蜗壳组件以及空压机的制作方法

1.本发明涉及燃料电池发动机技术领域，具体地，涉及一种蜗壳组件以及空压机。


背景技术：

2.空气压缩机是氢燃料电池的核心部件之一，源源不断地为燃料电池电堆提供高压空气。在燃料电池系统中，空压机耗功约占燃料电池输出功率的20％，降低空压机功耗对提高燃料电池系统的效率和输出功率具有重要意义。
3.相关技术中，空压机的能量损失大、噪音高、工作效率低。


技术实现要素：

4.本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：
5.相关技术中，例如专利号：cn202021771557.2，高压空气在电堆中经过反应后压力降低进入涡轮，导致该技术方案中压气机叶轮和涡轮叶轮之间存在压力差，整体式叶轮结构中压气机端和涡轮端的压差将驱动气流从间隙处由压气机叶轮泄漏进入涡轮叶轮。该泄漏流对空压机的性能存在多方面的负面影响：1、由于气体从高压级叶轮出口泄漏进入涡轮(本技术中的第二叶轮部)，使得空压机出口流量减小，即进入燃料电池电堆的空气量减少。因此，要实现相同的电堆进气量，势必需要增大压气机入口流量，导致电机耗功增大。2、从间隙进入涡轮的泄漏流具有较高的轴向速度，在涡轮叶轮入口对涡轮的内部流场造成极强的扰动，使叶轮内的流动损失增大。涡轮效率降低、回收的废气能量减小，间接的增大了电机耗功。在泄漏流的这两方面影响下，导致空压机性能下降，电机耗功上升，燃料电池系统的输出功率降低。3、整体式叶轮之间的泄漏量与压气机和涡轮两端的压差密切相关。当电堆运行在高功率状态时，空压机压比高，与涡轮端的压差增大，导致泄漏量增大。这将使得在电堆高功率运行时，空压机的效率进一步下降，将显著影响燃料电池系统的输出功率。
6.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种轻量化、尺寸小、气动效率高的蜗壳组件。
7.本发明的实施例提出一种气动效率高、噪音低、工作效率高的空压机。
8.本发明实施例的蜗壳组件，包括：壳体，所述壳体包括腔室、第一流道和第二流道，所述第一流道与所述腔室连通并环绕在所述腔室的外周侧，所述第二流道与所述腔室连通并环绕在所述腔室的外周侧，所述第一流道适于通入气体并将所述气体增压为高压气体后排出，所述第二流道适于通入气体并将所述气体减压排入所述腔室内；叶轮，所述叶轮可转动地设在所述腔室内，所述叶轮的一部分配合在所述第一流道的入口处，所述叶轮的一部分外周面与所述第一流道的内周面间隔布置；多个导流件，多个所述导流件设在所述第一流道的入口邻近所述第二流道的一侧，多个所述导流件沿所述叶轮的周向间隔设置以形成气流通道，所述导流件的延伸方向与所述叶轮的径向相交呈夹角。
9.本发明实施例的蜗壳组件，设置多个导流件，使得泄漏流与电堆废气均沿叶轮的半径方向进入第二叶轮部，避免了由于方向不同导致的泄漏流与废气在第二叶轮部入口的
剧烈掺混损失，进而避免了第二叶轮部从泄漏流和电堆废气回收的能量损失，从而提升空压机的整机性能。
10.在一些实施例中，相邻的两个所述导流件包括第一导流件和第二导流件，所述第一导流件的至少部分与所述第二导流件在内外方向间隔相对设置。
11.在一些实施例中，所述导流件的横截面积从内到外逐渐增大。
12.在一些实施例中，所述导流件的延伸方向与所述叶轮的径向之间的夹角为70
°‑
80
°
。
13.在一些实施例中，所述腔室包括连通的第一腔和第二腔，所述第一流道与所述第一腔连通且环绕在所述第一腔的外周侧，所述第二流道与所述第二腔连通并环绕在所述第二腔的外周侧，所述叶轮的一部分可转动地设在所述第一腔内，所述叶轮的另一部分可转动地设在所述第二腔内。
14.在一些实施例中，所述第一流道的入口邻近所述第二流道的一侧设有安装槽，所述安装槽与所述第二腔连通，所述叶轮的一部分设在所述安装槽内且与所述安装槽的内周面沿内外方向间隔设置，所述导流件设在所述安装槽的邻近所述第二流道的一侧。
15.在一些实施例中，所述第一流道包括彼此连通的第一子段和第二子段，所述第一子段环绕在所述腔室的外周侧，所述第二子段沿所述叶轮的径向延伸，所述第一子段通过所述第二子段与所述腔室连通，所述安装槽设在所述第二子段远离所述第二流道的一侧。
16.在一些实施例中，所述叶轮包括第一叶轮部和第二叶轮部，所述第一叶轮部可转动地设在所述第一腔室内，所述第二叶轮部可转动地设在所述第二腔室内，所述第二叶轮部的叶片的数量小于所述导流件的数量。
17.在一些实施例中，所述导流件的数量与所述第二叶轮部的叶片的数量为非整数。
18.本发明实施例的空压机包括：外壳；转轴，所述转轴可转动地设在所述外壳内；蜗壳组件，所述蜗壳组件为上述实施例中任一项所述蜗壳组件，所述转轴与所述蜗壳组件的叶轮相连，以便所述转轴带动所述叶轮转动。
附图说明
19.图1是本发明实施例的空压机的结构示意图。
20.图2是本发明实施例的蜗壳组件的结构示意图。
21.图3是本发明实施例的蜗壳组件的立体图。
22.图4是本发明实施例的蜗壳组件的导流件的安装示意图。
23.附图标记：
24.蜗壳组件100；
25.空压机10；
26.壳体1；腔室11；进口111；出口112；第一腔113；第二腔114；
27.第一流道12；第一进气口121；第一出气口122；第一部分123；第二部分124；安装槽125；第一子段126；第二子段127；
28.第二流道13；第二进气口131；第二出气口132；
29.叶轮2；第一叶轮部21；第二叶轮部22；
30.导流件3；第一导流件31；第二导流件32；
31.外壳4；转轴5；电机6。
具体实施方式
32.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。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。
33.下面参考附图描述本发明实施例的蜗壳组件。
34.如图1-4所示，本发明实施例的蜗壳组件包括壳体1、叶轮2和多个导流件3。
35.壳体1包括腔室11、第一流道12和第二流道13，第一流道12与腔室11连通并环绕在腔室11的外周侧，第二流道13与腔室11连通并环绕在腔室11的外周侧，第一流道12适于通入气体并将气体增压为高压气体后排出，第二流道13适于通入气体并将气体减压排入腔室11内。
36.如图1-2所示，腔室11在左右方向上贯穿壳体1，在腔室11的外周侧环绕设置有第一流道12和第二流道13，腔室11沿左右方向具有与腔室11连通的进口111和出口112，第一流道12具有第一进气口121和第一出气口122，第二流道13具有第二进气口131和第二出气口132，第一进气口121与腔室11连通，第一出气口122可与外部设备(例如：中冷器、加湿器和燃料电池电堆)相连，第二进气口131与燃料电池电堆的废气的出口连通，第二出气口132与腔室11连通，第一流道12与外部压气机的叶轮2配合将气体增压形成高压气体，从而高压空气通过进口111进入腔室11、第一进气口121和第一出气口122流入外部设备并做功。燃料电池电堆的废气的出口排出的废气具有一定压力的气体通过第二进气口131流入第二流道13内，然后再进入腔室11内膨胀驱动叶轮2做功并从出口112排出，废气在第二流道13内膨胀且吸热，将第二流道13的壁面温度降低，同时带走相邻第一流道12内的部分热量，使第一流道12内的温度降低，提高了第一流道12内对气体加压的作业效率。
37.叶轮2可转动地设在腔室11内，叶轮2的一部分配合在第一流道12的入口处，叶轮2的外周面与第一流道12的内周面间隔布置。具体地，如图1-2所示，叶轮2包括第一叶轮部21和第二叶轮部22，第一叶轮部21设在第二叶轮部22的左侧，第一叶轮部21和第二叶轮部22可转动地设在腔室11内，第一叶轮部21和第一流道12配合，第一叶轮部21转动以使得气体加压后通过第一流道12流出，第二叶轮部22与第二流道13配合，从燃料电池电堆的废气的出口的气体通过第二流道13流入腔室11内，从而驱动第二叶轮部22转动，释放能量带动第二叶轮部22旋转做功，进而可带动第一叶轮部21旋转，实现从排气回收能量并用于压气机的目的，降低了电机6的功耗，从而提高了燃料电池系统的输出功率。另外，叶轮2的一部分穿设在第一流道12的入口处且与第一流道12的第一进气口121间隔设置，以便将第一流道12的第一进气口121分隔成第一部分123和第二部分124，第一部分123位于第二部分124的左侧，气流通过第一部分123流入第一流道12，第一部分123内的气体大部分通过第一出气口122流出，由于第一叶轮部21的出口与第二叶轮部的入口之间存在压差，将有部分压缩气体将从第一部分123经过第二部分124流入第二叶轮部22，即泄漏流。
38.多个导流件3，多个导流件3设在第一流道12的入口邻近第二流道13的一侧，多个导流件3沿叶轮2的周向间隔设置以形成气流通道，导流件3的延伸方向与叶轮2的径向相交呈夹角。具体地，如图2-4所示，多个导流件3设在第二部分124的右侧面上，且多个导流件3沿叶轮2的周向间隔设置，导流件3的延伸方向与叶轮2的径向相交呈夹角，使得相邻的两个
叶轮2之间形成的气流通道与叶轮2的径向相交呈夹角，泄漏流以一定角度流入腔室11内以驱动第二叶轮部22转动，从而避免了由于方向不同导致的泄漏流与第二流道13流出的废气在第二流道13的第二出气口132剧烈掺混导致气流能量损失，进而避免了第二叶轮部22从泄漏流和电堆废气回收的能量损失，从而提升空压机10的整机性能。
39.当第一叶轮部21出口112与第二叶轮部22入口的差压增大(即空压机10运行于低流量高压比工况时，即近喘振工况)，通过气流通道进入第二叶轮部22的泄漏流流量将增大。在燃料电池系统中运行时需维持进入燃料电池电堆的流量相同，此时由于泄漏流的存在使得压气机的进口111流量增大，进而提高压气机的气动稳定性，拓宽系统的稳定运行范围。由于通过气流通道进入第二叶轮部22的泄漏流增多，使第二叶轮部22回收的能量增多，改善空压机10在低流量高压比工况的整机性能。
40.本发明实施例的蜗壳组件100，设置多个导流件3，泄漏气流将从叶轮2的半径方向进入第二叶轮部22，避免了泄漏流对第二流道13的出气口的气流的干扰和冲击，显著降低泄漏流对第二叶轮部22气动效率的影响，进而保证了第二叶轮部22的能量回收，从而提高压气机和燃料电池系统的效率。
41.根据发明人实现发现：第一流道12内的泄漏流流量与空压机10的工况密切相关，是一种空压机10系统运行工况的被动控制方法。在燃料电池系统的生命周期中，存在部分工况要求空压机10运行在小流量、高压比的近喘振区域，此时第一叶轮部21和第二叶轮部22两端压差增大，因此泄漏流流量将增大。为维持相同的进电堆流量，压气机入口流量将增大，进而使压气机运行在流量略大的高效位置，可提升空压机10的气动稳定性。此外，泄漏流在第二叶轮部22中做功增多，使第二叶轮部22回收功增大，降低空压机10的电机6耗功，从而提升空压机10系统在非设计工况的整机性能。
42.在一些实施例中，导流件3的横截面积从内到外逐渐增大。具体地，如图4所示，导流件3的外周轮廓呈翼型以使气流通道从内到外逐渐减小，在压气机和叶轮2的压差作用下，气流在气流通道内加速，将气流的压力能转化为动能，气流经气流通道加速膨胀后能量较高，具有较高能量的气流从理想的方向进入第二叶轮部22，气流在叶轮2中进一步膨胀做功，进而使第二气流部回收的能量增多，降低压气机电机6的耗功，提高空压机10的效率。
43.在一些实施例中，相邻的两个导流件3包括第一导流件31和第二导流件32，第一导流件31的至少部分与第二导流件32在内外方向间隔相对设置。具体地，如图4所示，第一导流件31和第二导流件32在内外方向存在重叠区域，形成有效流通面积很小的气流通道，从而使得泄漏流通过加速通过气流通道的气流速度增大，压力能降低，气流以高速的状态沿半径方向进入第二叶轮部22，高速气流在涡轮内做功，该能量被涡轮回收，从而提升空压机10的性能。
44.在一些实施例中，导流件3的延伸方向与叶轮2的径向之间的夹角为70
°‑
80
°
。具体地，导流件3的延伸方向与叶轮2的径向之间的夹角为70
°
、72
°
、74
°
、76
°
、78
°
和80
°
，从而使得导流件3的延伸方向与叶轮2的径向之间的夹角与泄漏流的流动方向接近，减小泄漏流的流动损失，同时具有引导泄漏流的作用，实现泄漏流进入第二叶轮部22的有效做功。
45.在一些实施例中，腔室11包括连通的第一腔113和第二腔114，第一流道12与第一腔113连通且环绕在第一腔113的外周侧，第二流道13与第二腔114连通并环绕在第二腔114的外周侧，叶轮2的一部分可转动地设在第一腔113内，叶轮2的另一部分可转动地设在第二
腔114内。具体地，如图1-2所示，腔室11的左部分为第一腔113，腔室11的右部分为第二腔114，第一腔113的横截面积小于第二腔114的横截面积，第一叶轮部21可转动地安装在第一腔113内，第一流道12环绕在第一腔113上且与第一腔113连通，从而使得第一叶轮部21转动产生的压缩气体通过第一流道12流出壳体1，第二叶轮部22可转动地安装在第二腔114内，第二流道13环绕在第二腔114上且与第二腔114连通，从而使得燃料电池电堆排出的废气通过第二流道13流入第二腔114内以驱动第二叶轮部22转动。
46.在一些实施例中，第一流道12的入口邻近第二流道13的一侧设有安装槽125，安装槽125与第二腔114连通，叶轮2的一部分设在安装槽125内且与安装槽125的内周面沿内外方向间隔设置，导流件3设在安装槽125的侧面上。具体地，如图1-2所示，第一流道12的入口处的右侧面设有安装槽125，叶轮2的一部分的外周侧与安装槽125的内周面间隔设置，叶轮2的一部分的外周面与安装槽125的内周面沿内外方向间隔设置以形成间隙，从而使得第一流道12内的泄漏流通过间隙流入安装槽125内，导流件3设在安装槽125的右端面上，导流件3的左端面与叶轮2的一部分沿左右方向间隔设置，从而防止安装槽125和导流件3发生磨损。
47.在一些实施例中，第一流道12包括彼此连通的第一子段126和第二子段127，第一子段126环绕在腔室11的外周侧，第二子段127沿叶轮2的径向延伸，第一子段126通过第二子段127与腔室11连通，安装槽125设在第二子段127远离第二流道13的一侧。具体地，如图1-2所示，第一子段126环绕在第一腔113的外周侧，第二子段127沿内外方向延伸且分别与第一腔113和第一子段126连通，第一流道12的入口位于第二子段127的邻近第一腔113的一端，安装槽125设在第二子段127的入口(即第一流道12的入口)的右侧，叶轮2的一部分穿设在第二子段127内的安装槽125内，叶轮2的左侧与第二子段127形成第一部分123，叶轮2的右侧与安装槽125的内周面形成第二部分124，从而使得第一流道12和安装槽125设置的更加合理。
48.在一些实施例中，叶轮2包括第一叶轮部21和第二叶轮部22，第一叶轮部21可转动地设在第一腔11311内，第二叶轮部22可转动地设在第二腔11411内，第二叶轮部22的叶片的数量小于导流件3的数量。由此，增大导流件3的数量，减小气流通道的流通面积，提高气流的流速。
49.由于，叶轮2是在工作过程中是转动地，导流件3始终为静止状态，如果第二叶轮部22的叶片的数量和导流件3的数量相同或成倍数关系可能会有共振现象，导致第二叶轮部22的叶片发生断裂。因此，在一些实施例中，导流件3的数量与第二叶轮部22的叶片的数量为非整数。从而防止第二叶轮部22的叶片发生断裂，延长了第二叶轮部22的使用寿命。
50.在一些实施例中，第二叶轮部22叶轮2的尾缘与导流板沿内外方向相对设置，第二叶轮部22的叶轮2的前缘与第二流道13沿内外方向相对设置。由此，泄漏流以高速的状态沿半径方向从第二叶轮部22的根部位置进入第二叶轮部22，使得高速气流在第二叶轮部22内做功，该能量被第二叶轮部22回收，从而提升空压机10的性能。
51.本发明实施例的空压机包括外壳4、转轴5和蜗壳组件100。
52.转轴5可转动地设在外壳4内。
53.蜗壳组件100为上述实施例中任一项蜗壳组件100，转轴5与蜗壳组件100的叶轮2相连，以便转轴5带动叶轮2转动。具体地，如图1所示，外壳4内设有电机6，且蜗壳组件100设
在外壳4的左侧，电机6与蜗壳组件100的叶轮2相连，以便带动电机6带动叶轮2转动。
54.本发明实施例的空压机10，降低压气机电机6的耗功，提高了空压机10的效率。
55.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
56.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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
57.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，也可以是电连接或彼此可通讯；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，除非另有明确的限定。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。
58.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
59.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，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以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
60.尽管已经示出和描述了上述实施例，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，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种蜗壳组件，其特征在于，包括：壳体，所述壳体包括腔室、第一流道和第二流道，所述第一流道与所述腔室连通并环绕在所述腔室的外周侧，所述第二流道与所述腔室连通并环绕在所述腔室的外周侧，所述第一流道适于通入气体并将所述气体增压为高压气体后排出，所述第二流道适于通入气体并将所述气体减压排入所述腔室内；叶轮，所述叶轮可转动地设在所述腔室内，所述叶轮的一部分配合在所述第一流道的入口处，所述叶轮的一部分外周面与所述第一流道的内周面间隔布置；多个导流件，多个所述导流件设在所述第一流道的入口邻近所述第二流道的一侧，所述导流件与所述叶轮的一部分沿所述叶轮的轴向间隔设置，多个所述导流件沿所述叶轮的周向间隔设置以形成气流通道，所述导流件的延伸方向与所述叶轮的径向相交呈夹角。2.根据权利要求1所述的蜗壳组件，其特征在于，相邻的两个所述导流件包括第一导流件和第二导流件，所述第一导流件的至少部分与所述第二导流件在内外方向间隔相对设置。3.根据权利要求1所述的蜗壳组件，其特征在于，所述导流件的横截面积从内到外逐渐增大。4.根据权利要求1所述的蜗壳组件，其特征在于，所述导流件的延伸方向与所述叶轮的径向之间的夹角为70
°‑
80
°
。5.根据权利要求1所述的蜗壳组件，其特征在于，所述腔室包括连通的第一腔和第二腔，所述第一流道与所述第一腔连通且环绕在所述第一腔的外周侧，所述第二流道与所述第二腔连通并环绕在所述第二腔的外周侧，所述叶轮的一部分可转动地设在所述第一腔内，所述叶轮的另一部分可转动地设在所述第二腔内。6.根据权利要求5所述的蜗壳组件，其特征在于，所述第一流道的入口邻近所述第二流道的一侧设有安装槽，所述安装槽与所述第二腔连通，所述叶轮的一部分设在所述安装槽内且与所述安装槽的内周面沿内外方向间隔设置，所述导流件设在所述安装槽的邻近所述第二流道的一侧。7.根据权利要求6所述的蜗壳组件，其特征在于，所述第一流道包括彼此连通的第一子段和第二子段，所述第一子段环绕在所述腔室的外周侧，所述第二子段沿所述叶轮的径向延伸，所述第一子段通过所述第二子段与所述腔室连通，所述安装槽设在所述第二子段远离所述第二流道的一侧。8.根据权利要求5所述的蜗壳组件，其特征在于，所述叶轮包括第一叶轮部和第二叶轮部，所述第一叶轮部可转动地设在所述第一腔室内，所述第二叶轮部可转动地设在所述第二腔室内，所述第二叶轮部的叶片的数量小于所述导流件的数量。9.根据权利要求8所述的蜗壳组件，其特征在于，所述导流件的数量与所述第二叶轮部的叶片的数量为非整数。10.一种空压机，其特征在于，包括：外壳；转轴，所述转轴可转动地设在所述外壳内；蜗壳组件，所述蜗壳组件为上述权利要求1-9中任一项所述蜗壳组件，所述转轴与所述蜗壳组件的叶轮相连，以便所述转轴带动所述叶轮转动。

技术总结
本发明公开一种蜗壳组件以及空压机，所述蜗壳组件包括壳体、叶轮和多个导流件，壳体包括腔室、第一流道和第二流道，第一流道与腔室连通并环绕在腔室的外周侧，第二流道与腔室连通并环绕在腔室的外周侧，第二流道适于通入气体并将气体减压排入腔室内，叶轮可转动地设在腔室内，叶轮的一部分配合在第一流道的入口处，叶轮的外周面与第一流道的内周面间隔布置，多个导流件设在第一流道的入口邻近第二流道的一侧，导流件与叶轮的一部分沿叶轮的轴向间隔设置，多个导流件沿叶轮的周向间隔设置以形成气流通道，导流件的延伸方向与叶轮的径向相交呈夹角。本发明的蜗壳组件具有结构简单、工作效率高、能量损失小等优点。能量损失小等优点。能量损失小等优点。


技术研发人员：舒梦影 张学锋 黄细珍 陶林
受保护的技术使用者：势加透博（上海）能源科技有限公司
技术研发日：2022.03.15
技术公布日：2022/5/25