某型車用高速離心空壓機氣動設(shè)計

摘

要：針對某型車載氫燃料電池的空氣供應系統(tǒng)需求，開展高速離心式空壓機氣動設(shè)計，包括一維設(shè)計與三維數(shù)值計算分析，并分析壓氣機內(nèi)部流場情況，該壓氣機設(shè)計滿足車載氫燃料電池電堆壓縮空氣要求的壓比、流量以及效率，獲得了高效的空壓機氣動設(shè)計結(jié)果。關(guān)鍵詞：燃料電池；離心壓氣機；氣動設(shè)計；數(shù)值分析0引言當前，汽車工業(yè)的發(fā)展受到全球能源與環(huán)境限制，需要加快節(jié)能減排的步伐，利用氫能的新能源汽車是目前的主要發(fā)展方向。美國空壓機已成功應用于日本本田的氫燃料電池車，瑞典公司的雙螺桿空壓機為加拿大巴拉德燃料電池廠供貨，豐田自動織機為Mirai燃料電池車提供了四葉羅茨式空壓機。國內(nèi)在氫燃料電池汽車方面的研究起步較晚，相關(guān)關(guān)鍵部件的配套還處于研究階段，嚴重影響了氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，國內(nèi)有關(guān)氫燃料電池專用空壓機的研究還集中于高校。同濟大學研發(fā)的用于65kW燃料電池系統(tǒng)的高速電機驅(qū)動離心空壓機，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了離心式空壓機在80

000r/min下的穩(wěn)定運行；浙江大學開發(fā)了一款離心式空壓機，壓比為1.6，流量為165g/s；北京科技大學研發(fā)了一種水潤滑電動離心式空壓機，整體效率接近70%。針對某型號車載氫燃料電池開展100g/s、壓比2.5的車用離心式空壓機氣動設(shè)計，聚焦國家氫能發(fā)展戰(zhàn)略，對推動我國氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。1總體設(shè)計本文選擇空壓機設(shè)計轉(zhuǎn)速為90

000r/min，采用兩級串聯(lián)形式。采用兩級壓氣機串聯(lián)增壓的形式，可減小單級壓氣機的增壓比，提高空壓機效率。兩級壓氣機葉輪背靠背布置在電機兩端，可使兩級離心葉輪產(chǎn)生的軸向力相互抵消，大幅減小軸向力?？諌簷C總體布置方案如圖1所示，中間為高速永磁電機，兩側(cè)為兩級壓氣機。2一維氣動設(shè)計根據(jù)壓氣機總體方案設(shè)計確定的參數(shù)，對兩級壓氣機開展聯(lián)合設(shè)計，經(jīng)初步設(shè)計計算，得到兩級壓氣機的設(shè)計結(jié)果，如表1所示。圖2所示為不同轉(zhuǎn)速下空壓機的氣動性能曲線，包括流量—壓比、流量—效率曲線。通過流量—壓比關(guān)系曲線可以看到，隨著壓氣機轉(zhuǎn)速的升高，壓氣機的壓比增幅變大，高轉(zhuǎn)速下壓氣機流量范圍寬于低轉(zhuǎn)速工況下流量范圍；通過流量—效率曲線可以看到，隨著轉(zhuǎn)速的增加，壓氣機效率曲線向流量增大的方向平移，且最高效率點逐漸增大。空壓機在設(shè)計點的壓比為2.55，流量為100g/s，功率為11.5kW，氣動效率為80.5%。3三維數(shù)值分析根據(jù)一維氣動設(shè)計結(jié)果開展兩級壓氣機的三維數(shù)值分析，因壓氣機軸向?qū)ΨQ，進行三維數(shù)值計算時選擇單流道，減少計算量，提高計算速度，圖3所示為低壓級壓氣機的計算模型。圖4所示為高壓級壓氣機內(nèi)部流線分布情況，在葉輪的壓力面上流線分布均勻，在吸力面上受到葉輪流道內(nèi)從壓力面指向吸力面的壓力梯度的影響程度較小的周向偏移。在蝸殼內(nèi)，流線分布均勻，說明流體流動情況良好。圖5所示為高壓級壓氣機葉輪50%葉高截面的總壓分布云圖，在葉輪進口軸向段，流體壓力幾乎不變，進入徑向段后，壓力沿流線方向均勻升高，表明葉輪流道內(nèi)增壓情況良好。4結(jié)論本文針對某型車載氫燃料電池用空壓機開展了氣動設(shè)計，得到一維氣動設(shè)計結(jié)果，并針對兩級壓氣機開展了三維數(shù)值分析。（1）空壓機采用兩級離心串聯(lián)增壓的形式，對排布置在高速永磁電機兩側(cè)，抵消部分軸向推力，提高整體結(jié)構(gòu)的強度。（2）空壓機設(shè)計轉(zhuǎn)速90

000r/min，在設(shè)計點，空壓機流量達到100g/s，壓比為2.5