燃料電池羅茨式鼓風機：一種低泄漏量的羅茨鼓風機轉子端面離心密封結構的制作方法

　　本實用新型屬于鼓風機密封裝置技術領域，具體涉及一種低泄漏量的羅茨鼓風機轉子端面離心密封結構。

　　背景技術：

　　羅茨鼓風機屬于容積回轉式鼓風機，是一種典型的氣體增壓與輸送機械，其最大的特點是在使用壓力范圍內排氣量幾乎不變，又由于其結構簡單、維修方便、使用壽命長，安裝方式靈活多變，容積效率高，以及具有輸送介質不含油等特性，因此已經廣泛應用于經濟建設的各個行業。由于羅茨鼓風機轉子與殼體端面間存在相對運動，為了不發生干涉或摩擦，轉子的端面和殼體端面之間就會存在間隙，稱為軸向間隙。如果軸向間隙過小，就會造成殼體端面與轉子端面磨損，同時摩擦產生熱量，通過熱傳導會使軸承溫度增加，從而損壞軸承，影響鼓風機的正常工作；軸向間隙過大，則會出現被壓縮后的氣體經由間隙部分倒流回來的現象，導致風機效率降低、出力不足。現有的技術中，轉子端面與殼體端面之間的間隙都設計的較大，內泄漏大，風機效率低。近年來，圍繞轉子端面密封開發了一些設備，如“羅茨鼓風機轉子端面密封結構”(.4)、“一種用于燃料電池的羅茨氫循環泵端面密封結構”(.9)等。其中，“羅茨鼓風機轉子端面密封結構”加工量大、密封條磨損后嚴重影響轉子使用壽命；“一種用于燃料電池的羅茨氫循環泵端面密封結構”，實現了對轉子端面部分密封，減少了間隙泄漏，但轉子端面未填充區域形成了余隙容積，在不同角度旋轉過程中仍有較多氣體從高壓區向低壓區泄漏，密封也只是簡單停留在填塞方式實現，沒有將高速轉子旋轉時自身的離心力加以應用，也缺乏對密封條熱膨脹方面的考慮和應用，不能很好地實現轉子端面密封。

　　技術實現要素：

　　本實用新型的目的在于提供一種低泄漏量的羅茨鼓風機轉子端面離心密封結構，可以有效降低端面間隙的泄漏量，提高羅茨鼓風機的效率。

　　本實用新型所采用的技術方案是：一種低泄漏量的羅茨鼓風機轉子端面離心密封結構，包括分別開設在羅茨鼓風機轉子兩個端面上的密封槽，密封槽為環形且靠近羅茨鼓風機轉子端面的邊沿，密封槽的外立面為向外側傾斜的傾斜面，密封槽內配合有向外滑出并抵至羅茨鼓風機殼體內壁的密封條，密封槽上沿羅茨鼓風機轉子端面長徑和短徑的外側均開設有槽孔。

　　本實用新型的特點還在于，

　　密封條位于密封槽內的部分與其大小相適應，密封條伸出密封槽的部分靠外一側向內傾斜至與羅茨鼓風機殼體內壁的夾角為銳角。

　　密封槽外立面相對于內立面的傾斜角度為2°～35°。

　　密封槽垂直羅茨鼓風機轉子端面的截面為直角梯形且下底開口。

　　密封條上靠近槽孔的位置均連接有與之相配合的凸塊。

　　本實用新型的有益效果是：本實用新型一種低泄漏量的羅茨鼓風機轉子端面離心密封結構，羅茨鼓風機轉子高速轉動時，通過向外滑出的密封條，使得羅茨鼓風機的端面間隙自動達到最小值，能夠將轉子高速旋轉產生的離心力和熱膨脹綜合應用，有效減少轉子端面與殼體端面之間的氣體泄漏；同時具備易加工和更換的特點，提高羅茨鼓風機的可靠性和風機效率。

　　附圖說明

　　圖1是本實用新型一種低泄漏量的羅茨鼓風機轉子端面離心密封結構的結構示意圖；

　　圖2是本實用新型一種低泄漏量的羅茨鼓風機轉子端面離心密封結構中密封條的結構示意圖；

　　圖3是本實用新型一種低泄漏量的羅茨鼓風機轉子端面離心密封結構沿垂直羅茨鼓風機轉子端面的截面圖；

　　圖4是羅茨鼓風機轉子旋轉時本實用新型一種低泄漏量的羅茨鼓風機轉子端面離心密封結構中密封條的受力方向圖；

　　圖5是羅茨鼓風機轉子0°時的狀態圖；

　　圖6是羅茨鼓風機轉子30°時的狀態圖。

　　圖中，1.羅茨鼓風機轉子，2.密封槽，3.密封條，4.槽孔，5.凸塊，6.羅茨鼓風機殼體。

　　具體實施方式

　　下面結合附圖以及具體實施方式對本實用新型進行詳細說明。

　　本實用新型提供了一種低泄漏量的羅茨鼓風機轉子端面離心密封結構，如圖1和圖2所示，包括分別開設在羅茨鼓風機轉子1兩個端面上的密封槽2，密封槽2為環形且靠近羅茨鼓風機轉子1端面的邊沿，密封槽2的外立面為向外側傾斜的傾斜面，相對于內立面傾斜角度為2°～35°，根據不同轉子轉速選擇不同角度，高轉速轉子傾斜角度相應減小，密封槽2內配合有向外滑出并抵至羅茨鼓風機殼體6內壁的自潤滑材質密封條3，密封條3位于密封槽2內的部分與其大小相適應，密封條3伸出密封槽2的部分靠外一側向內傾斜至與羅茨鼓風機殼體6內壁的夾角為銳角。

　　密封槽2上沿羅茨鼓風機轉子1端面長徑和短徑的外側均開設有槽孔4，密封條3上靠近槽孔4的位置均連接有與之相配合的凸塊5，用于固定密封條3相對位置，實現密封條3因離心力和熱膨脹引起的變形均勻分布在羅茨鼓風機轉子1端面四周，減弱了局部磨損，降低了局部磨損的泄漏程度。

　　如圖3所示，密封槽2垂直羅茨鼓風機轉子1端面的截面為直角梯形且下底開口。

　　工作時，羅茨鼓風機轉子1高速旋轉時，如圖4所示，環形的密封條3受離心力f作用，f力的分力f1垂直于密封槽2斜面，f力的分力f2沿密封槽2斜面向外方向，將密封條3向外側甩，壓緊羅茨鼓風機內側，進一步加強密封效果；密封條3發生部分磨損時，氣體泄漏量有所增大，密封條3受f2分力作用，降低氣體泄漏量；在高速轉子長時間運行溫度升高時，密封條3向外側膨脹，同樣提升密封效果。如圖3所示，羅茨鼓風機轉子1上伸出密封槽2的密封條3靠外一側與羅茨鼓風機殼體6內壁夾角為銳角，即密封條3自身的夾角部位為鈍角，避免了羅茨鼓風機轉子1旋轉時(例如圖5和圖6所示的0°旋轉至30°)密封條3與羅茨鼓風機殼體6內表面相接觸產生的密封條3尖角彎折，或出現被羅茨鼓風機殼體6內表面夾帶出來的可能性；密封條3鈍角的設計同樣易于生產加工。

　　通過上述方式，本實用新型一種低泄漏量的羅茨鼓風機轉子端面離心密封結構，羅茨鼓風機轉子1高速轉動時，通過向外滑出的密封條3，使得羅茨鼓風機的端面間隙自動達到最小值，最大程度上減少了羅茨鼓風機轉子1端面泄漏，將余隙容積進一步減小，密封槽2外立面均為向外側傾斜的傾斜面，高速轉子旋轉產生的離心力的分力沿斜面向外，將密封條3向外側甩，從而加強密封效果，例如在密封條3發生部分磨損情況下，離心力的作用使得剩余部分的密封條3滑出并抵至羅茨鼓風機殼體6內壁從而保證了密封效果；在高速轉子長時間運行溫度升高時，密封條3向外側膨脹，同樣提升密封效果；在轉子端面長徑和短徑密封槽2外側開有沿半徑方向槽孔4，用于固定密封條3相對位置，實現密封條3因離心力和熱膨脹引起的變形均勻分布在轉子端面四周，減弱了局部磨損，降低了局部磨損的泄漏程度。

燃料電池羅茨式鼓風機：一種用于燃料電池的羅茨空壓機的降噪裝置的制作方法

　　技術編號：

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　　本發明涉及一種用于燃料電池的羅茨空壓機的降噪裝置。背景技術燃料電池汽車是一種用車載燃料電池裝置產生的電力作為動力的汽車，而空壓機在燃料電池系統中發揮著重要的作用，但空壓機是一種強噪音設備，空壓機噪音聲級高，高頻突出，傳播距離遠，污染范圍大，特別是某些噪音的頻率與人的內臟器官固有頻率相接近，容易引起共振后使人產生頭暈、惡心、心律過速、高血壓等癥狀。目前空壓機的降噪措施主要是在空壓機外設置吸音材料，但這種簡單的消音措施效果一般，尤其是空壓機排氣口的高速氣流在管道中會產生很大噪音，空壓機轉子的葉片數量...

　　該技術已申請專利，請尊重研發人員的辛勤研發付出，在未取得專利權人授權前，僅供技術研究參考不得用于商業用途。

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燃料電池羅茨式鼓風機：燃料電池用空氣壓縮機（空壓機）發展現狀、技術路線及代表廠商分析

　　燃料電池是一種將燃料和氧氣結合起來產生電力的電化學裝置。因為其在將化學能轉化為電能的過程中產生的大部分是水，有害氣體較少，因此對環境污染較小。同時它的能量轉換由于不經過燃燒，理論上轉換效率可達90%以上，實際可達到60%。燃料電池沒有機械傳動部件，因此也不會產生噪音。燃料電池系統負荷變動的適應能力也比火力發電強，燃料電池發電處理變動率可達每分鐘66%，調節范圍教大，應答速度快，運行平穩。

　　燃料電池汽車八大核心部件構成

　　資料來源：公開資料

　　燃料電池系統主要由燃料電池堆、空氣循環系統、供氫系統、水/熱管理系統、電控系統這五大系統構成。而空壓機則是空氣循環系統中的重要組成部分，燃料電池用的氧氣基本來源于空氣，而空氣則需要鼓風機（低壓燃料電池）或空壓機（高壓燃料電池）將空氣泵入燃料電池堆。同時空壓機還能利用消耗了部分氧氣排出反應堆的輸入氣體轉化的機械能，從而節省電能。

　　燃料電池整車成本構成

　　資料來源：立鼎產業研究中心

　　燃料電池系統成本構成

　　資料來源：立鼎產業研究中心

　　立鼎產業研究中心發布的《2021年版全球及中國空壓機行業發展現狀分析及發展趨勢研究報告》數據顯示，目前燃料 電池的成本中占比最大的是燃料電池堆，占到總成本的61%，其次就是空氣循環系統，占到總成本的15%。而空壓機則是空氣循環系統中極為重要的組件之一，降低空壓機的成本可以在一定程度上降低空氣循環系統在燃料電池總成本中的比例，從而降低燃料電池總成本。

　　燃料電池汽車五大系統構成

　　資料來源：立鼎產業研究中心

　　燃料電池進氣工作示意圖

　　來源：豐田Mirai

　　燃料電池空壓機通過對進堆空氣進行增壓，可以提高燃料電池系統的效率和緊湊性。為使燃料電池保持良好的工作特性和工作效率，適用于燃料電池的空壓機還需要滿足以下幾點特性：

　　無油且有一定濕度：傳統壓縮機中往往使用潤滑油，但潤滑油會污染電堆內芯，使電堆中毒降低反應活度。

　　較高能量轉換率：空壓機的效率會直接影響燃料電池的效率。高效的空壓機可以有效提高燃料電池的效率。

　　動態響應能力高：空壓機可以隨著需求功率變化及時調整輸出功率。

　　低噪聲：空壓機的噪聲是燃料電池噪聲的主要來源，因此需要盡可能減小空壓機的噪聲。

　　小型化且低成本：空壓機的體積、質量和成本大大影響整個燃料電池的體積、質量和成本，小型化且低成本的空壓機有利于未來燃料電池的發展，從而推動燃料電池汽車的產業化。

　　盡管國內目前空壓機種類繁多，但缺少效率高而且能夠為燃料電池提供清潔無油氣體的空壓機，其中阻礙適用燃料電池的空壓機發展的最主要因素之一就是需要保證壓縮氣體絕對無油。由于燃料電池需要絕對無油的空氣這一特點，傳統的空氣壓縮機并不能用于燃料電池系統，因此需要開發燃料電池專用的無油壓縮機。

　　目前燃料電池系統使用的空壓機類型主要有離心式、渦旋式、螺桿式。離心式壓縮機效率較高，響應較快；渦旋式壓縮機效率也較高，噪聲低，質量輕；螺桿式結構簡單較為可靠，都具有較好的發展前景。目前代表性車企使用的以離心式和羅茨式為主，其中離心式業界評價較高。

　　目前代表性燃料電池車企使用的空壓機類型

　　來源：公開資料i

　　離心式壓縮機在功率密度、效率、噪聲等方面具有最好的綜合效果，被業界認為是較有前途的燃料電池空氣增壓方式之一。豐田Mirai燃料電池系統目前是搭配的六葉螺桿羅茨式空壓機，由豐田自動織機公司開發。從目前國內外研究發展方向來看，離心式和羅茨式空氣壓縮機或將是今后主流的發展方向。同時，隨著燃料電池系統對空氣供應系統性能要求的提高，離心式空壓機與渦輪匹配工作也將成為燃料電池用空壓機未來發展的主要趨勢之一。

　　燃料電池空壓機技術路線對比

　　來源：公開資料i

燃料電池羅茨式鼓風機：燃料電池空壓機國產化揭秘 離心式或將成為未來主流！

　　來源：高工鋰電網

　　隨著國內氫燃料電池汽車市場不斷擴大，圍繞燃料電池的核心零部件也在加快國產化替代的步伐，空壓機有望成為氫燃料電池系統輔件中最快實現突圍的零部件。

　　空壓機是燃料電池的“肺”

　　作為氫燃料電池系統供應鏈系統輔件(BOP)中的重要一環，空壓機相當于燃料電池的“肺”，它通過對進堆空氣進行增壓，從而提高燃料電池的功率密度和效率。

　　空壓機輸出的壓力和流量甚至在很大程度上可以直接影響燃料電池發動機中的化學計量比和空氣加濕特性，進而影響燃料電池堆的電壓輸出和燃料電池發動機的功率輸出。

　　“燃料電池空壓機不同于常規空壓機，也有別于傳統發動機的電子增壓器，它應該是一個新物種。”國內一家燃料電池電堆廠的技術負責人告訴高工氫電，適用于燃料電池的空壓機需要滿足絕對無油、低噪聲、高可靠性、高效、小型化、工作范圍寬、良好的動態響應能力、良好的熱管理、低成本等諸多嚴苛要求。

　　空壓機在做功過程中，效率、進出壓縮比是性能的重要指標，使用在燃料電池上，空壓機需要具備以下特性：

　　(1)在燃料電池的使用中的空壓機需要無油化，空壓機如果使用潤滑油，會致使電堆發生中毒，因此空壓機需要采用水潤滑軸承或空氣軸承。

　　(2)小型化及輕量化，提高空壓機的壓縮能力，可以通過增加容積，或者增加軸承轉速兩種方式，小型化高轉速是大勢所趨。

　　(3)乘坐車輛的舒適性需要低噪音，目前國內的很多車輛噪音較大和空壓機密切相關，噪音源主要來自于空氣與管道之間的摩擦以及空壓機高機械轉動的聲音及轉動的聲音。

　　(4)規模化后成本可控，燃料電池受其功率密度和成本的限制，小型化和低成本有助于燃料電池汽車的產業化。

　　(5)控制系統，車輛對需要功率變化較大，空壓機需要能夠及時地做出響應，對空氣流量進行控制。

　　而根據燃料電池的空氣進氣壓力，燃料電池可分為低壓(30kPa)、中壓(60-100kPa)和高壓(150-300kPa)燃料電池。低壓燃料電池一般用于通信電源、備用電源、無人機等領域；而中壓燃料電池一般應用于客車、物流車等交通領域；乘用車一般配置高壓燃料電池。

　　因此，針對不同的燃料電池系統的性能需求，往往需要不同的空氣壓縮機與其匹配，目前常用的空壓機類型有螺桿式、離心式、渦旋式和羅茨式等不同類型。

　　另一方面，對于氫燃料電池來說，由于質子交換膜需要保持良好的工作特性，這就要求供氣系統供給燃料電池堆的壓縮空氣必須絕對干凈，因此，對空壓機技術要求十分高。

　　離心式空壓機是氫燃料電池的發展趨勢

　　2021年起，國內燃料電池空壓機供應商逐漸增多，不過供應的產品大多適用于商用車領域，乘用車領域的空壓機要求的壓比更高，依然以國外采購為主。

　　從目前國內的氫燃料電池市場來看，螺桿式空壓機所占市場份額相對較多，但現在已經有越來越多的燃料電池電堆和系統廠商開始替換離心式空壓機。

　　“今年年初到現在我們已經供貨100多臺了，全部是離心式空壓機。”國內一家空壓機企業高層向高工氫電透露，燃料電池企業對空壓機的接受度正在逐步提高，特別是離心式空壓機。

　　從目前市場情況來說，有抱負的主機廠面臨的最大的問題就是降成本的問題，考慮開發成本、市場規模和管理等綜合因素，離心壓縮機的成本最高，但是由于其結構緊密的特性，體量最小，物理結構決定，在未來大批量條件下，其成本下降空間最大。

　　“隨著燃料電池系統對空氣供應系統性能要求的提高，離心式空壓機或將成為燃料電池用空壓機未來發展的主要趨勢。”廣東一家燃料電池企業的技術總監認為，從高效、小型化和降噪方面考慮，離心式空壓機更符合未來的需求。

　　值得注意的是，離心式空壓機在低流量時會發生喘振現象，這將嚴重影響系統的性能和空壓機的使用壽命。

　　對于有些燃料電池廠商來說，國產空壓機在可靠性和使用壽命上還缺乏足夠的驗證，因此在實際的裝車運營方面還是以進口產品為主。

　　國產VS進口 可靠性和售后服務的比拼

　　從國外情況來看，霍尼韋爾(蓋瑞特)在空壓機的技術上表現突出，在功率密度、效率、噪聲等方面都有很好的表現，其空壓機主要供貨本田。但在國內市場，UQM獨占鰲頭，根據相關公開資料，去年UQM曾在中國市場收獲了300萬美元的空壓機訂單。

　　除此以外，還有Fisher、Hanon、TNE、Vairex等公司能供應燃料電池空壓機產品。

　　“目前世界范圍內，尚未有完全成熟的、完全滿足用戶要求的產品。國外的某些廠家起步稍早，國內外空壓機技術水平有一定的距離，但這個距離是我們可以努力追上的。”在談到跟國外的差距時，上述空壓機企業高層表示。

　　據了解，國內一些傳統領域的空壓機廠，由于自身有技術儲備，在燃料電池蓄勢待發的過程中，已經開始了對空壓機的研發和樣機測試。還有一部分企業長期從事氣體壓縮領域的工作，通過人才引進及其他方式也制造了屬于自己的空壓機。

　　根據相關調研數據，目前國內有近10家空壓機企業在給燃料電池企業送樣做配套，其中，有好幾家已經在小批量供貨。

　　從世界范圍內空壓機技術路線來看，螺桿式、離心式、渦旋式和羅茨式各種技術路線百家爭鳴，但從中國市場來看，未來使用離心式空壓機是主流意見，但是最終大規模產業化來臨之前，還需要繼續完善。

　　據行業人士透露，目前單購一臺30KW的進口空壓機價格在12萬左右，單購一臺國產空壓機只需8萬左右，如果是批量采購，價格則會降低一倍以上。

　　“目前來看，國產空壓機最大的優勢在于性價比和售后服務。”國內一家燃料電池系統企業負責人認為，目前依賴進口核心部件中，空壓機率先進行國產化的可能性很大，在試運營階段問題還不大，但要滿足未來大批量需求，還要在可靠性和使用壽命上下功夫。

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