用于空气压缩机的气体密封装置以及空气压缩机的制作方法

1.本实用新型涉及一种用于空气压缩机的气体密封装置，尤其是用于燃料电池空气压缩机的气体密封装置。本实用新型还涉及一种包括这种气体密封装置的叶轮盘。此外，本实用新型还涉及一种包括这种气体密封装置或者说这种叶轮盘的空气压缩机。


背景技术：

2.在空气压缩机中，来自外界环境的空气经由空气压缩机入口被供应至压缩机叶轮处，通过叶轮的高速旋转将空气压缩至高压力并且输送至压缩机出口。在压缩机内部由于压缩空气处于高压下并且由叶轮轴以及叶轮盘之间的间隙，常常出现压缩空气沿着泄漏间隙从高压区域向低压区域泄漏，由此会降低压缩空气的压力以及压缩空气的供应量，进而对空气压缩机的可靠运行产生不利影响。
3.在现有技术中，在空气压缩机中设置有密封装置，尤其是一种非接触式密封装置。在叶轮轴的外周边设置有多个依次排列的环形密封齿或者说凹槽，各个凹槽形成一系列节流间隙和膨胀空腔并因而形成迷宫式密封结构，被密封的气体介质在流经曲折的迷宫式间隙时产生节流效应并发生能量转换来密封气体介质以达到防止泄漏的目的。
4.在传统认知中，迷宫式密封装置的凹槽数量越多，密封效果越好。然而，一方面这些凹槽的加工需要高的加工成本，另一方面，这些凹槽本身也会引起整个密封装置的结构强度下降。
5.因此，存在对一种改进的气体密封装置的需求，该气体密封装置在凹槽数量减小的情况下还能进一步提高对压缩空气的密封性。


技术实现要素：

6.在该背景下，根据本实用新型的一个方面，提出一种用于空气压缩机的气体密封装置，所述气体密封装置包括具有长度确定的用于起密封作用的密封区段，所述密封区段位于所述空气压缩机的叶轮轴与所述空气压缩机的叶轮盘之间，在所述密封区段上构造有至少一个用于沿着所述叶轮轴密封压缩空气的凹槽，所述压缩空气经由叶轮与所述叶轮盘之间的间隙到达所述凹槽处，所述凹槽中的至少一个至少基于相应的凹槽的宽度与深度的乘积作为变量设计，其中，所述变量大于预定阈值。由此，本实用新型的气体密封装置可以在不增加成本的情况下有利地解决上述技术问题，从而可以高效地并且可靠地运行空气压缩机。
7.本实用新型的基本构思在于，通过优化地设置气体密封装置，尤其是在考虑凹槽数量的情况下将气体密封装置的凹槽宽度与深度的乘积作为设计变量，由此可以在密封区段的长度不能改变的情况下，有利地提高对压缩空气的密封效果并且能够降低加工该气体密封装置的成本。在此，通过增大压缩空气在凹槽内形成的涡流，由此产生大的流动阻力以减少压缩空气向低压区域中的泄漏。通过本实用新型的上述方案，不仅可以在不增加附加的结构件或者材料的情况下提高对压缩空气的密封性，而且可以进一步提高空气压缩机的
运行可靠性并降低整个空气压缩机的成本。
8.本实用新型的改进方案由各个可选的实施方式得出。
9.根据本实用新型的一个实施方式，所述密封区段构造有两个凹槽，所述两个凹槽相邻地构造。在该实施方式中凹槽的数量被减小。与凹槽数量越多则迷宫式密封装置的密封性越好的一般性认知相反，通过减小凹槽的数量而合理地设置凹槽的结构尺寸，能够使得压缩空气在流经凹槽时在凹槽内产生大的涡流，该涡流的形成有利地减小了压缩空气的能量并从而提高了对压缩空气的密封性。
10.根据本实用新型的一个可选的实施方式，所述凹槽的宽度均大于2.9mm，深度均大于4mm，其中，所述预定阈值为11.6mm2。在此，通过减小凹槽的数量并且相应地增大凹槽的宽度和深度，泄漏量例如下降为小于1.62g/s。
11.根据本实用新型的一个可选的实施方式，所述密封区段构造有唯一一个凹槽。根据本实用新型的另一可选的实施方式，所述凹槽的宽度大于6.4mm，深度大于4mm，其中，所述预定阈值为25.6mm2。在该实施方式中，唯一一个凹槽的宽度明显更大。由此，压缩空气在流经该凹槽时在该凹槽内产生更大的涡流，通过优化地设置凹槽的结构尺寸，即使在只有一个凹槽的情况下，也能够进一步提升整个气体密封装置的密封性。在此，泄漏量下降为小于1.61g/s。此外，由于仅设置有一个凹槽，由此大大地简化了所述气体密封装置的加工并因而降低了制造成本。
12.根据本实用新型的另一可选的实施方式，所述密封区段布置在构造为阶梯轴的所述叶轮轴的阶梯上，其中，所述密封区段与所述阶梯之间布置有用于调整所述密封区段与所述阶梯之间的间隙的调整垫片。在此，所述叶轮轴的阶梯与调整垫片的外周面与密封区段共同形成密封配合。通过设置相应的调整垫片，可以调整或者说减小密封配合的间隙，由此进一步提高对压缩空气的密封性。
13.根据本实用新型的另一可选的实施方式，所述气体密封装置构造在所述叶轮盘上。也就是说，所述气体密封装置与所述叶轮盘一体地构造。在此，在叶轮盘的内周面处构造所述凹槽。由此，所述叶轮盘的内周面上的凹槽与所述叶轮轴的外周面以及必要时与调整垫片的外周面形成密封配合或者说形成迷宫式密封结构。
14.根据本实用新型的一个可选的实施方式，所述凹槽通过铣削或者冲压或者铸造来制造。在此，可以以已知的加工方法来加工出所述凹槽。
15.根据本实用新型的另一方面，提供一种用于空气压缩机的叶轮盘，所述叶轮盘包括上述气体密封装置。
16.根据本实用新型的又一方面，提供一种空气压缩机，所述空气压缩机包括叶轮盘，所述叶轮盘包括上述气体密封装置。
17.本实用新型的更多的特征从权利要求、附图和附图的描述中变得显而易见的。在上述说明中提到的特征和特征组合以及在下文的附图描述中提到的和/或只在附图中示出的特征和特征组合不仅可以以相应指定的组合使用，而且可以在不脱离本实用新型的范围的情况下以其它组合使用。因此，下述内容也视作被本实用新型涵盖和公开：这些内容未在附图中明确示出并未被明确解释，而是源自由来自所解释的内容的分离的特征所组成的组合并由这些组合产生。下述内容和特征组合也被视作是被公开的：其不具有原始撰写的独立权利要求的所有特征。此外，下述内容和特征组合被视作尤其被上文内容所公开：其超出
或偏离权利要求的引用关系中所限定的特征组合。
附图说明
18.由在下面对在附图中示意性示出的优选实施例的描述得到本实用新型的其它可选的细节和特征。在此，
19.图1示出了根据本实用新型的一个示例性实施方式的空气压缩机的示意性结构；
20.图2示出了根据本实用新型的一个示例性实施方式的气体密封装置的示意性剖面图；
21.图3示出了根据本实用新型的一个示例性实施方式的气体密封装置的剖面图；
22.图4示出了根据本实用新型的另一示例性实施方式的气体密封装置的剖面图。
23.附图标记列表
24.1 气体密封装置
25.2 叶轮
26.3 叶轮盘
27.4 叶轮轴
28.5 空气入口
29.6 压缩机壳体
30.7 空气压缩机
31.8 凹槽
32.9 调整垫片
33.h 深度
34.w 宽度
35.a 高压区域
36.b 低压区域。
具体实施方式
37.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个示例性实施方式对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用于解释本实用新型，而不用于限定本实用新型的保护范围。
38.在图1中示出了根据本实用新型的一个示例性实施方式的空气压缩机7的示意性结构。在该示例性实施方式中，所述空气压缩机7包括：压缩机壳体6；布置在压缩机壳体6上的空气入口5；叶轮2；所述叶轮2布置在空气入口侧；叶轮轴4，所述叶轮2布置在示例性地构造为阶梯轴的所述叶轮轴4上；叶轮盘3，所述叶轮盘3与所述叶轮2相邻地布置在所述叶轮轴4上。来自外界环境的空气经由空气压缩机7的所述空气入口5进入空气压缩机7中并且借助高速旋转的叶轮2被压缩。在此，在所述叶轮2与所述叶轮盘3之间以及在所述叶轮盘3与所述叶轮轴4之间都存在间隙。在不存在压缩空气泄漏的理想状态下，压缩空气经由设置在压缩机壳体6内的压缩空气输送通道(在图中未示出)输送至压缩空气输出侧。然而在空气压缩机的实际运行中，从在附图1中示出的纸面方向看，在叶轮盘3左侧处(高压区域a)的压
力高于在叶轮盘3右侧处(低压区域b)的压力，因此压缩空气由于叶轮盘3左侧与叶轮盘3右侧之间的压力差而会经由所述叶轮2与所述叶轮盘3之间的间隙到达所述叶轮轴4处并且经由所述叶轮轴4与所述叶轮盘3之间的间隙朝着低压区域b的方向流动。由此，在空气压缩机7中形成不同于压缩空气输送通道的泄漏路径并因而发生压缩空气的泄漏。为了减小或者说防止所述压缩空气的泄漏，根据该示例性实施方式，在压缩空气的泄漏路径上还设置有用于防止压缩空气泄漏的气体密封装置1。
39.在图2中示出了根据本实用新型的一个示例性实施方式的气体密封装置1的示意性剖面图。由图2可以看到，所述气体密封装置1根据该实施方式示例性地构造在所述叶轮盘3上并且包括密封区段，所述密封区段由于叶轮盘3在轴向上的结构尺寸而具有确定的轴向长度并且在所述密封区段上构造有多个凹槽8，所述多个凹槽8在轴向上相对彼此间隔开地构造并且由此形成一种迷宫式结构。在该示例性实施方式中，还设置有调整垫片9，所述调整垫片9布置在构造为阶梯轴的叶轮轴4的一个轴肩上用于调整所述气体密封装置1或者说密封区段与叶轮轴4/调整垫片9之间形成的间隙。在此，所述调整垫片9环形地构造并且示例性地由金属材料或耐高温高压材料制成。所述气体密封装置1布置在压缩空气从高压区域a向低压区域b方向的泄漏路径上，即，经由所述叶轮2与所述叶轮盘3之间的间隙以及经由所述叶轮盘3与所述叶轮轴4/调整垫片9之间的间隙的流动路径上，用于朝着低压区域b密封压缩空气。
40.在图3中示出了根据本实用新型的一个示例性实施方式的气体密封装置1的剖面图。在该示例性实施方式中，示例性地构造在所述叶轮盘3上的气体密封装置1构造有2个凹槽8。在此，所述凹槽8中的至少一个基于相应的凹槽8的宽度w和深度h的乘积作为变量y来设计。即所述凹槽8中的至少一个按照公式y＝f(w,h)＝w
×
h来设计，其中，y》s，其中，s为预定阈值。此外在该示例性实施方式中，所述两个凹槽8相比现有技术中的气体密封装置1具有增大的宽度w和深度h并都具有相同的宽度w和深度h，并且其宽度w为大于2.95mm，其深度h为大于4mm，其中，所述预定阈值s为11.6mm2，由此，y》s。在此，在所述空气压缩机7的运行中，所述压缩空气的泄漏量降低为小于1.62g/s。由于所述两个凹槽8各自的宽度w和深度h的乘积y大于所述预定阈值s，因而压缩空气在流经所述凹槽8时产生增大的涡流。凹槽8中的增大的涡流能够引起压缩空气的增大的能量耗散或者说能量转换并因而形成增大的流动阻力，这有利地有助于压缩空气的密封。因而，与一般性认知相反地，在凹槽8数量减小的情况下反而实现了气体密封装置1的提高的密封性。
41.在图4中示出了根据本实用新型的另一示例性实施方式的气体密封装置1的剖面图。由图4可以看到，图4中的气体密封装置1仅具有唯一一个凹槽8。与图3的实施方式类似，所述唯一一个凹槽8基于其宽度w和深度h的乘积作为变量y来设计。即所述唯一一个凹槽8按照公式y＝f(w,h)＝w
×
h来设计，其中，y》s，其中，s为预定阈值。在该示例性实施方式中，所述唯一一个凹槽8具有宽度w为大于6.4mm，深度h为大于4mm，其中，所述预定阈值s示例性地为25.6mm2，由此，y》s。现在与根据图3中的气体密封装置1相比，所述唯一一个凹槽8的宽度w明显大于图3中的气体密封装置1的各个凹槽8的宽度w。通过该气体密封装置1的优化构型，在所述空气压缩机7的运行中，所述压缩空气的泄漏量进一步减小为至少小于1.61g/s。
42.在本实用新型中，所述预定阈值s并不是固定不变的而是与空气压缩机的设计功率和压缩空气的最大压力以及空气压缩机的具体构造等有关并且可以基于空气压缩机的
工况以及密封区段长度通过模拟以及测试来设置。
43.在本实用新型中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。对于本领域的技术人员而言，本实用新型的其它优点和替代性实施方式是显而易见的。因此，本实用新型就其更宽泛的意义而言并不局限于所示和所述的具体细节、代表性结构和示例性实施方式。相反，本领域的技术人员可以在不脱离本实用新型的基本精神和范围的情况下进行各种修改和替代。