CN113614384B - 燃料电池用离心压缩机 - Google Patents

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Abstract

燃料电池用离心压缩机具备：叶轮，具有轮毂及多个翼片；和罩。将翼片与子午面所成的角度中较小的角度定义为翼片角度。翼片的轮毂侧的翼片角度的绝对值在翼片的轮毂侧前缘与轮毂侧后缘之间具有极小值。翼片的罩侧的翼片角度的绝对值在翼片的罩侧前缘与罩侧后缘之间具有极小值。翼片的轮毂侧的翼片角度的绝对值在轮毂侧前缘与轮毂侧后缘之间始终为翼片的罩侧的翼片角度的绝对值以下。罩侧后缘的翼片角度的绝对值比罩侧前缘的翼片角度的绝对值小。轮毂侧后缘的翼片角度的绝对值比轮毂侧前缘的翼片角度的绝对值大。

Description

燃料电池用离心压缩机
技术领域
本公开涉及对向燃料电池堆供给的氧化剂气体进行压缩的燃料电池用离心压缩机。
背景技术
近年，搭载有如下燃料电池系统的车辆得以实用化，该燃料电池系统具备使作为燃料气体的氢与作为氧化剂气体的空气所包含的氧进行化学反应来进行发电的燃料电池堆。例如像专利文献1所公开那样，燃料电池系统具备对向燃料电池堆供给的空气进行压缩的燃料电池用离心压缩机。
燃料电池用离心压缩机具备对空气进行压缩的叶轮。叶轮具有与旋转轴一体地旋转的轮毂、及在轮毂的周向上排列的多个翼片。另外，燃料电池用离心压缩机具备配置成与轮毂相对并且形成收纳叶轮的叶轮室的罩。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-144537号公报
发明内容
发明要解决的课题
在燃料电池系统中，例如，若向燃料电池堆过度供给空气，则燃料电池堆内的湿度会降低。虽说如此，即使在向燃料电池堆供给的空气为小流量的情况下，若向燃料电池堆供给的空气的压力低，则燃料电池堆内的湿度也容易降低。燃料电池堆内的湿度的降低会招致燃料电池堆的发电效率的降低。因此，为了维持燃料电池堆的发电效率，在向燃料电池堆供给的空气为小流量时，要求向燃料电池堆供给的空气的压力高。
然而，在燃料电池用离心压缩机中，存在如下问题：在沿着翼片流动的空气为小流量时，会发生在沿着翼片的空气的气流中产生逆流的喘振。尤其是，若在沿着翼片流动的空气为小流量时喷出压力高，则容易发生喘振。若发生喘振，则燃料电池用离心压缩机的运转会变得不稳定。
本公开的目的在于，提供能够抑制在沿着翼片流动的氧化剂气体为小流量、且喷出压力高时的喘振的发生的燃料电池用离心压缩机。
用于解决课题的手段
达成上述目的的燃料电池用离心压缩机，具备：叶轮，具有与旋转轴一体地旋转的轮毂、及在所述轮毂的周向上排列的多个翼片，并且构成为对向燃料电池堆供给的氧化剂气体进行压缩；和罩，配置成与所述轮毂相对，并且形成收纳所述叶轮的叶轮室。将所述翼片与子午面所成的角度中的较小的角度定义为翼片角度。所述翼片的所述轮毂侧的翼片角度的绝对值在所述翼片的轮毂侧前缘与轮毂侧后缘之间具有极小值。所述翼片的所述罩侧的翼片角度的绝对值在所述翼片的罩侧前缘与罩侧后缘之间具有极小值。所述翼片的所述轮毂侧的翼片角度的绝对值在所述轮毂侧前缘与所述轮毂侧后缘之间始终为所述翼片的所述罩侧的翼片角度的绝对值以下。所述罩侧后缘的翼片角度的绝对值比所述罩侧前缘的翼片角度的绝对值小。所述轮毂侧后缘的翼片角度的绝对值比所述轮毂侧前缘的翼片角度的绝对值大。
附图说明
图1是一实施方式中的燃料电池系统的概略构成图。
图2是示出燃料电池用离心压缩机的一部分的侧剖面图。
图3是示出叶轮的子午面形状的图。
图4是示出翼片角度与无量纲子午线长度的关系的图表(graph，曲线图)。
图5是示出燃料电池用离心压缩机的压力比与流量的关系的图表。
具体实施方式
以下，按照图1～图5，对将燃料电池用离心压缩机具体化了的一实施方式进行说明。本实施方式的燃料电池用离心压缩机例如在搭载于燃料电池车等车辆的燃料电池系统中使用。
如图1所示，燃料电池系统10具备燃料电池堆11、和对作为氧化剂气体的空气进行压缩的燃料电池用离心压缩机12。向燃料电池堆11供给由燃料电池用离心压缩机12压缩后的空气。燃料电池堆11例如具有多个单元电池。各单元电池由氧极、氢极、以及配置于两极之间的电解质膜层叠而构成。并且，燃料电池堆11使作为燃料气体的氢与空气所包含的氧进行化学反应来进行发电。
燃料电池堆11电连接于未图示的行驶用马达。行驶用马达将由燃料电池堆11发出的电力作为电力源而驱动。行驶用马达的动力经由未图示的动力传递机构而向车轴传递，车辆以与加速器踏板的加速器开度相应的车速而行驶。
燃料电池堆11具有：供给口11a，被供给空气；排出口11b，将空气作为排出气体而排出；以及连接流路11c，将供给口11a与排出口11b连接。在连接流路11c中，从供给口11a被供给了的空气朝向排出口11b流动。
燃料电池用离心压缩机12具备：壳体13；旋转轴14，收纳于壳体13内；以及电动马达15，收纳于壳体13内，并且使旋转轴14旋转。电动马达15通过被从未图示的蓄电池供给电力而驱动来使旋转轴14旋转。
另外，燃料电池用离心压缩机12具备为了对空气进行压缩而旋转的叶轮16。叶轮16连结于旋转轴14的一端部。并且，叶轮16通过旋转轴14旋转而与旋转轴14一体地旋转。在燃料电池用离心压缩机12中，通过叶轮16旋转而进行压缩动作。
壳体13具有：吸入口13a，吸入空气；和喷出口13b，喷出空气。另外，燃料电池系统10具备压缩机用流路17。压缩机用流路17例如由配管构成。压缩机用流路17的一端向大气开放，压缩机用流路17的另一端连接于吸入口13a。并且，来自外部的空气流过压缩机用流路17而被向吸入口13a吸入。燃料电池用离心压缩机12对从吸入口13a吸入的空气进行压缩。并且，在燃料电池用离心压缩机12中压缩后的空气被从喷出口13b喷出。
燃料电池系统10具备将燃料电池用离心压缩机12与燃料电池堆11连接的供给流路18。供给流路18例如由配管构成。供给流路18的一端连接于喷出口13b，并且，供给流路18的另一端连接于供给口11a。并且，从喷出口13b喷出了的空气流过供给流路18而被向供给口11a供给。
燃料电池系统10具备涡轮机20，该涡轮机20具有通过从燃料电池堆11排出的排出气体而旋转的涡轮机叶轮19。涡轮机20具有涡轮机壳体22。涡轮机20具有形成于涡轮机壳体22内的涡轮机室23。涡轮机室23收纳涡轮机叶轮19。
涡轮机壳体22具有：导入口22a，被导入排出气体；和排出口22b，将通过涡轮机室23后的排出气体排出。另外，燃料电池系统10具备将燃料电池堆11与涡轮机20连接的排出流路24。排出流路24例如由配管构成。排出流路24的一端连接于排出口11b，并且，排出流路24的另一端连接于导入口22a。并且，从排出口11b排出了的排出气体流过排出流路24而被向导入口22a导入。
涡轮机20具有导入流路25，该导入流路25将涡轮机室23与排出流路24相连，并且将流过排出流路24的排出气体向涡轮机室23导入。导入流路25形成于涡轮机壳体22内，并且将导入口22a与涡轮机室23连通。由此，导入流路25经由导入口22a而连接于排出流路24。涡轮机叶轮19通过从燃料电池堆11排出且经由排出流路24、导入口22a及导入流路25向涡轮机室23导入的排出气体而旋转。
在燃料电池系统10中，通过涡轮机叶轮19旋转，排出气体的排气能作为机械能而被取出，与涡轮机叶轮19连接的未图示的马达作为发电机发挥功能而在马达产生再生电力。并且，在马达产生的再生电力蓄电于未图示的蓄电池，例如作为行驶用马达的电力源而被使用。
涡轮机20具有压力调整阀26，该压力调整阀26调整导入流路25的流路截面积来调整向燃料电池堆11供给的空气的压力。压力调整阀26例如具有：喷嘴叶片，在涡轮机叶轮19的外周的位置上在周向上排列有多个；和转动机构部，使多个喷嘴叶片转动。并且，通过利用转动机构部而多个喷嘴叶片转动，来调整导入流路25的流路截面积。
燃料电池堆11具备控制装置30。控制装置30与电动马达15电连接。并且，控制装置30控制电动马达15的驱动。另外，控制装置30与压力调整阀26电连接。控制装置30基于加速器踏板的操作方式等而算出对燃料电池堆11要求的要求发电量，基于该要求发电量，导出压力调整阀26的目标开度。控制装置30以使得压力调整阀26的开度成为所导出的目标开度的方式，控制压力调整阀26的开度。并且，通过利用控制装置30控制压力调整阀26的开度，来调整向燃料电池堆11供给的空气的压力。此外，压力调整阀26的开度是多个喷嘴叶片的转动角度。并且，通过调整向燃料电池堆11供给的空气的压力，来调整燃料电池堆11内的湿度。燃料电池堆11内的湿度，为了高效地进行燃料电池堆11的发电，而被调整为预先决定的所期望的湿度。
如图2所示，壳体13具有：有底圆筒状的压缩机壳体31，具有吸入口13a；和圆板状的轴承壳体32，封堵压缩机壳体31的开口。在压缩机壳体31内，形成有收纳叶轮16的叶轮室33。叶轮室33连通于吸入口13a。旋转轴14的一端部贯穿轴承壳体32而向叶轮室33内突出。旋转轴14经由轴承32a而可旋转地支承于轴承壳体32。吸入口13a在旋转轴14的轴线方向上延伸。
压缩机壳体31具有：喷出室34，喷出由叶轮16压缩后的空气；和扩散流路35，将叶轮室33与喷出室34连通。扩散流路35配置于比叶轮室33靠旋转轴14的径向外侧，在叶轮16(叶轮室33)的周围形成为环状。喷出室34是配置于比扩散流路35靠旋转轴14的径向外侧的环状。由叶轮16压缩后的空气经过扩散流路35，从而进一步被压缩而向喷出室34喷出。并且，喷出室34内的空气被从喷出口13b向供给流路18喷出，经由供给流路18及供给口11a而向燃料电池堆11供给。因此，叶轮16对向燃料电池堆11供给的空气进行压缩。
如图3所示，叶轮16具有：轮毂41，与旋转轴14一体地旋转；和多个翼片42，在轮毂41的周向上排列。轮毂41安装于旋转轴14的一端部。轮毂41是随着从位于吸入口13a附近的前端部去往后端部而外径不断扩大的大致圆锥形状，具有作为朝向旋转轴14的轴线凹陷的弯曲面的表面。多个翼片42在轮毂41的表面在周向上每隔等间隔地配置。轮毂41随着从前端部去往后端部而外径不断扩大，所以，在轮毂41的周向上相邻的翼片42彼此的间隔随着从轮毂41的前端部去往后端部而逐渐变宽。
燃料电池用离心压缩机12具备形成叶轮室33的罩50。在本实施方式中，罩50是压缩机壳体31的一部分。罩50与轮毂41相对配置，并且沿着轮毂41的表面延伸。罩50包围多个翼片42。并且，由在轮毂41的周向上相邻的一对翼片42、轮毂41及罩50区划出翼片间通路51。
图3示出了翼片42的子午面形状。翼片42形成为包括轮毂41侧的子午线即轮毂侧子午线L1和罩50侧的子午线即罩侧子午线L2。此外，所谓翼片42的子午面，是通过轮毂侧子午线L1、罩侧子午线L2及旋转轴14的轴线的纵截面。并且，轮毂侧子午线L1的前端成为翼片42的轮毂侧前缘a1，轮毂侧子午线L1的后端成为翼片42的轮毂侧后缘a2。另外，罩侧子午线L2的前端成为翼片42的罩侧前缘b1，罩侧子午线L2的后端成为翼片42的罩侧后缘b2。连结轮毂侧前缘a1与罩侧前缘b1的缘是翼片42的前缘42a。连结轮毂侧后缘a2与罩侧后缘b2的缘是翼片42的后缘42b。
从翼片42的轮毂侧后缘a2到轮毂侧前缘a1的旋转轴14的轴线方向上的距离Lh比从翼片42的轮毂侧后缘a2到罩侧前缘b1的旋转轴14的轴线方向上的距离Ls长。
翼片42通过轮毂侧子午线L1决定轮毂41侧、即基端的形状，通过罩侧子午线L2而决定罩50侧、即顶端的形状，整体上具有三维形状。轮毂侧子午线L1是以翼片42与子午面所成的角度即翼片角度β数值化的曲线。另外，罩侧子午线L2是以翼片42与子午面所成的角度即翼片角度β数值化的曲线。在本实施方式中，将翼片42与子午面所成的角度中的较小的角度定义为翼片角度β。翼片角度β在轮毂侧子午线L1与罩侧子午线L2具有不同的值。翼片角度β根据轮毂侧子午线L1上的位置而具有不同的值。翼片角度β根据罩侧子午线L2上的位置而具有不同的值。将轮毂侧子午线L1上的任意位置处的翼片角度β定义为轮毂侧子午线L1的翼片角度β或轮毂侧的翼片角度β。将罩侧子午线L2上的任意位置处的翼片角度β定义为罩侧子午线L2的翼片角度β或罩侧的翼片角度β。
在图4中，将翼片42的翼片角度β示于纵轴，将无量纲子午线长度S示于横轴。翼片角度β是负的值。
轮毂侧子午线L1的翼片角度β在翼片42的轮毂侧前缘a1与轮毂侧后缘a2之间具有极大值aMAX。因此，翼片42的轮毂41侧的翼片角度β的绝对值在翼片42的轮毂侧前缘a1与轮毂侧后缘a2之间具有极小值。轮毂侧子午线L1的翼片角度β在比轮毂侧子午线L1的中间点CT靠近轮毂侧前缘a1处具有极大值aMAX。
罩侧子午线L2的翼片角度β在翼片42的罩侧前缘b1与罩侧后缘b2之间具有极大值bMAX。因此，翼片42的罩50侧的翼片角度β的绝对值在翼片42的罩侧前缘b1与罩侧后缘b2之间具有极小值。罩侧子午线L2的翼片角度β在比罩侧子午线L2的中间点CT靠近罩侧后缘b2处具有极大值bMAX。
轮毂侧子午线L1的翼片角度β在轮毂侧前缘a1与轮毂侧后缘a2之间始终为罩侧子午线L2的翼片角度β以上。因此，翼片42的轮毂41侧的翼片角度β的绝对值在轮毂侧前缘a1与轮毂侧后缘a2之间始终为翼片42的罩50侧的翼片角度β的绝对值以下。
罩侧后缘b2的翼片角度β比罩侧前缘b1的翼片角度β大。因此，罩侧后缘b2的翼片角度β的绝对值比罩侧前缘b1的翼片角度β的绝对值小。罩侧前缘b1的翼片角度β成为罩侧子午线L2的翼片角度β中的最小值bMIN。
轮毂侧后缘a2处的翼片角度β与罩侧后缘b2处的翼片角度β一致。轮毂侧后缘a2的翼片角度β具有轮毂侧子午线L1的翼片角度β中的最小值aMIN。轮毂侧后缘a2的翼片角度β比轮毂侧前缘a1的翼片角度β小。因此，轮毂侧后缘a2的翼片角度β的绝对值比轮毂侧前缘a1的翼片角度β的绝对值大。
从罩侧前缘b1到罩侧子午线L2的翼片角度β成为极大值的部位为止的罩侧子午线L2的长度X1，是从轮毂侧前缘a1到轮毂侧子午线L1的翼片角度β成为极大值的部位为止的轮毂侧子午线L1的长度X2的2倍以上。
接着，对本实施方式的作用进行说明。
叶轮16的翼片42中，翼片42的轮毂41侧的翼片角度β的绝对值在翼片42的轮毂侧前缘a1与轮毂侧后缘a2之间具有极小值。翼片42的罩50侧的翼片角度β的绝对值在翼片42的罩侧前缘b1与罩侧后缘b2之间具有极小值。并且，翼片42的轮毂41侧的翼片角度β的绝对值在轮毂侧前缘a1与轮毂侧后缘a2之间始终为翼片42的罩50侧的翼片角度β的绝对值以下。罩侧后缘b2的翼片角度β的绝对值比罩侧前缘b1的翼片角度β的绝对值小。
本发明人发现了：在像这样设计的翼片42中，若轮毂侧后缘a2的翼片角度β的绝对值比轮毂侧前缘a1的翼片角度β的绝对值小，则在沿着翼片42(翼片间通路51)流动的空气为小流量时，容易发生在沿着翼片42流动的空气的气流中产生逆流的喘振。尤其是，若在沿着翼片42流动的空气为小流量时喷出压力高，则容易发生喘振。于是，在本实施方式中，轮毂侧后缘a2的翼片角度β的绝对值被设定为比轮毂侧前缘a1的翼片角度β的绝对值大。
如图5所示，以线连结本实施方式中的不发生喘振的临界点而得到的喘振线L11，与图5中以双点划线示出的比较例的喘振线L12相比，向流量变小的方向移动。在此，在图5中，将轮毂侧后缘a2的翼片角度β的绝对值比轮毂侧前缘a1的翼片角度β的绝对值小的情况下的喘振线L12,作为比较例而示出。
像这样，燃料电池用离心压缩机12的工作区域与在图5中以斜线示出的区域A1相应地扩大，所以，沿着翼片42流动的空气为小流量、且喷出压力高时的燃料电池用离心压缩机12的工作区域扩大。因此，沿着翼片42流动的空气为小流量、且喷出压力高时的喘振的发生受到抑制。
在燃料电池系统10中，例如，若向燃料电池堆11过度供给空气，则燃料电池堆11内的湿度会降低。虽说如此，即使在向燃料电池堆11供给的空气为小流量的情况下，若向燃料电池堆11供给的空气的压力低，则燃料电池堆11内的湿度也容易降低。燃料电池堆11内的湿度的降低会招致燃料电池堆11的发电效率的降低。因此，为了维持燃料电池堆11的发电效率，在向燃料电池堆11供给的空气为小流量时，要求向燃料电池堆11供给的空气的压力高。
此时，在本实施方式的燃料电池用离心压缩机12中，沿着翼片42流动的空气为小流量、且喷出压力高时的燃料电池用离心压缩机12的工作区域扩大了，沿着翼片42流动的空气为小流量、且喷出压力高时的喘振的发生受到抑制。因此，在向燃料电池堆11供给的空气为小流量时，能够提高向燃料电池堆11供给的空气的压力，燃料电池堆11的发电效率得以维持。
在上述实施方式中能够得到以下的效果。
(1)本发明人发现了：在像这样设计的翼片42中，若轮毂侧后缘a2的翼片角度β的绝对值比轮毂侧前缘a1的翼片角度β的绝对值小，则在沿着翼片42流动的空气为小流量时，容易发生在沿着翼片42流动的空气的气流中产生逆流的喘振。尤其是，若在沿着翼片42流动的空气为小流量时喷出压力高，则容易发生喘振。于是，在本实施方式中，轮毂侧后缘a2的翼片角度β的绝对值被设定为比轮毂侧前缘a1的翼片角度β的绝对值大。据此，能够将空气为小流量、且喷出压力高时的燃料电池用离心压缩机12的工作区域扩大。因此，能够抑制沿着翼片42流动的空气为小流量、且喷出压力高时的喘振的发生。
此外，上述实施方式能够像以下这样变更来实施。上述实施方式及以下的变更例能够在技术上不矛盾的范围内互相组合来实施。
ο在实施方式中，轮毂侧子午线L1的翼片角度β例如也可以在比轮毂侧子午线L1的中间点CT靠近轮毂侧后缘a2处成为极大值aMAX。
ο在实施方式中，轮毂侧子午线L1的翼片角度β例如也可以在轮毂侧子午线L1的中间点CT处成为极大值aMAX。
ο在实施方式中，罩侧子午线L2的翼片角度β例如也可以在比罩侧子午线L2的中间点CT靠近罩侧前缘b1处成为极大值bMAX。
ο在实施方式中，罩侧子午线L2的翼片角度β例如也可以在罩侧子午线L2的中间点CT处成为极大值bMAX。
ο在实施方式中，轮毂侧后缘a2处的翼片角度β与罩侧后缘b2处的翼片角度β也可以不一致，轮毂侧后缘a2处的翼片角度β也可以比罩侧后缘b2处的翼片角度β大。也就是说，轮毂侧后缘a2处的翼片角度β的绝对值也可以比罩侧后缘b2处的翼片角度β的绝对值小。总之，翼片42的轮毂41侧的翼片角度β的绝对值在轮毂侧前缘a1与轮毂侧后缘a2之间始终为翼片42的罩50侧的翼片角度β的绝对值以下即可。
ο在实施方式中，从翼片42的轮毂侧后缘a2到轮毂侧前缘a1的旋转轴14的轴线方向上的距离Lh，与从翼片42的轮毂侧后缘a2到罩侧前缘b1的旋转轴14的轴线方向上的距离Ls，也可以相同。
ο在实施方式中，从翼片42的轮毂侧后缘a2到轮毂侧前缘a1的旋转轴14的轴线方向上的距离Lh，也可以比从翼片42的轮毂侧后缘a2到罩侧前缘b1的旋转轴14的轴线方向上的距离Ls短。
ο在实施方式中，从罩侧前缘b1到罩侧子午线L2的翼片角度β成为极大值的部位为止的罩侧子午线L2的长度X1，也可以不是从轮毂侧前缘a1到轮毂侧子午线L1的翼片角度β成为极大值的部位为止的轮毂侧子午线L1的长度X2的2倍以上。
ο在实施方式中，罩50是压缩机壳体31的一部分，但不限于此，罩也可以是另外于压缩机壳体31的部件。
ο在实施方式中，作为氧化剂气体，只要是包含氧的气体即可，可以是任意的。
ο在实施方式中，燃料电池用离心压缩机12也可以不是在搭载于燃料电池车等车辆的燃料电池系统10中使用的部件。

Claims (2)

1.一种燃料电池用离心压缩机，具备：
叶轮，具有构成为与旋转轴一体地旋转的轮毂、及在所述轮毂的周向上排列的多个翼片，并且构成为对向燃料电池堆供给的氧化剂气体进行压缩；和
罩，配置成与所述轮毂相对，并且形成收纳所述叶轮的叶轮室，
当将所述翼片与子午面所成的角度中的小的角度定义为翼片角度时，
所述翼片的所述轮毂侧的翼片角度的绝对值在所述翼片的轮毂侧前缘与轮毂侧后缘之间具有极小值，
所述翼片的所述罩侧的翼片角度的绝对值在所述翼片的罩侧前缘与罩侧后缘之间具有极小值，
所述翼片的所述轮毂侧的翼片角度的绝对值在所述轮毂侧前缘与所述轮毂侧后缘之间始终为所述翼片的所述罩侧的翼片角度的绝对值以下，
所述罩侧后缘的翼片角度的绝对值比所述罩侧前缘的翼片角度的绝对值小，
所述轮毂侧后缘的翼片角度的绝对值比所述轮毂侧前缘的翼片角度的绝对值大，
所述翼片包括所述轮毂侧的子午线即轮毂侧子午线和所述罩侧的子午线即罩侧子午线，
所述轮毂侧子午线的翼片角度在比所述轮毂侧子午线的中间点靠近所述轮毂侧前缘处具有极大值，所述罩侧子午线的翼片角度在比所述罩侧子午线的中间点靠近所述罩侧后缘处具有极大值，
所述轮毂侧子午线的所述轮毂侧前缘处的翼片角度的值，比所述罩侧子午线的翼片角度的极大值大。
2.根据权利要求1所述的燃料电池用离心压缩机，
从所述罩侧前缘到所述罩侧子午线的翼片角度成为所述极大值的部位为止的所述罩侧子午线的长度，是从所述轮毂侧前缘到所述轮毂侧子午线的翼片角度成为所述极大值的部位为止的所述轮毂侧子午线的长度的2倍以上。
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