[发明专利]一种用于燃料电池的单齿空压机及其转子的设计方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于压缩机工程技术领域，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。

背景技术

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、阳螺杆转子的三维扭曲结构，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。

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。

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。

发明内容

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，本发明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；本发明采用连接线、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。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：