CN215762422U - 一种具有消涡抑制分离功能的叶轮及压缩机、空调和汽车 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有消涡抑制分离功能的叶轮及压缩机、空调和汽车。其中所述的叶轮包括轮毂、叶片和轮盖。相邻两叶片之间的主流道出口边缘均设有至少一翼型叶片，该翼型叶片的两端为流线型曲面构成的片状体，该翼型叶片设置的方向与所述叶片方向相同。主流道中设置了的翼型叶片，使得叶轮内部构成翼型引流流道，以消除涡的形成并抑制气流分离，降低损失，提升压缩机气动效率。通过改进叶轮内部的导流效果，均匀气流角，优化了气流在叶轮出口与扩压器入口的方向匹配问题，有效地减小了压缩机排气噪音，综合提高了燃料电池系统的效率和舒适性。

Description

一种具有消涡抑制分离功能的叶轮及压缩机、空调和汽车

技术领域

本实用新型涉及流体输送设备，尤其涉及一种具有消涡抑制分离功能的叶轮及具有该叶轮的压缩机、具有该压缩机的空调和具有该压缩机的汽车。

背景技术

空气压缩机作为一般动力气源，广泛应用于机械、汽车、医疗、食品、电力、建材、石油、化工及军工等行业。按压缩机方式的不同，常见的有离心式空气压缩机、螺杆式空气压缩机、涡旋式空气压缩机等。在新能源方面，氢燃料电池汽车动力性能高、加氢快、续航里程长，是21 世纪新能源汽车最具战略意义的突破口。压缩机为燃料电池系统提供高压气源，离心式压缩机与螺杆压缩机、涡旋压缩机相比，离心式压缩机能提供更高压比的气源，可显著提升电堆的功率密度和整体性能。离心式压缩机的工作原理是：通电后，高速电机驱动叶轮对进入的空气压缩做功，使之成为高压空气。因此叶轮是空气压缩机的“心脏”，其源源不断地为燃料电池系统提供高压气源，因此叶轮的工作效率直接影响整个燃料电池系统的工作效率。气流在经过叶轮后的损失大致分为摩擦损失、分离损失、二次流损失和尾迹损失四部分。摩擦损失是由于气体与壁面的摩擦产生，是不可避免的；分离损失主要由于边界层的分离产生漩涡，导致气流反向流动引起能量损失；二次流损失主要是由于壁面存在压力差的作用，气体由工作面向非工作面流动，方向垂直主流区的流体，带来能量损失；尾迹损失主要由于叶轮尾缘存在一定的厚度，当气体从叶轮流道中流出时，流通面积突然扩张，产生漩涡带来的能量损失。

在车用燃料电池压缩机主要应用在小型汽车或者商务车上，具有体积小、质量轻，导致叶轮相对较少。因此叶轮损失将会大大的降低压缩机的工作效率。因此需要进一步限制叶轮内部的流动损失以提高压缩机的效率。如前所述可知，摩擦损失和尾迹损失不可避免，进一步降低存在较大难度。分离损失和二次流损失占能量损失的主要部分，因此，如何进一步优化叶轮内部流道，限制边界层的分离和旋涡的形成。

所以，如何克服现有压缩机的叶轮流道的边界层容易分离和形成旋涡的缺陷是业界亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型为了解决现有压缩机叶轮流道的边界层容易分离和形成旋涡的问题，提供一种能够消除流道内部涡而抑制空气分离的叶轮及具有该叶轮的离心式压缩机、具有该压缩机的空调和具有该压缩机的汽车。以此消除涡的形成，降低分离损失，提高空气压缩机的气动效率。

本实用新型提供了一种具有消涡抑制分离功能的叶轮，包括轮毂、叶片和轮盖。相邻两叶片之间的主流道出口边缘均设有至少一翼型叶片，该翼型叶片的两端为流线型曲面构成的片状体，该翼型叶片设置的方向与所述叶片方向相同。

较优的，所述的翼型叶片设于所述轮盖的内表面和/或设于所述轮毂的内表面。

较优的，所述翼型叶片的高度H与叶轮出口高度B之比为H/B=0.025~0.4。

较优的，在主流道中，所述翼型叶片的进口位置是进口安装直径D3与叶轮的直径D2之比为D3/D2=0.6~0.7。

较优的，所述的翼型叶片的出口位置是出口安装直径D4与叶轮直径D2之比为D4/D2=0.8~0.9。

较优的，所述翼型叶片为气体进口的一端厚、气体出口的一端薄的形状。

较优的，所述翼型叶片的两侧为平行侧面，该两平行侧面与两端的流线型曲面对应相连构成的翼型叶片。

较优的，所述翼型叶片的两侧为外凸的弯曲侧面，该两侧外凸的弯曲侧面与两端的流线型曲面对应圆滑相连。

较优的，所述的轮盖或轮毂的内表面平行设置一对翼型叶片；或者，所述的轮盖和轮毂内表面，各设置一片翼型叶片，成双列平行状态。

本实用新型提供一种压缩机，其包括所述的具有消涡抑制分离功能的叶轮。

本实用新型提供一种空调，其包括所述的压缩机。

本实用新型提供一种汽车，其包括所述的压缩机。

本实用新型在叶轮的每一主流道中均设置了至少一翼型叶片，使得叶轮内部构成翼型引流流道，以消除涡的形成并抑制气流分离，降低损失，提升压缩机气动效率。通过改进叶轮内部的导流效果，均匀气流角，优化了气流在叶轮出口与扩压器入口的方向匹配问题，有效地减小了压缩机排气噪音，综合提高了燃料电池系统的效率和舒适性。

附图说明

图1为本实用新型的叶轮实施例的立体示意图；

图2为本实用新型的叶轮实施例除去轮盖的正视图；

图3为本实用新型的翼型叶片实施例的立体示意图；

图4为本实用新型的单片翼型叶片安装位置示意图

图5为本实用新型的串联式翼型叶片安装结构

图6为本实用新型的具有所述叶轮的压缩机的结构示意图。

图中：1—锁紧螺钉；2—叶轮；3—蜗壳；4—扩压器；5—筒体；6—前轴向轴承；7—推力盘；8—后轴向轴承；9—前轴承座；10—前径向轴承；11—水冷套；12—螺旋冷却流道；13—电机定子；14—电机轴；15—后径向轴承；16—后轴承座；

20-轮毂、21-叶片、22-轮盖、23-叶轮出口、24-叶轮入口、26-翼型叶片、27-压力面、

28-吸力面、29-翼型叶片的外端。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明：

如图1、图2所示，为本实用新型提供的具有消涡抑制分离功能的叶轮的实施例，其包括轮毂20和轮盖22，设于轮毂和轮盖之间的叶片21。叶轮2的主流道是由相邻的两叶片、轮毂、轮盖以及叶轮出口23和叶轮入口24所构成。本实用新型在叶轮的主流道出口边缘均设有至少一翼型叶片26。请结合图3，该翼型叶片26为左右两端为流线型曲面构成的片状体，该片状体前后为平行的侧面，该平行的两侧面之间的距离为翼型叶片的高度H，该翼型叶片26设置的方向与叶片21的方向相同。根据需要，翼型叶片可以设于轮盖22的内表面或设于轮毂20的内表面，也可以在轮盖22和轮毂20的内表面错开设置翼型叶片。本实施例中，一片翼型叶片26设于轮盖的内表面的，即翼型叶片的顶面与轮盖内表面固定连接，而翼型叶片的流线型的圆滑两端，与叶片21的方向相同设置（请阅图2中翼型叶片的示意位置）。为了保持较好的气流流场，将翼型叶片26的高度H与叶轮出口高度B关联，限定两者之比为H/B=0.025~0.4，叶轮出口高度B为轮毂与轮盖之间的轴向距离。翼型叶片与叶片之间形成的间隔壁能够有效阻挡涡的形成，加速相对位置的流速，限制叶轮出口位置-气流的分离。根据实际涡形成的位置处，翼型叶片26的高度H也可以由轮盖22向轮毂20延伸。翼型叶片26设于主流道中，与相邻叶片21具有间隙，离叶轮2的外圆也有一定距离。如此安装使得叶轮的主流道中形成翼型引流流道。如图4所示，一般翼型叶片26的气体进口位置（内端），即翼型叶片靠近叶轮2中心的一端的位置。控制该进口安装直径D3与叶轮直径D2之比为D3/D2=0.6~0.7。 D3为各翼型叶片气体进口一端（内端）所处的圆的直径。因为气体经过转折后，在靠近轮盖位置会首先出现分离，在此可以抑制分离发展。由于增加了翼型叶片，在出口位置会形成尾迹涡，因此翼型叶片出口离叶轮出口相隔一段距离，使尾部气流能够充分均匀，优化气流出口气流角，降低气流脉动，降低噪音。翼型叶片26的气体出口位置（外端），即翼型叶片的靠近叶轮外圆的一端的位置，控制该出口安装直径D4与叶轮直径D2之比为D4/D2=0.8~0.9。D4为各翼型叶片气体出口一端（外端）所处的圆的直径。这样可以保证气体在尾缘能够有一定程度的掺混，确保进入扩压器入口的气体比较均匀。为减少翼型叶片尾迹边缘的损失，需要将其尾部--翼型叶片26的外端29进行削薄处理（如图3所示），也可以将翼型叶片设置成气体进口的头部厚、气体出口的尾部薄的形状。根据需要，翼型叶片的两侧可以设计为平行的平直面，然后与两端的流线型曲面对应相连构成的翼型叶片；又如图3所示，也可以将翼型叶片两侧设计成外凸的弯曲侧面，然后与两端的流线型曲面对应相连。如图5所示，可以根据叶片流道分离的大小，将翼型叶片26设置成双列平行状态，即可以在轮盖22和轮毂20内表面，各设置一片翼型叶片；也可以在轮盖或轮毂上平行设置一对翼型叶片。

如图2所示，叶轮2为逆时针方向转动，朝向叶轮2逆时针旋转方向的叶片21的工作面为压力面27，即叶片21的“背面”，与叶片的压力面27相对的面为吸力面28。气体由叶轮入口24吸入由叶轮出口23排出，气体经过叶片21等零件表面时，由于摩擦作用其速度会逐渐降低，由于叶轮具有扩压作用，会导致边界层（在叶片表面、轮盖、轮毂的表面形成的一层薄的气体附着层）的流体反向流动，以致降低主流道同流面积，无法起到扩压作用。同时由于在叶片的工作面27和吸力面28之间存在速度差，会在轮毂表面产生垂直叶轮轴线的方向流动，容易形成涡，扰乱主流区的流场。为解决分离损失和涡的形成，在叶轮2的各主流道中增加合适流道的翼型叶片26，该翼型叶片方向与主流道叶片方向相同，当气流沿着轮盖转弯后，进入扩压器入口的位置，可进行导流抑制或者防止漩涡形成。翼型叶片26与相邻叶片21之间具有间隙，离叶轮的外圆也有一定距离。叶轮入口的截面形状类似为椭圆，靠近轮毂20位置窄，靠近轮盖22位置宽。如此安装使得叶轮的主流道中形成翼型引流流道，以消除涡的形成并抑制气流分离，降低损失，提升压缩机气动效率。通过改进叶轮内部的导流效果，均匀气流角，优化了气流在叶轮出口与扩压器入口的方向匹配问题，有效地减小了压缩机排气噪音，综合提高了燃料电池系统的效率和舒适性。

本实用新型还提供一种离心式压缩机，其包括所述具有消涡抑制分离功能的叶轮。如图6所示，所述的压缩机包括：锁紧螺钉1、具有消涡抑制分离功能的叶轮2、蜗壳3、扩压器4、筒体5、前轴向轴承6、推力盘7、后轴向轴承8、前轴承座9、前径向轴承10、水冷套11、螺旋冷却流道12、电机定子13、电机轴14、后径向轴承15、后轴承座16。叶轮2是空气压缩机的核心零件，工作时，叶轮2对压缩机进口气流压缩做功使之成为高压气流，最终输送至氢燃料电池反应堆，提高氢的燃料效率。

如图6所示，锁紧螺钉1为实心、回转类零件，其上开有外螺纹，通过螺纹与电机轴14连接，从而紧固叶轮2。扩压器4为回转类零件，是透平机械中常见的结构，其的左侧端面与蜗壳3的对应右侧端面构成了扩压流道，使得叶轮2的出口气流得到扩压效果，提高压力。筒体5为筒状零件，一般铸造而成，起支撑、保护作用。筒体内部镶嵌了水冷套11，并与水冷套11构成了螺旋冷却流道12。前轴向轴承6和后轴向轴承8、前径向轴承10和后径向轴承15为空气型气体轴承，其工作介质为空气，工作时形成气膜悬浮推力盘7，随着电机轴14转动。前轴承座9和后轴承座16为空心、回转类零件，为气体轴承提供支撑。电机定子13为回转类零件，主要由定子铁芯、定子绕组构成。电机轴14为轴类、实心零件。锁紧螺钉1、叶轮2、推力盘7、电机轴14组成了转子，工作时，电机定子13产生磁场，转子在电磁场作用下做高速旋转运动。

本实用新型还提供一种空调，其具有本实用新型提供的压缩机。本实用新型还提供一种汽车，其具有本实用新型提供的压缩机。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种具有消涡抑制分离功能的叶轮，包括轮毂、叶片和轮盖，其特征在于，相邻所述叶片之间的主流道出口边缘均设有至少一翼型叶片，该翼型叶片的两端为流线型曲面构成的片状体，该翼型叶片设置的方向与所述叶片方向相同。

2.如权利要求1的具有消涡抑制分离功能的叶轮，其特征在于，所述的翼型叶片设于所述轮盖的内表面和/或所述轮毂的内表面。

3.如权利要求1的具有消涡抑制分离功能的叶轮，其特征在于，所述翼型叶片的高度H与叶轮出口高度B之比为H/B=0.025~0.4。

4.如权利要求1的具有消涡抑制分离功能的叶轮，其特征在于，所述翼型叶片的进口位置设定为进口安装直径D3与叶轮直径D2之比：D3/D2=0.6~0.7。

5.如权利要求1的具有消涡抑制分离功能的叶轮，其特征在于，所述的翼型叶片的出口位置设定为出口安装直径D4与叶轮直径D2之比：D4/D2=0.8~0.9。

6.如权利要求1的具有消涡抑制分离功能的叶轮，其特征在于，所述翼型叶片为气体进口的一端厚、气体出口的一端薄的形状。

7.如权利要求1的具有消涡抑制分离功能的叶轮，其特征在于，所述翼型叶片的两侧为平行侧面，该两平行侧面与两端的弯曲表面对应相连构成的翼型叶片。

8.如权利要求1的具有消涡抑制分离功能的叶轮，其特征在于，所述翼型叶片的两侧为外凸的弯曲侧面，该两侧外凸的弯曲侧面与两端的弯曲表面圆滑相连。

9.如权利要求1的具有消涡抑制分离功能的叶轮，其特征在于，所述的轮盖或轮毂内表面平行设置一对翼型叶片；或者，所述的轮盖和轮毂内表面，各设置一翼型叶片，成双列平行状态。

10.一种压缩机，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的具有消涡抑制分离功能的叶轮。

11.一种空调，其特征在于，包括如权利要求10所述的压缩机。

12.一种汽车，其特征在于，包括如权利要求10所述的压缩机。

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