空压机

技术领域

本发明涉及燃料电池发动机技术领域，具体地，涉及一种空压机。

背景技术

在带涡轮能量回收的燃料电池离心空压机中，常利用燃料电池的排气来驱动涡轮并作为辅助动力，减少空压机的电机功率，从而提升燃料电池的发电效率。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

在实际应用过程中，压气机蜗壳进行空气压缩时，部分气体会通过叶轮与蜗壳之间的空隙进入涡轮蜗壳和涡轮叶轮处，造成能量损失，同时影响发电效率。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种工作效率高、能量损失少、噪声小的空压机。

根据本发明实施例的空压机包括壳体、转轴、叶轮、蜗壳和密封结构，所述壳体内具有腔室，所述转轴可转动地设在所述腔室内，所述叶轮设在所述转轴上且邻近所述壳体的第一端，所述叶轮上具有第一配合面，所述蜗壳与所述壳体的第一端相连，所述叶轮配合在所述蜗壳内，所述蜗壳具有第二配合面，所述第一配合面与所述第二配合面在所述转轴的轴向上相对布置形成间隙，所述密封结构设在所述第一配合面和所述第二配合面上，所述密封结构适于阻挡气体在所述间隙内流动。

根据本发明实施例的空压机通过设置密封结构，能够减少间隙内的气体流动，降低间隙内的气体泄露流量对涡轮主流流场的影响，降低泄露气体流动对涡轮的效率，回收泄露气体的能量，提高系统效率，同时在同样的二级排气流量下，该泄露气体流量可以提高一级和二级叶轮的流量，防止一级和二级叶轮进入喘振，从而从整体上拓宽空压机的裕度，使空压机具有工作效率高、能量损失少、噪声小的特点。

在一些实施例中，所述密封结构包括第一密封部和第二密封部，所述第一密封部设在所述第一配合面上，所述第二密封部设在所述第二配合面上，且所述第二密封部与所述第一密封部相配合。

在一些实施例中，所述第一密封部和所述第二密封部均为环绕所述转轴的中心线设置的环形凸起，所述第一密封部和所述第二密封部在所述转轴的径向上间隔开，在正交于所述转轴的径向的投影面上，所述第一密封部的一部分和所述第二密封部的一部分彼此重合。

在一些实施例中，所述第一密封部和所述第二密封部均为多个，多个所述第一密封部在所述转轴的径向上间隔布置，多个所述第二密封部在所述转轴的径向上间隔布置，所述第二密封部位于相邻所述第一密封部之间。

在一些实施例中，所述第一密封部在所述转轴的轴向上的尺寸为所述第一密封部的高度，所述第二密封部在所述转轴的轴向上的尺寸为所述第二密封部的高度，所述间隙在所述叶轮的轴向上的尺寸为所述间隙的宽度，所述第一密封部的高度为L1，所述第二密封部的高度为L2，所述间隙的宽度为L3，L1+L2大于等于L3且小于等于L3*2。

在一些实施例中，所述第一密封部的横截面外周轮廓和所述第二密封部的横截面外周轮廓均包括半圆形、三角形或方形中的一种或多种。

在一些实施例中，所述密封结构还包括第三密封部，所述第三密封部设在所述蜗壳朝向所述叶轮的内壁面上，以改变所述间隙内流出气体的方向。

在一些实施例中，所述叶轮包括第一叶轮和第二叶轮，所述第一叶轮和所述第二叶轮相连且在连接处形成所述第一配合面。

在一些实施例中，所述蜗壳内设有通孔、第一流道和第二流道，所述第一流道与所述通孔连通并环绕在所述通孔的外周侧，所述第二流道与所述通孔连通并环绕在所述通孔的外周侧，所述通孔包括第一孔段和第二孔段，所述第一孔段的径向尺寸大于所述第二孔段的径向尺寸，所述第一叶轮配合在所述第一孔段且适于将气体增压为高压气体后排入所述第一流道内，所述第二叶轮配合在所述第二孔段且适于将所述第二流道通入的气体排入所述通孔内，所述第一孔段和所述第二孔段之间形成第二配合面。

在一些实施例中，所述第一流道具有第一环形开口，所述第一流道通过所述第一环形开口与所述第一孔段连通，所述第二流道具有第二环形开口，所述第二流道通过所述第二环形开口与所述第二孔段连通。

在一些实施例中，所述叶轮在所述叶轮的轴向上具有相对布置的第一端和第二端，至少部分所述第一叶轮的横截面积沿着从所述叶轮的第一端至所述叶轮的第二端的方向逐渐变大，至少部分所述第二叶轮的横截面积沿着从所述叶轮的第一端至所述叶轮的第二端的方向逐渐变小。

附图说明

图1是根据本发明实施例的空压机的结构示意图。

图2是图1中A部分的放大图。

图3是图1中叶轮的结构示意图。

图4是图1中蜗壳的结构示意图。

附图标记：

壳体1，腔室11，转轴2，叶轮3，第一配合面31，第一叶轮32，第二叶轮33，蜗壳4，第二配合面41，间隙42，通孔43，第一孔段431，第二孔段432，第一流道44，第一环形开口441，第二流道45，第二环形开口451，密封结构5，第一密封部51，第二密封部52。

具体实施方式

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。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。

下面参考附图1-3描述根据本发明实施例的空压机。

根据本发明实施例的空压机包括壳体1、转轴2、叶轮3、蜗壳4和密封结构5。

壳体1内具有腔室11，转轴2可转动地设在腔室11内，叶轮3设在转轴2上且邻近壳体1的第一端，叶轮3上具有第一配合面31，蜗壳4与壳体1的第一端相连，叶轮3配合在蜗壳4内，蜗壳4具有第二配合面41，第一配合面31与第二配合面41在转轴2的轴向上相对布置形成间隙42。

如图1所示，转轴2沿左右方向设在壳体1的腔室11内，在转轴2的右端设有叶轮3，在壳体1的右端连接有蜗壳4，蜗壳4设在壳体1的外周面上且将壳体1的右端封闭，叶轮3配合在蜗壳4内，叶轮3的右侧面上设有第一配合面31，蜗壳4内具有向左的第二配合面41，第一配合面31和第二配合面41在左右方向上相对间隔设置，在第一配合面31和第二配合面41之间为间隙42，以使叶轮3随转轴2转动时不与蜗壳4内壁发生干涉，提高叶轮3的转动效率。

密封结构5设在第一配合面31和第二配合面41上，密封结构5适于阻挡气体在间隙42内流动。在间隙42内设有密封结构5，密封结构5设在第一配合面31和第二配合面41上，以减少间隙42内的气体流动，提高空压机的工作效率，有效回收能量，减少能量损失。

根据本发明实施例的空压机通过设置密封结构5，减少间隙42内的气体流动，降低间隙42内的气体泄露流量对涡轮主流流场的影响，降低泄露气体流动对涡轮的效率，回收泄露气体的能量，提高系统效率，同时在同样的二级排气流量下，该泄露气体流量可以提高一级和二级叶轮的流量，防止一级和二级叶轮进入喘振，从而从整体上拓宽空压机的裕度，使空压机具有工作效率高、能量损失少、噪声小的特点。

在一些实施例中，密封结构5包括第一密封部51和第二密封部52，第一密封部51设在第一配合面31上，第二密封部52设在第二配合面41上，且第二密封部52与第一密封部51相配合。

如图2所示，第一密封部51和第二密封部52在间隙42内左右相对设置，间隙42内的气体在沿转轴2的径向流动时，第一密封部51和第二密封部52可对气体进行阻挡，降低气体的流动速率，提高空压机的工作效率。

在一些实施例中，第一密封部51和第二密封部52均为环绕转轴2的中心线设置的环形凸起，第一密封部51和第二密封部52在转轴2的径向上间隔开，在正交于转轴2的径向的投影面上，第一密封部51的一部分和第二密封部52的一部分彼此重合。

如图2-4所示，第一密封部51为设在第一配合面31上向右凸起的环形凸起，第二密封部52为设在第二配合面41上向左凸起的环形凸起，第一密封部51和第二密封部52在左右方向上错开设置，且在转轴2的径向上第一密封部51的投影和第二密封部52的投影具有一定部分的重合，从而使第一密封部51和第二密封部52形成S形通道，延长气体流动路径，降低气体在间隙42内的流动速率，提高空压机的工作效率。

在一些实施例中，第一密封部51和第二密封部52均为多个，多个第一密封部51在转轴2的径向上间隔布置，多个第二密封部52在转轴2的径向上间隔布置，第二密封部52位于相邻第一密封部51之间。

如图2-4所示，在第一配合面31上多个第一密封部51沿转轴2的径向间隔布置，在第二配合面41上多个第二密封部52沿转轴2的径向间隔布置，多个第一密封部51和多个第二密封部52在转轴2的径向上间隔设置，即第一密封部51和第二密封部52依次错开设置，以形成S形通道，进一步延长气体流动路径，增强密封结构5对间隙42内气体的阻挡效果，降低气体在间隙42内的流动速率，提高空压机的工作效率。

在一些实施例中，第一密封部51在转轴2的轴向上的尺寸为第一密封部51的高度，第二密封部52在转轴2的轴向上的尺寸为第二密封部52的高度，间隙42在叶轮3的轴向上的尺寸为间隙42的宽度，第一密封部51的高度为L1，第二密封部52的高度为L2，间隙42的宽度为L3，L1+L2大于等于L3且小于等于L3*2。

如图2所示，第一密封部51在左右方向上的尺寸为第一密封部51的高度L1，第二密封部52在左右方向上的尺寸为第二密封部52的高度L2，间隙42在左右方向上的尺寸为间隙42的宽度L3，第一密封部51的高度L1和第二密封部52的高度L2均小于间隙42的宽度L3，第一密封部51和第二密封部52在左右方向上具有一定的重合，因此L1+L2大于等于L3，从而保证第一密封部51和第二密封部52在左右方向上能够形成S形通道，且第一密封部51不与第二配合面41发生干涉，第二密封部52不与第一配合面31发生干涉，以确保设备的安全性，提高空压机的使用寿命。

在一些实施例中，第一密封部51的横截面外周轮廓和第二密封部52的横截面外周轮廓均包括半圆形、三角形或方形中的一种或多种。第一密封部51和第二密封部52选用单一形状的规则体，规则体的横截面外周轮廓的形状可为三角形、半圆形或者方形，多个第一密封部51和多个第二密封部52可均使用单一形状的规则体构成，需要注意的是，多个第一密封部51和多个第二密封部52还可使用一种或多种形状的规则体组合设置，以增强密封结构5的扰流能力，进一步降低气体在间隙42内的流动速率。

在一些实施例中，密封结构5还包括第三密封部53，第三密封部53设在蜗壳4朝向叶轮3的内壁面上，以改变间隙42内流出气体的方向。

如图2所示，密封结构5在蜗壳4下方还具有部分向下延伸，该部分为第三密封部53，第三密封部53使间隙42出口泄露气体沿子午方向的速度与竖直方向呈0-45°，基本和涡轮入口主流气流方向一致，防止叶轮进入喘振，提高空压机的工作效率。

在一些实施例中，叶轮3包括第一叶轮32和第二叶轮33，第一叶轮32和第二叶轮33相连且在连接处形成第一配合面31。

如图1和图2所示，在第一叶轮32和第二叶轮33连接处形成有台阶面，该台阶面为第一配合面31，用于与蜗壳4配合以形成间隙42，减少第一叶轮32转动时空气朝向第二叶轮33处的泄露量，提高第一叶轮32的空气传输效率。

在一些实施例中，蜗壳4内设有通孔43、第一流道44和第二流道45，第一流道44与通孔43连通并环绕在通孔43的外周侧，第二流道45与通孔43连通并环绕在通孔43的外周侧，通孔43包括第一孔段431和第二孔段432，第一孔段431的径向尺寸大于第二孔段432的径向尺寸，第一叶轮32配合在第一孔段431且适于将气体增压为高压气体后排入第一流道44内，第二叶轮33配合在第二孔段432且适于将第二流道45通入的气体排入通孔43内，第一孔段431和第二孔段432之间形成第二配合面41。

如图1所示，通孔43在左右方向上贯穿蜗壳4，在通孔43的外周侧环绕设置有第一流道44和第二流道45，通孔43的第一孔段431为左端孔段，通孔43的第二孔段432为右端孔段，通孔43的左端孔段直径大于通孔43的右端孔段直径，第一孔段431和第二孔段432的连接处形成台阶形的第二配合面41，空气经第一孔段431经第一环形开口441流入第一流道44，第一流道44与第一叶轮32配合将空气增压形成高压空气，高压空气从与壳体1连接的排气管道内排出蜗壳4做功。燃料电池排气经第二流道45和外部涡轮进入通孔43内膨胀排出，排气在膨胀过程中吸热，将第二流道45的壁面温度降低，同时带走相邻第一流道44内的部分热量，使第一流道44内的温度降低，提高了第一流道44内对气体加压的作业效率。

在一些实施例中，第一流道44具有第一环形开口441，第一流道44通过第一环形开口441与第一孔段431连通，第二流道45具有第二环形开口451，第二流道45通过第二环形开口451与第二孔段432连通。

如图1和图4所示，在第一流道44下方的壁面上设有第一环形开口441，气体通过第一叶轮32在通孔43的径向上向第一流道44内通入气体并进行压缩，压缩后的气体排出蜗壳4，气体从第一环形开口441的任意位置均可沿第一流道44移动一定的距离后排出蜗壳4，在第二流道45下方的壁面上设有第二环形开口451，燃料电池排气通过第二环形开口451进入壳体1内，经第二叶轮33膨胀后，向右经通孔43排出，气体从第二环形开口451的任意位置均可沿第二流道45移动一定的距离后进入通孔43内，第二环形开口451将气体的流动方向由通孔43的径向变为通孔43的轴向，提高了气体的流通速率，有助于提高空压机的作业效率。

在一些实施例中，叶轮3在叶轮3的轴向上具有相对布置的第一端和第二端，至少部分第一叶轮32的横截面积沿着从叶轮3的第一端至叶轮3的第二端的方向逐渐变大，至少部分第二叶轮33的横截面积沿着从叶轮3的第一端至叶轮3的第二端的方向逐渐变小。

如图3所示，叶轮3的第一端为叶轮3的左端，叶轮3的第二端为叶轮3的右端，在叶轮3的左端为第一叶轮32，第一叶轮32的左端部分轮体的横截面积从左向右逐渐变大，在叶轮3的右端为第二叶轮33，第二叶轮33的右端部分轮体的横截面积从左向右逐渐变小，以适应空气流动，从而提高叶轮3的作业效率。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“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。

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，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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。

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“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，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”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，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。