CN115388017B - 一种高速离心空压机的膨胀端总成 - Google Patents

一种高速离心空压机的膨胀端总成 Download PDF

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Abstract

一种高速离心空压机的膨胀端总成，包括电机壳体、定子和转子，电机壳体两端内侧分别安装用于支撑转子的压缩端轴承座和膨胀端轴承座，膨胀端轴承座外侧安装膨胀端导向器，转子穿出膨胀端导向器安装有膨胀叶轮，膨胀叶轮外侧设有与电机壳体相连的膨胀蜗壳，膨胀蜗壳内部设有膨胀蜗道，膨胀蜗壳上设有与膨胀蜗道相连通的膨胀端进气口和膨胀端出气口；所述膨胀端导向器与转子之间设有膨胀端密封结构，所述膨胀蜗壳与电机壳体内设有膨胀端预热系统，膨胀端密封结构可避免膨胀腔内的气体向电机腔内泄漏对定子和转子造成腐蚀，膨胀端预热系统可对膨胀蜗壳和膨胀蜗道进行预热，以缩小膨胀端与燃料电池电堆排出的高温气体之间的温差，减小凝水量。

Description

一种高速离心空压机的膨胀端总成
技术领域：
本发明涉及一种高速离心空压机的膨胀端总成。
背景技术：
目前发展新能源燃料电池汽车被认为是交通能源动力转型的重要环节，为了保障燃料电池发动机正常工作，发动机一般需要氢气供应子系统、空气供应子系统和循环水冷却管理子系统等辅助系统，大量的研究表明，高压、大流量的空气供应对提高现有燃料电池发动机的功率输出具有明显的效果。因此，一般空气进入发动机之前，要对进气进行增压，离心式空压机就是实现该目标的一种能量转换装置，是燃料电池发动机空气供应系统的重要零部件之一。
申请人于2022年5月23日申请了公开号为CN114893419A，名称为一种燃料电池单级高速离心空压机与膨胀机集成系统的专利申请，其公开了一种空压机与膨胀机集成的结构形式，在具体工作时，一方面，膨胀腔内的气体容易向电机腔内泄漏，对电机的定子和转子造成腐蚀，影响电机的寿命，由于转子工作时高速旋转，很容易将普通的接触式密封圈磨损，发热严重，导致间隙增大，出现密封失效的情况，目前行业内还没有很好的技术手段同时解决膨胀腔与电机腔之间的密封问题。另一方面，燃料电池电堆排出的高温气体进入膨胀机，推动膨胀叶轮旋转，膨胀叶轮用于回收燃料电池电堆排出的气体能量，给转子提供助力，由于燃料电池电堆排出的高温气体含有一定水蒸气，在进入膨胀机后遇冷会凝结成水，温差越大凝结水量越大，轻则影响膨胀机的正常工作，重则造成膨胀机水淹，目前还没有很好的办法来解决上述问题。
综上，高速离心空压机的膨胀端密封及凝水问题，已成为行业内亟需解决的技术难题。
发明内容：
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种高速离心空压机的膨胀端总成，解决了膨胀腔内的气体向电机腔内泄漏对定子和转子造成腐蚀的问题，解决了以往燃料电池电堆排出的高温气体进入膨胀机后遇冷会凝结成水的问题，缩小了温差，减小了凝水量。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种高速离心空压机的膨胀端总成，包括电机壳体、定子和转子，电机壳体两端内侧分别安装用于支撑转子的压缩端轴承座和膨胀端轴承座，膨胀端轴承座外侧安装膨胀端导向器，转子穿出膨胀端导向器安装有膨胀叶轮，膨胀叶轮外侧设有与电机壳体相连的膨胀蜗壳，膨胀蜗壳内部设有膨胀蜗道，膨胀蜗壳上设有与膨胀蜗道相连通的膨胀端进气口和膨胀端出气口；所述膨胀端导向器与转子之间设有膨胀端密封结构，用于避免膨胀腔内的湿气体向电机腔内泄漏对定子和转子造成腐蚀，所述膨胀蜗壳与电机壳体内设有膨胀端预热系统，用于对膨胀蜗壳和膨胀蜗道进行预热，以缩小膨胀端与燃料电池电堆排出的高温气体之间的温差，减小凝水量，减小液滴对膨胀叶轮的冲击破坏。
所述膨胀端密封结构包括设在膨胀叶轮与膨胀端轴承座之间的转子上的膨胀端密封套环，膨胀端导向器的内孔壁上设有与膨胀端密封套环相配合的膨胀端密封槽，膨胀端密封套环的外边缘插装在膨胀端密封槽内与膨胀端导向器间隙配合形成间隙密封结构。
所述膨胀端导向器的外端面通过螺钉连接有膨胀端密封盖板，膨胀端密封盖板与膨胀端导向器之间形成膨胀端密封槽。
所述膨胀叶轮将膨胀端密封套环压紧在转子的阶梯端面上，膨胀叶轮的外端通过螺纹安装在转子上的压紧螺母压紧固定。
所述膨胀端预热系统包括设在电机壳体上的进气嘴和壳体进气通道，压缩端轴承座内设有轴承座进气通道，膨胀端导向器内设有导向器排气通道，所述电机壳体与膨胀蜗壳之间设有第一预热腔，所述膨胀蜗壳的侧壁内设有第二预热腔，膨胀蜗壳的侧壁内设有将第一预热腔和第二预热腔相连通的预热进气通道，膨胀蜗壳的侧壁内设有与第二预热腔相连通的预热排气通道；
气体从进气嘴经壳体进气通道和轴承座进气通道进入电机壳体内部，带走定子和转子工作时产生的热量，气体温度升高，气体再经膨胀端轴承座与转子之间的缝隙进入膨胀端导向器，经导向器排气通道进入第一预热腔，用于对膨胀蜗壳进行一级预热，第一预热腔内的气体经预热进气通道进入第二预热腔，用于对膨胀蜗壳进行二级预热，第二预热腔内的气体从预热排气通道向外排出。
所述第二预热腔呈环形设置在膨胀蜗壳的侧壁内。
所述第二预热腔设在膨胀蜗壳的侧壁内靠近膨胀蜗道的位置。
所述预热进气通道设在膨胀蜗壳的侧壁内靠近膨胀端进气口的位置。
所述预热排气通道与膨胀端出气口相连通。
所述预热进气通道和预热排气通道设在第二预热腔的相对两侧。
本发明采用上述方案，具有以下优点：
通过增加膨胀端密封套环，膨胀端密封套环随转子高速旋转，并且在膨胀端导向器的内孔壁上设置与膨胀端密封套环相配合的膨胀端密封槽，形成迷宫式的间隙密封结构，可防止膨胀腔内的气体向电机腔内泄漏，避免对定子和转子造成腐蚀，保证了电机的使用寿命；
通过在电机壳体与膨胀蜗壳之间设置第一预热腔，可对膨胀蜗壳进行一级预热，通过在膨胀蜗壳的侧壁内设置第二预热腔，对膨胀蜗壳进行二级预热，在燃料电池电堆排出的高温气体进入膨胀机之前，先将具有一定温度的气体进入第一预热腔和第二预热腔内，充分对膨胀蜗壳以及膨胀蜗道进行预热，以缩小膨胀机与燃料电池电堆排出的高温气体之间的温差，大大减小了凝水量，避免了膨胀机水淹，保证了膨胀机的性能。
附图说明：
图1为本发明的剖视结构示意图。
图2为本发明膨胀端密封结构的剖视结构示意图。
图中，1、电机壳体，2、定子，3、转子，4、压缩端轴承座，5、膨胀端轴承座，6、膨胀端导向器，7、膨胀叶轮，8、膨胀蜗壳，9、膨胀蜗道，10、膨胀端进气口，11、膨胀端出气口，12、进气嘴，13、壳体进气通道，14、轴承座进气通道，15、导向器排气通道，16、第一预热腔，17、第二预热腔，18、预热进气通道，19、预热排气通道，20、膨胀端密封套环，21、膨胀端密封槽，22、膨胀端密封盖板，23、压紧螺母。
具体实施方式：
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。
如图1-2所示，一种高速离心空压机的膨胀端总成，包括电机壳体1、定子2和转子3，电机壳体1两端内侧分别安装用于支撑转子3的压缩端轴承座4和膨胀端轴承座5，膨胀端轴承座5外侧安装膨胀端导向器6，转子穿出膨胀端导向器6安装有膨胀叶轮7，膨胀叶轮7外侧设有与电机壳体1相连的膨胀蜗壳8，膨胀蜗壳8内部设有膨胀蜗道9，膨胀蜗壳8上设有与膨胀蜗道9相连通的膨胀端进气口10和膨胀端出气口11；所述膨胀端导向器6与转子3之间设有膨胀端密封结构，用于避免膨胀腔内的湿气体向电机腔内泄漏对定子2和转子3造成腐蚀。
所述膨胀端密封结构包括设在膨胀叶轮7与膨胀端轴承座5之间的转子3上的膨胀端密封套环20，膨胀端导向器6的内孔壁上设有与膨胀端密封套环20相配合的膨胀端密封槽21，膨胀端密封套环20的外边缘插装在膨胀端密封槽21内与膨胀端导向器6间隙配合形成间隙密封结构。
所述膨胀端导向器6的外端面通过螺钉连接有膨胀端密封盖板22，膨胀端密封盖板22与膨胀端导向器6之间形成膨胀端密封槽21，膨胀端密封盖板22可拆卸，方便膨胀端密封套环20的装入。
所述膨胀叶轮7将膨胀端密封套环20压紧在转子3的阶梯端面上，膨胀叶轮7的外端通过螺纹安装在转子3上的压紧螺母23压紧固定。
膨胀端密封结构工作原理：
燃料电池电堆排出的高压气体从膨胀端进气口10进入，经膨胀蜗道9驱动膨胀叶轮7旋转，膨胀叶轮7用于回收燃料电池电堆排出的气体能量，给转子3提供助力，气体最后从膨胀端出气口11排出，膨胀端密封套环20的外边缘插装在膨胀端密封槽21内与膨胀端导向器6和膨胀端密封盖板22间隙配合形成迷宫式的间隙密封结构，膨胀腔内的气体很难经过间隙进入电机腔内部，可防止膨胀腔内的气体向电机腔内泄漏，避免对定子2和转子3造成腐蚀，保证了电机的使用寿命。
所述膨胀蜗壳8与电机壳体1内设有膨胀端预热系统，用于对膨胀蜗壳8和膨胀蜗道9进行预热，以缩小膨胀端与燃料电池电堆排出的高温气体之间的温差，减小凝水量，减小液滴对膨胀叶轮的冲击破坏。
所述膨胀端预热系统包括设在电机壳体1上的进气嘴12和壳体进气通道13，压缩端轴承座4内设有轴承座进气通道14，膨胀端导向器6内设有导向器排气通道15，所述电机壳体1与膨胀蜗壳8之间设有第一预热腔16，所述膨胀蜗壳8的侧壁内设有第二预热腔17，膨胀蜗壳8的侧壁内设有将第一预热腔16和第二预热腔17相连通的预热进气通道18，膨胀蜗壳8的侧壁内设有与第二预热腔17相连通的预热排气通道19；
气体从进气嘴12经壳体进气通道13和轴承座进气通道14进入电机壳体1内部，带走定子2和转子3工作时产生的热量，气体温度升高，气体再经膨胀端轴承座5与转子3之间的缝隙进入膨胀端导向器6，经导向器排气通道15进入第一预热腔16，用于对膨胀蜗壳8进行一级预热，第一预热腔16内的气体经预热进气通道18进入第二预热腔17，用于对膨胀蜗壳8进行二级预热，第二预热腔17内的气体从预热排气通道19向外排出。
所述第二预热腔17呈环形设置在膨胀蜗壳8的侧壁内，可充分利用膨胀蜗壳8空间，增大预热面积，增强预热效果。
所述第二预热腔17设在膨胀蜗壳8的侧壁内靠近膨胀蜗道9的位置，燃料电池电堆排出的高温气体从膨胀端进气口10进入后直接进入膨胀蜗道9，第二预热腔17可增强对膨胀蜗道9的预热效果，尽可能的缩小温差。
所述预热进气通道18设在膨胀蜗壳8的侧壁内靠近膨胀端进气口10的位置，可以对膨胀端进气口10进行预热。
所述预热排气通道19与膨胀端出气口11相连通，可将第二预热腔17内的气体直接排入膨胀端出气口11。
所述预热进气通道18和预热排气通道19设在第二预热腔17的相对两侧，可延长气体在第二预热腔17内的停留时间，以进行充分的热交换，增强预热效果。
膨胀端预热系统工作原理：
在燃料电池电堆排出的高温气体进入膨胀机之前，气体从进气嘴12经壳体进气通道13和轴承座进气通道14进入电机壳体1内部，带走定子2和转子3工作时产生的热量，不仅可对定子2和转子3进行降温，而且气体温度升高，气体再经膨胀端轴承座5与转子3之间的缝隙进入膨胀端导向器6，经导向器排气通道15进入第一预热腔16，用于对膨胀蜗壳8进行一级预热，第一预热腔16内的气体经预热进气通道18进入第二预热腔17，用于对膨胀蜗壳8进行二级预热，以缩小膨胀机与燃料电池电堆排出的高温气体之间的温差，预热完成后，燃料电池电堆排出的高温气体再进入膨胀机，第一预热腔16和第二预热腔17内可持续供入气体进行预热，始终保持一定温度以缩小温差，达到减小凝水量的目的，第二预热腔17内的气体从预热排气通道19排至膨胀端出气口11向外排出。
上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。
本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种高速离心空压机的膨胀端总成，其特征在于：包括电机壳体、定子和转子，电机壳体两端内侧分别安装用于支撑转子的压缩端轴承座和膨胀端轴承座，膨胀端轴承座外侧安装膨胀端导向器，转子穿出膨胀端导向器安装有膨胀叶轮，膨胀叶轮外侧设有与电机壳体相连的膨胀蜗壳，膨胀蜗壳内部设有膨胀蜗道，膨胀蜗壳上设有与膨胀蜗道相连通的膨胀端进气口和膨胀端出气口；所述膨胀端导向器与转子之间设有膨胀端密封结构，用于避免膨胀腔内的湿气体向电机腔内泄漏对定子和转子造成腐蚀，所述膨胀蜗壳与电机壳体内设有膨胀端预热系统，用于对膨胀蜗壳和膨胀蜗道进行预热，以缩小膨胀端与燃料电池电堆排出的高温气体之间的温差，减小凝水量，减小液滴对膨胀叶轮的冲击破坏；
所述膨胀端预热系统包括设在电机壳体上的进气嘴和壳体进气通道，压缩端轴承座内设有轴承座进气通道，膨胀端导向器内设有导向器排气通道，所述电机壳体与膨胀蜗壳之间设有第一预热腔，所述膨胀蜗壳的侧壁内设有第二预热腔，膨胀蜗壳的侧壁内设有将第一预热腔和第二预热腔相连通的预热进气通道，膨胀蜗壳的侧壁内设有与第二预热腔相连通的预热排气通道；
气体从进气嘴经壳体进气通道和轴承座进气通道进入电机壳体内部，带走定子和转子工作时产生的热量，气体温度升高，气体再经膨胀端轴承座与转子之间的缝隙进入膨胀端导向器，经导向器排气通道进入第一预热腔，用于对膨胀蜗壳进行一级预热，第一预热腔内的气体经预热进气通道进入第二预热腔，用于对膨胀蜗壳进行二级预热，第二预热腔内的气体从预热排气通道向外排出。
2.根据权利要求1所述的一种高速离心空压机的膨胀端总成，其特征在于：所述膨胀端密封结构包括设在膨胀叶轮与膨胀端轴承座之间的转子上的膨胀端密封套环，膨胀端导向器的内孔壁上设有与膨胀端密封套环相配合的膨胀端密封槽，膨胀端密封套环的外边缘插装在膨胀端密封槽内与膨胀端导向器间隙配合形成间隙密封结构。
3.根据权利要求2所述的一种高速离心空压机的膨胀端总成，其特征在于：所述膨胀端导向器的外端面通过螺钉连接有膨胀端密封盖板，膨胀端密封盖板与膨胀端导向器之间形成膨胀端密封槽。
4.根据权利要求2所述的一种高速离心空压机的膨胀端总成，其特征在于：所述膨胀叶轮将膨胀端密封套环压紧在转子的阶梯端面上，膨胀叶轮的外端通过螺纹安装在转子上的压紧螺母压紧固定。
5.根据权利要求1所述的一种高速离心空压机的膨胀端总成，其特征在于：所述第二预热腔呈环形设置在膨胀蜗壳的侧壁内。
6.根据权利要求1所述的一种高速离心空压机的膨胀端总成，其特征在于：所述第二预热腔设在膨胀蜗壳的侧壁内靠近膨胀蜗道的位置。
7.根据权利要求1所述的一种高速离心空压机的膨胀端总成，其特征在于：所述预热进气通道设在膨胀蜗壳的侧壁内靠近膨胀端进气口的位置。
8.根据权利要求1所述的一种高速离心空压机的膨胀端总成，其特征在于：所述预热排气通道与膨胀端出气口相连通。
9.根据权利要求1所述的一种高速离心空压机的膨胀端总成，其特征在于：所述预热进气通道和预热排气通道设在第二预热腔的相对两侧。
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