一种用于燃料电池的单齿空压机及其转子的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种用于燃料电池的单齿空压机及其转子的设计方法，该单齿空压机由主动轴(1)、从动轴(2)、第一级左齿轮单齿转子(9)、第一级右齿轮单齿转子(10)、第二级左齿轮单齿转子(13)和第二级右齿轮单齿转子(14)组成。所提出的齿轮单齿转子的端面型线的各段曲线光滑连接。在啮合过程中，一对单齿转子的端面型线能够实现逐点连续啮合。采用连接线、齿顶圆弧和齿底圆弧代替了常用的节圆圆弧，既满足在工作过程中，两个齿轮单齿转子和气缸之间所形成的封闭容积逐渐减小，具有内压缩过程，又提高了密封性能，能够有效减小工质通过间隙从高压侧工作腔泄漏至低压侧工作腔，显著的提高了单齿空压机的容积效率。单齿空压机的容积效率。单齿空压机的容积效率。

【技术实现步骤摘要】
一种用于燃料电池的单齿空压机及其转子的设计方法


[0001]本专利技术属于压缩机工程
，特别是一种用于燃料电池的单齿空压机及其转子的设计方法。

技术介绍

[0002]燃料电池是一种高效清洁的发电装置，是解决化石能源短缺问题的有效途径。空压机是燃料电池为其提供反应空气的关键设备。中国专利(陶林，白江涛，黄细珍.一种用于燃料电池的两级离心式压缩机[P].北京市：CN113323893A，2021
‑
08
‑
31.)，公开了一种用于燃料电池的两级离心式压缩机，其特点是提高燃料电池的输出功率，减小系统体积与重量，使得系统紧凑，但是相比于容积式压缩机，离心式压缩机压缩比小，且长期在小流量高转速下运行对燃料电池阴极供气系统的可靠性是一个极大的挑战；中国专利(王闯，邢子文，李彦澎，等.一种燃料电池用双螺杆压缩膨胀一体机[P].陕西省：CN112746958A,2021
‑
05
‑
04.)公开了一种燃料电池用双螺杆压缩膨胀一体机，解决了压缩机和膨胀机流量匹配问题，降低了体积、重量和成本，但由于阴、阳螺杆转子得三维扭曲结构，导致双螺杆压缩机在啮合过程中不可避免存在泄漏三角形，相比于其他容积式压缩机，其在小流量工况下，泄漏大。相比于前两种压缩机，单齿空压机结构紧凑、工作腔内无摩擦、可以多级串联、且无油润滑保证被输送空气的纯度，非常适合作为燃料电池的空压机。
[0003]单齿空压机是一种回转容积式压缩机，其主要由气缸、一对相互啮合的单齿转子、同步齿轮和轴承组成。在工作过程中，同步齿轮带动一对相互啮合的单齿转子做同步异向双回转运动，相互啮合的单齿转子和气缸之间形成具有周期性变化的多个封闭工作腔，随着单齿转子的旋转，气体从吸气口被增压输送至排气口，进而完成气体的吸入、输送和排气过程。
[0004]单齿空压机具有内压缩过程、干式无油、自清洁能力强、转子和气缸之间无接触摩擦、结构紧凑和易于装配的优点，近几年作为燃料电池系统中的空压机而备受青睐。此外，单齿空压机也被广泛应用于化工、冶金、医药及食品领域。中国专利(王君，冯浩志，魏蜀红，等.一种爪式真空泵的直爪转子及其型线设计方法[P].山东：CN108757464A,2018
‑
11
‑
06.)提出一种直爪转子，提高了直爪转子的力学性能，减小了余隙容积。但在单齿空压机的运行过程中，单齿转子和单齿转子之间、单齿转子和气缸之间不可避免的会存在间隙。其中，当单齿转子节圆和单齿转子节圆啮合时，由于泄漏通道短，工质从高压腔沿气体泄漏通道泄漏至低压腔，此时的泄漏量最大，而燃料电池用空压机在工作过程中对工作腔的密封性能要求高，泄漏量大会导致其容积效率小。

技术实现思路

[0005]针对燃料电池用单齿空压机在工作过程中，其单齿转子节圆和单齿转子节圆啮合时，泄漏通道短、泄漏量大和容积效率低的问题，本专利技术提出一种用于燃料电池的单齿空压机，构建出用于该空压机的全啮合新型光滑齿轮单齿转子，该转子由转子齿头、转子凹槽、
弧形节圆凸齿和弧形节圆凹槽组成，并给出了转子齿头、转子凹槽、弧形节圆凸齿和弧形节圆凹槽端面型线的方程；所提出的齿轮单齿转子的端面型线的各段曲线光滑连接；在啮合过程中，左弧形节圆和右弧形节圆逐点连续啮合，无封闭容积形成；本专利技术采用连接线、齿顶圆弧和齿底圆弧代替了常用的节圆圆弧，既满足在工作过程中，两个齿轮单齿转子和气缸之间所形成的封闭容积逐渐减小，具有内压缩过程，又提高了密封性能，能够有效减小气体通过间隙从高压侧工作腔泄漏至低压侧工作腔，显著的提高了单齿空压机的容积效率；所提出的单齿空压机的转子型线对于丰富单齿空压机型线类型、促进单齿空压机的发展具有重要意义。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007]一种用于燃料电池的单齿空压机，由主动轴、从动轴、顶板、第一轴箱、第一左轴承、第一右轴承、第一级气缸前侧板、第一级气缸、两个相互啮合的第一级左齿轮单齿转子和第一级右齿轮单齿转子、隔板、第二级气缸、两个相互啮合的第二级左齿轮单齿转子和第二级右齿轮单齿转子、第二气缸后侧板、第二轴箱、第二左轴承、第二右轴承、齿轮箱、左同步齿轮、右同步齿轮、油箱和底板组成；所述的第一级左齿轮单齿转子和第二级左齿轮单齿转子的端面型线完全相同；所述的第一级右齿轮单齿转子和第二级右齿轮单齿转子的端面型线完全相同；所述的第一级左齿轮单齿转子和第一级右齿轮单齿转子的端面型线不相同；
[0008]第一级左齿轮单齿转子与第二级左齿轮单齿转子的轴向厚度不同，其轴向厚度之比为1.3～3.3；第一级右齿轮单齿转子与第二级右齿轮单齿转子的轴向厚度不同，其轴向厚度之比为1.3～3.3；第一级左齿轮单齿转子与第一级右齿轮单齿转子的轴向厚度相同；第二级左齿轮单齿转子与第二级右齿轮单齿转子的轴向厚度相同；
[0009]所述的第一级左齿轮单齿转子由左转子齿头、左转子凹槽、左弧形节圆凸齿和左弧形节圆凹槽组成；左弧形节圆凸齿和左弧形节圆凹槽的数量相同，为5～23；所述的第一级右齿轮单齿转子由右转子齿头、右转子凹槽、右弧形节圆凸齿和右弧形节圆凹槽组成；所述的右弧形节圆凸齿和右弧形节圆凹槽的数量相同，为5～23；
[0010]所述的第一级气缸前侧板上开设第一吸气口；第二气缸后侧板上开设第二排气口；第一吸气口和第二排气口与外界连通；隔板上开设第一排气口、第二吸气口、第一通道和第二通道；第一排气口和第二吸气口由第一通道和第二通道连接；沿轴向，第一吸气口、第一排气口、第二吸气口和第二排气口的开设位置位于R2～R3之间；其中第一级左齿轮单齿转子的节圆半径为R2；第一级左齿轮单齿转子的左转子凹槽的爪底圆弧半径为R3；
[0011]在工作过程中，在左同步齿轮和右同步齿轮的带动下，第一级左齿轮单齿转子与第一级右齿轮单齿转子进行同步异向双回转运动，第一级左齿轮单齿转子的左转子齿头、左转子凹槽、左弧形节圆凸齿和左弧形节圆凹槽，分别与第一级右齿轮单齿转子的右转子凹槽、右转子齿头、右弧形节圆凹槽和右弧形节圆凸齿相啮合；在啮合过程中，左弧形节圆凸齿、左弧形节圆凹槽分别和右弧形节圆凹槽、右弧形节圆凸齿能够实现逐点连续啮合，且无封闭容积形成；
[0012]所述的一种用于燃料电池的单齿空压机，第一级左齿轮单齿转子和第一级右齿轮单齿转子相互啮合，安装在第一级气缸内，第一级气缸两侧分别是第一级气缸前侧板和隔板；第二级左齿轮单齿转子和第二级右齿轮单齿转子相互啮合，安装在第二级气缸内，第二
级气缸的前端为隔板，第二级气缸的后端为第二气缸后侧板；其中第一级左齿轮单齿转子和第二级左齿轮单齿转子相错150
°
～170
°
装配；
[0013]在工作过程中，气体从第一吸气口进入第一级气缸，被第一级左齿轮单齿转子和第一级右齿轮单齿转子增压输送至第一排气口排出，再经过第一通道和第二通道，被输送至第二吸气口，再进入第二级气缸，再被第二级左齿轮单齿转子和第二级右齿轮单齿转子增压输送至第二本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于燃料电池的单齿空压机，由主动轴(1)、从动轴(2)、顶板(3)、第一轴箱(4)、第一左轴承(5)、第一右轴承(6)、第一级气缸前侧板(7)、第一级气缸(8)、两个相互啮合的第一级左齿轮单齿转子(9)和第一级右齿轮单齿转子(10)、隔板(11)、第二级气缸(12)、两个相互啮合的第二级左齿轮单齿转子(13)和第二级右齿轮单齿转子(14)、第二气缸后侧板(15)、第二轴箱(16)、第二左轴承(17)、第二右轴承(18)、齿轮箱(19)、左同步齿轮(20)、右同步齿轮(21)、油箱(22)和底板(23)组成；其特征是：所述的第一级左齿轮单齿转子(9)和第二级左齿轮单齿转子(13)的端面型线完全相同；所述的第一级右齿轮单齿转子(10)和第二级右齿轮单齿转子(14)的端面型线完全相同；所述的第一级左齿轮单齿转子(9)和第一级右齿轮单齿转子(10)的端面型线不相同；第一级左齿轮单齿转子(9)与第二级左齿轮单齿转子(13)的轴向厚度不同，其轴向厚度之比为1.3～3.3；第一级右齿轮单齿转子(10)与第二级右齿轮单齿转子(14)的轴向厚度不同，其轴向厚度之比为1.3～3.3；第一级左齿轮单齿转子(9)与第一级右齿轮单齿转子(10)的轴向厚度相同；第二级左齿轮单齿转子(13)与第二级右齿轮单齿转子(14)的轴向厚度相同；所述的第一级左齿轮单齿转子(9)由左转子齿头(901)、左转子凹槽(902)、左弧形节圆凸齿(903)和左弧形节圆凹槽(904)组成；左弧形节圆凸齿(903)和左弧形节圆凹槽(904)的数量相同，为5～23；所述的第一级右齿轮单齿转子(10)由右转子齿头(1001)、右转子凹槽(1002)、右弧形节圆凸齿(1003)和右弧形节圆凹槽(1004)组成；所述的右弧形节圆凸齿(1003)和右弧形节圆凹槽(1004)的数量相同，为5～23；所述的第一级气缸前侧板(7)上开设第一吸气口(701)；第二气缸后侧板(15)上开设第二排气口(1501)；第一吸气口(701)和第二排气口(1501)与外界连通；隔板(11)上开设第一排气口(1101)、第二吸气口(1102)、第一通道(1103)和第二通道(1104)；第一排气口(1101)和第二吸气口(1102)由第一通道(1103)和第二通道(1104)连接；沿轴向，第一吸气口(701)、第一排气口(1101)、第二吸气口(1102)和第二排气口(1102)的开设位置位于R2～R3之间；其中第一级左齿轮单齿转子(9)的节圆半径为R2；第一级左齿轮单齿转子(9)的左转子凹槽(902)的爪底圆弧半径为R3；在工作过程中，在左同步齿轮(20)和右同步齿轮(21)的带动下，第一级左齿轮单齿转子(9)与第一级右齿轮单齿转子(10)进行同步异向双回转运动，第一级左齿轮单齿转子(9)的左转子齿头(901)、左转子凹槽(902)、左弧形节圆凸齿(902)和左弧形节圆凹槽(903)，分别与第一级右齿轮单齿转子(10)的右转子凹槽(1002)、右转子齿头(1001)、右弧形节圆凹槽(1004)和右弧形节圆凸齿(1003)相啮合；在啮合过程中，左弧形节圆凸齿(902)、左弧形节圆凹槽(903)分别和右弧形节圆凹槽(1004)、右弧形节圆凸齿(1003)能够实现逐点连续啮合，且无封闭容积形成。2.如权利要求1所述的一种用于燃料电池的单齿空压机，其特征是：第一级左齿轮单齿转子(9)和第一级右齿轮单齿转子(10)相互啮合，安装在第一级气缸(8)内，第一级气缸(8)两侧分别是第一级气缸前侧板(7)和隔板(11)；第二级左齿轮单齿转子(13)和第二级右齿轮单齿转子(14)相互啮合，安装在第二级气缸(12)内，第二级气缸(12)的前端为隔板(11)，第二级气缸(12)的后端为第二气缸后侧板(15)；其中第一级左齿轮单齿转子(9)和第二级左齿轮单齿转子(13)相错150
°
～170
°
装配；
在工作过程中，气体从第一吸气口(701)进入第一级气缸(8)，被第一级左齿轮单齿转子(9)和第一级右齿轮单齿转子(10)增压输送至第一排气口(1101)排出，再经过第一通道(1103)和第二通道(1104)，被输送至第二吸气口(1102)，再进入第二级气缸(12)，再被第二级左齿轮单齿转子(13)和第二级右齿轮单齿转子(14)增压输送至第二排气口(1501)后排出机外；在工作过程中，所述的第一级气缸(8)被第一级左齿轮单齿转子(9)和第一级右齿轮单齿转子(10)分割成高压工作腔和低压工作腔；第一级左齿轮单齿转子(9)的左弧形节圆凸齿(902)和左弧形节圆凹槽(903)，分别与与第一级右齿轮单齿转子(10)的右弧形节圆凹槽(1004)和右弧形节圆凸齿(1003)相互啮合，由此形成一条狭长曲折的气体泄漏通道，能够减小高压工作腔和低压工作腔之间的气体泄漏，增加密封性。3.如权利要求1所述的一种用于燃料电池的单齿空压机，其特征是：所述的第一级左齿轮单齿转子(9)的左转子齿头(901)和左转子凹槽(902)的端面型线由7段曲线和一个点组成，依次为：左第一摆线的等距曲线AB、左第一圆弧BC、左齿顶圆弧CD、左第二圆弧DE、左第一摆线EF、左第一点M、左第二摆线的等距曲线MN和左爪底圆弧NA；所述的第一级左齿轮单齿转子(9)左弧形节圆凸齿(903)和左弧形节圆凹槽(904)的端面型线由4段曲线组成，依次为：左第一齿底圆弧GH、左第一连接线HI、左第一齿顶圆弧IJ和左第二连接线JK；所述的第一级右齿轮单齿转子(10)的右转子齿头(1001)和右转子凹槽(1002)的端面型线由7段曲线和一个点组成，依次为：右第一摆线的等距曲线ab、右第一圆弧bc、右齿顶圆弧cd、右第二圆弧de、右第一摆线ef、右第一点m、右第二摆线的等距曲线mn和右爪底圆弧na；所述的第一级右齿轮单齿转子(10)右弧形节圆凸齿(1003)和右弧形节圆凹槽(1004)的端面型线由4段曲线组成，依次为：右第一连接线啮合曲线hi、右第一齿底圆弧ij、右第二连接线啮合曲线jk和右第一齿顶圆弧kl；在工作过程中，第一级左齿轮单齿转子(9)与第一级右齿轮单齿转子(10)能够实现正确的啮合；啮合关系为：左第一摆线的等距曲线AB、左第一圆弧BC、左齿顶圆弧CD、左第二圆弧DE、左第一摆线EF、左第一点L、左第二摆线的等距曲线MN、左爪底圆弧NA、左第一齿底圆弧GH、左第一连接线HI、左第一齿顶圆弧IJ和左第二连接线JK，分别与右第一圆弧bc、右第一摆线的等距曲线ab、右爪底圆弧na、右第二摆线的等距曲线mn、右第一点m、右第一摆线ef、右第二圆弧de、右齿顶圆弧cd、右第一齿顶圆弧kl、右第二连接线啮合曲线jk、右第一齿底圆弧ij和右第一连接线啮合曲线hi相啮合；所述的第二级左齿轮单齿转子(13)与第二级右齿轮单齿转子(14)能够实现正确的啮合。4.一种用于燃料电池的单齿...

【专利技术属性】
技术研发人员：王君，潘诗洋，赵鑫，任纯吉，赵玺皓，赵利壮，韩奕，王增丽，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：