CN112761971A - 一种两级空气箔片轴承支承高速离心式空压机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种两级空气箔片轴承支承高速离心式空压机，包括水冷装置、气冷装置和驱动装置，所述水冷装置包括外壳体、第一压气端蜗壳、第二压气端蜗壳、推力轴承座和接线柱，所述外壳体的前侧壁右侧螺纹连接有冷却气进气接头和冷却气出气接头，所述外壳体的底部螺纹连接有冷却水进水接头和冷却水出水接头，所述第一压气端蜗壳和所述第二压气端蜗壳分别通过螺栓固定于所述外壳体的左侧壁和右侧壁，所述推力轴承座镶嵌于所述第一压气端蜗壳的右侧壁。本发明两级叶轮轴向推力相互抵消，减小推力轴承施加的轴向力，采用径向和轴向气悬浮轴承，通过自身产生的高压气体形成气膜，减小轴承与转子摩擦，减小机械损失，提高空压机的使用寿命。

Description

一种两级空气箔片轴承支承高速离心式空压机
技术领域
本发明涉及氢燃料电池发动机设备技术领域，具体为一种两级空气箔片轴承支承高速离心式空压机。
背景技术
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。
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。
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。
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还会影响到空压机的使用寿命。
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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种两级空气箔片轴承支承高速离心式空压机，解决了背景技术中所提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种两级空气箔片轴承支承高速离心式空压机，包括水冷装置、气冷装置和驱动装置，所述水冷装置包括外壳体、第一压气端蜗壳、第二压气端蜗壳、推力轴承座和接线柱，所述外壳体的前侧壁右侧螺纹连接有冷却气进气接头和冷却气出气接头，所述外壳体的底部螺纹连接有冷却水进水接头和冷却水出水接头，所述第一压气端蜗壳和所述第二压气端蜗壳分别通过螺栓固定于所述外壳体的左侧壁和右侧壁，所述推力轴承座镶嵌于所述第一压气端蜗壳的右侧壁，所述推力轴承座的内部套接有轴套，所述推力轴承座的右侧壁通过螺栓固定有推力盘，所述接线柱焊接于所述外壳体的顶部，所述接线柱的顶部插接有接插件；所述驱动装置位于所述外壳体内腔，所述驱动装置包括内壳体、六个铜管和连接管，所述内壳体的外侧壁与所述外壳体的内侧壁一体成型，所述内壳体的外侧壁开有冷却水道，所述冷却水道与所述冷却水进水接头和冷却水出水接头连通，六个所述铜管沿着所述内壳体的内侧壁分布，所述铜管的内部开有冷却气道，所述铜管的右端与所述冷却气进气接头连通，所述连接管通过螺栓固定于所述壳体的前侧壁，所述连接管的顶部插接有级间连接管出气接头，所述级间连接管出气接头通过导管与所述冷却气进气接头连通，所述连接管的右端与所述第二压气端蜗壳连通；所述气冷装置位于所述内壳体的内腔中，所述气冷装置包括转子主轴、电机定子、第一叶轮、第二叶轮、第一径向轴承座和第二径向轴承座，所述电机定子卡接于所述内壳体的内侧壁，所述电机定子套接于所述转子主轴的外部，所述第一叶轮和所述第二叶轮分别通过叶轮锁母固定于所述转子主轴的两端，所述第一径向轴承座位于所述内壳体和所述第二压气端蜗壳的中间处，所述第二径向轴承座位于所述内壳体和所述推力盘中间处。
作为本发明的一种优选实施方式，所述第一径向轴承座和所述第二径向轴承座的内部分别套接有径向轴承，所述第一径向轴承座和所述第二径向轴承座通过所述径向轴承与所述转子主轴转动连接。
作为本发明的一种优选实施方式，所述接线柱的前侧壁通过螺栓固定有接线柱垫块。
作为本发明的一种优选实施方式，所述内壳体的内腔右侧壁开有凹槽，所述冷却气道通过所述凹槽与所述冷却气进气接头连通。
作为本发明的一种优选实施方式，所述转子主轴的右侧外部套接有迷宫密封圈。
作为本发明的一种优选实施方式，所述推力盘的外部套接有空气箔片，所述推力盘通过所述空气箔片与所述推力轴承座接触。
作为本发明的一种优选实施方式，所述冷却水道为螺旋状结构。
作为本发明的一种优选实施方式，所述内壳体的内侧壁开有轴向卡槽，所述铜管镶嵌于所述卡槽中，所述铜管的表面开有凹凸点。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、两级叶轮轴向推力相互抵消，减小推力轴承施加的轴向力，采用径向和轴向气悬浮轴承，通过自身产生的高压气体形成气膜，减小轴承与转子摩擦，减小机械损失，提高空压机的使用寿命。
2、通过在壳体上设置水冷装置和气冷装置，实现对内外壳体及电机内部、以及转子轴的冷却，两级半开式叶轮通过中间管道串联，进而将部分压缩气体引入机壳组件中，实现对电机、径向轴承和推力轴承冷却，利用高压气流带走零件摩擦产生的热量，进而提高空压机内零部件的使用寿命；
3、两级半开式叶轮通过中间管道串联，实现小流量高压比，转速高达90000-120000rpm。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一种两级空气箔片轴承支承高速离心式空压机的内部结构示意图；
图2为本发明一种两级空气箔片轴承支承高速离心式空压机的外部结构示意图。
图中：100、水冷装置；110、外壳体；111、冷却水进水接头；112、冷却水出水接头；113、冷却气进气接头；114、冷却气出气接头；120、第一压气端蜗壳；130、第二压气端蜗壳；140、推力轴承座；141、推力盘；142、空气箔片；143、轴套；150、接线柱；151、接线柱垫块；152、接插件；200、气冷装置；210、转子主轴；211、叶轮锁母；212、迷宫密封圈；220、电机定子；230、第一叶轮；240、第二叶轮；250、第一径向轴承座；260、第二径向轴承座；270、径向轴承；300、驱动装置；310、内壳体；311、冷却水道；320、铜管；321、冷却气道；330、连接管；331、级间连接管出气接头。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。
请参阅图1-图2，本发明提供一种技术方案：一种两级空气箔片轴承支承高速离心式空压机，包括水冷装置100、气冷装置200和驱动装置300，水冷装置100包括外壳体110、第一压气端蜗壳120、第二压气端蜗壳130、推力轴承座140和接线柱150，外壳体110的前侧壁右侧螺纹连接有冷却气进气接头113和冷却气出气接头114，外壳体110的底部螺纹连接有冷却水进水接头111和冷却水出水接头112，第一压气端蜗壳120和第二压气端蜗壳130分别通过螺栓固定于外壳体110的左侧壁和右侧壁，推力轴承座140镶嵌于第一压气端蜗壳120的右侧壁，推力轴承座140的内部套接有轴套143，推力轴承座140的右侧壁通过螺栓固定有推力盘141，接线柱150焊接于外壳体110的顶部，接线柱150的顶部插接有接插件152；驱动装置300位于外壳体110内腔，驱动装置300包括内壳体310、六个铜管320和连接管330，内壳体310的外侧壁与外壳体110的内侧壁一体成型，内壳体310的外侧壁开有冷却水道311，冷却水道311与冷却水进水接头111和冷却水出水接头112连通，六个铜管320沿着内壳体310的内侧壁分布，铜管320的内部开有冷却气道321，铜管320的右端与冷却气进气接头113连通，连接管330通过螺栓固定于壳体外壳体110的前侧壁，连接管330的顶部插接有级间连接管出气接头331，级间连接管出气接头331通过导管与冷却气进气接头113连通，连接管330的右端与第二压气端蜗壳130连通；气冷装置200位于内壳体310的内腔中，气冷装置200包括转子主轴210、电机定子220、第一叶轮230、第二叶轮240、第一径向轴承座250和第二径向轴承座260，电机定子220卡接于内壳体310的内侧壁，电机定子220套接于转子主轴210的外部，第一叶轮230和第二叶轮240分别通过叶轮锁母211固定于转子主轴210的两端，第一径向轴承座250位于内壳体310和第二压气端蜗壳130的中间处，第二径向轴承座260位于内壳体310和推力盘141中间处。
本发明中，当空压机在使用时，电机定子220驱动转子主轴210运转，转子主轴210带动第一叶轮230和第二叶轮240运转，转子主轴210旋转时轴向上会有轴向力产生，通过第一叶轮230和第二叶轮240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270和推力轴承座140在主轴高速运转时，产生高压气体形成气膜，减小径向轴承270和转子主轴210的摩擦，同时推力轴承座140产生的气膜可以在转子主轴210左右串动时起到一个缓冲作用，转子主轴210与第一叶轮230和第二叶轮240向左串动时，左边的推力轴承座140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；同时从连接管330引入压缩气体进入内壳体310内腔，沿设定的气体流道流动，依次经过冷却气道321、推力轴承座140与第二径向轴承座260之间的间隙、推力轴承座140与转子主轴210右端之间的间隙、电机定子220分别与内壳体310之间和转子主轴210之间的腔体，最后冷却气从冷却气出气接头114排出，气流在流动的过程中对电机定子220、转子主轴210、径向轴承270进行气冷；而冷水则从冷却水进水接头111进入到冷却水道311中，冷水在冷却水道311中循环一圈后从冷却水出水接头112流出带走壳体内的热量，以防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。
在一个可选的实施例中，第一径向轴承座250和第二径向轴承座260的内部分别套接有径向轴承270，第一径向轴承座250和第二径向轴承座260通过径向轴承251与转子主轴210转动连接。
需要说明的是，用于在转子主轴210高速运转时，产生高压气体形成气膜，减小径向轴承270和转子主轴210的摩擦，同时推力轴承座140产生的气膜可以在转子主轴210左右串动时起到一个缓冲作用，转子主轴210与叶轮向左串动时，左边的推力轴承座140产生的气膜会阻挡转子主轴210向左串动，21向右时亦然，避免叶轮的左右移动与蜗壳碰撞。
在一个可选的实施例中，接线柱150的前侧壁通过螺栓固定有接线柱垫块151。
需要说明的是，用于提高接线柱150使用的稳定性。
在一个可选的实施例中，内壳体310的内腔右侧壁开有凹槽，冷却气道321通过凹槽与冷却气进气接头113连通。
需要说明的是，可使冷却气体更均匀的分布在内壳体310的内部，实现对空压机的外壳体110、内壳体310、电机定子220、转子主轴210、径向轴承270、142和推力轴承座140冷却。
在一个可选的实施例中，转子主轴210的右侧外部套接有迷宫密封圈212。
需要说明的是，防止对接触部分造成损害。
在一个可选的实施例中，推力盘141的外部套接有空气箔片142，推力盘141通过空气箔片142与推力轴承座140接触。
需要说明的是，用于将推力盘141与推力轴承座140隔离，降低两者长时间接触而引发的磨损。
在一个可选的实施例中，冷却水道311为螺旋状结构。
需要说明的是，用于增大冷却水道311的面积，并且提高冷却水在冷却水道311内流通的时间。
在一个可选的实施例中，内壳体310的内侧壁开有轴向卡槽，铜管320镶嵌于卡槽中，铜管320的表面开有凹凸点。
需要说明的是，用于提高气冷的冷却效果。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种两级空气箔片轴承支承高速离心式空压机，包括水冷装置(100)、气冷装置(200)和驱动装置(300)，其特征在于：所述水冷装置(100)包括外壳体(110)、第一压气端蜗壳(120)、第二压气端蜗壳(130)、推力轴承座(140)和接线柱(150)，所述外壳体(110)的前侧壁右侧螺纹连接有冷却气进气接头(113)和冷却气出气接头(114)，所述外壳体(110)的底部螺纹连接有冷却水进水接头(111)和冷却水出水接头(112)，所述第一压气端蜗壳(120)和所述第二压气端蜗壳(130)分别通过螺栓固定于所述外壳体(110)的左侧壁和右侧壁，所述推力轴承座(140)镶嵌于所述第一压气端蜗壳(120)的右侧壁，所述推力轴承座(140)的内部套接有轴套(143)，所述推力轴承座(140)的右侧壁通过螺栓固定有推力盘(141)，所述接线柱(150)焊接于所述外壳体(110)的顶部，所述接线柱(150)的顶部插接有接插件(152)；所述驱动装置(300)位于所述外壳体(110)内腔，所述驱动装置(300)包括内壳体(310)、六个铜管(320)和连接管(330)，所述内壳体(310)的外侧壁与所述外壳体(110)的内侧壁一体成型，所述内壳体(310)的外侧壁开有冷却水道(311)，所述冷却水道(311)与所述冷却水进水接头(111)和冷却水出水接头(112)连通，六个所述铜管(320)沿着所述内壳体(310)的内侧壁分布，所述铜管(320)的内部开有冷却气道(321)，所述铜管(320)的右端与所述冷却气进气接头(113)连通，所述连接管(330)通过螺栓固定于所述壳体(110)的前侧壁，所述连接管(330)的顶部插接有级间连接管出气接头(331)，所述级间连接管出气接头(331)通过导管与所述冷却气进气接头(113)连通，所述连接管(330)的右端与所述第二压气端蜗壳(130)连通；所述气冷装置(200)位于所述内壳体(310)的内腔中，所述气冷装置(200)包括转子主轴(210)、电机定子(220)、第一叶轮(230)、第二叶轮(240)、第一径向轴承座(250)和第二径向轴承座(260)，所述电机定子(220)卡接于所述内壳体(310)的内侧壁，所述电机定子(220)套接于所述转子主轴(210)的外部，所述第一叶轮(230)和所述第二叶轮(240)分别通过叶轮锁母(211)固定于所述转子主轴(210)的两端，所述第一径向轴承座(250)位于所述内壳体(310)和所述第二压气端蜗壳(130)的中间处，所述第二径向轴承座(260)位于所述内壳体(310)和所述推力盘(141)中间处。
2.根据权利要求1所述的一种两级空气箔片轴承支承高速离心式空压机，其特征在于：所述第一径向轴承座(250)和所述第二径向轴承座(260)的内部分别套接有径向轴承(270)，所述第一径向轴承座(250)和所述第二径向轴承座(260)通过所述径向轴承(251)与所述转子主轴(210)转动连接。
3.根据权利要求1所述的一种两级空气箔片轴承支承高速离心式空压机，其特征在于：所述接线柱(150)的前侧壁通过螺栓固定有接线柱垫块(151)。
4.根据权利要求1所述的一种两级空气箔片轴承支承高速离心式空压机，其特征在于：所述内壳体(310)的内腔右侧壁开有凹槽，所述冷却气道(321)通过所述凹槽与所述冷却气进气接头(113)连通。
5.根据权利要求1所述的一种两级空气箔片轴承支承高速离心式空压机，其特征在于：所述转子主轴(210)的右侧外部套接有迷宫密封圈(212)。
6.根据权利要求1所述的一种两级空气箔片轴承支承高速离心式空压机，其特征在于：所述推力盘(141)的外部套接有空气箔片(142)，所述推力盘(141)通过所述空气箔片(142)与所述推力轴承座(140)接触。
7.根据权利要求1所述的一种两级空气箔片轴承支承高速离心式空压机，其特征在于：所述冷却水道(311)为螺旋状结构。
8.根据权利要求1所述的一种两级空气箔片轴承支承高速离心式空压机，其特征在于：所述内壳体(310)的内侧壁开有轴向卡槽，所述铜管(320)镶嵌于所述卡槽中，所述铜管(320)的表面开有凹凸点。
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