CN117272538A - 压缩机导流叶片加工方法、导流机构和离心式压缩机 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种压缩机导流叶片加工方法、导流机构和离心式压缩机，涉及燃料电池领域。压缩机导流叶片加工方法包括如下步骤：设定圆弧段所在圆的半径为r，圆弧段的圆心角为∠E，导流叶片在压缩机的叶轮的轴向上的尺寸为b，气流在导流叶片的一侧的入射角为∠C，气流在导流叶片的相对的另一侧的入口速度为C3，C3包括切向速度Q和轴向速度Z。根据计算公式获得的半径r以及导流叶片的中心线所在圆的圆心角确定导流叶片的形状。采用上述方法制备的导流叶片与压缩机主体配合紧密，整体结构体积小，便于装配，装配误差小，不易影响压缩机的效率。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种压缩机导流叶片加工方法、导流机构和离心式压缩机。
背景技术
众所周知，固体氧化物燃料电池（Solid Oxid Fuel Cell：以下简称SOFC）是一种用途广泛的高效燃料电池。固体氧化物燃料电池辅助动力单元系统（Solid Oxid FuelCell - Auxiliary Power Unit：以下简称SOFC-APU）是高度集成的小型SOFC系统，该系统通常被应用于大型交通工具中。SOFC系统使用空压机对空气进行增压，可以提升燃料电池的反应效率。空气压缩机是SOFC系统的核心部件。燃料电池系统用空压机主要有离心式、罗茨式和螺杆式三种类型。由于离心式压缩机在效率、噪音、体积、无油等方面综合效果高，目前离心式压缩机是燃料电池领域的主要选择。离心式压缩机工作时叶片高速旋转，气体在叶片上高速旋转并在离心力的作用下获得更高的速度及压力，气体径向离开叶片后进入圆盘状的蜗壳，最后沿蜗壳流出压缩机。由于SOFC-APU系统高度集成，对每个组件的安装体积有着苛刻的要求，传统离心式压缩机因其巨大的盘状蜗壳机构会占据大量的安装空间。现有的轴流式离心机零部件较多，装配不便，装配误差大。并且，现有的离心机运行时气体能量损失较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压缩机导流叶片加工方法、导流机构和离心式压缩机，其能够减小能量损失，减少零部件，降低装配难度，减小装配误差。
本发明的实施例是这样实现的：
第一方面，本发明压缩机导流叶片加工方法，导流叶片的中心线为圆弧段，该方法如下：
设定所述圆弧段所在圆的半径为r，所述圆弧段的圆心角为∠E，所述导流叶片在压缩机的叶轮的轴向上的尺寸为b，气流在所述导流叶片的一侧的入射角为∠C，气流在所述导流叶片的相对的另一侧的入口速度为C3，C3包括切向速度Q和轴向速度Z，其中：
C3 2=Q2+Z2
n为压缩机在额定工作点的叶轮的转速，d0为叶轮的直径；
为压缩机在额定工作点的流量，A为流过导流叶片的面积；d2为导流叶片的外侧直径，d1为导流叶片的内侧直径；
；
根据计算公式获得的半径r以及导流叶片的中心线所在圆的圆心角确定所述导流叶片的形状。
第二方面，本发明提供一种导流机构，包括前述实施方式中任一项所述的压缩机导流叶片加工方法。
第三方面，本发明提供一种离心式压缩机，包括：
压缩机主体，所述压缩机主体具有依次连通的进气通道、导流通道和出气通道；
无叶扩压器，所述无叶扩压器安装于所述进气通道；
以及上述实施方式中任一项所述的导流机构，所述导流叶片与所述压缩机主体一体成型且位于所述导流通道，所述导流机构用于将从所述进气通道进入所述导流通道的涡旋型气流转变为直线型气流；所述出气通道用于排出所述直线型气流。
在可选的实施方式中，所述压缩机主体包括压缩机外壳和电机总成，所述压缩机外壳套接于所述电机总成外，且所述压缩机外壳与所述电机总成配合共同限定出所述进气通道、所述导流通道和所述出气通道。
在可选的实施方式中，所述压缩机外壳包括第一半壳和第二半壳，所述第一半壳与所述第二半壳连接且均套接于所述电机总成外，所述第一半壳与所述电机总成配合形成连通的所述进气通道和弧形导流腔；所述第二半壳与所述电机总成配合形成连通的轴向导流腔和所述出气通道，所述弧形导流腔与所述轴向导流腔连通且配合形成所述导流通道。
在可选的实施方式中，所述轴向导流腔与所述出气通道的连通位置的截面形状呈弧线形。
在可选的实施方式中，所述导流机构还包括引流叶片，所述导流叶片与所述引流叶片均设于所述导流通道内且在所述导流通道的延伸方向上间隔排布。
在可选的实施方式中，所述导流叶片的内侧连接于所述导流通道的内侧壁面，所述导流叶片的相对的外侧与所述导流通道的外侧壁面具有间距。
在可选的实施方式中，所述引流叶片的相对的两侧分别连接于所述导流通道的内侧壁面和外侧壁面。
在可选的实施方式中，所述引流叶片具有变径段，所述变径段的宽度在从所述导流通道靠近所述进气通道的一端到所述导流通道远离所述进气通道的一端的方向上逐渐增大，所述变径段的宽度为所述引流叶片的相对的两侧之间的距离。
本发明实施例的有益效果是：
综上所述，本实施例提供的压缩机导流叶片加工方法，通过计算公式获得的导流叶片的相关参数，从而能够根据相关参数获取导流叶片的形状，并且根据导流叶片的相关参数能够与压缩机的其余部件相匹配，使气体进入导流叶片时的入口速度C3的方向与导流叶片的中心线的切向方向相同，此时的状态为零冲角，在这样的状态下，气体能量损失最小。
此外，本实施例提供的离心式压缩机，通过合理设计结构，在满足使用需求的同时能够极大的减小离心式压缩机的体积，使其能够集成在SOFC-APU系统中，能够较好的应用于低压缩比的系统中，尤其是SOFC系统中。具体的，该离心式压缩机采用无叶扩压器，无叶扩压器与有叶扩压器相比结构更加简单，维护方便，噪音振动更小。同时，设于导流通道内的导流机构改变了气体的运动方向，改善了气体的螺旋运动，减少了能量损失，提高了能源利用率。并且，导流机构与压缩机主体为一体式设计，减少了装配步骤，减小了装配误差，使得整个压缩机的安装更为简单，装配质量更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例的离心式压缩机的剖视结构示意图；
图2为本发明实施例的电机外壳和导流机构配合的结构示意图；
图3为本发明实施例的心式压缩机的简化结构示意图；
图4为本发明实施例的叶轮的结构示意图；
图5为本发明实施例的流量的示意图；
图6为本发明实施例的导流叶片的示意图。
图标:
001-进气通道；002-导流通道；021-弧形导流腔；022-轴向导流腔；003-出气通道；100-压缩机主体；110-压缩机外壳；111-第一半壳；1111-第一弯折部；112-第二半壳；1121-第二弯折部；120-电机总成；121-电机外壳；1211-第一弧形面；1212-第二弧形面；122-转子组件；123-叶轮；200-无叶扩压器；300-导流机构；310-导流叶片；311-中心线；320-引流叶片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
现有技术中，应用于固体氧化物燃料电池辅助动力单元系统的轴流式压缩机，虽然相比涡旋式离心压缩机来讲体积缩小，但是其采用有叶扩压器，结构复杂，装配不便，装配误差大，作业效率低；此外，并未考虑流体的流速性质，存在较大的能量损失。
鉴于此，设计者提供了一种离心式压缩机，其能够简化结构，降低装配难度，减小装配误差，不易因较大的装配间隙影响作业效率；同时，其考虑了流体的流速性质，能量损失小。
请结合图1-图6，本实施例中，离心式压缩机包括压缩机主体100、无叶扩压器200和导流机构300。压缩机主体100具有依次连通的进气通道001、导流通道002和出气通道003。无叶扩压器200安装于进气通道001。导流机构300与压缩机主体100一体成型且位于导流通道002，导流机构300用于将从进气通道001进入导流通道002的涡旋型气流转变为直线型气流；出气通道003用于排出直线型气流。
呈上述，本实施例提供的离心式压缩机的工作原理如下：
通过合理的结构设计，在满足使用需求的同时能够极大的减小离心式压缩机的体积，使其能够集成在SOFC-APU系统中，能够较好的应用于低压缩比的系统中，尤其是SOFC系统中。具体的，该离心式压缩机采用无叶扩压器200，无叶扩压器200与有叶扩压器相比结构更加简单，维护方便，噪音振动更小。同时，设于导流通道002内的导流机构300改变了气体的运动方向，改善了气体的螺旋运动，减少了能量损失，提高了能源利用率。并且，导流机构300与压缩机主体100为一体式设计，减少了装配步骤，减小了装配误差，使得整个压缩机的安装更为简单，装配质量更高。
以下实施例对本申请提供的离心式压缩机的细节结构进行举例说明。
请结合图1-图2，本实施例中，可选的，压缩机机主体包括压缩机外壳110和电机总成120。压缩机外壳110套接于电机总成120外，压缩机外壳110与电机总成120配合共同限定出进气通道001、导流通道002和出气通道003。具体的，压缩机外壳110包括第一半壳111和第二半壳112，第一半壳111和第二半壳112对接，二者可以通过螺钉或卡扣等结构可拆卸的连接。第一半壳111具有第一弯折部1111，第一弯折部1111的内壁面为圆弧面，该圆弧面的角度可以是但不限于是90°。第二半壳112具有第二弯折部1121，第二弯折部1121为的内壁面为弧形面。电机总成120包括电机外壳121、转子组件122和叶轮123，转子组件122安装于电机外壳121内，叶轮123与转子组件122连接，转子组件122能够带动叶轮123自转。电机外壳121的外表面具有环形的第一弧形面1211和环形的第二弧形面1212。第一弧形面1211可以为圆弧面，且第一弧形面1211的角度可以是但不限于是90°。第一半壳111和第二半壳112均套接在电机外壳121外，且叶轮123位于第一半壳111围成的区域内。第一半壳111与叶轮123配合限定出进气通道001，进气通道001为圆锥通道，进气通道001的直径在气流的流动方向上逐渐增大，气流的流动方向是指进气通道001向出气通道003的方向。第一半壳111的第一弯折部1111与电机外壳121的第一弧形面1211配合限定出弧形导流腔021，第二半壳112与电机外壳121配合限定出轴向导流腔022，弧形导流腔021的一侧连通进气通道001，弧形导流腔021的另一侧连通出气通道003，轴向导流腔022远离弧形导流腔021的一侧连通出气通道003。其中，出气通道003和轴向导流腔022在第二弯折部1121和第二弧形面1212处连通，且连通位置的截面形状呈弧线形。导流机构300设于轴向导流腔022中。
在压缩机工作时，叶轮123高速旋转，气体被轴向吸入从进气通道001。由于叶轮123的高速转动，在离心力的作用下气体的速度与压力均得到提升，最后径向离开叶轮123。离开叶轮123后气流通过该弧形导流腔021，气体的流动方向由径向变为轴向。并且，气流经过弧形导流腔021后进入轴向导流腔022，气流仍然具有很高的切向速度，此时的气体由于高速旋转整体呈漩涡型，需要对气体的方向进行修正。通过设于轴向导流腔022内的导流机构300对气体的流向进行修正后，将漩涡型的气流修正为直线型，最后压缩气体从出气通道003流出压缩机。
请结合图2和图3，本实施例中，可选的，导流机构300包括多个导流叶片310和多个引流叶片320。多个导流叶片310和多个引流叶片320均设于导流通道002内且在导流通道002的延伸方向上间隔排布。多个导流叶片310均安装在电机外壳121上，且围绕电机外壳121的轴线均匀间隔排布。多个引流叶片320均安装在电机外壳121上，且围绕电机外壳121的轴线均匀间隔排布。应当理解，导流叶片310和引流叶片320的数量均可以按需选择，本实施例中不进行具体限定。
需要说明的是，导流叶片310和引流叶片320均可以直接成型于电机外壳121的外壁面上。也就是说，导流叶片310、引流叶片320和电机外壳121一体成型。导流叶片310、引流叶片320和电机外壳121设计为一体化结构，一体化的零件装配更简单，同时受安装间隙影响小，使压缩机的效率不受影响。
此外，电机外壳121的横截面轮廓为圆环形。第一半壳111和第二半壳112的横截面轮廓均为圆环形。横截面为垂直于叶轮123的转动轴线的平面。
可选的，导流叶片310的内侧连接于导流通道002的内侧壁面，导流叶片310的相对的外侧与导流通道002的外侧壁面具有间距。应当理解，导流通道002的内侧壁面是指电机外壳121的外表面，导流通道002的外侧壁面是指第一半壳111的部分内表面以及第二半壳112的部分内表面。
请结合图4-图6，可选的，导流叶片310的中心线311为圆弧段，导流叶片310的加工方法如下：
设定：圆弧段所在圆的半径为r，圆弧段的圆心角为∠E，导流叶片310在压缩机主体100的叶轮123的轴向上的尺寸为b，气流在导流叶片310的靠近进气通道001一侧的入射角为∠C，气流在导流叶片310的远离进气通道001一侧的出射角为∠D，气流在导流叶片310的靠近进气通道001一侧的入口速度为C3，C3包括切向速度Q和轴向速度Z，气流在导流叶片310的远离进气通道001一侧的出口速度为C4，其中：
n为压缩机在额定工作点的叶轮123的转速，d0为叶轮123的直径；
S为压缩机在额定工作点的流量，A为流过导流叶片310的面积；d2为导流叶片310的外侧直径，d1为导流叶片310的内侧直径；
。
需要说明的是，当一个圆弧段的半径及圆心角确定时，圆弧段的形状能够被确定。如此，导流叶片310的轮廓中心线311能够被确定，或者说导流叶片310的基本的构型能够被确定。根据该轮廓中心线311，设计人员可以自行选择叶片线形轮廓进行叶片设计，并通过仿真对叶片进行优化。此外，可以根据导流叶片310的内径、外径、叶片宽度、入射角和出射角，使用ANSYS中的叶片设计模块来得到叶片的三维构型。
上述计算公式组中，b、n、d0、d1、d2、出射角∠D均为已知参数，出射角∠D为90°。通过上述计算公式组获取的导流叶片310的相关参数，根据离心式压缩机的理论，当气体进入导流叶片时的入口速度C3的方向与导流叶片310的中心线311的入口处的切向方向相同时，也即入口速度C3的方向与中心线311相切的点与入射角的顶点位置重合时，此时的状态为零冲角，在这样的状态下，气体能量损失最小。
可选的，引流叶片320的相对的两侧分别连接于导流通道002的内侧壁面和外侧壁面。引流叶片320具有变径段，变径段的宽度在从导流通道002靠近进气通道001的一端到导流通道002远离进气通道001的一端的方向上逐渐增大，变径段的宽度为引流叶片320的相对的两侧之间的距离，如此，能够增大流量，提高作业效率。引流叶片320不仅起到导流的作用，还起到稳定压缩机外壳110和电机外壳121的作用，使得整体结构更加紧凑，体积更小。
本实施例提供的离心式压缩机，通过全新结构设计，气体流向不再是轴向进入径向流出，而是轴向进入轴向流出。在保证压缩机性能的情况下，能使得压缩机的体积大幅减小。同时电机的外壳被气体流道包裹，气体高速流过电机外壳121表面，在强制对流的作用下气体还可以对电机降温，提高电机的稳定性。
本实施例还提供了一种固体氧化物燃料电池辅助动力单元系统，包括上述实施例的离心式压缩机。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种压缩机导流叶片加工方法，导流叶片的中心线为圆弧段，其特征在于，该方法如下：
设定所述圆弧段所在圆的半径为r，所述圆弧段的圆心角为∠E，所述导流叶片在压缩机的叶轮的轴向上的尺寸为b，气流在所述导流叶片的一侧的入射角为∠C，气流在所述导流叶片的相对的另一侧的入口速度为C3，C3包括切向速度Q和轴向速度Z，其中：
C3 2=Q2+Z2
n为压缩机在额定工作点的叶轮的转速，d0为叶轮的直径；
为压缩机在额定工作点的流量，A为流过导流叶片的面积；d2为导流叶片的外侧直径，d1为导流叶片的内侧直径；
；
根据计算公式获得的半径r以及导流叶片的中心线所在圆的圆心角确定所述导流叶片的形状。
2.一种导流机构，其特征在于，包括采用权利要求1所述的压缩机导流叶片加工方法制备的导流叶片。
3.一种离心式压缩机，其特征在于，包括：
压缩机主体，所述压缩机主体具有依次连通的进气通道、导流通道和出气通道；
无叶扩压器，所述无叶扩压器安装于所述进气通道；
以及权利要求2所述的导流机构，所述导流叶片与所述压缩机主体一体成型且位于所述导流通道，所述导流机构用于将从所述进气通道进入所述导流通道的涡旋型气流转变为直线型气流；所述出气通道用于排出所述直线型气流。
4.根据权利要求3所述的离心式压缩机，其特征在于：
所述压缩机主体包括压缩机外壳和电机总成，所述压缩机外壳套接于所述电机总成外，且所述压缩机外壳与所述电机总成配合共同限定出所述进气通道、所述导流通道和所述出气通道。
5.根据权利要求4所述的离心式压缩机，其特征在于：
所述压缩机外壳包括第一半壳和第二半壳，所述第一半壳与所述第二半壳连接且均套接于所述电机总成外，所述第一半壳与所述电机总成配合形成连通的所述进气通道和弧形导流腔；所述第二半壳与所述电机总成配合形成连通的轴向导流腔和所述出气通道，所述弧形导流腔与所述轴向导流腔连通且配合形成所述导流通道。
6.根据权利要求5所述的离心式压缩机，其特征在于：
所述轴向导流腔与所述出气通道的连通位置的截面形状呈弧线形。
7.根据权利要求3所述的离心式压缩机，其特征在于：
所述导流叶片的内侧连接于所述导流通道的内侧壁面，所述导流叶片的相对的外侧与所述导流通道的外侧壁面具有间距。
8.根据权利要求3所述的离心式压缩机，其特征在于：
所述导流机构还包括引流叶片，所述导流叶片与所述引流叶片均设于所述导流通道内且在所述导流通道的延伸方向上间隔排布。
9.根据权利要求8所述的离心式压缩机，其特征在于：
所述引流叶片的相对的两侧分别连接于所述导流通道的内侧壁面和外侧壁面。
10.根据权利要求9所述的离心式压缩机，其特征在于：
所述引流叶片具有变径段，所述变径段的宽度在从所述导流通道靠近所述进气通道的一端到所述导流通道远离所述进气通道的一端的方向上逐渐增大，所述变径段的宽度为所述引流叶片的相对的两侧之间的距离。
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