一种燃料电池空压机用压气机叶轮的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池用空压机领域，尤其涉及一种燃料电池空压机用压气机叶轮。


背景技术：

2.压气机叶轮是燃气涡轮发动机的主要部件之一，其作用就是在低流阻损失情况下对所流过的气流加功以提高其压强。目前现有的压气机叶轮多是由导风轮和压气机轮装配而成。在安装时，要将导风轮和压气机轮的叶片严格对准，这就要求导风轮和压气机轮的加工精度要高。又因为导风轮和压气机轮的结构比较复杂，其加工精度很难保证，同时在安装时两者很难对准，这样在结合部位常会出现一定间隙并常有一定错位，就容易在结合部位产生涡流使气流阻力加大，压气机效率降低。另外，当压气机效率低时与燃料电池结合后，消耗燃料电池的电堆，降低燃料电池的输出净功率。


技术实现要素：

3.本实用新型提供一种燃料电池空压机用压气机叶轮，提高压气机效率，并提高燃料电池的输出净功率。
4.为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：
5.一种燃料电池空压机用压气机叶轮，所述压气机叶轮为一体式结构，包括压气机叶片和轮毂，所述压气机叶片以所述轮毂的轴线为中心，平均分布在所述轮毂上。
6.进一步的，所述压气机叶片的叶根半径与叶尖半径的比为0.4-0.6。
7.进一步的，所述压气机叶片的轴向长度为21-23mm，所述压气机叶片的出口的叶片高度为5-6mm。
8.进一步的，所述轮毂的外径为7-15mm。
9.进一步的，所述压气机叶片与所述轮毂之间的出口安装角为60
°‑
65
°
。
10.进一步的，所述压气机叶轮为后弯式叶轮。
11.本实用新型公开的一种燃料电池空压机用压气机叶轮，其采用的叶片为长叶片，不需要与其他小叶片进行配合，可以有效减少空气在轮毂及叶片根部的旋涡和回流，提高压气机效率。通过改进叶片能够显著提高叶轮的整体性能，与电机匹配后在标定状态下压气机最高效率大于75％，且压气机叶轮效率提高可有效降低电堆自身耗功，进而有效提高燃料电池输出净功率。
附图说明
12.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
13.图1为本实用新型燃料电池空压机用压气机结构示意图；
14.图2为燃料电池压气机叶轮子午面结构示意图；
15.图3为燃料电池压气机叶轮三维结构示意图；
16.图4为燃料电池压气机叶轮出口安装角示意图；
17.图5为压气机叶片角度分布示意图；
18.图6为压气机叶片厚度分布示意图。
19.图中，1、压气机叶轮，2、无叶扩压器，3、背板，4、蜗壳，11、轮毂，12、压气机叶轮内子午面，13、压气机叶轮外子午面，14、压气机叶片，15、出口安装角。
具体实施方式
20.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
21.如图1-6所示为一种燃料电池空压机用压气机叶轮，所述压气机叶轮1为一体式结构，包括压气机叶片14和轮毂11，所述压气机叶片14以所述轮毂11的轴线为中心，平均分布在所述轮毂11上。在本实施例中，所述压气机叶轮1不设分流小叶片，只选用主流叶片结构，优选的，所述压气机叶片14为11片。
22.进一步的，所述压气机叶片14的叶根半径与叶尖半径的比为0.4-0.6。在本实施例中，优选的，所述轮毂11的半径为8mm，在此基础上，调整压气机叶片的叶根半径和叶尖半径，优选的，当叶根半径与叶尖半径的比为0.4时，压气机叶轮的出气效率最高，与电机匹配后在标定状态下压气机最高效率大于75％。对于叶片厚度的调整，从气动仿真角度来看，叶片厚度越小，离心压气机的性能越好。综合考虑结构强度和加工可行性来看，叶片厚度就会存在一个最小值。在本实施例中，压气机叶片的叶尖厚度设计为0.3-0.5mm，压气机叶片的轴向方向上的叶根厚度为1-2mm，满足叶片结构强度的要求。
23.进一步的，所述压气机叶片14的轴向长度为21-23mm，所述压气机叶片14的出口的叶片高度为5-6mm。
24.进一步的，所述轮毂的外径为7-15mm。
25.进一步的，所述压气机叶片14与所述轮毂11之间的出口安装角为60
°‑
65
°
。
26.进一步的，所述压气机叶轮1为后弯式叶轮。在本实施例中，压气机叶片14均匀设置在轮毂11上，压气机叶片14不设分流叶片，优选的，设有十一片长叶片14。如图2所示，压气机叶轮的外径g为60-63mm，进口外径f为40-45mm，进口轮毂处d和e外径为7-15mm；叶片进口到出口轴向长度b为21-23mm，叶片出口叶高a为5-6mm，压气机叶轮整体轴向长度c为23-25mm。压气机叶轮为后弯式叶轮，叶片出口安装角15约为60
°‑
65
°
。
27.如图3所示，压气机叶轮的内子午面12及外子午面13通过贝塞尔曲线进行优化，控制最大曲率值，以保证气流平缓的从轴向过渡到径向。其中，在对压气机叶轮的内子午面和外子午面设计时，调整压气机的机匣与压气机叶轮轮毂11轮毂之间的型线，调整压气机机匣处的曲率半径位置，从而找出压气机效率最高时的压气机叶轮的内子午面和外子午面。
28.如图1所示，在本实施例中，燃料电池空压机用压气机叶轮工作时，首先通过高速旋转对进入的空气进行做功以提高空气压力的压气机叶轮1，带有一定转速和方向的空气进一步提升压力的无叶扩压器2、带有密封作用的背板3以及带有一定流道形状能进一步提升空气压力的蜗壳4。
29.空气通过进气系统进入压气机叶轮1中，压气机叶轮1在电机带动下高速旋转，提升空气动能，随着叶片方向被加速的空气离开压气机叶轮进入无叶扩压器2时速度很高并有一定的速度和方向，无叶扩压器没有喉口面积存在，其结构简单便于加工，在非设计工况下也能保证较高的效率回收空气的动能，并进行扩压，引导高速空气进入蜗壳4进行进一步增压，增压后的高速空气通过连接管路进入到具有相似相同结构的二级压气机级再进一步提升压力以达到燃料电池电堆需要的进气压力。
30.空气在压气机叶轮流动时，局部流动会和主流方向不同，产生旋涡和回流，造成流动阻碍并影响压气机级效率进而影响燃料电池空压机的效率，压气机叶轮设计的合理性至关重要。
31.如图5和6所示为压气机叶轮的叶片角度和厚度分布示意图，两者均是通过贝塞尔(bezier)曲线进行建模，其中，m为内子午面，n为外子午面。从图5中可以看出，外子午面的进出口处叶片角变化相对较小，叶片角度变化主要集中在主流道范围内。内子午面的叶片角度变化则是根据叶根处载荷情况及叶片喉口面积进行调整，直到在喉口面积不变的情况下，达到最佳的载荷分布情况。通过不断调整叶片角度分布，使得各叶片截面的载荷进行合理分配。
32.从图6中可以看出，内外子午面的厚度分布均呈现两端小，中间大的规律。这是由于理想情况下，主流区叶片承载较多的载荷，需要保证一定的厚度来满足强度要求，避免叶片受力断裂。通过不断进行优化设计，本实用新型公开的叶轮厚度即满足强度及加工工艺要求，又可以满足工况要求，为燃料电池提供规定压力需求的空气；通过改进叶片能够显著提高叶轮的整体性能，与电机匹配后在标定状态下压气机最高效率大于75％，且压气机叶轮效率提高可有效降低电堆自身耗功，进而有效提高燃料电池输出净功率。
33.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。