燃料电池罗茨式鼓风机_罗茨鼓风机

燃料电池罗茨式鼓风机：一种低泄漏量的罗茨鼓风机转子端面离心密封结构的制作方法

　　本实用新型属于鼓风机密封装置技术领域，具体涉及一种低泄漏量的罗茨鼓风机转子端面离心密封结构。

　　背景技术：

　　罗茨鼓风机属于容积回转式鼓风机，是一种典型的气体增压与输送机械，其最大的特点是在使用压力范围内排气量几乎不变，又由于其结构简单、维修方便、使用寿命长，安装方式灵活多变，容积效率高，以及具有输送介质不含油等特性，因此已经广泛应用于经济建设的各个行业。由于罗茨鼓风机转子与壳体端面间存在相对运动，为了不发生干涉或摩擦，转子的端面和壳体端面之间就会存在间隙，称为轴向间隙。如果轴向间隙过小，就会造成壳体端面与转子端面磨损，同时摩擦产生热量，通过热传导会使轴承温度增加，从而损坏轴承，影响鼓风机的正常工作；轴向间隙过大，则会出现被压缩后的气体经由间隙部分倒流回来的现象，导致风机效率降低、出力不足。现有的技术中，转子端面与壳体端面之间的间隙都设计的较大，内泄漏大，风机效率低。近年来，围绕转子端面密封开发了一些设备，如“罗茨鼓风机转子端面密封结构”(.4)、“一种用于燃料电池的罗茨氢循环泵端面密封结构”(.9)等。其中，“罗茨鼓风机转子端面密封结构”加工量大、密封条磨损后严重影响转子使用寿命；“一种用于燃料电池的罗茨氢循环泵端面密封结构”，实现了对转子端面部分密封，减少了间隙泄漏，但转子端面未填充区域形成了余隙容积，在不同角度旋转过程中仍有较多气体从高压区向低压区泄漏，密封也只是简单停留在填塞方式实现，没有将高速转子旋转时自身的离心力加以应用，也缺乏对密封条热膨胀方面的考虑和应用，不能很好地实现转子端面密封。

　　技术实现要素：

　　本实用新型的目的在于提供一种低泄漏量的罗茨鼓风机转子端面离心密封结构，可以有效降低端面间隙的泄漏量，提高罗茨鼓风机的效率。

　　本实用新型所采用的技术方案是：一种低泄漏量的罗茨鼓风机转子端面离心密封结构，包括分别开设在罗茨鼓风机转子两个端面上的密封槽，密封槽为环形且靠近罗茨鼓风机转子端面的边沿，密封槽的外立面为向外侧倾斜的倾斜面，密封槽内配合有向外滑出并抵至罗茨鼓风机壳体内壁的密封条，密封槽上沿罗茨鼓风机转子端面长径和短径的外侧均开设有槽孔。

　　本实用新型的特点还在于，

　　密封条位于密封槽内的部分与其大小相适应，密封条伸出密封槽的部分靠外一侧向内倾斜至与罗茨鼓风机壳体内壁的夹角为锐角。

　　密封槽外立面相对于内立面的倾斜角度为2°～35°。

　　密封槽垂直罗茨鼓风机转子端面的截面为直角梯形且下底开口。

　　密封条上靠近槽孔的位置均连接有与之相配合的凸块。

　　本实用新型的有益效果是：本实用新型一种低泄漏量的罗茨鼓风机转子端面离心密封结构，罗茨鼓风机转子高速转动时，通过向外滑出的密封条，使得罗茨鼓风机的端面间隙自动达到最小值，能够将转子高速旋转产生的离心力和热膨胀综合应用，有效减少转子端面与壳体端面之间的气体泄漏；同时具备易加工和更换的特点，提高罗茨鼓风机的可靠性和风机效率。

　　附图说明

　　图1是本实用新型一种低泄漏量的罗茨鼓风机转子端面离心密封结构的结构示意图；

　　图2是本实用新型一种低泄漏量的罗茨鼓风机转子端面离心密封结构中密封条的结构示意图；

　　图3是本实用新型一种低泄漏量的罗茨鼓风机转子端面离心密封结构沿垂直罗茨鼓风机转子端面的截面图；

　　图4是罗茨鼓风机转子旋转时本实用新型一种低泄漏量的罗茨鼓风机转子端面离心密封结构中密封条的受力方向图；

　　图5是罗茨鼓风机转子0°时的状态图；

　　图6是罗茨鼓风机转子30°时的状态图。

　　图中，1.罗茨鼓风机转子，2.密封槽，3.密封条，4.槽孔，5.凸块，6.罗茨鼓风机壳体。

　　具体实施方式

　　下面结合附图以及具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

　　本实用新型提供了一种低泄漏量的罗茨鼓风机转子端面离心密封结构，如图1和图2所示，包括分别开设在罗茨鼓风机转子1两个端面上的密封槽2，密封槽2为环形且靠近罗茨鼓风机转子1端面的边沿，密封槽2的外立面为向外侧倾斜的倾斜面，相对于内立面倾斜角度为2°～35°，根据不同转子转速选择不同角度，高转速转子倾斜角度相应减小，密封槽2内配合有向外滑出并抵至罗茨鼓风机壳体6内壁的自润滑材质密封条3，密封条3位于密封槽2内的部分与其大小相适应，密封条3伸出密封槽2的部分靠外一侧向内倾斜至与罗茨鼓风机壳体6内壁的夹角为锐角。

　　密封槽2上沿罗茨鼓风机转子1端面长径和短径的外侧均开设有槽孔4，密封条3上靠近槽孔4的位置均连接有与之相配合的凸块5，用于固定密封条3相对位置，实现密封条3因离心力和热膨胀引起的变形均匀分布在罗茨鼓风机转子1端面四周，减弱了局部磨损，降低了局部磨损的泄漏程度。

　　如图3所示，密封槽2垂直罗茨鼓风机转子1端面的截面为直角梯形且下底开口。

　　工作时，罗茨鼓风机转子1高速旋转时，如图4所示，环形的密封条3受离心力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，将密封条3向外侧甩，压紧罗茨鼓风机内侧，进一步加强密封效果；密封条3发生部分磨损时，气体泄漏量有所增大，密封条3受f2分力作用，降低气体泄漏量；在高速转子长时间运行温度升高时，密封条3向外侧膨胀，同样提升密封效果。如图3所示，罗茨鼓风机转子1上伸出密封槽2的密封条3靠外一侧与罗茨鼓风机壳体6内壁夹角为锐角，即密封条3自身的夹角部位为钝角，避免了罗茨鼓风机转子1旋转时(例如图5和图6所示的0°旋转至30°)密封条3与罗茨鼓风机壳体6内表面相接触产生的密封条3尖角弯折，或出现被罗茨鼓风机壳体6内表面夹带出来的可能性；密封条3钝角的设计同样易于生产加工。

　　通过上述方式，本实用新型一种低泄漏量的罗茨鼓风机转子端面离心密封结构，罗茨鼓风机转子1高速转动时，通过向外滑出的密封条3，使得罗茨鼓风机的端面间隙自动达到最小值，最大程度上减少了罗茨鼓风机转子1端面泄漏，将余隙容积进一步减小，密封槽2外立面均为向外侧倾斜的倾斜面，高速转子旋转产生的离心力的分力沿斜面向外，将密封条3向外侧甩，从而加强密封效果，例如在密封条3发生部分磨损情况下，离心力的作用使得剩余部分的密封条3滑出并抵至罗茨鼓风机壳体6内壁从而保证了密封效果；在高速转子长时间运行温度升高时，密封条3向外侧膨胀，同样提升密封效果；在转子端面长径和短径密封槽2外侧开有沿半径方向槽孔4，用于固定密封条3相对位置，实现密封条3因离心力和热膨胀引起的变形均匀分布在转子端面四周，减弱了局部磨损，降低了局部磨损的泄漏程度。

燃料电池罗茨式鼓风机：一种用于燃料电池的罗茨空压机的降噪装置的制作方法

　　技术编号：

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　　本发明涉及一种用于燃料电池的罗茨空压机的降噪装置。背景技术燃料电池汽车是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车，而空压机在燃料电池系统中发挥着重要的作用，但空压机是一种强噪音设备，空压机噪音声级高，高频突出，传播距离远，污染范围大，特别是某些噪音的频率与人的内脏器官固有频率相接近，容易引起共振后使人产生头晕、恶心、心律过速、高血压等症状。目前空压机的降噪措施主要是在空压机外设置吸音材料，但这种简单的消音措施效果一般，尤其是空压机排气口的高速气流在管道中会产生很大噪音，空压机转子的叶片数量...

　　该技术已申请专利，请尊重研发人员的辛勤研发付出，在未取得专利权人授权前，仅供技术研究参考不得用于商业用途。

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燃料电池罗茨式鼓风机：燃料电池用空气压缩机（空压机）发展现状、技术路线及代表厂商分析

　　燃料电池是一种将燃料和氧气结合起来产生电力的电化学装置。因为其在将化学能转化为电能的过程中产生的大部分是水，有害气体较少，因此对环境污染较小。同时它的能量转换由于不经过燃烧，理论上转换效率可达90%以上，实际可达到60%。燃料电池没有机械传动部件，因此也不会产生噪音。燃料电池系统负荷变动的适应能力也比火力发电强，燃料电池发电处理变动率可达每分钟66%，调节范围教大，应答速度快，运行平稳。

　　燃料电池汽车八大核心部件构成

　　资料来源：公开资料

　　燃料电池系统主要由燃料电池堆、空气循环系统、供氢系统、水/热管理系统、电控系统这五大系统构成。而空压机则是空气循环系统中的重要组成部分，燃料电池用的氧气基本来源于空气，而空气则需要鼓风机（低压燃料电池）或空压机（高压燃料电池）将空气泵入燃料电池堆。同时空压机还能利用消耗了部分氧气排出反应堆的输入气体转化的机械能，从而节省电能。

　　燃料电池整车成本构成

　　资料来源：立鼎产业研究中心

　　燃料电池系统成本构成

　　资料来源：立鼎产业研究中心

　　立鼎产业研究中心发布的《2021年版全球及中国空压机行业发展现状分析及发展趋势研究报告》数据显示，目前燃料 电池的成本中占比最大的是燃料电池堆，占到总成本的61%，其次就是空气循环系统，占到总成本的15%。而空压机则是空气循环系统中极为重要的组件之一，降低空压机的成本可以在一定程度上降低空气循环系统在燃料电池总成本中的比例，从而降低燃料电池总成本。

　　燃料电池汽车五大系统构成

　　资料来源：立鼎产业研究中心

　　燃料电池进气工作示意图

　　来源：丰田Mirai

　　燃料电池空压机通过对进堆空气进行增压，可以提高燃料电池系统的效率和紧凑性。为使燃料电池保持良好的工作特性和工作效率，适用于燃料电池的空压机还需要满足以下几点特性：

　　无油且有一定湿度：传统压缩机中往往使用润滑油，但润滑油会污染电堆内芯，使电堆中毒降低反应活度。

　　较高能量转换率：空压机的效率会直接影响燃料电池的效率。高效的空压机可以有效提高燃料电池的效率。

　　动态响应能力高：空压机可以随着需求功率变化及时调整输出功率。

　　低噪声：空压机的噪声是燃料电池噪声的主要来源，因此需要尽可能减小空压机的噪声。

　　小型化且低成本：空压机的体积、质量和成本大大影响整个燃料电池的体积、质量和成本，小型化且低成本的空压机有利于未来燃料电池的发展，从而推动燃料电池汽车的产业化。

　　尽管国内目前空压机种类繁多，但缺少效率高而且能够为燃料电池提供清洁无油气体的空压机，其中阻碍适用燃料电池的空压机发展的最主要因素之一就是需要保证压缩气体绝对无油。由于燃料电池需要绝对无油的空气这一特点，传统的空气压缩机并不能用于燃料电池系统，因此需要开发燃料电池专用的无油压缩机。

　　目前燃料电池系统使用的空压机类型主要有离心式、涡旋式、螺杆式。离心式压缩机效率较高，响应较快；涡旋式压缩机效率也较高，噪声低，质量轻；螺杆式结构简单较为可靠，都具有较好的发展前景。目前代表性车企使用的以离心式和罗茨式为主，其中离心式业界评价较高。

　　目前代表性燃料电池车企使用的空压机类型

　　来源：公开资料i

　　离心式压缩机在功率密度、效率、噪声等方面具有最好的综合效果，被业界认为是较有前途的燃料电池空气增压方式之一。丰田Mirai燃料电池系统目前是搭配的六叶螺杆罗茨式空压机，由丰田自动织机公司开发。从目前国内外研究发展方向来看，离心式和罗茨式空气压缩机或将是今后主流的发展方向。同时，随着燃料电池系统对空气供应系统性能要求的提高，离心式空压机与涡轮匹配工作也将成为燃料电池用空压机未来发展的主要趋势之一。

　　燃料电池空压机技术路线对比

　　来源：公开资料i

燃料电池罗茨式鼓风机：燃料电池空压机国产化揭秘 离心式或将成为未来主流！

　　来源：高工锂电网

　　随着国内氢燃料电池汽车市场不断扩大，围绕燃料电池的核心零部件也在加快国产化替代的步伐，空压机有望成为氢燃料电池系统辅件中最快实现突围的零部件。

　　空压机是燃料电池的“肺”

　　作为氢燃料电池系统供应链系统辅件(BOP)中的重要一环，空压机相当于燃料电池的“肺”，它通过对进堆空气进行增压，从而提高燃料电池的功率密度和效率。

　　空压机输出的压力和流量甚至在很大程度上可以直接影响燃料电池发动机中的化学计量比和空气加湿特性，进而影响燃料电池堆的电压输出和燃料电池发动机的功率输出。

　　“燃料电池空压机不同于常规空压机，也有别于传统发动机的电子增压器，它应该是一个新物种。”国内一家燃料电池电堆厂的技术负责人告诉高工氢电，适用于燃料电池的空压机需要满足绝对无油、低噪声、高可靠性、高效、小型化、工作范围宽、良好的动态响应能力、良好的热管理、低成本等诸多严苛要求。

　　空压机在做功过程中，效率、进出压缩比是性能的重要指标，使用在燃料电池上，空压机需要具备以下特性：

　　(1)在燃料电池的使用中的空压机需要无油化，空压机如果使用润滑油，会致使电堆发生中毒，因此空压机需要采用水润滑轴承或空气轴承。

　　(2)小型化及轻量化，提高空压机的压缩能力，可以通过增加容积，或者增加轴承转速两种方式，小型化高转速是大势所趋。

　　(3)乘坐车辆的舒适性需要低噪音，目前国内的很多车辆噪音较大和空压机密切相关，噪音源主要来自于空气与管道之间的摩擦以及空压机高机械转动的声音及转动的声音。

　　(4)规模化后成本可控，燃料电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电池汽车的产业化。

　　(5)控制系统，车辆对需要功率变化较大，空压机需要能够及时地做出响应，对空气流量进行控制。

　　而根据燃料电池的空气进气压力，燃料电池可分为低压(30kPa)、中压(60-100kPa)和高压(150-300kPa)燃料电池。低压燃料电池一般用于通信电源、备用电源、无人机等领域；而中压燃料电池一般应用于客车、物流车等交通领域；乘用车一般配置高压燃料电池。

　　因此，针对不同的燃料电池系统的性能需求，往往需要不同的空气压缩机与其匹配，目前常用的空压机类型有螺杆式、离心式、涡旋式和罗茨式等不同类型。

　　另一方面，对于氢燃料电池来说，由于质子交换膜需要保持良好的工作特性，这就要求供气系统供给燃料电池堆的压缩空气必须绝对干净，因此，对空压机技术要求十分高。

　　离心式空压机是氢燃料电池的发展趋势

　　2021年起，国内燃料电池空压机供应商逐渐增多，不过供应的产品大多适用于商用车领域，乘用车领域的空压机要求的压比更高，依然以国外采购为主。

　　从目前国内的氢燃料电池市场来看，螺杆式空压机所占市场份额相对较多，但现在已经有越来越多的燃料电池电堆和系统厂商开始替换离心式空压机。

　　“今年年初到现在我们已经供货100多台了，全部是离心式空压机。”国内一家空压机企业高层向高工氢电透露，燃料电池企业对空压机的接受度正在逐步提高，特别是离心式空压机。

　　从目前市场情况来说，有抱负的主机厂面临的最大的问题就是降成本的问题，考虑开发成本、市场规模和管理等综合因素，离心压缩机的成本最高，但是由于其结构紧密的特性，体量最小，物理结构决定，在未来大批量条件下，其成本下降空间最大。

　　“随着燃料电池系统对空气供应系统性能要求的提高，离心式空压机或将成为燃料电池用空压机未来发展的主要趋势。”广东一家燃料电池企业的技术总监认为，从高效、小型化和降噪方面考虑，离心式空压机更符合未来的需求。

　　值得注意的是，离心式空压机在低流量时会发生喘振现象，这将严重影响系统的性能和空压机的使用寿命。

　　对于有些燃料电池厂商来说，国产空压机在可靠性和使用寿命上还缺乏足够的验证，因此在实际的装车运营方面还是以进口产品为主。

　　国产VS进口 可靠性和售后服务的比拼

　　从国外情况来看，霍尼韦尔(盖瑞特)在空压机的技术上表现突出，在功率密度、效率、噪声等方面都有很好的表现，其空压机主要供货本田。但在国内市场，UQM独占鳌头，根据相关公开资料，去年UQM曾在中国市场收获了300万美元的空压机订单。

　　除此以外，还有Fisher、Hanon、TNE、Vairex等公司能供应燃料电池空压机产品。

　　“目前世界范围内，尚未有完全成熟的、完全满足用户要求的产品。国外的某些厂家起步稍早，国内外空压机技术水平有一定的距离，但这个距离是我们可以努力追上的。”在谈到跟国外的差距时，上述空压机企业高层表示。

　　据了解，国内一些传统领域的空压机厂，由于自身有技术储备，在燃料电池蓄势待发的过程中，已经开始了对空压机的研发和样机测试。还有一部分企业长期从事气体压缩领域的工作，通过人才引进及其他方式也制造了属于自己的空压机。

　　根据相关调研数据，目前国内有近10家空压机企业在给燃料电池企业送样做配套，其中，有好几家已经在小批量供货。

　　从世界范围内空压机技术路线来看，螺杆式、离心式、涡旋式和罗茨式各种技术路线百家争鸣，但从中国市场来看，未来使用离心式空压机是主流意见，但是最终大规模产业化来临之前，还需要继续完善。

　　据行业人士透露，目前单购一台30KW的进口空压机价格在12万左右，单购一台国产空压机只需8万左右，如果是批量采购，价格则会降低一倍以上。

　　“目前来看，国产空压机最大的优势在于性价比和售后服务。”国内一家燃料电池系统企业负责人认为，目前依赖进口核心部件中，空压机率先进行国产化的可能性很大，在试运营阶段问题还不大，但要满足未来大批量需求，还要在可靠性和使用寿命上下功夫。

罗茨鼓风机的组成 天津市罗茨鼓风机有限公司 黑龙江罗茨鼓风机 锦工罗茨鼓风机

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