一种离心式空压机及其控制方法

1.本发明涉及空压机技术领域，特别涉及一种离心式空压机及其控制方法。


背景技术：

2.离心式空压机主要由转子和定子两大部分组成：转子包括叶轮和轴，叶轮上有叶片，此外还有平衡盘和轴封的一部分；定子的主体是机壳(气缸)，定子上还安装有扩压器、弯道、回流器、迸气管、排气管及部分轴封等。离心式空压机的工作原理为：当叶轮高速旋转时，气体随着旋转，在离心力作用下被甩到后面的扩压器中去，而在叶轮处形成真空地带，这时外界的新鲜气体进入叶轮，叶轮不断旋转，气体不断地吸入并甩出，从而保持了气体的连续流动。
3.在燃料电池动力汽车中，一般空压机进口处都会安装空气过滤器或者油雾器，但是当离心式空压机进口处的空气滤芯失效或者出现堵塞时会导致离心式空压机的低压端蜗壳进气口处气体流量变小时，会导致低压端空气推力轴承冷却不足，进而无法有效的降低空气推力轴承的温度，从而影响离心式空压机的运行和使用寿命。传统空压机的冷却方式一般仅考虑在电机定子外设有冷却夹套，用来冷却定子和转子，忽略了对轴承的冷却。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷和不足，提供一种原理简单，在低压端蜗壳进气口处气体流量变小时能够对空气推力轴承进行降温、冷却的离心式空压机。
5.实现本发明目的的技术方案是：一种离心式空压机，包括壳体和转子轴，所述转子轴的两端分别通过径向轴承支撑在壳体上，所述壳体的一端连接有低压端涡轮增压装置，所述低压端涡轮增压装置包括低压端蜗壳和低压端背板，所述低压端蜗壳分别与壳体和低压端背板连接，所述低压端背板与转子轴之间设有空气推力轴承，所述低压端背板内设有低压端进气通道和空腔，所述低压端蜗壳通过低压端进气通道与空腔连通，所述空腔与空气推力轴承连通，所述空腔内滑动连接有导叶。
6.进一步地，所述低压端背板内还设有与低压端进气通道相互连通的检测流道，所述检测流道与空气推力轴承连通，所述检测流道内滑动连接有滑阀，所述滑阀内开设有导通孔。
7.进一步地，所述检测流道内设有弹性件，所述弹性件的一端与滑阀连接，另一端与检测流道的侧壁连接。
8.进一步地，所述检测流道内至少安装一个用于检测滑阀位置的位置传感器。
9.进一步地，所述低压端蜗壳的进气口处至少设有一个流量传感器，所述空气推力轴承旁至少设有一个温度传感器。
10.进一步地，所述壳体的另一端连接有高压端涡轮增压装置，所述高压端涡轮增压装置包括高压端蜗壳和高压端背板，所述高压端蜗壳与壳体连接，所述高压端背板通过高压端轴套与转子轴连接。
11.进一步地，所述高压端背板内设有高压端进气通道，所述高压端背板与高压端的径向轴承之间形成冷却空腔，所述冷却空腔与高压端进气通道连通。
12.进一步地，所述高压端轴套上滑动连接有叶轮环，所述叶轮环位于冷却空腔内。
13.进一步地，所述导叶、滑阀和叶轮环分别由电磁绕组驱动。
14.一种离心式空压机的控制方法，内容如下：
15.当温度传感器检测出空气推力轴承的温度大于第二设定值的一半，且流量传感器检测到低压端蜗壳的进气口处流量超过第三设定值时，通过电磁绕组控制滑阀在检测流道内滑动，使得导通孔与低压端进气通道之间的流通面积达到第一设定值；
16.当温度传感器检测出空气推力轴承的温度大于第二设定值的一半，且流量传感器检测到低压端蜗壳的进气口处流量小于第三设定值时，通过电磁绕组控制滑阀在检测流道内滑动，使得导通孔与低压端进气通道之间的流通面积达到第一设定值的两倍；
17.当温度传感器检测出空气推力轴承的温度大于第二设定值，且流量传感器检测到低压端蜗壳的进气口处流量小于第三设定值时，通过电磁绕组控制滑阀在检测流道内滑动，使得导通孔与低压端进气通道之间的流通面积达到第一设定值的两倍，同时通过电磁绕组控制导叶在空腔内滑动。
18.采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：
19.(1)本发明通过在低压端背板内设置低压端进气通道和空腔，以及在空腔内设置导叶，使得在低压端蜗壳进气口处气体流量变小时，将小流量气体导向空气推力轴承，从而实现对空气推力轴承的降温、冷却；
20.(2)本发明通过在低压端背板内设置与低压端进气通道相互连通的检测流道，检测流道内滑动连接有滑阀，滑阀中设有导通孔，从而可以根据空气推力轴承的温度调整低压端进气通道与导通孔的通断；
21.(3)本发明通过弹性件的设置，一方面使得滑阀能够自动复位，另一方面可以实现自适应调节，根据空气推力轴承温度的变化自动调整低压端进气通道与导通孔之间的流通面积；
22.(4)本发明通过在检测流道的壁面设置电磁绕组控制滑阀的移动，从而在自适应调节失效或突发故障需要人为干预时，可以通过电磁绕组强制控制滑阀移动实现对空气推力轴承的降温、冷却。
23.(5)本发明通过检测流道内至少安装一个位置传感器，检测滑阀的位置，当通过位置传感器判断导通孔与低压端进气通道之间的流通面积小于第一设定值时，控制电磁绕组使磁性导叶沿空腔内壁沿反流向滑动，实现在较小流量下，可以强制引导部分气体进入空气推力轴承中，针对空气推力轴承冷却部分集中冷却。
24.(6)本发明通过在高压端轴套上安装可移动的叶轮环，引导并加压气体进入高压端径向轴承，另外，通过叶轮环转动，强制加压冷却气体输送至高压端径向轴承中，可以增加冷却气体的流速，提高热交换的速率。
25.(7)本发明叶轮环的轮毂的横截面为梯形，且轮毂面积大的端面朝向高压端背板，轮毂的斜面上均布若干叶片，叶片的尾部与轮毂面积小的端面平齐，叶片为翼型导流叶片，由于该翼型工作面长度与背面长度比值较大，能够产生较大沿斜面方向输送压力，使得诱导后的流体对准高压端径向轴承，。
26.(8)本发明通过控制电磁绕组产生磁场位置的变化，使叶轮环沿轴向移动，可以与传感器联动保证高压端径向轴承的冷却效果。
附图说明
27.为了使本发明的内容更容易和清楚地被理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步的详细说明，其中：
28.图1为本发明的结构示意图；
29.图2为本发明低压端涡轮增压装置的结构示意图；
30.图3为图2中a部的放大图；
31.图4为本发明高压端涡轮增压装置的结构示意图；
32.图5为图4中b部的放大图；
33.图6为本发明叶轮环的结构示意图；
34.图7为本发明叶轮环的剖视图。
35.图中：壳体1、转子轴2、径向轴承3、低压端蜗壳4a、低压端背板4b、低压端叶轮4c、空气推力轴承5、低压端进气通道6、空腔7、导叶8、检测流道9、滑阀10、导通孔11、弹性件12、高压端蜗壳13a、高压端背板13b、高压端叶轮13c、高压端轴套14、高压端进气通道15、冷却空腔16、叶轮环17、轮毂17a、叶片17b、电磁绕组18、。
具体实施方式
36.实施例1
37.如图1-图5所示，一种离心式空压机，包括壳体1和转子轴2，转子轴2的两端分别通过径向轴承3支撑在壳体1上，壳体1的两端分别连接有低压端涡轮增压装置和高压端涡轮增压装置。具体的，低压端涡轮增压装置包括低压端蜗壳4a、低压端背板4b和低压端叶轮4c，低压端蜗壳4a分别与壳体1和低压端背板4b密封连接，低压端叶轮4c安装在转子轴2的一端且位于低压端蜗壳4a内，低压端背板4b与转子轴2的轴肩之间设有空气推力轴承5，低压端背板4b内设有低压端进气通道6和空腔7，低压端蜗壳4a通过低压端进气通道6与空腔7连通，空腔7与空气推力轴承5的一侧连通，空腔7内滑动连接有导叶8，导叶8具有磁性，导叶8由电磁绕组18控制，电磁绕组18设置在低压端背板4b内，通过低压端进气通道6、空腔7和导叶8的设置，使得在低压端蜗壳4a进气口处气体流量变小时，将小流量气体导向空气推力轴承5，从而实现对空气推力轴承5的降温、冷却。低压端背板4b内还设有与低压端进气通道6相互连通的检测流道9，检测流道9与空气推力轴承5的径向端面连通，检测流道9内滑动连接有滑阀10，滑阀10的中部开设有上下贯通的导通孔11，通过空气推力轴承5温度的变化使得滑阀10在检测流道9内移动，从而实现低压端进气通道6与导通孔11的通断，比如：当空气推力轴承5内气体温度升高时，膨胀的气体推动滑阀10向远离空气推力轴承5的方向移动，从而使得低压端进气通道6与导通孔11导通。检测流道9内设弹性件12，弹性件12为弹簧，弹簧的一端与滑阀10连接，另一端与检测流道9的侧壁连接，通过弹簧的设置，一方面使得滑阀10能够自动复位，另一方面可以实现自适应调节，根据空气推力轴承5温度的变化自动调整低压端进气通道6与导通孔11之间的流通面积。为了更加精确的计算出低压端进气通道6与导通孔11之间的流通面积，在检测流道9内至少安装一个用于检测滑阀10位置的位置传
感器，控制系统根据位置传感器获得的数据可以计算出低压端进气通道6与导通孔11之间的流通面积。当计算出低压端进气通道6与导通孔11之间的流通面积小于第一设定值时，一般第一设定值为导通孔11横截面积的一半，控制系统控制电磁绕组18使得导叶8沿空腔7的内壁反流向滑动，实现在低压端蜗壳4a进气口处气体流量变小时，强制引导部分气体进入空气推力轴承5对其冷却部分集中冷却。检测流道9的壁面设有电磁绕组18，滑阀10为磁性材料，通过控制电磁绕组18产生磁场位置的变化，强制控制滑阀10在检测流道9移动，从而实现滑阀10自适应调节功能失效或者突发故障时可以人为干预滑阀10的移动。低压端蜗壳4a的进气口处至少设有一个流量传感器用于检测低压端蜗壳4a的进气口处气体流量，空气推力轴承5旁至少设有一个温度传感器用于监测空气推力轴承5内的温度。
38.高压端涡轮增压装置包括高压端蜗壳13a、高压端背板13b和高压端叶轮13c，高压端蜗壳13a与壳体1密封连接，高压端叶轮13c安装在转子轴2的另一端且位于高压端蜗壳13a内，高压端背板13b安装在壳体1上且位于高压端叶轮13c的后方，高压端蜗壳13a的进气口与低压端蜗壳4a的出气口连通，高压端背板13b通过高压端轴套14与转子轴2的另一端连接，高压端背板13b通过密封圈与高压端轴套14转动配合，高压端背板13b内设有高压端进气通道15，高压端背板13b与高压端的径向轴承3之间形成冷却空腔16，冷却空腔16与高压端进气通道15连通，高压端轴套14上滑动连接有叶轮环17，叶轮环17位于冷却空腔16内，叶轮环17为磁性材料，电磁绕组18控制叶轮环17沿轴向移动，电磁绕组18安装在高压端轴套14内，通过叶轮环17的移动，引导并加压气体进入高压端的径向轴承3，另外通过叶轮环17的转动，强制引导和加压气体进入高压端的径向轴承3内，从而增加了气体的流速，提高了热交换的速率。具体的，如图6和图7所示，叶轮环17的轮毂17a的横截面为梯形，轮毂17a面积大的端面朝向高压端背板13b，轮毂17a的斜面上均布若干叶片17b，叶片17b为翼型导流叶片，叶片17b的尾部与轮毂17a面积小的端面齐平，由于该翼型工作面长度与背面长度比值较大，能够产生较大的沿斜面方向的输送压力，从而使得引导后的气体对准高压端的径向轴承3，增强冷却效果。叶片17b的弦与圆周方向的夹角α＝8
°‑
15
°
，叶片17b的厚度h为轮毂17a的内孔半径r的0.02-0.04倍。
39.实施例2
40.一种离心式空压机的控制方法，具体内容如下：
41.当温度传感器检测出空气推力轴承5的温度大于第二设定值的一半，且流量传感器检测到低压端蜗壳4a的进气口处流量超过第三设定值时，通过电磁绕组18控制滑阀10在检测流道9内滑动，使得导通孔11与低压端进气通道6之间的流通面积达到第一设定值；
42.当温度传感器检测出空气推力轴承5的温度大于第二设定值的一半，且流量传感器检测到低压端蜗壳4a的进气口处流量小于第三设定值时，通过电磁绕组18控制滑阀10在检测流道9内滑动，使得导通孔11与低压端进气通道6之间的流通面积达到第一设定值的两倍；
43.当温度传感器检测出空气推力轴承5的温度大于第二设定值，且流量传感器检测到低压端蜗壳4a的进气口处流量小于第三设定值时，通过电磁绕组18控制滑阀10在检测流道9内滑动，使得导通孔11与低压端进气通道6之间的流通面积达到第一设定值的两倍，同时通过电磁绕组18控制导叶8在空腔7内滑动。
44.通过上述控制方法，在滑阀10自适应调节功能失效或者突发故障时，可以人为干
预滑阀10的移动从而实现对空气推力轴承5的冷却、降温。本实施例中第二设定值可以取60-80℃，第三设定值可以取10-100g/s。
45.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。