CN114458624B - 一种管式离心压气机及增压系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种管式离心压气机及增压系统，离心压气机包括：压气机壳体，压气机壳体一侧连接气体的进气段，其内具有与进气段连通的供气体增能的离心管道，且离心管道与转轮一体设置形成管式离心转轮；与转轮连接的高速电机轴位于压气机壳体另一侧，增压气体的出口段位于压气机壳体的径向。本发明气体经进气段进入离心管道，通过转轮高速转动，气体经过离心通道增能，并在后部扩压器内将动能转化为压力能，进而达到了低比速、小流量系数条件下小分子量气体增压的效果，保证了离心压气机工作的可靠性。相对于传统离心压气机转轮的叶片流道结构，管式离心流道加工简单，制造成本可大幅降低。

Description

一种管式离心压气机及增压系统
技术领域
本发明涉及气体增压技术领域，更具体的说是涉及一种管式离心压气机及增压系统。
背景技术
离心压气机的比速是描述压气机工况点状态的重要指标，其定义为压气机转轮角速度和压气机入口流体体积流量的平方根之积与压气机级焓升值0.75次方的商，表征着压气机转速、流量以及压比之间的关联关系。比速决定着压气机进行气体压缩时所能达到的工作效率。对于分子量较小的气体(例如氢气、氦气等)，在增压比较大时，通常对应着较小的离心压气机比速，此时采用传统叶片式离心压气机进行气体压缩时，转轮叶片高度较小、长度较大，叶片通道狭小。同时，为保证压气机转轮的正常加工，需要采用半开式转轮，并在叶片顶部与压气机罩壳之间预留叶顶间隙，以保证转轮安全高速旋转。这样，在叶片高度较小的情况下，叶片顶部间隙与叶高比较大，使得压气机内部的叶顶间隙泄漏损失非常大，大幅降低了离心压气机的效率；狭长的转轮流道也使得转轮的加工成本较高。另外，半开式转轮的采用，使得离心压气机具有较大的轴向力，对轴承的轴向承载能力提出了较高要求，也为离心压气机的安全可靠工作带来了隐患。典型的，用于燃料电池氢气循环的氢气压缩机(氢循环泵)流量系数小、压比高，对应的的比速较小，使得采用传统离心式压气机的方式进行压缩时效率极低，且其转轮加工成本高、轴向力大、轴承选型困难，工作可靠性难以保证。
因此，如何有效提高低比速、小流量系数条件下小分子量气体的压缩效率、保证离心压气机工作可靠性、降低加工制造成是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
为此，本发明的一个目的在于提出一种管式离心压气机，解决现有压气机低比速、小流量系数条件下小分子量气体的压缩效率低、离心压气机工作不可靠的问题。
本发明提供了一种管式离心压气机，包括：压气机壳体，所述压气机壳体一侧连接气体的进气段，其内具有与所述进气段连通的供气体增能的离心管道，且所述离心管道与转轮一体设置形成管式离心转轮；与所述转轮连接的高速电机轴位于所述压气机壳体另一侧，增压气体的出口段位于所述压气机壳体的径向。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种管式离心压气机，气体经进气段进入离心管道，通过转轮高速转动，气体经过离心通道增能，并在后部扩压器内将动能转化为压力能，进而达到了低比速、小流量系数条件下小分子量气体增压的效果，保证了离心压气机工作的可靠性。本发明可有效减少气体在流道内的流动损失(包括摩擦损失、流动分离损失等)，从而提升压离心压气机效率，降低能耗；可消除传统离心压气机叶片顶部的间隙泄漏流动带来的较大损失，进一步提升压气机效率，降低能耗；相对于传统离心压气机转轮的叶片流道结构，管式离心流道加工简单，制造成本可大幅降低。
进一步地，所述管式离心转轮为轮状，其靠近所述进气段侧具有向内凹陷的进气槽，所述进气槽与所述离心管道的入口连通。
进一步地，所述离心管道为多条均匀分布于所述转轮上，每一条均自所述进气槽始，至所述转轮外圆终。
进一步地，每一条所述离心管道均为所述进气槽的倾斜气道。
进一步地，每一条所述离心管道由入口至出口流道截面尺寸逐渐增大。
进一步地，每一条所述离心管道的流道截面为圆形或椭圆形。
进一步地，所述管式离心转轮远离所述进气槽侧、设置有安装所述高速电机轴的轴孔。
进一步地，所述进气槽深度为所述转轮厚度的一半。
进一步地，所述进气槽与所述转轮同轴心。
本发明的另一个目的在于提供一种增压系统，包括上述任一项所述的一种管式离心压气机。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种管式离心压气机的剖视图；
图2附图为本发明提供的一种管式离心压气机的整体示意图；
图3附图为本发明提供的一种管式离心压气机的爆炸图；
图4附图示出了本发明提供的一种管式离心压气机的管式离心转轮结构示意图；
图5附图为图4的正视图；
图6附图为图5的A-A剖视图；
图7附图为图6的B-B剖视图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
现有的传统离心压气机，比如用于燃料电池氢气循环的氢气压缩机(氢循环泵)流量系数小、压比高，对应的的比速较小，使得采用传统离心式压气机的方式进行压缩时效率极低，且其转轮加工成本高、轴向力大、轴承选型困难，工作可靠性难以保证。本发明提供了一种管式离心压气机，气体经进气段进入离心管道，通过转轮高速转动，气体经过离心通道增能，并在后部扩压器内将动能转化为压力能，进而达到了低比速、小流量系数条件下小分子量气体增压的效果，保证了离心压气机工作的可靠性。本发明可有效减少气体在流道内的流动损失(包括摩擦损失、流动分离损失等)，从而提升压离心压气机效率，降低能耗；可消除传统离心压气机叶片顶部的间隙泄漏流动带来的较大损失，进一步提升压气机效率，降低能耗；相对于传统离心压气机转轮的叶片流道结构，管式离心流道加工简单，制造成本可大幅降低。
具体地，在本发明一个实施例中，参见附图1-3，包括：压气机壳体1，所述压气机壳体1一侧连接气体的进气段2，其内具有与所述进气段2连通的供气体增能的离心管道3，且所述离心管道3与转轮4一体设置形成管式离心转轮；与所述转轮4连接的高速电机轴5位于所述压气机壳体1另一侧，增压气体的出口段6位于所述压气机壳体1的最外侧。
本发明气体经所述离心压气机进气段进入进气槽，并进入高速旋转的管式离心管道，在离心力作用下获得动能的提升，气流以高速流出管式管道后，在下游无叶扩压器内大部分动能转化为气体的压力能，获得气体增压效果。
参见附图4，所述管式离心转轮为轮状，其靠近所述进气段2侧具有向内凹陷的进气槽41，进气槽41为圆形，所述进气槽41与所述离心管道3的入口连通。
参见附图4和5，所述离心管道3为多条均匀分布于所述转轮4上，每一条均自所述进气槽41始，至所述转轮4外圆终。
参见附图6和附图7，每一条所述离心管道均为所述进气槽的倾斜气道。即离心管道3与所述进气槽41和转轮4的外圆相贯穿，形成增压气体流入和流出管式流道3的进、出口；每一条所述离心管道3与经过进气槽41中心点C、及离心管道3与所述进气槽41贯穿点D确定的直线相交，且呈夹角α，每一条所述离心管道3由入口至出口流道截面尺寸逐渐增大。
有利的是，所述进气槽41深度为所述转轮4厚度的一半。
更有利的是，所述进气槽41与所述转轮4同轴心。
本发明管式离心流道的截面形状可以为圆形、椭圆形或者类椭圆形。入口和出口直径不同。入口的直径决定了压气机的压缩气体通流能力，在限定流量的前提下，入口直径确定。离心压气机增压的目的是实现气体的总压能提升。气体沿管式离心流道流动时，总压能(由动压能和静压能构成)逐渐提升。在此过程中，如果静压能增加太快，流道内则会出现因逆压流动而产生的流动分离，对压气机效率产生负面影响。因此管式离心流道的面积变化是管式离心压气机设计的关键。通过合理的调整出口管径，可以在保证压气机工作效率的基础上获得最佳的气体增压效果。
上述方案，保证来流气体更平滑地进入转轮的离心管道中，减少流动损失。
在本发明的实施例中，离心管道可以为九条，沿转轮4径向呈环形均匀分布，同时离心管道3为偏离径向一定角度的斜管流道；离心管道3可以为圆形倾斜管道，且管道直径沿流道渐扩。气体沿该结构离心升压，在消耗同等输入功的情况下，能有效提升出口压比。本发明结构简单，具有成本低的优点。
本发明的实施例中，所述管式离心转轮远离所述进气槽41侧、设置有安装所述高速电机轴5的轴孔。
管式离心转轮通过转子轴配合方式与高速电机连接，同时在轴孔处有轴肩，转轮与电机轴通过销键7连接。
本发明提供的上述管式离心压气机，可以用于增压系统中，用于提高低比速、小流量系数条件下小分子量气体增压的效果，保证了离心压气机工作的可靠性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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必须针对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。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种管式离心压气机，其特征在于，包括：压气机壳体(1)，所述压气机壳体(1)一侧连接气体的进气段(2)，其内具有与所述进气段(2)连通的供气体增能的离心管道(3)，且所述离心管道(3)与转轮(4)一体设置形成管式离心转轮；所述管式离心转轮为轮状，其靠近所述进气段(2)侧具有向内凹陷的进气槽(41)，所述进气槽(41)与所述离心管道(3)的入口连通；所述离心管道(3)为多条且沿转轮(4)径向呈环形均匀分布于所述转轮(4)上，每一条均自所述进气槽(41)始，至所述转轮(4)外圆终；每一条所述离心管道(3)均为所述转轮(4)上布置的倾斜气道；与所述转轮(4)连接的高速电机轴(5)位于所述压气机壳体(1)另一侧，增压气体的出口段(6)位于所述压气机壳体(1)的径向。
2.根据权利要求1所述的一种管式离心压气机，其特征在于，每一条所述离心管道(3)由入口至出口流道截面尺寸逐渐增大。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种管式离心压气机，其特征在于，每一条所述离心管道(3)的流道截面为圆形或椭圆形。
4.根据权利要求1-2任一项所述的一种管式离心压气机，其特征在于，所述管式离心转轮远离所述进气槽(41)侧、设置有安装所述高速电机轴(5)的轴孔。
5.根据权利要求4所述的一种管式离心压气机，其特征在于，所述进气槽(41)深度为所述转轮(4)厚度的一半。
6.根据权利要求1-2任一项所述的一种管式离心压气机，其特征在于，所述进气槽(41)与所述转轮(4)同轴心。
7.一种增压系统，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的一种管式离心压气机。
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