度和大小的圆形通孔，孔的轴向位置、直径大小等需要与气泵高速转动下的轴的结构强度、临界转速、一二级区域温度差、压力差等相匹配；

中空轴6的沿径向泄流直孔结构为在靠近一级离心叶轮区域沿着径向(垂直于轴线)开一定数量和大小的通孔，连通一级离心叶轮区域和中空轴6内部的轴向通孔，使得中空轴6内部从二级离心叶轮区域流过来的气流流经一级轴承2、一级轴承套3部位，泄流直孔的数量、孔径大小、轴向位置等，需要根据二级离心叶轮区域来流的温度、压力以及一级离心叶轮区域的温度、压力来确定，以利于两个区域气流的流动，促进温度均衡；

中空轴6朝着径向开的倾斜孔为在靠近二级离心叶轮区域的右侧流动腔10朝着径向(与轴线有一定夹角)开的一定数量和大小的倾斜入流通孔，连通二级离心叶轮区域和中空轴6内部轴向通孔，使得二级离心叶轮区域高温高压的气流流入中空轴6内部通孔，流过来的气流流入一级轴承2及一级轴承套3附近区域，倾斜入流通孔的数量、孔径大小、轴向位置、倾斜角度等，需要考虑二级离心叶轮区域来流的温度、压力，以及一级离心叶轮区域的温度、压力来确定，尤其是倾斜孔倾斜角度的合理选取能够减少高温高压气流流入时的损失，促进二级离心叶轮区域气流向一级离心叶轮区域的流动。

在小型高速离心气泵工作时，一二级离心叶轮各自相近区域由于气体压缩做工，温度存在较大差异；二级离心叶轮区域温度明显高于一级叶轮区域。支撑电机轴高速旋转的轴承、轴承套等部件，在不同温度影响下，受热引起的微小形变也不同，形变差异达到一定程度时，将对高速运行中的一二级轴承造成损害，影响整个轴系运转的稳定性，甚至影响气泵寿命。针对这一情况，气泵电机轴内部采用中空结构，在靠近一级离心叶轮端沿径向开有泄流直孔，在靠近二级离心叶轮端朝着径向开有入流孔，在运转时，由于二级离心叶轮区域压力较高，与一级离心叶轮区域存在一定的压力差，因此，二级离心叶轮区域的高温气体将会通过轴内部的通道，流向一级离心叶轮区域，对一二级轴承部位存在的温度差起到一定的均衡作用，减小两个区域轴承部位由于温度差引起的形变差，从而提高轴承运转的稳定性，改善气泵使用寿命。其中，在近二级离心叶轮端，电机轴入流孔采用倾斜形式，倾斜孔流道能够减小二级离心叶轮区域高压气体流入时的损失，更好的促进气流沿着轴内部通道从二级离心叶轮区域流向一级离心叶轮区域。

本实用新型的燃料电池用小型高速两级离心气泵轴向温度均衡结构，通过将二级叶轮区域高温高压气体通过中空轴结构引流至一级叶轮区域，能够产生以下技术效果：

高速离心气泵工作时，气泵内部一二级离心叶轮区域气体温度存在较大的差异，二级叶轮区域气体温度远高于一级离心叶轮区域，会引起一二级轴承及轴承套受气流热量影响发生的形变也存在较大差异，从而对高速运转的整个轴系产生较大的不良影响，危害到轴承和气泵的使用寿命，采用轴向温度均衡结构后，在不影响气泵本身气动性能的前提下，促使二级离心叶轮区域的部分高温高压气体沿着中空轴结构流向一级离心叶轮区域轴承附近部位，促进一二级轴承附近部位的温度均衡，降低一二级轴承及配套部件热形变的差异，改善轴承的运行环境和状态，从而提高轴承乃至气泵的使用寿命。

总体而言，本实用新型的燃料电池用小型高速两级离心气泵轴向温度均衡结构能够改善高速轴承的使用环境和运行状态，有效提升气泵运行可靠性和使用寿命。

上述只是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本实用新型技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围。