CN112901522B - 一种燃料电池氢气再循环用旋涡式泵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池氢气再循环用旋涡式泵，包括叶轮、泵壳及泵轴；叶轮设置于所述泵壳内，叶轮包括轮盘以及设置于轮盘外周面的若干叶片，各叶片沿周向依次分布，泵轴的端部穿过泵壳与轮盘的中部相连接，泵壳内设置有环形的旋涡段，泵壳的侧面设置有出口段及入口段，其中，出口段及入口段均与旋涡段相连通，各叶片均位于旋涡段内，入口段、旋涡段及出口段组成泵腔；旋涡段的径向截面由矩形、前半椭圆及后半椭圆拼接而成，矩形位于前半椭圆与后半椭圆之间，该泵具有旋涡流动形成快的特点。

Description

一种燃料电池氢气再循环用旋涡式泵
技术领域
本发明属于燃料电池系统技术领域，涉及一种燃料电池氢气再循环用旋涡式泵。
背景技术
在质子交换膜燃料电池系统中，氢气再循环泵可显著提升氢气利用率；将阳极出口水蒸气送至进口，帮助电池增湿；促进阳极气体循环，阻止阳极氮气或水滴累积；在电池系统关闭过程中，置换阳极氢气。氢气再循环泵是控制阳极介质流动的关键部件。旋涡式泵不会发生失速和喘振，且结构紧凑、压升高，适用于安装空间极为有限的应用环境。是车用氢燃料电池系统氢气再循环泵的一种优选方案。但是，旋涡式泵的气动效率较低。因此，在保证运行稳定、结构紧凑的基础上，提高旋涡式泵的气动性能，是本领域技术人员所要解决的重要技术问题。
旋涡式泵在运行时，叶片的速度高于介质在圆周方向的速度。这使得叶轮流道内的介质存在与叶片运动方向相反的运动趋势。该运动趋势是形成叶轮流道相对速度分布的因素之一，是叶片设计的重要依据。另一方面，在叶片的作用下，旋涡段内的介质逐渐形成旋涡流动。介质从叶片下半部分附近流入叶轮流道，并从叶片的上半部分附近流出。这一流动在叶轮径向平面上的速度分量与叶轮流道介质通过量相对应。由动量矩定理可知，旋涡流动的形成、发展直接决定叶轮轴功率。
如现有技术公开的一种多级旋涡式气泵【申请号：201120412079.0，公开号：CN202273892 U】，提供了一种呈矩形、曲面状的叶片。又如现有技术公开的一种制冷剂泵【申请号：201210424548.X，公开号：CN103032338B】，提供了一种半圆形状的流道和朝叶轮旋转方向倾斜的叶片。
但是，现有技术的叶片造型不能够很好地符合叶轮流道内相对速度的分布规律。旋涡段的造型不利于旋涡流动的形成和发展。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种燃料电池氢气再循环用旋涡式泵，该泵具有旋涡流动形成快的特点。
为达到上述目的，本发明所述的燃料电池氢气再循环用旋涡式泵包括叶轮、泵壳及泵轴；
叶轮设置于所述泵壳内，叶轮包括轮盘以及设置于轮盘外周面的若干叶片，各叶片沿周向依次分布，泵轴的端部穿过泵壳与轮盘的中部相连接，泵壳内设置有环形的旋涡段，泵壳的侧面设置有出口段及入口段，其中，出口段及入口段均与旋涡段相连通，各叶片均位于旋涡段内，入口段、旋涡段及出口段组成泵腔；
旋涡段的径向截面由矩形、前半椭圆及后半椭圆拼接而成，矩形位于前半椭圆与后半椭圆之间。
泵壳包括前泵壳与后泵壳，前泵壳与后泵壳相扣合形成泵壳。
叶片由叶底面、叶顶面、工作面、背面及两个侧壁构成，叶顶面位于远离轮盘的一侧，固定面与轮盘相连接，两个侧壁位于叶顶面与叶底面之间，工作面及背面位于叶底面、叶顶面及两个侧壁围成的区域内。
设前半椭圆及后半椭圆的长轴均为b，前半椭圆及后半椭圆的短轴均为a，设叶顶面与泵腔的径向距离为d，其中，d＞0.1b。
A为旋涡段中工质的起始位置，B为旋涡段中工质的终止位置，沿沿工质流动方向，由A位置到B位置，前半椭圆及后半椭圆的短轴a单调、线性递减。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的燃料电池氢气再循环用旋涡式泵在具体操作时，泵壳内设置有环形的旋涡段，旋涡段的径向截面由矩形、前半椭圆及后半椭圆拼接而成，矩形位于前半椭圆与后半椭圆之间，该形状的旋涡段有利于旋涡流动的形成及稳定，并减少泵壳壁面附近的能量损失，可在不增加泵腔通流能力的前提下，降低刚进入旋涡段中介质的周向速度，促进旋涡流动形成，提高旋涡式泵的压升。
附图说明
图1为图1是结构示意图；
图2为叶轮11的局部视图；
图3为叶轮11的局部俯视图；
图4为旋涡段5的径向截面剖视图；
图5为泵腔3的轴向视图和不同位置的径向截面剖视图；
图6为旋涡段5截面造型椭圆短轴变化规律。
其中，1为前泵壳、2为后泵壳、3为泵腔、4为入口段、5为旋涡段、6为出口段、7为矩形、8为前半椭圆、9为后半椭圆、10为转动轴线、11为叶轮、12为轮盘、13为叶片、14为泵轴、15为旋转方向、16为工作面、17为背面、18为侧壁、19为叶顶面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的燃料电池氢气再循环用旋涡式泵包括叶轮11、泵壳及泵轴14；前泵壳1与后泵壳2相扣合形成泵壳，叶轮11设置于所述泵壳内，叶轮11包括轮盘12以及设置于轮盘12外周面的若干叶片13，其中，各叶片13沿周向依次分布，泵轴14的端部穿过泵壳与轮盘12的中部相连接，泵壳内设置有环形的旋涡段5，泵壳的侧面设置有出口段6及入口段4，其中，出口段6及入口段4均与旋涡段5相连通，各叶片13均位于旋涡段5内，入口段4、旋涡段5及出口段6组成泵腔3。
参考图2及图3，叶片13由叶底面、叶顶面19、工作面16、背面17及两个侧壁18构成，叶顶面19位于远离轮盘12的一侧，叶底面与轮盘12相连接，两个侧壁18位于叶顶面19与叶底面之间，工作面16及背面17位于叶底面、叶顶面19及两个侧壁18围成的区域内。
参考图4，旋涡段5的径向截面由矩形7、前半椭圆8及后半椭圆9拼接而成，设前半椭圆8及后半椭圆9的长轴均为b，前半椭圆8及后半椭圆9的短轴均为a，设叶顶面19与泵腔3的径向距离为d，其中，d＞0.1b。
参考图5及图6，位置A为旋涡段5中工质的起始位置，位置B为旋涡段5中工质的终止位置，设定旋涡段5径向截面造型中，从位置A起，前半椭圆8及后半椭圆9的短轴a沿圆周方向单调、线性减少。
本发明的工作原理为：
一般情况下，泵腔3内的旋涡流动是介质进入旋涡式泵之后才逐渐形成的，由椭圆和矩形7构成截面的旋涡段5，有利于旋涡流动的形成及稳定，并减少泵壳壁面附近的能量损失。截面造型椭圆的短轴单调、线性地减少，可在不增加泵腔3通流能力的前提下，降低刚进入旋涡段5中介质的周向速度，促进旋涡流动形成，提高旋涡式泵的压升；泵腔3通流面积逐渐减少，确保旋涡流动稳定发展；泵腔3内壁光滑、连续，有效降低能量损失。叶片13顶部与泵壳之间具有过流通道，有利于叶片13顶部高能量介质流入泵腔3。

Claims (2)

1.一种燃料电池氢气再循环用旋涡式泵，其特征在于，包括叶轮(11)、泵壳及泵轴(14)；
叶轮(11)设置于所述泵壳内，叶轮(11)包括轮盘(12)以及设置于轮盘(12)外周面的若干叶片(13)，各叶片(13)沿周向依次分布，泵轴(14)的端部穿过泵壳与轮盘(12)的中部相连接，泵壳内设置有环形的旋涡段(5)，泵壳的侧面设置有出口段(6)及入口段(4)，其中，出口段(6)及入口段(4)均与旋涡段(5)相连通，各叶片(13)均位于旋涡段(5)内，入口段(4)、旋涡段(5)及出口段(6)组成泵腔(3)；
旋涡段(5)的径向截面由矩形(7)、前半椭圆(8)及后半椭圆(9)拼接而成，矩形(7)位于前半椭圆(8)与后半椭圆(9)之间；
叶片(13)由叶底面、叶顶面(19)、工作面(16)、背面(17)及两个侧壁(18)构成，叶顶面(19)位于远离轮盘(12)的一侧，固定面与轮盘(12)相连接，两个侧壁(18)位于叶顶面(19)与叶底面之间，工作面(16)及背面(17)位于叶底面、叶顶面(19)及两个侧壁(18)围成的区域内；
设前半椭圆(8)及后半椭圆(9)的长轴均为b，前半椭圆(8)及后半椭圆(9)的短轴均为a，设叶顶面(19)与泵腔(3)的径向距离为d，其中，d＞0.1b；
A为旋涡段(5)中工质的起始位置，B为旋涡段(5)中工质的终止位置，沿工质流动方向，由A位置到B位置，前半椭圆(8)及后半椭圆(9)的短轴a单调、线性递减。
2.根据权利要求1所述的燃料电池氢气再循环用旋涡式泵，其特征在于，泵壳包括前泵壳(1)与后泵壳(2)，前泵壳(1)与后泵壳(2)相扣合形成泵壳。
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