具有涡轮段水再循环路径的压缩机装置的制作方法

1.本公开总体上涉及涡轮机的涡轮段，并且更具体地涉及具有涡轮段水再循环路径的压缩机装置。


背景技术：

2.燃料电池系统和其他机械常常包括增压装置。在燃料系统的情况下，可以包括燃料电池压缩机装置，用于在空气被供给到燃料电池堆之前压缩空气。这可以提高燃料电池系统的工作效率。
3.然而，常规燃料电池压缩机装置存在各种缺陷。例如，一些燃料电池压缩机装置包括涡轮段，其吸收从燃料电池堆排出的液态水。液态水会抑制涡轮段的工作，引起旋转喘振，使轴承过载和/或以其他方式对压缩机装置产生负面影响。
4.因此，期望提供具有改善的吸水能力的燃料电池压缩机装置。通过结合附图和此背景技术讨论的随后详细描述和所附权利要求，本公开的其他期望的特征和特性将变得显而易见。


技术实现要素：

5.一个实施例中，公开涡轮机的涡轮段，其包括具有涡轮叶轮的旋转组。涡轮段包括壳体，其容纳并支撑绕轴线旋转的旋转组。壳体限定绕轴线延伸的周向入口通道。壳体限定涡轮叶轮上游区域，其设置在周向入口通道的下游和涡轮叶轮的上游。壳体限定在涡轮叶轮下游的出口。此外，涡轮段包括第一流动路径，其从周向入口通道，通过涡轮叶轮上游区域，穿过涡轮叶轮，延伸至出口。此外，涡轮段包括再循环流动路径，其从周向入口通道、通过涡轮叶轮上游区域延伸返回至周向入口通道。
6.在另一个实施例中，公开制造涡轮机的涡轮段的方法。该方法包括将旋转组的涡轮叶轮容纳在壳体内以及将旋转组支撑在壳体内以围绕轴线旋转。方法还包括使壳体的第一结构与壳体构件的第二结构配合。壳体限定绕轴线延伸的周向入口通道。壳体还限定涡轮叶轮上游区域，其设置在周向入口通道的下游和涡轮叶轮的上游。壳体还限定第一流动路径、再循环流动路径以及在涡轮叶轮下游的出口。第一流动路径从周向入口通道延伸、通过涡轮叶轮上游区域、穿过涡轮叶轮、至出口。再循环流动路径从周向入口通道延伸、通过涡轮叶轮上游区域、并返回至周向入口通道。
7.在另一个实施例中，公开用于燃料电池系统的压缩机装置。压缩机装置包括旋转组和壳体，该壳体容纳并支撑绕轴线旋转的旋转组，以便限定压缩机段、电动机段和涡轮段。涡轮段包括旋转组的涡轮叶轮。涡轮叶轮被配置成由来自燃料电池系统的排气流驱动旋转。在涡轮段处的壳体包括围绕轴线延伸的周向入口通道。涡轮段处的壳体还限定涡轮叶轮上游区域，其设置在周向入口通道的下游和涡轮叶轮的上游。涡轮段处的壳体限定在涡轮叶轮下游的出口。此外，压缩机装置包括第一流动路径，该第一流动路径从周向入口通道区域延伸、通过涡轮叶轮上游、穿过涡轮叶轮、至出口。另外，压缩机装置包括再循环流动
路径，该再循环流动路径从周向入口通道延伸、通过涡轮叶轮上游区域、并返回至周向入口通道。
附图说明
8.在下文中，将结合以下附图描述本公开，其中，相同标号表示相同元件并且其中：图1是根据本公开的示例性实施例的具有涡轮机的截面视图的燃料电池系统的示意图；图2是图1的涡轮机的涡轮段的一部分的等距视图；图3是根据示例实施例的图2的涡轮段的截面视图；图4是根据示例实施例的图2的涡轮段的截面视图；图5是根据示例实施例的图2的涡轮段的截面视图；和图6是根据示例实施例的图2的涡轮段的截面视图。
具体实施方式
9.以下详细描述本质上仅是示例性的并不旨在限制本公开或本公开的应用和用途。此外，无意受到在先前背景或以下详细描述中提出的任何理论的束缚。
10.广义地，本文公开的示例实施例包括涡轮机的涡轮段（即，涡轮级），该涡轮段向涡轮机提供某些操作益处。在一些实施例中，在涡轮段处的壳体限定周向流动通道（例如，环形通道、蜗壳通道等）和出口。涡轮段还可包括涡轮叶轮，其沿着用于至少一种流体的第一流动路径设置在周向流动通道和出口之间。壳体还可限定允许至少一种流体再循环的再循环流动路径。再循环流动路径可包括再循环流动通路，其将第一流动路径的涡轮叶轮上游区域流体地连接回到周向入口通道。因此，涡轮叶轮上游区域内的流体（例如，液态水）可再循环回到周向入口通道中，而不是沿着第一流动路径继续且穿越涡轮叶轮。因此，涡轮叶轮的旋转受此流体影响的可能性较小。例如，当在燃料电池系统中使用时，本公开的涡轮段/级具有改善的吸水能力。
11.首先参考图1，示出根据示例实施例的涡轮机101。如图所示，涡轮机101通常包括壳体119（示意性地示出）和旋转组118，其由一个或多个轴承121支撑以在壳体119内围绕旋转轴线120旋转。在一些实施例中，旋转组118和壳体119可以协作地限定压缩机段110（即，压缩机级）和涡轮段113（即，涡轮级）。另外，电动机段112可轴向地设置在压缩机段110和涡轮段113之间。
12.旋转组118通常可以包括轴149，该轴149轴向延伸穿过压缩机段110、涡轮段113和电动机段112。旋转组118还可以包括压缩机叶轮130和涡轮叶轮131，它们附接到轴149的相对两端部上。
13.涡轮机101的轴承121支撑在壳体119内旋转的旋转组118。在不脱离本公开的范围的情况下，轴承121可以具有各种配置。在所示的实施例中，轴承121是空气轴承。然而，将理解的是，轴承121可以包括滚子元件或者可以以其他方式配置。轴承121还包括各种结构（例如，全浮式，半浮式，对开式，联接等）的给油的滑动轴承。此外，在一些实施例中，轴承121可以包括给油的滚动元件轴承。
14.涡轮机101可以可操作地连接至燃料电池系统100并且可以被配置为用于燃料电
池系统100的电子充电器或电动压缩机装置。燃料电池系统100可以包括含有多个燃料电池的燃料电池堆104。氢气可以从箱106被供应到燃料电池堆104且氧气可以供应到燃料电池堆104以通过已知的化学反应发电。燃料电池堆104可以为电器装置诸如电动机105产生电力。在一些实施例中，燃料电池系统100可以被包括在车辆中，诸如汽车、卡车、运动型多用途车、厢式货车、摩托车等。因此，在一些实施例中，电动机105可以将电功率转换成机械功率以驱动和旋转车辆的车轴（以及因此，一个或多个车轮）。
15.氧气可以至少部分地由涡轮机101提供到燃料电池堆104。更具体地，电动机段112可以驱动旋转组118的旋转，在压缩空气流流动到堆104时，压缩机段110可以提供压缩空气流（由箭头124表示）到中间冷却器128，且来自堆104的排气流132可以被馈送回涡轮段113，其继而向电动机段112提供机械功率辅助。
16.燃料电池系统100和/或涡轮机101的各种部件可以由控制系统135控制。控制系统135可以是具有处理器、各种传感器和用于电气控制这些操作的其他部件的计算机化系统。在一些实施例中，控制系统135可以限定或可以是车辆的电子控制单元（ecu）的一部分。
17.然而，将意识到，涡轮机101的其他构造落入本公开的范围内。例如，本公开的涡轮机101可以设置在其他系统（即，而非燃料电池系统）中。另外，在不脱离本公开的范围的情况下，涡轮段113的特征可被包括在涡轮增压器或其他涡轮机中。
18.现在参考图1
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3，将根据示例实施例更详细地讨论涡轮机101的壳体119。如图1中示意性所示，涡轮机101的壳体119可包括压缩机壳体152、电动机壳体150和涡轮壳体188。压缩机壳体152可限定压缩机段110的一部分，电动机壳体150可限定电动机段112的一部分，且涡轮壳体188可限定涡轮段113的一部分。壳体119的这些部分可如下详述地组装在一起，以共同容纳并支撑旋转组118。
19.在一些实施例中，压缩机壳体152可以是由金属制成的一体单件式弧形部件。压缩机壳体152可限定入口153，其沿着轴线120延伸并定中心于轴线120上。压缩机壳体152还可包括凸形压缩机护罩表面141，其位于入口153的下游方向上。压缩机壳体152还可包括围绕轴线120延伸的蜗壳通道154。压缩机壳体152可固定到电动机壳体150的一个轴向表面，以便覆盖在旋转组118的压缩机叶轮130的前表面之上。护罩表面141可以与压缩机叶轮130相对并且可以相对于该压缩机叶轮130具有相反的轮廓。入口153可以流体地连接到外部空间（即，周围环境）或者可以流体地连接到上游压缩机装置以接收空气流。蜗壳通道154可流体连接至中间冷却器128，以向其提供压缩空气流124。
20.电动机壳体150可以包括一个或多个部件，其限定用于接收和容纳马达134（例如，电动机）的一个或多个部件的腔体。在一些实施例中，电动机壳体150可以容纳并支撑电动机定子构件138，而电动机转子构件136可以支撑在旋转组118的轴149上。如图所示，定子构件138可以绕轴线120周向地围绕电动机转子构件136；然而，在其他实施例中，转子构件136可围绕定子构件138。
21.涡轮壳体188可以包括外部涡轮壳体195。在一些实施例中，外部涡轮壳体195可以是中空且由金属制成的一体单件式弧形部件。外部涡轮壳体195可包括外径向部分160和内径向部分162。外径向部分160和内径向部分162可以是从外部涡轮壳体195的轴向端部164轴向突出的壁或其他阻挡结构。外径向部分160和内径向部分162可以在径向方向上间隔开。
22.内径向部分162可以是弧形的（例如，环形的）、管状和中空的。内径向部分162可以包括弧形轴向端部166。端部166可以径向向外地轮廓成型且可以在其上限定凸形涡轮护罩表面189。内径向部分162还可以限定出口通道194，其沿着轴线120延伸并且定中心于轴线120上。如图1所示，外部涡轮壳体95可还包括将轴承121流体地连接至出口通道194的至少一个轴承空气管线196。
23.外部涡轮壳体195的外径向部分160可以在与压缩机壳体152相对的轴向侧面上固定到电动机壳体150的轴向表面。这样，外部涡轮壳体195可以覆盖在旋转组118的涡轮叶轮131的前表面之上。涡轮护罩表面189可以与涡轮叶轮131相对并且相对于该涡轮叶轮131具有相反的轮廓。
24.涡轮壳体188可以还包括内部涡轮壳体结构197。内部涡轮壳体结构197可以是由金属制成的单件构件。内部涡轮壳体结构197可以包括背板198和喷嘴结构199。背板198可以是相对平坦的并且可以基本垂直于轴线120延伸。喷嘴结构199可以为弧形，以便至少部分地围绕轴线120延伸。在一些实施例中，喷嘴结构199可以是环形和环状的（图2）。喷嘴结构199也可以固定到背板198并且可以从其中轴向突出，并且可以在轴向端部191处终止。喷嘴结构199可以包括大体沿径向延伸穿过其中的多个喷嘴孔176。在一些实施例中，喷嘴孔176各自可以为圆形通孔，其轴线径向地且大致指向涡轮叶轮131。另外，如图2所示，喷嘴孔176可以绕轴线120以均匀间隔布置的方式设置。另外，如图2和3所示，喷嘴结构199的轴向端部191可以包括阻挡部178。阻挡部178可以是径向向外突出并且围绕轴线120在周向方向上连续延伸的圆形凸缘。
25.内部涡轮壳体结构197可以附接到外部涡轮壳体195和电动机壳体150，如图1和图3所示。背板198的外径向部分可轴向地设置在外部涡轮壳体195和电动机壳体150之间。轴149可延伸穿过背板198的中心部分，且喷嘴结构199可以环绕涡轮叶轮131。另外，喷嘴结构199的轴向端部191可与外部涡轮壳体195的弧形端部166配合。本领域普通技术人员将理解，术语“配合”在上下文中被广义地解释。端部191、166的相对表面可以以对应的方式成形并且紧密相邻地设置以限定配合界面。这些表面可以物理连接或可以不物理连接以视为配合在一起。在一些实施例中，可以在这些相对的表面之间包括密封构件，但是在下面详细讨论的一些实施例中可以省略此类密封构件。在一些实施例中，端部191、166可以建立凸
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凹界面，其中弧形端部166接收在喷嘴结构199的轴向端部191内。在一些实施例中，弧形端部166的外径向表面170可以径向地与喷嘴结构199的轴向端部191的内径向表面172相对。下面将根据本公开的各种实施例更详细地讨论此界面。
26.当组装在一起时，外部涡轮壳体195和内部涡轮壳体结构197可以协作地限定围绕轴线120延伸的周向入口通道192的至少一部分。入口通道192可以在外部涡轮壳体195的外径向部分160和内径向部分162之间和在外径向部分160和喷嘴结构199之间径向地限定。入口通道192可轴向地限定在背板198和轴向端部164之间。如图1所示，通道192可以是环形通道，其横截面积在通道192绕轴线120延伸时保持基本上恒定。在其他实施例中，通道192可以是蜗壳通道，其中在该通道围绕轴线120延伸时横截面积逐渐变化。在一些实施例中，通道192也可以绕轴线120螺旋地延伸。
27.此外，外部涡轮壳体195、内部涡轮壳体结构197和涡轮叶轮131可协作地限定涡轮叶轮上游区域174（图3）。涡轮叶轮上游区域174可在喷嘴结构199和涡轮叶轮131的上游部
分129（例如，叶轮131的叶片的前缘）之间径向地限定。涡轮叶轮上游区域174可轴向地限定在外部涡轮壳体195的轴向端部166与涡轮叶轮131的上游部分129之间。
28.将会意识到，喷嘴结构199是本公开的可选特征。因此，在这些实施例中，涡轮叶轮上游区域174的外径向部分可向周向入口通道192敞开（即，不受喷嘴结构或其他类似结构的阻碍）。
29.如图1所示，周向入口通道192可以流体连接至燃料电池堆104以从其接收排气流132。涡轮段113可以限定用于排气流132的第一流动路径（在图1中由箭头180表示）。具体地，第一流动路径180中的流体可以朝下游方向从入口通道192通过喷嘴孔176流入涡轮叶轮上游区域174，经过涡轮叶轮131和护罩表面189，和进入出口通道194，以流出涡轮机101。此流体流动可驱动涡轮叶轮131旋转以向旋转组118提供机械功率。
30.总体上，在涡轮机101的工作期间，入口空气流（由图1中的箭头122表示）可以流入压缩机段110的入口153，并且入口空气流122可以当其在压缩器叶轮130和护罩表面141之间向下游流动以及向更下游流入蜗壳通道154时被压缩。压缩空气流124可以离开蜗壳通道154，并且可以被引导至中间冷却器128，然后被引导到燃料电池堆104以提高燃料电池系统100的操作效率。此外，如上所述，来自燃料电池堆104的排气流132可被引回到涡轮机101并被涡轮段113的通道192接收。在经由出口通道194离开涡轮机101之前，排气流132可通常被朝向涡轮叶轮131引导，以驱动涡轮叶轮131的旋转。来自涡轮段113的机械功率可被转换成电动机134的电能，以最终帮助压缩机叶轮130旋转。
31.例如，如图3所示，涡轮段113还可包括再循环流动路径182。再循环流动路径182可从周向入口通道192延伸穿过涡轮叶轮上游区域174，并返回至周向入口通道192。因此，流体（例如，在废气流132中空气所带的液态水）可以在不影响涡轮叶轮131的旋转的情况下循环通过流动路径182，如将要讨论的。
32.再循环流动路径182可以部分地由一个或多个再循环通路184限定，其将涡轮叶轮上游区域174与周向入口通道192流体地连接。在由图2和3表示的一些实施例，再循环通路184可以至少部分地由外径向表面170和内径向表面172之间的径向间隙限定。此外，在一些实施例中，再循环通路184可以由轴向延伸穿过外部涡轮壳体195的一个或多个轴向孔486限定。轴向孔486在图2中以虚线示出且将在下面参考图6更详细地讨论。将理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，再循环通路184可具有其他配置。此外，将理解，在不脱离本公开的范围情况下，再循环通路184可包括特征的组合（例如，表面170、172之间的径向间隙和轴向孔486这两者）。
33.如上所述，在图3的实施例中，再循环通路184可以由外径向表面170和内径向表面172之间的径向间隙限定。此间隙可以围绕轴线120连续且环形地延伸。另外，在一些实施例中，外径向表面170和内径向表面172中的至少一个可包括围绕轴线120弧形延伸的凹部。例如，表面170、172中的至少一个可包括弧形凹槽168。在所示的实施例中，例如，外径向表面170包括凹槽168。弧形凹槽168可具有如图3所示的矩形横截面，且可具有凹槽深度167（径向测量）和凹槽宽度165（轴向测量）。凹槽168也可以在外径向表面170上轴向居中。
34.因此，排气流132可包括被接收在周向入口通道192内的气体（空气）和液体（水）的组合。此流体组合可流过喷嘴孔176以被接收在涡轮叶轮上游区域174内。在涡轮叶轮上游区域174内的压力累积可引起该组合的气态部分（空气）沿着第一流动路径180继续到达出
口通道194并可使液体部分（水）沿再循环流动路径182移动进入循环通路184，从而返回到周向入口通道192。
35.再循环流动路径182可以增加涡轮机101的吸水能力。由流动路径182提供的液体再循环可以减少液体对涡轮叶轮131旋转的影响。例如，进入涡轮叶轮上游区域174的至少一些液体可在再循环流动路径182内再循环一次或更多次，而不是直接流过涡轮叶轮131。换句话说，再循环流动路径182可以降低沿第一流动路径180的瞬时液体流速。这样，第一流动路径180中的液体不太可能对涡轮叶轮131施加制动力以降低转速，从而提供涡轮机101的高效工作。另外，涡轮叶轮131的喘振的旋转不太可能，因为叶轮131上的液体的负载可减少，可更加平衡等。另外，轴承121上的负载可减少并且涡轮机101的工作寿命可被延长。
36.图4示出另一实施例，且除了另有注明的之外，可以与图3的实施例基本相似。对应于图3的部件的那些部件用增加100的对应附图标记来标示。如图所示，再循环流动路径282的通路284可以由外径向表面270和内径向表面272之间的未密封的径向间隙限定。凹槽268可以具有矩形横截面形状，类似于图3的实施例，但是凹槽268的深度267可以大于图3的深度，且凹槽268的宽度265可以小于图3的宽度。另外，喷嘴结构299的阻挡部278可以大于图3的阻挡部，使得阻挡部278径向向外突出到更大尺寸。
37.图5示出附加实施例，其中，与图3的那些部件对应的部件由增加200的对应附图标记来标示。如图所示，再循环流动路径382的通路384可以由外径向表面370和内径向表面372之间的未密封径向间隙限定。凹槽368可以具有矩形横截面形状，类似于图3的实施例，不同之处在于凹槽368的深度367可以小于图3的深度，且凹槽368的宽度365可以大于图3的宽度。另外，如图5所示，喷嘴结构399可以是“无阻挡部的”，使得喷嘴结构399以基本恒定的直径伸出，直到其终止于外部涡轮壳体395的轴向端366附近为止。
38.应当理解，凹槽168、268、368的尺寸（例如，深度和/或宽度）可以被预先确定、选择和配置，使得再循环通路184、284、384为液体再循环提供期望的流动特性。此外，阻挡部178、278的尺寸可经选择以提供从入口通道192、292、392朝向喷嘴结构199、299、399的期望流动特性，或者如图5所表示，可以省略阻挡部，以提供所需的流动特性。还应当理解，通路184、284、384的其他尺寸和特征可经选择以提供期望流动特性。
39.现在参考图2和6，将讨论附加实施例。对应于图3的部件的那些部件由增加300的对应附图标记标示。如图所示，再循环流动路径482的通路484可以由多个轴向孔486共同限定。至少一个孔486可以是圆形通孔，其在轴向上是直的且延伸穿过外部涡轮壳体495的轴向端466。至少一个孔486可以基本平行于纵向轴线延伸并且可以具有基本恒定的宽度（直径）。可以存在任何数量的轴向孔486（例如，总共六个），且孔486可以在周向方向上大致相等地间隔开，如图2所示。在一些实施例中，孔486的上游端475可以设置在护罩表面489的上游和涡轮叶轮431的上游，并且可以向涡轮叶轮上游区域474敞开。孔486的下游端477可以与上游端475轴向对准并且可以向周向入口通道492敞开。在一些实施例中，外径向表面470和内径向表面472可以是光滑且无凹槽的，而不是包括上面讨论和图4和图5所示的环形凹槽。这样，孔486可以主要限定再循环流动通路484；然而，在其他实施例中，孔486和在径向表面470、472之间的间隙可共同限定再循环流动通路484。
40.总之，本公开的涡轮机101可包括再循环流动路径182、282、382、482的多种配置。流动路径182、282、382、482增加涡轮机101吸入水或其他流体的能力。
41.涡轮机101也可以被有效地制造。特别地，在涡轮段113处的壳体119可以以相对少的步骤连接在一起并且可以具有相对较少的部件计数。在制造的一些实施例中，内部涡轮壳体结构197的背板198可以层叠在电动机壳体150上，在它们之间有一个或多个密封件。涡轮叶轮131也可以设置在喷嘴结构199内。然后，外部涡轮壳体195可以通过一个或多个紧固件连接到背板198和/或电动机壳体150，端部166被接收在喷嘴结构199内。这样，可以提供涡轮级113的特征，包括再循环流动路径182、282、382、482。
42.尽管在前面的详细描述中已经呈现至少一个示例性实施例，但是应当理解，存在大量的变型。还应当理解，一个或多个示例性实施方式仅是示例，并且无意以任何方式限制本公开的范围、适用性或配置。而是，前述详细描述将为本领域技术人员提供用于实现本公开的示例性实施例的便利路线图。应该理解，在不脱离所附权利要求中阐述的本公开的范围情况下，可以对示例性实施例中描述的元件的功能和布置进行各种改变。