CN114165462A - 一种离心式空压机和燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离心式空压机和燃料电池系统，包括：机体，包括机壳、电机定子、电机转子、转轴、径向轴承组件和止推轴承组件，电机定子固定安装于机壳内腔，电机转子与转轴连接，转轴通过径向轴承组件安装于机壳内孔，止推轴承组件包括前止推轴承、间隙隔离板和后止推轴承，转轴设置有法兰突起，法兰突起安装限制在前止推轴承和后止推轴承形成的环形气腔内，机壳于电机定子的外侧设有第一冷却介质流道，止推轴承组件设有第二冷却介质流道，机壳设有连通第一冷却介质流道和第二冷却介质流道的引流孔；压缩组件，包括叶轮和蜗壳，叶轮与转轴连接。其将空压机的循环冷却液引入空气止推轴承，形成冷却循环回路，改善空气止推轴承的冷却条件。
Description
技术领域
本发明用于燃料电池发动机领域，特别是涉及一种离心式空压机和燃料电池系统。
背景技术
空气压缩机为氢燃料电池提供化学反应所需要的高压空气，是氢燃料电池的“肺”。但同时，它也是氢燃料电池系统中最主要的耗能部件，其寄生功率约占燃料电池系统输出功率的15％～20％。因此提高空压机效率，降低寄生功耗，对提高燃料电池系统效率具有重要意义。
为得到更高的压比和效率，燃料电池多采用高速直驱离心式空压机，这种空压机的额定转速往往达到90000rpm以上，空气止推轴承在高转速下发热量很大，若不能及时带走热量，将严重影响止推轴承寿命。另一方面，一级压缩出口的空气温度通常可达到120～150℃(环境温度为25℃时)，若直接引入二级压缩系统，将大幅增加二级压缩系统的轴功率负担，降低空压机效率。为了降低二级压缩系统的轴功率负担，现有技术中采用在一级压缩出口和二级压缩系统之间增设冷却器，但是现有的冷却器均独立于压缩机机体单独设置，占用空间较大，不利于燃料电池系统布局。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种离心式空压机和燃料电池系统，其将空压机的循环冷却液引入空气止推轴承，形成冷却循环回路，改善空气止推轴承的冷却条件。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
第一方面，一种离心式空压机，包括：
机体，包括机壳、电机定子、电机转子、转轴、径向轴承组件和止推轴承组件，所述电机定子固定安装于所述机壳内腔，所述电机转子与所述转轴连接，所述转轴通过所述径向轴承组件安装于所述机壳内孔，所述止推轴承组件安装于所述机壳，所述止推轴承组件包括前止推轴承、间隙隔离板和后止推轴承，所述转轴设置有法兰突起，所述法兰突起安装限制在所述前止推轴承和后止推轴承形成的环形气腔内，所述机壳于所述电机定子的外侧设有第一冷却介质流道，所述止推轴承组件设有第二冷却介质流道，所述机壳设有连通所述第一冷却介质流道和所述第二冷却介质流道的引流孔；
压缩组件，包括叶轮和蜗壳，所述叶轮与所述转轴连接。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述引流孔包括将所述第一冷却介质流道的冷却介质引入所述第二冷却介质流道的第一引流孔和将所述第二冷却介质流道的冷却介质引出至所述第一冷却介质流道的第二引流孔，所述第一引流孔和所述第二引流孔关于所述转轴的轴线对称设置。
结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述第二冷却介质流道包括设在所述前止推轴承背侧的第一环形沉槽以及设在所述后止推轴承背侧的第二环形沉槽，所述第一引流孔具有第一支路和第二支路，所述第一支路穿过所述后止推轴承、间隙隔离板和前止推轴承的过孔与所述第一环形沉槽连接，所述第二支路与所述第二环形沉槽连接，所述第二引流孔具有第三支路和第四支路，所述第三支路穿过所述后止推轴承、间隙隔离板和前止推轴承的过孔与所述第一环形沉槽连接，所述第四支路与所述第二环形沉槽连接。
结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述机壳内孔设有螺旋环槽，所述螺旋环槽的一端安装冷却液进口接头，所述螺旋环槽的另一端安装冷却液出口接头，所述机体还包括水套，所述水套过盈装配在所述机壳内孔，所述水套外表面与所述机壳的螺旋环槽限定出所述第一冷却介质流道。
结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，还包括：
级间中冷器，设有第三冷却介质流道和气流通道；
其中，所述压缩组件包括一级压缩组件和二级压缩组件，所述一级压缩组件设置于所述机体前端，所述一级压缩组件包括一级叶轮和一级蜗壳，所述一级蜗壳的出口与所述气流通道的进口连接；所述二级压缩组件设置于所述机体后端，所述二级压缩组件包括二级叶轮和二级蜗壳，所述二级蜗壳的进口与所述气流通道的出口连接。
结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述级间中冷器具有同心布置的内环面和外环面，所述级间中冷器的内环面与所述机壳的外圆面紧密贴合，所述第三冷却介质流道在所述级间中冷器表面设有冷却液进口和冷却液出口。
结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述级间中冷器集成于所述机壳，与所述机壳一体制造。
结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述级间中冷器的第三冷却介质流道与所述机壳的第一冷却介质流道连通。
结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述径向轴承组件包括前径向轴承组件和后径向轴承组件，所述前径向轴承组件安装于所述机壳前端，所述前径向轴承组件包括前轴承座和前径向箔片空气动压轴承，所述后径向轴承组件安装于所述机壳后端，所述后径向轴承组件包括后轴承座和后径向箔片空气动压轴承，所述转轴安装在所述前径向箔片空气动压轴承和后径向箔片空气动压轴承形成的中空轴孔中。
第二方面，一种燃料电池系统，包括第一方面中任一实现方式所述的离心式空压机。
上述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：为得到更高的压比和效率，燃料电池多采用高速直驱离心式空压机，这种空压机的额定转速往往达到90000rpm以上，空气止推轴承在高转速下发热量很大，若不能及时带走热量，将严重影响止推轴承寿命，本发明的技术方案为止推轴承组件增加第二冷却介质流道，并进一步将第二冷却介质流道与冷却机体的第一冷却介质流道连通，从而引入机体的循环冷却介质改善止推轴承组件的冷却条件，即将空压机冷却电机的循环冷却液引入空气止推轴承组件，形成冷却循环回路，改善空气止推轴承的冷却条件，延长止推轴承组件的寿命。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明离心式空压机的一个实施例结构示意图；
图2是本发明离心式空压机级间中冷器与机壳分体设置的一个实施例结构示意图；
图3是图2所示实施例的级间中冷器的结构示意图；
图4是本发明离心式空压机级间中冷器与机壳一体设置的一个实施例结构示意图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
本发明中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本发明的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征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。
本发明中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”“小于”“超过”等理解为不包括本数；“以上”“以下”“以内”等理解为包括本数。在本发明的描述中，如果有描述到“第一”“第二”仅用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明中，除非另有明确的限定，“设置”“安装”“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
其中，图1给出了本发明实施例的参考方向坐标系，以下结合图1所示的方向，对本发明的实施例进行说明。
参见图1，本发明的实施例提供了一种离心式空压机，包括机体1和压缩组件。
其中，机体1包括机壳11、电机定子12、电机转子13、转轴14、径向轴承组件和止推轴承组件，电机定子12固定安装于机壳11内腔，电机转子13与转轴14连接，转轴14通过径向轴承组件安装于机壳11内孔，电机定子12和电机转子13相互配合，用于提供驱动转轴14转动的扭矩。止推轴承组件安装于机壳11，止推轴承组件包括前止推轴承15、间隙隔离板16和后止推轴承17，前止推轴承15和后止推轴承17通过间隙隔离板16间隔一定距离形成环形气腔，转轴14设置有法兰突起18，法兰突起18安装限制在前止推轴承15和后止推轴承17形成的环形气腔内。离心式空压机工作时，法兰突起18与前止推轴承15、后止推轴承17之间形成气膜，以为转轴14提供轴向气浮支撑。机壳11于电机定子12的外侧设有第一冷却介质流道，第一冷却介质流道用于循环冷却水等冷却介质，以带走电机在工作过程中产生的热量。止推轴承组件设有第二冷却介质流道，机壳11设有连通第一冷却介质流道和第二冷却介质流道的引流孔，使得第一冷却介质流道中的冷却介质在循环过程中，同时流经第二冷却介质流道，形成针对止推轴承组件的冷却循环。
压缩组件包括叶轮和蜗壳，叶轮与转轴14连接，跟随转轴14一起运转，不断将空气由蜗壳的进气口吸入，压缩后经蜗壳的排气口排出，实现空气压缩。
为得到更高的压比和效率，燃料电池多采用高速直驱离心式空压机，这种空压机的额定转速往往达到90000rpm以上，空气止推轴承在高转速下发热量很大，若不能及时带走热量，将严重影响止推轴承寿命，本发明的技术方案为止推轴承组件增加第二冷却介质流道，并进一步将第二冷却介质流道与冷却机体1的第一冷却介质流道连通，从而引入机体1的循环冷却介质改善止推轴承组件的冷却条件，即将空压机冷却电机的循环冷却液引入空气止推轴承组件，形成冷却循环回路，改善空气止推轴承的冷却条件，延长止推轴承组件的寿命。
在一些实施例中，参见图1，引流孔包括将第一冷却介质流道的冷却介质引入第二冷却介质流道的第一引流孔19和将第二冷却介质流道的冷却介质引出至第一冷却介质流道的第二引流孔110，第一引流孔19和第二引流孔110关于转轴14的轴线对称设置。第一引流孔19将第一冷却介质流道的冷却介质引入止推轴承组件，冷却介质沿第二冷却介质流道流至止推轴承组件对侧的第二引流孔110，将冷却介质导出止推轴承组件。第一引流孔19和第二引流孔110参考冷却介质在第一冷却介质流道内部的流动方向，采用对置的布置形式，充分保证冷却介质在第二冷却介质流道循环流动的顺畅性。同时，第一引流孔19和第二引流孔110采用对置的布置形式，也使得第一冷却介质流道内部的冷却介质能够对止推轴承组件进行全面而充分冷却，提升循环冷却效果，
进一步的，参见图1，第二冷却介质流道包括设在前止推轴承15背侧的第一环形沉槽111以及设在后止推轴承17背侧的第二环形沉槽112，前止推轴承15与机体1之间在第一环形沉槽111的两侧均设有密封圈，后止推轴承17与机体1之间在第二环形沉槽112的两侧均设有密封圈。第一引流孔19具有第一支路113和第二支路114，第一支路113穿过后止推轴承17、间隙隔离板16和前止推轴承15的过孔与第一环形沉槽111连接。第二支路114与第二环形沉槽112连接，第二引流孔110具有第三支路115和第四支路116，第三支路115穿过后止推轴承17、间隙隔离板16和前止推轴承15的过孔与第一环形沉槽111连接，第四支路116与第二环形沉槽112连接。由第一支路113进入的冷却介质，先流经后止推轴承17、间隙隔离板16和前止推轴承15的过孔，然后流入前止推轴承15，在第一环形沉槽111中沿两个方向各流动半周，最终从对侧的第三支路115流出。由第二支路114进入的冷却介质，流入后止推轴承17，在第二环形沉槽112中沿两个方向各流动半周，最终从对侧的第四支路116流出。
可以理解的是，第二冷却介质流道还可以采用在前止推轴承15、后止推轴承17内部设置螺旋孔或螺旋槽等弯曲延伸的孔道的结构形式，以实现前止推轴承15、后止推轴承17的充分冷却。
第一冷却介质流道可采用在机壳11内部设置迂回盘绕的孔道，也可以采用如图1所示的结构形式，即机壳11内孔设有螺旋环槽117，螺旋环槽117的一端安装冷却液进口接头118，螺旋环槽117的另一端安装冷却液出口接头119，机体1还包括水套120，水套120过盈装配在机壳11内孔，并在前、后两端安装O形圈，水套120外表面与机壳11的螺旋环槽117限定出第一冷却介质流道，也就是冷却液密封循环回路。
本发明的实施例中，参见图1，压缩组件可以设置一级或多级，例如在一些实施例中，压缩组件包括一级压缩组件2和二级压缩组件3，一级压缩组件2设置于机体1前端，一级压缩组件2包括一级叶轮21和一级蜗壳22，一级叶轮21跟随转轴14一起运转，实现一级压缩；二级压缩组件3设置于机体1后端，二级压缩组件3包括二级叶轮31和二级蜗壳32，二级叶轮31跟随转轴14一起运转，将一级压缩组件2压缩后的空气进行二级压缩，以获得更高的压比。
由于一级压缩出口的空气温度通常可达到120～150℃(环境温度为25℃时)，若直接引入二级压缩组件3，将大幅增加二级压缩组件3的轴功率负担，降低空压机效率。鉴于此，在一些实施例中，参见图2，离心式空压机还包括级间中冷器4，级间中冷器4设有第三冷却介质流道和气流通道，第三冷却介质流道和气流通道在级间中冷器4内部实现换热。其中，一级蜗壳22的出口与气流通道的进口连接，二级蜗壳32的进口与气流通道的出口连接。级间中冷器4设置在一级压缩组件2与二级压缩组件3之间，可对一级压缩出口的高温空气进行冷却，降低二级压缩进口空气温度，提升系统压缩效率。
进一步的，参见图2、图3，级间中冷器4具有同心布置的内环面和外环面，级间中冷器4的内环面与机壳11的外圆面紧密贴合，一级蜗壳22的出口与级间中冷器4的气流通道的进口通过过渡弯管41相连，第三冷却介质流道在级间中冷器4表面设有冷却液进口42和冷却液出口43，二级蜗壳32的进口与气流通道的出口通过过渡弯管41连接。该实施例中通过级间中冷器4进行改进，以求在有限的空间内最大限度增加中冷器的换热面积，提升换热效果，使结构紧凑，减小空间占用。
在另一些实施例中，为进一步减小级间中冷器4占用的空间，方便燃料电池系统布局，参见图4，级间中冷器4集成于机壳11，与机壳11一体制造，例如与壳体做成一体化的铸件结构。同时，级间中冷器4的第三冷却介质流道与机壳11的第一冷却介质流道连通，简化级间中冷器4、机体1和止推轴承组件的冷却循环结构，进一步减小级间中冷器4占用的空间，方便燃料电池系统布局。
在一些实施例中，参见图1，径向轴承组件包括前径向轴承组件121和后径向轴承组件122，前径向轴承组件121安装于机壳11前端，前径向轴承组件121包括前轴承座和前径向箔片空气动压轴承，后径向轴承组件122安装于机壳11后端，后径向轴承组件122包括后轴承座和后径向箔片空气动压轴承，转轴14安装在前径向箔片空气动压轴承和后径向箔片空气动压轴承形成的中空轴孔中，转轴14通过箔片空气动压轴承支承，提升转轴14在高速转动中的稳定性和效率，并降低摩擦损耗。
本发明的实施例还提供了一种燃料电池系统，包括以上任一实施例中的离心式空压机。离心式空压机为氢燃料电池提供化学反应所需要的高压空气。
在本说明书的描述中，参考术语“示例”、“实施例”或“一些实施例”等的描述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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种离心式空压机，其特征在于，包括：
机体，包括机壳、电机定子、电机转子、转轴、径向轴承组件和止推轴承组件，所述电机定子固定安装于所述机壳内腔，所述电机转子与所述转轴连接，所述转轴通过所述径向轴承组件安装于所述机壳内孔，所述止推轴承组件安装于所述机壳，所述止推轴承组件包括前止推轴承、间隙隔离板和后止推轴承，所述转轴设置有法兰突起，所述法兰突起安装限制在所述前止推轴承和后止推轴承形成的环形气腔内，所述机壳于所述电机定子的外侧设有第一冷却介质流道，所述止推轴承组件设有第二冷却介质流道，所述机壳设有连通所述第一冷却介质流道和所述第二冷却介质流道的引流孔；
压缩组件，包括叶轮和蜗壳，所述叶轮与所述转轴连接。
2.根据权利要求1所述的离心式空压机，其特征在于，所述引流孔包括将所述第一冷却介质流道的冷却介质引入所述第二冷却介质流道的第一引流孔和将所述第二冷却介质流道的冷却介质引出至所述第一冷却介质流道的第二引流孔，所述第一引流孔和所述第二引流孔关于所述转轴的轴线对称设置。
3.根据权利要求2所述的离心式空压机，其特征在于，所述第二冷却介质流道包括设在所述前止推轴承背侧的第一环形沉槽以及设在所述后止推轴承背侧的第二环形沉槽，所述第一引流孔具有第一支路和第二支路，所述第一支路穿过所述后止推轴承、间隙隔离板和前止推轴承的过孔与所述第一环形沉槽连接，所述第二支路与所述第二环形沉槽连接，所述第二引流孔具有第三支路和第四支路，所述第三支路穿过所述后止推轴承、间隙隔离板和前止推轴承的过孔与所述第一环形沉槽连接，所述第四支路与所述第二环形沉槽连接。
4.根据权利要求1所述的离心式空压机，其特征在于，所述机壳内孔设有螺旋环槽，所述螺旋环槽的一端安装冷却液进口接头，所述螺旋环槽的另一端安装冷却液出口接头，所述机体还包括水套，所述水套过盈装配在所述机壳内孔，所述水套外表面与所述机壳的螺旋环槽限定出所述第一冷却介质流道。
5.根据权利要求1所述的离心式空压机，其特征在于，还包括：
级间中冷器，设有第三冷却介质流道和气流通道；
其中，所述压缩组件包括一级压缩组件和二级压缩组件，所述一级压缩组件设置于所述机体前端，所述一级压缩组件包括一级叶轮和一级蜗壳，所述一级蜗壳的出口与所述气流通道的进口连接；所述二级压缩组件设置于所述机体后端，所述二级压缩组件包括二级叶轮和二级蜗壳，所述二级蜗壳的进口与所述气流通道的出口连接。
6.根据权利要求5所述的离心式空压机，其特征在于，所述级间中冷器具有同心布置的内环面和外环面，所述级间中冷器的内环面与所述机壳的外圆面紧密贴合，所述第三冷却介质流道在所述级间中冷器表面设有冷却液进口和冷却液出口。
7.根据权利要求5所述的离心式空压机，其特征在于，所述级间中冷器集成于所述机壳，与所述机壳一体制造。
8.根据权利要求7所述的离心式空压机，其特征在于，所述级间中冷器的第三冷却介质流道与所述机壳的第一冷却介质流道连通。
9.根据权利要求1所述的离心式空压机，其特征在于，所述径向轴承组件包括前径向轴承组件和后径向轴承组件，所述前径向轴承组件安装于所述机壳前端，所述前径向轴承组件包括前轴承座和前径向箔片空气动压轴承，所述后径向轴承组件安装于所述机壳后端，所述后径向轴承组件包括后轴承座和后径向箔片空气动压轴承，所述转轴安装在所述前径向箔片空气动压轴承和后径向箔片空气动压轴承形成的中空轴孔中。
10.一种燃料电池系统，其特征在于，包括权利要求1～9中任一项所述的离心式空压机。
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