[發明專利]一種用于燃料電池的單齒空壓機及其轉子的設計方法

有效

• 申請號: 202111587637.1
• 申請日: 2021-12-23
• 公開（公告）號: CN114215747B
• 公開（公告）日: 2023-09-12
• 發明（設計）人: 王君;潘詩洋;趙鑫;任純吉;趙璽皓;趙利壯;韓奕;王增麗
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: F04C18/14
• 分類號: F04C18/14;F04C18/12;F04C29/00
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本發明公開了一種用于燃料電池的單齒空壓機及其轉子的設計方法，該單齒空壓機由主動軸(1)、從動軸(2)、第一級左齒輪單齒轉子(9)、第一級右齒輪單齒轉子(10)、第二級左齒輪單齒轉子(13)和第二級右齒輪單齒轉子(14)組成。所提出的齒輪單齒轉子的端面型線的各段曲線光滑連接。在嚙合過程中，一對單齒轉子的端面型線能夠實現逐點連續嚙合。采用連接線、齒頂圓弧和齒底圓弧代替了常用的節圓圓弧，既滿足在工作過程中，兩個齒輪單齒轉子和氣缸之間所形成的封閉容積逐漸減小，具有內壓縮過程，又提高了密封性能，能夠有效減小工質通過間隙從高壓側工作腔泄漏至低壓側工作腔，顯著的提高了單齒空壓機的容積效率。

技術領域

本發明屬于壓縮機工程技術領域，特別是一種用于燃料電池的單齒空壓機及其轉子的設計方法。

背景技術

燃料電池是一種高效清潔的發電裝置，是解決化石能源短缺問題的有效途徑?？諌簷C是燃料電池為其提供反應空氣的關鍵設備。中國專利(陶林，白江濤，黃細珍.一種用于燃料電池的兩級離心式壓縮機[P].北京市：CN113323893A，2021-08-31.)，公開了一種用于燃料電池的兩級離心式壓縮機，其特點是提高燃料電池的輸出功率，減小系統體積與重量，使得系統緊湊，但是相比于容積式壓縮機，離心式壓縮機壓縮比小，且長期在小流量高轉速下運行對燃料電池陰極供氣系統的可靠性是一個極大的挑戰；中國專利(王闖，邢子文，李彥澎，等.一種燃料電池用雙螺桿壓縮膨脹一體機[P].陜西省：CN112746958A,2021-05-04.)公開了一種燃料電池用雙螺桿壓縮膨脹一體機，解決了壓縮機和膨脹機流量匹配問題，降低了體積、重量和成本，但由于陰、陽螺桿轉子的三維扭曲結構，導致雙螺桿壓縮機在嚙合過程中不可避免存在泄漏三角形，相比于其他容積式壓縮機，其在小流量工況下，泄漏大。相比于前兩種壓縮機，單齒空壓機結構緊湊、工作腔內無摩擦、可以多級串聯、且無油潤滑保證被輸送空氣的純度，非常適合作為燃料電池的空壓機。

單齒空壓機是一種回轉容積式壓縮機，其主要由氣缸、一對相互嚙合的單齒轉子、同步齒輪和軸承組成。在工作過程中，同步齒輪帶動一對相互嚙合的單齒轉子做同步異向雙回轉運動，相互嚙合的單齒轉子和氣缸之間形成具有周期性變化的多個封閉工作腔，隨著單齒轉子的旋轉，氣體從吸氣口被增壓輸送至排氣口，進而完成氣體的吸入、輸送和排氣過程。

單齒空壓機具有內壓縮過程、干式無油、自清潔能力強、轉子和氣缸之間無接觸摩擦、結構緊湊和易于裝配的優點，近幾年作為燃料電池系統中的空壓機而備受青睞。此外，單齒空壓機也被廣泛應用于化工、冶金、醫藥及食品領域。中國專利(王君，馮浩志，魏蜀紅，等.一種爪式真空泵的直爪轉子及其型線設計方法[P].山東：CN108757464A,2018-11-06.)提出一種直爪轉子，提高了直爪轉子的力學性能，減小了余隙容積。但在單齒空壓機的運行過程中，單齒轉子和單齒轉子之間、單齒轉子和氣缸之間不可避免的會存在間隙。其中，當單齒轉子節圓和單齒轉子節圓嚙合時，由于泄漏通道短，工質從高壓腔沿氣體泄漏通道泄漏至低壓腔，此時的泄漏量最大，而燃料電池用空壓機在工作過程中對工作腔的密封性能要求高，泄漏量大會導致其容積效率小。

發明內容

針對燃料電池用單齒空壓機在工作過程中，其單齒轉子節圓和單齒轉子節圓嚙合時，泄漏通道短、泄漏量大和容積效率低的問題，本發明提出一種用于燃料電池的單齒空壓機，構建出用于該空壓機的全嚙合新型光滑齒輪單齒轉子，該轉子由轉子齒頭、轉子凹槽、弧形節圓凸齒和弧形節圓凹槽組成，并給出了轉子齒頭、轉子凹槽、弧形節圓凸齒和弧形節圓凹槽端面型線的方程；所提出的齒輪單齒轉子的端面型線的各段曲線光滑連接；在嚙合過程中，左弧形節圓和右弧形節圓逐點連續嚙合，無封閉容積形成；本發明采用連接線、齒頂圓弧和齒底圓弧代替了常用的節圓圓弧，既滿足在工作過程中，兩個齒輪單齒轉子和氣缸之間所形成的封閉容積逐漸減小，具有內壓縮過程，又提高了密封性能，能夠有效減小氣體通過間隙從高壓側工作腔泄漏至低壓側工作腔，顯著的提高了單齒空壓機的容積效率；所提出的單齒空壓機的轉子型線對于豐富單齒空壓機型線類型、促進單齒空壓機的發展具有重要意義。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：