CN113175439A - 蜗壳及压缩机 - Google Patents

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张治平
陈玉辉
叶文腾
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Abstract

本发明公开了一种蜗壳及压缩机，所述蜗壳用于离心压缩机，所述蜗壳的内壁上设置有导流槽，所述导流槽用于约束由流体流动产生的边界层的流场方向。本发明的蜗壳通过在蜗壳的内壁上设置导流槽，可以通过导流槽约束流场的方向，扰乱流体形成的边界层，使边界不容易扩展，防止边界层分离，避免形成阻塞团；另外，通过约束流场的方向，可以增加垂直流体方向上的阻力，从而防止形成二次流，降低了流动损失。

Description

蜗壳及压缩机
技术领域
本发明涉及压缩机技术领域，具体涉及一种蜗壳及压缩机。
背景技术
空气压缩机作为一般动力气源，广泛应用于机械、汽车、医疗、食品、电力、建材、石油、化工及军工等行业。按压缩机方式的不同，常见的有离心式空气压缩机、螺杆式空气压缩机、涡旋式空气压缩机等。
在新能源方面，氢燃料电池汽车动力性能高、加氢快、续航里程长，是21世纪新能源汽车最具战略意义的突破口。压缩机为燃料电池系统提供高压气源，与螺杆压缩机、涡旋压缩机相比，离心式空压机能提供更高压比的气源，显著提升电堆的功率密度和整体性能。离心式空压机的工作原理是通电后，高速电机驱动叶轮对进口的空气做功，并通过蜗壳形成高压空气，源源不断地为燃料电池系统提供高压气源。
离心压缩机的蜗壳工作效率直接影响整个燃料电池系统的工作效率。气流在经过蜗壳后的会产生边界层分离和二次流，从而导致分离损失和二次流损失。分离损失主要由于边界层的分离产生漩涡，导致气流反向流动引起能量损失；二次流损失主要是由于壁面存在压力差的作用，气体由工作面向非工作面流动，产生方向垂直主流区的流体，带来能量损失。
综上所述，离心压缩机由于在运行时，气流通过蜗壳会产生边界层分离和二次流，致使流体产生分离损失和二次流损失，最终导致流动损失。
发明内容
本发明公开了一种蜗壳及压缩机，解决了离心压缩机在运行时，由于气体经过蜗壳会产生边界层分离和二次流，导致流动损失的问题。
根据本发明的一个方面，公开了一种蜗壳，所述蜗壳的内壁上设置有导流槽，所述导流槽用于约束由流体流动产生的边界层的流场方向。
进一步地，所述蜗壳的内壁包括扩压面，所述导流槽设置在所述扩压面上。
进一步地，所述蜗壳包括吸气口，所述导流槽位于靠近所述吸气口位置处。
进一步地，所述导流槽设置在所述吸气口的外周侧。
进一步地，所述导流槽为多个。
进一步地，所述导流槽的数量与离心压缩机的叶轮的叶片数量相同。
进一步地，所述导流槽的一端朝向所述蜗壳的吸气口。
进一步地，所述导流槽的形状为弧形槽。
进一步地，沿流体流动的方向上，所述导向槽的槽深逐渐减小。
根据本发明的第二个方面，公开了一种压缩机，包括上述的蜗壳。
进一步地，所述压缩机还包括：叶轮，所述叶轮安装在所述蜗壳内，所述叶轮包括轮毂和设置在所述轮毂上的多个叶片，两个叶片之间形成流体流道，所述流体流道内设置有边界层降低部。
进一步地，所述边界层降低部包括设置在所述轮毂上的导向槽，所述导向槽沿流体流动的方向设置。
本发明的蜗壳通过在蜗壳的内壁上设置导流槽，可以通过导流槽约束流场的方向，扰乱流体形成的边界层，使边界不容易扩展，防止边界层分离，避免形成阻塞团；另外，通过约束流场的方向，可以增加垂直流体方向上的阻力，从而防止形成二次流，降低了流动损失。
附图说明
图1是本发明第一个实施例的蜗壳的结构示意图；
图2是本发明第二个实施例的压缩机的叶轮的结构示意图；
图3是本发明第二个实施例的压缩机的叶轮的截面图；
图4是本发明第二个实施例的压缩机的结构示意图；
图例：11、内壁；111、扩压面；12、导流槽；13、吸气口；14、排气口；20、叶轮；21、轮毂；22、叶片；23、边界层降低部；30、筒体；51、前轴向轴承；52、前径向轴承；60、推力盘；70、电机轴。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不局限于说明书上的内容。
流体在经过表面时，由于摩擦作用速度会逐渐降低形成边界层，当边界层分离会形成漩涡，会导致边界层的流体反向流动，降低主流道同流面积，无法起到扩压作用。同时由于在蜗壳内流动的气流之间存在速度差，会使流体蜗壳内壁面产生垂直流体方向的二次流，扰乱主流区的流场。
如图1所示，根据本发明的第一个实施例，公开了一种蜗壳，该蜗壳用于离心压缩机，蜗壳的内壁11上设置有导流槽12，导流槽12用于约束由流体流动产生的边界层的流场方向。本发明的蜗壳通过在蜗壳的内壁11上设置导流槽12，可以通过导流槽约束流场的方向，扰乱流体形成的边界层，使边界不容易扩展，防止边界层分离，避免形成阻塞团；另外，通过约束流场的方向，可以增加垂直流体方向上的阻力，从而防止形成二次流，降低了流动损失。
蜗壳内主要用于流动气体，例如：空气、水蒸气或者冷媒气，本实施例以空气为例进行具体说明，蜗壳的内壁11包括扩压面111，导流槽12设置在扩压面111上。蜗壳内还设置有扩压器，扩压器与扩压面111相对设置，扩压器表面与扩压面之间形成扩压通道，使得叶轮20的出口气流得到扩压效果，提高压力。由于导流槽12设置在扩压通道内，(由于气流从叶轮出口流出后，受到通道突然增大影响，容易形成逆向扩压梯度。为了解决该问题，在本实施例中，导流槽12位于扩压通道内，通过将导流槽12设置在扩压通道内，够起到约束流场的作用，降低边界层的形成和增厚，在气流扩压的过程中，导流槽12能够约束边界层的流场方向，避免产生阻塞团，提高扩压效果。
蜗壳包括吸气口13和排气口14，导流槽12位于靠近吸气口13位置处。通过将导流槽设置在吸气口13位置处，可以使进入蜗壳的气流加速，减少气流在扩压通道中的流动路线，降低了摩擦损失。
导流槽12设置在吸气口13的外周侧。通过将导流槽12设置在吸气口13的外周侧，可以使气流直接进入导流槽12，使进入蜗壳的气流加速，减少气流在扩压通道中的流动路线，降低了摩擦损失。进一步地，导流槽可以设置为多个，这样不仅可以更好的避免二次流的形成，使更多地气流减少在扩压通道中的流动路线，进一步降低摩擦损失。
更进一步地，导流槽12的数量与离心压缩机的叶轮20的叶片22数量相同。从而与叶轮相配合，使叶轮的气流数量与导流槽的数量相匹配，从而可以更好地约束边界层的流场，更有效地防止二次流的形成。
在其他未示出的实施例中，导流槽12的数量是多个，多个导流槽12分布的位置可以分布在蜗壳的整个内壁11上，导流槽12的数量与叶片数量不同，同样能够达到防止边界层分离和二次流形成的效果。
导流槽12的一端朝向蜗壳的吸气口13，也就是说，导流槽13的一端是指向吸气口13，这样可以使气流直接进入导流槽12内，减少扰流的形成，当导流槽12为多个时，多个导流槽整体形成扩散式分布，具体形状参见图1，这样的分布方式可以避免叶轮出口气流对扩压器的冲击，减少噪音的形成。
导流槽12的形状为弧形槽，与叶轮出口的气流方向相同，从而在约束流场的方向，防止形成二次流，同时减少扰流的产生，进一步降低了气流损失。
在流体流动(本实施例中是气流流动)的方向上，导流槽12的槽深逐渐减小，由于出口槽深减少，导致扩压通道的出口宽度降低，流体在出口处速度会增大，当压缩机运行在小负荷时，能够防止逆压梯度的形成，防止边界层形成流体分离，能够使压缩机适应更宽的运行范围
根据本发明的第二个实施例，公开了一种压缩机，包括上述的蜗壳。
如图2和图3所示，压缩机还包括叶轮20，叶轮20安装在蜗壳内，叶轮20包括轮毂21和设置在轮毂21上的多个叶片22，两个叶片22之间形成气流流道，气流流道内设置有边界层降低部23。
边界层降低部23包括设置在轮毂21上的导向槽，导向槽沿气体流动的方向设置。叶轮的轮毂21出口处的导向槽，能够降低该位置处的边界层厚度，优化进入下一部件蜗壳的流场，在配合蜗壳扩压通道处的导流槽12，使扩压通道内的流体边界层厚度降低，抑制了在该位置处的流体分离。
如图4所示，筒体30为不规则零件，一般铸造而成，起支撑、保护作用。内部镶嵌了水冷套，并与水冷套构成了螺旋冷却流道。
前轴向轴承51和后轴向轴承、前径向轴承52和后径向轴承为空气型气体轴承，其工作介质为空气，工作时形成气膜悬浮推力盘60、电机轴70。
前轴承座和后轴承座为空心、回转类零件，为气体轴承提供支撑。
电机定子为回转类零件，主要由定子铁芯、定子绕组构成。如上的电机轴70为轴类、实心零件。叶轮的锁紧螺母、叶轮20、推力盘60、电机轴70组成了转子，工作时，电机定子产生磁场，转子在电磁场作用下做高速旋转运动。
显然，本发明的上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (12)

1.一种蜗壳，所述蜗壳用于离心压缩机，其特征在于，
所述蜗壳的内壁(11)上设置有导流槽(12)，所述导流槽(12)用于约束由流体流动产生的边界层的流场方向。
2.根据权利要求1所述的蜗壳，其特征在于，
所述蜗壳的内壁(11)包括扩压面(111)，所述导流槽(12)设置在所述扩压面(111)上。
3.根据权利要求1所述的蜗壳，其特征在于，
所述蜗壳包括吸气口(13)，所述导流槽(12)位于靠近所述吸气口(13)位置处。
4.根据权利要求3所述的蜗壳，其特征在于，
所述导流槽(12)设置在所述吸气口(13)的外周侧。
5.根据权利要求1或4所述的蜗壳，其特征在于，
所述导流槽(12)为多个。
6.根据权利要求5所述的蜗壳，其特征在于，
所述导流槽(12)的数量与离心压缩机的叶轮(20)的叶片(22)数量相同。
7.根据权利要求3所述的蜗壳，其特征在于，
所述导流槽(12)的一端朝向所述蜗壳的吸气口(13)。
8.根据权利要求1或7所述的蜗壳，其特征在于，
所述导流槽(12)的形状为弧形槽。
9.根据权利要求1所述的蜗壳，其特征在于，
沿流体流动的方向，所述导向槽(12)的槽深逐渐减小。
10.一种压缩机，其特征在于，包括根据权利要求1至9中任一项所述的蜗壳。
11.根据权利要求10所述的压缩机，其特征在于，所述压缩机还包括：
叶轮(20)，所述叶轮(20)安装在所述蜗壳内，所述叶轮(20)包括轮毂(21)和设置在所述轮毂(21)上的多个叶片(22)，两个叶片(22)之间形成流体流道，所述流体流道内设置有边界层降低部(23)。
12.根据权利要求11所述的压缩机，其特征在于，
所述边界层降低部(23)包括设置在所述轮毂(21)上的导向槽，所述导向槽沿流体流动的方向设置。
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