CN112879318B - 一种高速离心压缩机 - Google Patents

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Abstract

一种高速离心压缩机，包括壳体、定子和主轴，壳体两端内侧分别安装用于支撑主轴的一级轴承座和二级轴承座，所述一级扩压器与一级轴承座之间的主轴上套设有止推盘，止推盘两侧分别设有一个止推空气轴承，所述一级轴承座和二级轴承座与主轴之间分别设有径向空气轴承，所述一级蜗轮与一级扩压器之间设有密封端盖，密封端盖与一级蜗轮之间设有若干道环形槽，所述二级扩压器与主轴之间设有若干道环形槽；所述壳体内设有回流风冷***。环形槽可形成的若干道气封，可大大增强高压腔与低压腔之间的密封效果，提升高压腔的压缩效率；内部风冷结构更加优化，冷却效果好，内部热量可及时排出不会形成热量堆积，避免了出现因内部温度过高导致被迫停机的情况。

Description

一种高速离心压缩机
技术领域：
本发明涉及一种高速离心压缩机。
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***、空气供应子***和循环水冷却管理子***等辅助***，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***的重要零部件之一。
目前的高速离心压缩机，其结构主要包括壳体、定子和主轴，壳体两端内侧分别安装用于支撑主轴的一级轴承座和二级轴承座，电机壳体两端外侧分别安装一级扩压器和二级扩压器，主轴两端穿出一级扩压器和二级扩压器分别安装一级蜗轮和二级蜗轮，一级蜗轮和二级蜗轮外安装有一级蜗壳和二级蜗壳。
在工作时，存在如下缺点：
一、主轴转速超过10000r/min，由于其转速很高，如果通过密封圈对高压腔与低压腔之间进行密封，密封圈会很快磨损损坏，起不到密封效果，目前行业内还没有很好的技术手段解决高压腔与低压腔之间的密封问题。
二、工作时内部会产生大量的热量，这些热量如果不及时排出形成热量堆积，会出现因内部温度过高导致被迫停机的情况。现在一般都通过外部水冷和内部风冷两种形式对离心压缩机进行降温，其中，内部风冷形式要求离心压缩机内部零件具有导风功能，在内部形成供空气行进的合理的导通路线才能对各部件进行充分降温，而现在的内部风冷结构，内部导通路线单一，设计不合理，只能对个别部件进行降温，无法对各功能部件进行降温，冷却效果差，因此，需要对内部的风冷结构进行重新改进设计。
三、止推空气轴承是离心压缩机内的重要部件，空气轴承是利用顶层箔片和止推盘间楔形气膜的压缩效应来产生轴向承载力的，主要包括底板、中间支撑件、顶层箔片三部分，其中顶层箔片的设计至关重要，会直接影响空气轴承的整体性能。现在的顶层箔片，目前主要包括分体式和整体式两种结构，现对现有技术中这两种结构的优缺点进行分析如下：分体式结构，每片顶层箔片的一侧固定，另一侧为自由端，其优点是：每片顶层箔片自由端的浮动性好，可充分形成气膜，一旦某片顶层箔片产生变形，不会对其他顶层箔片造成影响；其缺点是：(1)、对组装工艺要求很高且比较复杂，每片顶层箔片的定位以及焊接都有严格要求，加工精度要求高，稍微有点翘曲则会影响轴承整体的平面度，(2)、自由端容易沿轴向发生移动或翘曲，从而与止推盘接触，导致顶层箔片自由端和止推盘磨损，严重降低了轴承的稳定性及使用寿命。整体式结构，将各顶层箔片连接为一个整体，其优点是：便于定位和组装，自由端不会沿轴向发生移动或翘曲，避免了顶层箔片自由端和止推盘接触磨损；其缺点是：(1)、过于限制了顶层箔片自由端的浮动性，影响自由端随波形的升高或降低，从而影响形成气膜的稳定性，(2)、当顶层箔片局部发生变形时，会造成整个顶层箔片产生应力甚至挠曲变形，造成整个顶层箔片无法使用。
综上，高速离心压缩机的上述结构问题，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压缩机，解决了以往的内部风冷结构导通路线单一、只能对个别部件进行降温、无法对各功能部件进行降温、冷却效果差的问题，解决了空气从两级高压腔向离心压缩机内部的低压腔泄漏、降低压缩效率的问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种高速离心压缩机，包括壳体、定子和主轴，壳体两端内侧分别安装用于支撑主轴的一级轴承座和二级轴承座，壳体两端外侧分别安装一级扩压器和二级扩压器，主轴两端穿出一级扩压器和二级扩压器分别安装一级蜗轮和二级蜗轮，一级蜗轮和二级蜗轮外安装有一级蜗壳和二级蜗壳，一级蜗壳和二级蜗壳之间通过连接管相连，所述一级扩压器与一级轴承座之间的主轴上套设有止推盘，止推盘两侧分别设有一个止推空气轴承，所述一级轴承座和二级轴承座与主轴之间分别设有径向空气轴承，所述一级蜗轮与一级扩压器之间设有密封端盖，密封端盖与一级蜗轮之间设有若干道环形槽，所述二级扩压器与主轴之间设有若干道环形槽；所述壳体内设有回流风冷***。
所述回流风冷***包括：
所述一级扩压器包括扩压器本体，所述扩压器本体上设有与一级蜗壳内腔相连通的进气孔，所述扩压器本体中心设有蜗轮孔，扩压器本体的一侧设有冷却气回流腔，冷却气回流腔的槽底设有若干导气槽，导气槽与蜗轮孔相连通，冷却气回流腔***的另一侧扩压器本体上设有第一环形导气槽，冷却气回流腔与第一环形导气槽之间通过若干个第一导气孔相连通，第一导气孔与导气槽相连通，扩压器本体的另一侧设有若干与止推轴承对应的第一凸台，相邻第一凸台之间形成第一导气通道，第一导气通道与蜗轮孔相连通；
所述一级轴承座包括轴承座本体，所述轴承座本体中心设有主轴孔，轴承座本体的一侧设有止推轴承安装槽，止推轴承安装槽的***的轴承座本体上设有与进气孔相连通的第二环形导气槽，止推轴承安装槽与第二环形导气槽之间通过若干个第二导气孔相连通，止推轴承安装槽的槽底设有若干与止推轴承对应的第二凸台，相邻第二凸台之间形成相连通的第二导气通道，第二导气通道与主轴孔相连通，所述止推轴承安装槽与第二环形导气槽之间的轴承座本体设有若干与第一环形导气槽相连通的贯穿孔；
所述一级蜗壳内腔的空气从进气孔进入第二环形导气槽，经第二导气孔进入止推轴承安装槽，止推轴承安装槽内的空气一部分经第二导气通道进入主轴孔经径向空气轴承向定子和主轴之间的间隙排放，另一部分经第一导气通道进入蜗轮孔回流至冷却气回流腔，再经导气槽进入第一导气孔，从第一导气孔进入第一环形导气槽，从第一环形导气槽经贯穿孔向定子和主轴之间的间隙排放，再经二级轴承座的主轴孔经径向空气轴承进入二级轴承座与二级扩压器之间的空腔向外排放，再经壳体上的小孔排放到壳体外。
所述二级扩压器的底部设有排气通道，所述壳体底部设有与排气通道相连通的排气孔，二级轴承座与二级扩压器之间的空气经排气通道和排气孔排出。
所述冷却气回流腔***的同一侧扩压器本体上沿圆周设有若干导风叶片。
所述第一环形导气槽与扩压器本体的外端面之间设有若干出气孔。
所述轴承座本体上设有径向空气轴承安装槽，所述径向空气轴承安装槽两侧的轴承座本体上设有用于安装径向空气轴承的挡块槽。
所述密封端盖与一级蜗轮之间的若干道环形槽设在密封端盖的内表面或一级蜗轮的外表面，所述二级扩压器与主轴之间的若干道环形槽设在二级扩压器的内表面或主轴的外表面。
所述止推空气轴承包括底板、中间支撑件、顶层箔片，所述顶层箔片包括若干片单片箔片，所述若干片单片箔片呈环形布置，相邻两单片箔片之间柔性连接形成整体式顶层箔片结构。
所述相邻两单片箔片之间通过系带实现柔性连接，所述系带为波浪形，所述系带与相邻两单片箔片为一体成型制成。
所述相邻两单片箔片之间通过两条系带进行连接，所述两条系带分别设置在相邻两单片箔片的环形内边缘和外边缘，所述单片箔片与系带的连接处分别开设槽口，相邻两单片箔片的槽口对接后形成容纳系带的空间。
本发明采用上述方案，具有以下优点：
在一级蜗轮与一级扩压器之间增加密封端盖，密封端盖与一级蜗轮之间设有若干道环形槽，主轴与二级扩压器之间设有若干道环形槽，当主轴带动一级蜗轮和二级蜗轮高速旋转时，一级蜗壳和二级蜗壳内形成高压腔，空气在压力作用下从高压腔向低压腔泄漏，当空气经过环形槽时，在环形槽内便会形成气封，阻挡后续空气继续向低压腔泄漏，若干道环形槽形成的若干道气封，可大大增强高压腔与低压腔之间的密封效果，提升高压腔的压缩效率。
通过对一级扩压器、一级轴承座的结构进行改进，使内部风冷结构更加优化，可以对高速离心压缩机内的两个止推空气轴承、两个径向空气轴承、主轴及定子进行降温，冷却效果好，内部热量可及时排出不会形成热量堆积，避免了出现因内部温度过高导致被迫停机的情况。
通过将止推空气轴承中相邻两单片箔片之间柔性连接形成整体式顶层箔片结构，兼具了以往的分体式结构和整体式结构的优点，便于定位和组装，可以降低弹性箔片的加工精度，弹性箔片稍微有点翘曲不会影响轴承整体的平面度；单片箔片的自由端不会沿轴向发生移动或翘曲，从而避免了与止推盘接触导致磨损，延长了使用寿命；波浪形系带既保证了顶层箔片的整体性，又使顶层箔片具有一定的拉伸量和形变量，不会影响单片箔片自由端随波形的升高或降低，保证了形成气膜的稳定性，即使顶层箔片局部发生变形，也不会造成整个顶层箔片因产生应力导致挠曲变形而无法使用。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的内部风冷路线及原理结构示意图。
图3为本发明一级扩压器的主视立体结构示意图。
图4为本发明一级扩压器的剖视结构示意图。
图5为本发明一级扩压器的后视立体结构示意图。
图6为本发明一级轴承座的主视立体结构示意图。
图7为本发明一级轴承座的剖视结构示意图。
图8为本发明一级轴承座的后视立体结构示意图。
图9为本发明止推空气轴承的结构示意图。
图10为本发明止推空气轴承的底板的结构示意图。
图11为本发明中间支撑件安装在底板上的结构示意图。
图12为本发明止推空气轴承的顶层箔片的结构示意图。
图中，1、壳体，2、定子，3、主轴，4、一级轴承座，5、二级轴承座，6、一级扩压器，7、二级扩压器，8、一级蜗轮，9、二级蜗轮，10、一级蜗壳，11、二级蜗壳，12、扩压器本体，13、进气孔，14、蜗轮孔，15、冷却气回流腔，16、导气槽，17、第一环形导气槽，18、第一导气孔，19、第一凸台，20、第一导气通道，21、轴承座本体，22、主轴孔，23、止推轴承安装槽，24、第二环形导气槽，25、第二导气孔，26、第二凸台，27、第二导气通道，28、贯穿孔，29、排气通道，30、排气孔，31、导风叶片，32、出气孔，33、径向空气轴承安装槽，34、挡块槽，35、止推盘，36、止推空气轴承，37、径向空气轴承，38、密封端盖，39、环形槽，40、底板，41、顶层箔片，42、单片箔片，43、系带，44、槽口，45、冷却凹槽，46、固定安装孔，47、支撑箔片，48、弹性箔片。
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1-12所示，一种高速离心压缩机，包括壳体1、定子2和主轴3，壳体1两端内侧分别安装用于支撑主轴3的一级轴承座4和二级轴承座5，壳体1两端外侧分别安装一级扩压器6和二级扩压器7，主轴3两端穿出一级扩压器6和二级扩压器7分别安装一级蜗轮8和二级蜗轮9，一级蜗轮8和二级蜗轮9外安装有一级蜗壳10和二级蜗壳11，一级蜗壳10和二级蜗壳11之间通过连接管相连，所述一级扩压器6与一级轴承座4之间的主轴3上套设有止推盘35，止推盘35两侧分别设有一个止推空气轴承36，所述一级轴承座4和二级轴承座5与主轴3之间分别设有径向空气轴承37，所述一级蜗轮8与一级扩压器6之间设有密封端盖38，密封端盖39与一级蜗轮8之间设有若干道环形槽39，所述二级扩压器7与主轴3之间设有若干道环形槽39；所述壳体1内设有回流风冷***。
当主轴3带动一级蜗轮8和二级蜗轮9高速旋转时，一级蜗壳10和二级蜗壳11内形成高压腔，空气在压力作用下从高压腔向低压腔泄漏，当空气经过环形槽39时，在环形槽39内便会形成气封，阻挡后续空气继续向低压腔泄漏，若干道环形槽39形成的若干道气封，可大大增强高压腔与低压腔之间的密封效果，提升高压腔的压缩效率。
所述回流风冷***包括：所述一级扩压器6包括扩压器本体12，所述扩压器本体12上设有与一级蜗壳10内腔相连通的进气孔13，所述扩压器本体12中心设有蜗轮孔14，扩压器本体12的一侧设有冷却气回流腔15，冷却气回流腔15的槽底设有若干导气槽16，导气槽16与蜗轮孔14相连通，冷却气回流腔15***的另一侧扩压器本体12上设有第一环形导气槽17，冷却气回流腔15与第一环形导气槽17之间通过若干个第一导气孔18相连通，第一导气孔18与导气槽16相连通，扩压器本体12的另一侧设有若干与止推轴承对应的第一凸台19，相邻第一凸台19之间形成第一导气通道20，第一导气通道20与蜗轮孔14相连通；
所述一级轴承座4包括轴承座本体21，所述轴承座本体21中心设有主轴孔22，轴承座本体21的一侧设有止推轴承安装槽23，止推轴承安装槽23的***的轴承座本体21上设有与进气孔13相连通的第二环形导气槽24，止推轴承安装槽23与第二环形导气槽24之间通过若干个第二导气孔25相连通，止推轴承安装槽23的槽底设有若干与止推轴承对应的第二凸台26，相邻第二凸台26之间形成相连通的第二导气通道27，第二导气通道27与主轴孔22相连通，所述止推轴承安装槽23与第二环形导气槽24之间的轴承座本体21设有若干与第一环形导气槽17相连通的贯穿孔28；
所述一级蜗壳10内腔的空气从进气孔13进入第二环形导气槽24，经第二导气孔25进入止推轴承安装槽23，止推轴承安装槽23内的空气一部分对其中一个止推轴承进行冷却后，经第二导气通道27进入主轴孔22向定子2和主轴3之间的间隙排放，另一部分对另一个止推轴承进行冷却后，经第一导气通道20进入蜗轮孔14回流至冷却气回流腔15，再经导气槽16进入第一导气孔18，从第一导气孔18进入第一环形导气槽17，从第一环形导气槽17经贯穿孔28向定子2和主轴3之间的间隙排放，再经二级轴承座5的主轴孔进入二级轴承座5与二级扩压器7之间的空腔向外排放。所述二级扩压器7的底部设有排气通道29，所述壳体1底部设有与排气通道29相连通的排气孔30，二级轴承座5与二级扩压器7之间的空气经排气通道29和排气孔30向外排出。
所述冷却气回流腔15***的同一侧扩压器本体12上沿圆周设有若干导风叶片31，导风叶片31与一级蜗轮8配合，可提升空气压缩效率。
所述第一环形导气槽17与扩压器本体12的外端面之间设有若干出气孔32，进入到第一环形导气槽17内的空气，一部分向离心压缩机内部排放，对离心压缩机内部进行冷却，另一部分直接从出气孔32排至一级压缩腔内，继续向二级压缩腔输送。
所述轴承座本体21上设有径向空气轴承安装槽33，径向空气轴承安装槽33一方面用来安装径向空气轴承，另一方面，一部分空气也会从主轴孔22进入径向空气轴承安装槽33内向后排至定子2与主轴3的缝隙内，主轴孔22内的空气可对径向空气轴承起到冷却作用。
所述径向空气轴承安装槽33两侧的轴承座本体21上设有用于安装径向空气轴承的挡块槽34，挡块槽34内通过螺钉安装挡块，用来对径向空气轴承进行固定。
所述密封端盖38与一级蜗轮8之间的若干道环形槽39设在密封端盖38的内表面或一级蜗轮8的外表面，所述二级扩压器7与主轴3之间的若干道环形槽39设在二级扩压器7的内表面或主轴3的外表面，都可形成气封密封结构。
所述止推空气轴承36包括底板40、中间支撑件、顶层箔片41，底板40呈环形，底板40上沿圆周设有若干条冷却凹槽45，底板40的外边缘设有若干个固定安装孔46；中间支撑件包括若干支撑箔片47和弹性箔片48，支撑箔片47和弹性箔片48通过点焊方式固定在底板40上，支撑箔片47和弹性箔片48两两一组，用来对顶层箔片41进行支撑；所述顶层箔片41包括若干片单片箔片42，所述若干片单片箔片42呈环形布置，相邻两单片箔片42之间柔性连接形成整体式顶层箔片结构。
所述相邻两单片箔片42之间通过系带43实现柔性连接，所述系带43为波浪形，所述系带43与相邻两单片箔片42为一体成型制成。波浪形系带43既保证了顶层箔片41的整体性，又使顶层箔片41具有一定的拉伸量和形变量，不会影响单片箔片42自由端随波形的升高或降低，保证了形成气膜的稳定性，即使顶层箔片41局部发生变形，也不会造成整个顶层箔片41因产生应力导致挠曲变形而无法使用。
所述相邻两单片箔片42之间通过两条系带43进行连接，所述两条系带43分别设置在相邻两单片箔片42的环形内边缘和外边缘，所述单片箔片42与系带43的连接处分别开设槽口44，相邻两单片箔片42的槽口对接后形成容纳系带的空间，可保证空间内的系带43具有一定长度，从而具备拉伸和形变的空间，增加连接强度。
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)

1.一种高速离心压缩机，其特征在于：包括壳体、定子和主轴，壳体两端内侧分别安装用于支撑主轴的一级轴承座和二级轴承座，壳体两端外侧分别安装一级扩压器和二级扩压器，主轴两端穿出一级扩压器和二级扩压器分别安装一级蜗轮和二级蜗轮，一级蜗轮和二级蜗轮外安装有一级蜗壳和二级蜗壳，一级蜗壳和二级蜗壳之间通过连接管相连，所述一级扩压器与一级轴承座之间的主轴上套设有止推盘，止推盘两侧分别设有一个止推空气轴承，所述一级轴承座和二级轴承座与主轴之间分别设有径向空气轴承，所述一级蜗轮与一级扩压器之间设有密封端盖，密封端盖与一级蜗轮之间设有若干道环形槽，所述二级扩压器与主轴之间设有若干道环形槽；所述壳体内设有回流风冷***；
所述回流风冷***包括：
所述一级扩压器包括扩压器本体，所述扩压器本体上设有与一级蜗壳内腔相连通的进气孔，所述扩压器本体中心设有蜗轮孔，扩压器本体的一侧设有冷却气回流腔，冷却气回流腔的槽底设有若干导气槽，导气槽与蜗轮孔相连通，冷却气回流腔***的另一侧扩压器本体上设有第一环形导气槽，冷却气回流腔与第一环形导气槽之间通过若干个第一导气孔相连通，第一导气孔与导气槽相连通，扩压器本体的另一侧设有若干与止推轴承对应的第一凸台，相邻第一凸台之间形成第一导气通道，第一导气通道与蜗轮孔相连通；
所述一级轴承座包括轴承座本体，所述轴承座本体中心设有主轴孔，轴承座本体的一侧设有止推轴承安装槽，止推轴承安装槽的***的轴承座本体上设有与进气孔相连通的第二环形导气槽，止推轴承安装槽与第二环形导气槽之间通过若干个第二导气孔相连通，止推轴承安装槽的槽底设有若干与止推轴承对应的第二凸台，相邻第二凸台之间形成相连通的第二导气通道，第二导气通道与主轴孔相连通，所述止推轴承安装槽与第二环形导气槽之间的轴承座本体设有若干与第一环形导气槽相连通的贯穿孔；
所述一级蜗壳内腔的空气从进气孔进入第二环形导气槽，经第二导气孔进入止推轴承安装槽，止推轴承安装槽内的空气一部分经第二导气通道进入主轴孔经径向空气轴承向定子和主轴之间的间隙排放，另一部分经第一导气通道进入蜗轮孔回流至冷却气回流腔，再经导气槽进入第一导气孔，从第一导气孔进入第一环形导气槽，从第一环形导气槽经贯穿孔向定子和主轴之间的间隙排放，再经二级轴承座的主轴孔经径向空气轴承进入二级轴承座与二级扩压器之间的空腔向外排放，再经壳体上的小孔排放到壳体外。
2.根据权利要求1所述的一种高速离心压缩机，其特征在于：所述二级扩压器的底部设有排气通道，所述壳体底部设有与排气通道相连通的排气孔，二级轴承座与二级扩压器之间的空气经排气通道和排气孔排出。
3.根据权利要求1所述的一种高速离心压缩机，其特征在于：所述冷却气回流腔***的同一侧扩压器本体上沿圆周设有若干导风叶片。
4.根据权利要求1所述的一种高速离心压缩机，其特征在于：所述第一环形导气槽与扩压器本体的外端面之间设有若干出气孔。
5.根据权利要求1所述的一种高速离心压缩机，其特征在于：所述轴承座本体上设有径向空气轴承安装槽，所述径向空气轴承安装槽两侧的轴承座本体上设有用于安装径向空气轴承的挡块槽。
6.根据权利要求1所述的一种高速离心压缩机，其特征在于：所述密封端盖与一级蜗轮之间的若干道环形槽设在密封端盖的内表面或一级蜗轮的外表面，所述二级扩压器与主轴之间的若干道环形槽设在二级扩压器的内表面或主轴的外表面。
7.根据权利要求1所述的一种高速离心压缩机，其特征在于：所述止推空气轴承包括底板、中间支撑件、顶层箔片，所述顶层箔片包括若干片单片箔片，所述若干片单片箔片呈环形布置，相邻两单片箔片之间柔性连接形成整体式顶层箔片结构。
8.根据权利要求7所述的一种高速离心压缩机，其特征在于：所述相邻两单片箔片之间通过系带实现柔性连接，所述系带为波浪形，所述系带与相邻两单片箔片为一体成型制成。
9.根据权利要求7所述的一种高速离心压缩机，其特征在于：所述相邻两单片箔片之间通过两条系带进行连接，所述两条系带分别设置在相邻两单片箔片的环形内边缘和外边缘，所述单片箔片与系带的连接处分别开设槽口，相邻两单片箔片的槽口对接后形成容纳系带的空间。
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