車載燃料電池高速離心壓氣機(jī)葉輪設(shè)計(jì)

史成龍 張洪信 趙清海 華青松

摘要：為解決燃料電池空氣進(jìn)入量不足導(dǎo)致效率較低的問題，本文設(shè)計(jì)了一款高速車載燃料電池離心壓氣機(jī)葉輪，通過Concepts NREC中的Compal模塊，對壓氣機(jī)進(jìn)行二維循環(huán)設(shè)計(jì)，同時(shí)采用AxCent模塊進(jìn)行離心壓氣機(jī)葉片幾何設(shè)計(jì)，并使用Ansys中的流體仿真軟件（computational fluid X，CFX）對葉輪流域進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)仿真（computational gluid dynamics，CFD），將得到的流域情形與二維仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比研究。研究結(jié)果表明，該離心壓氣機(jī)由電機(jī)驅(qū)動，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下葉輪最高效率可達(dá)08，工作范圍為0012～014 kg/s，得到效果較好的流域，印證了二維設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。該設(shè)計(jì)具有較寬的工作范圍，能滿足汽車對空氣壓縮機(jī)的要求，尤其在低流量范圍，能更好的適應(yīng)汽車行駛過程中的低速車況。該研究對我國新能源的發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：燃料電池; 高速電機(jī); 離心壓氣機(jī); CFX; 流體仿真; 低速車況

中圖分類號： U463.63+3; TH452??文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

隨著環(huán)境問題的日益突出與能源危機(jī)的加劇，車用能源的研究已從傳統(tǒng)能源向著新能源方向發(fā)展。燃料電池作為一種新型清潔能源，具有零排放或接近零排放、避免機(jī)油泄露帶來的污染、減少溫室氣體排放、運(yùn)行較平穩(wěn)等優(yōu)勢[13]。近年來，世界各國與各大公司把研究目光投入到燃料電池的發(fā)展方向上，空氣壓縮機(jī)作為燃料電池的重要組件，其性能對燃料電池至關(guān)重要，且與燃料電池性能具有直接關(guān)系，雖然加壓的燃料電池供給系統(tǒng)具有更好的性能，但容積式壓氣機(jī)難以與渦輪相匹配。而離心壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、單極壓比高、小流量、易損件少、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音少等一系列優(yōu)點(diǎn)，已應(yīng)用到航空航天、汽車等多種領(lǐng)域，被認(rèn)為是將來最有前景的增壓方式之一[47]。20世紀(jì)五六十年代，傳統(tǒng)的活塞式壓縮機(jī)占據(jù)統(tǒng)治地位，而在20世紀(jì)七八十年代，我國從外國大量引進(jìn)石油化工的成套裝置，同時(shí)，為了保障這些設(shè)備的正常運(yùn)行與備件的供給，配套引進(jìn)了當(dāng)時(shí)具有世界先進(jìn)水平的一批離心壓氣機(jī)等設(shè)備，大大促進(jìn)了我國離心壓氣機(jī)的發(fā)展。目前，我國離心壓氣機(jī)與國外相比，在產(chǎn)品開發(fā)和質(zhì)量方面[89]還存在一些差距。因此，本文利用Concepts NREC設(shè)計(jì)軟件中Compal板塊進(jìn)行空氣壓縮機(jī)二維設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，并且盡量取得最大效率和工作裕度。同時(shí)利用AxCent板塊進(jìn)行空壓機(jī)三維設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一款高轉(zhuǎn)速離心壓縮機(jī)葉輪，并采用流體仿真軟件CFX進(jìn)行流場分析，得到了性能較好的高速離心壓氣機(jī)。該研究可滿足車輛行駛過程中對壓氣機(jī)的要求。

1?設(shè)計(jì)分析方法

空氣壓縮機(jī)的工作原理是將氣體進(jìn)行壓縮，然后將壓縮后的氣體導(dǎo)入氣缸或其它設(shè)備中，增大氣缸或其它設(shè)備中氣體的密度，增加氣缸或其它設(shè)備中的進(jìn)氣量，使燃料反應(yīng)更加充分，以此提高反應(yīng)效率。

一個(gè)完整的空氣壓縮機(jī)由進(jìn)口、工作葉輪、擴(kuò)壓器、蝸殼四部分組成，進(jìn)口段的作用是引導(dǎo)空氣更好地進(jìn)入葉輪，盡量減少葉輪進(jìn)口損失。葉輪由輪盤及輪盤上的葉片組成，葉輪轉(zhuǎn)動對從進(jìn)口段進(jìn)來的空氣進(jìn)行做功，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體的靜壓能與動能。擴(kuò)壓器主要功能是將壓縮氣體的動能盡可能多的轉(zhuǎn)化為靜壓能，以達(dá)到提高空氣壓力的目的，蝸殼也具有一定的轉(zhuǎn)化動能的功能，主要功能是收集從擴(kuò)壓器出來的空氣，將其送至氣缸或者其他設(shè)備中[1014]。空氣壓縮機(jī)主結(jié)構(gòu)如圖1所示。

空氣壓縮機(jī)中的葉輪作為唯一做功的部分，是空氣壓縮機(jī)中最重要的部件，葉輪性能的好壞直接影響整個(gè)空氣壓縮機(jī)的性能，因此對葉輪的設(shè)計(jì)是各公司、各高校關(guān)注的焦點(diǎn)[1416]。

隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，葉輪設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用數(shù)值計(jì)算，與傳統(tǒng)方法相比，數(shù)值仿真具有很多優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)周期明顯減少、成本降低、目的性明確，并且可以通過對比，印證設(shè)計(jì)的可行性[1718]。通過二維設(shè)計(jì)進(jìn)行性能預(yù)測及氣動分析，通過三維設(shè)計(jì)對

葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，通過CFD技術(shù)進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。壓氣機(jī)葉輪設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

根據(jù)方案的設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)的車載燃料電池高速離心壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速為80 000 r/min，壓比為18，流量為009 kg/s。設(shè)計(jì)時(shí)，要滿足一定的工作裕度，尤其要滿足離心壓氣機(jī)在小流量時(shí)的工況需求，滿足葉輪結(jié)構(gòu)的安全性及加工的方便性。離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)公式，對離心壓氣機(jī)一系列參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算所得，確定離心壓氣機(jī)基本參數(shù)。在計(jì)算過程中，先計(jì)算葉輪出口直徑D2，總壓比由設(shè)計(jì)要求決定，絕熱能量頭系數(shù)一般取057～071，跟效率值相關(guān)。絕熱能量頭、葉輪出口圓周速度及葉輪出口直徑分別為

had=kk-1RT0πk-1k-1， U2=hadΨad， D2=60U23.44n×103（1）

式中，had為絕熱能量頭;k為絕熱指數(shù)，理想氣體為k=14;R為空氣氣體常數(shù);T0為壓氣機(jī)入口溫度;Ψad為絕熱能量頭系數(shù);U2為葉輪出口圓周速度;n為轉(zhuǎn)速;D2為葉輪出口直徑。

確定葉輪入口溫度、葉輪入口壓力、葉輪入口氣體密度、葉輪入口幾何進(jìn)氣面積、葉輪進(jìn)口葉頂處直徑和葉輪進(jìn)口葉根處直徑，其分別為

T1=T0-C212010， P1=σP0T1T0， ρ1=P1RT1， A1=GC1ρ1D1=4A1314（1-（d/D1）2）×103， d=dD1D1（2）

式中，C1為葉輪入口的絕對速度;T0為空壓機(jī)入口溫度;T1為葉輪入口溫度，P0為空壓機(jī)入口壓力;P1為葉輪入口壓力;σ為總壓恢復(fù)系數(shù);R為空氣氣體常數(shù);ρ1為葉輪入口氣體密度;G為質(zhì)量流量;A1為葉輪入口幾何進(jìn)氣面積;d為葉輪進(jìn)口葉根處直徑;D1為葉輪進(jìn)口葉片葉頂處直徑，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取進(jìn)口輪轂比d/D1的取值，視為已知條件。

空氣壓縮機(jī)等熵效率η為

η=（P2/P0）k-1k-1T2/T0-1（3）

式中，P2為空氣壓縮機(jī)出口總壓，根據(jù)仿真結(jié)果取得具體數(shù)值;P0為空氣壓縮機(jī)進(jìn)口總壓;k為絕熱指數(shù)，理想氣體絕熱指數(shù)為14;T2為空氣壓縮機(jī)出口溫度，根據(jù)仿真結(jié)果取得具體數(shù)值;T0為空氣壓縮機(jī)入口溫度。

2?葉輪子午截面二維設(shè)計(jì)

2.1?流道設(shè)計(jì)

葉輪內(nèi)流場在葉頂邊緣處與尾跡邊緣處容易出現(xiàn)二次流、回流等一系列非正常流域，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，將離心壓縮機(jī)分為正常流域與非正常流域，使用兩區(qū)域模型預(yù)測，可以達(dá)到更高的精度[1718]。

1）?沖角設(shè)計(jì)。在沖角設(shè)計(jì)中，正沖角時(shí)流量會小于設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致在葉片的吸力面產(chǎn)生較大的擴(kuò)壓度，容易引起入口的堵塞，對壓氣機(jī)的喘振性形成不好影響，不符合小流量的工況，負(fù)沖角因?yàn)榱髁看笥谠O(shè)計(jì)值，可使壓縮機(jī)的喘振性得到優(yōu)化，但會增加葉輪出口的相對速度與相對馬赫數(shù)，設(shè)計(jì)采用零沖角，在保證相對速度與馬赫數(shù)不至于過大的情況下，還可以限制因氣流的出現(xiàn)分離擴(kuò)大，以獲得更大的工作裕度，更好的適應(yīng)小流量的情況，提高壓縮機(jī)工作范圍[19]。

2）?葉片選擇。在葉片的選擇上，設(shè)置為添加輔助葉片，添加輔助葉片不會影響葉輪入口處的通流面積，不會降低葉輪工作的效率，并且在出口處改善流體的流動情況，減少二次流等非正常流域，增加葉輪工作效率。

3）?葉輪型式。葉輪型式分為閉式葉輪、開式葉輪、半開式葉輪，本文所設(shè)計(jì)的葉輪為半開式葉輪。閉式葉輪雖然沒有泄露的損失，效率高一些，但是因?yàn)閺?qiáng)度問題，使葉輪最大圓周速度會受到一定程度的限制，而開式葉輪，結(jié)構(gòu)相對簡單，但是摩擦損失較大。半開式葉輪兼顧兩者的優(yōu)點(diǎn)，許用轉(zhuǎn)速高，工藝性較好，易于加工，雖然不能完全避免泄露的損失，但是摩擦損失較少，效率較高。

4）?葉輪出口后彎角設(shè)計(jì)。后彎角增加可以減少葉輪出口的絕對馬赫數(shù)，但是隨著葉輪出口后彎角的增大，葉輪出口的流動角也會隨之增大，不但容易到達(dá)擴(kuò)壓器的臨界流動角，而且容易產(chǎn)生情況較嚴(yán)重的流動分離現(xiàn)象。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，查閱文獻(xiàn)[1]，設(shè)計(jì)后彎角為40°，可以保證在葉輪出口馬赫數(shù)不會出現(xiàn)超音速的情況下，減少流動分離現(xiàn)象的程度。

2.2?擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)

擴(kuò)壓器作用是將葉輪出口處的能量相互轉(zhuǎn)化，盡可能將動壓能轉(zhuǎn)化為靜壓能，對于車載燃料電池離心壓氣機(jī)，常采用無葉擴(kuò)壓器，無葉擴(kuò)壓器會使壓氣機(jī)整體擁有更高的工作裕度，擴(kuò)壓器選擇收縮型，入口處設(shè)置為圓滑過渡，并且減少通流面積，方便更好的轉(zhuǎn)化動能[20]。擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)尺寸以葉輪出口幾何參數(shù)為參考標(biāo)準(zhǔn)，具體尺寸設(shè)計(jì)為Rex∶R2=165，Bex∶B2=08。其中，Bex為擴(kuò)壓器出口厚度;R2為葉輪出口處半徑;Rex為擴(kuò)壓器出口半徑;B2為葉輪出口處厚度。

2.3?蝸殼設(shè)計(jì)

由于壓縮氣體的徑向速度較大，因此在蝸殼設(shè)計(jì)上，可設(shè)計(jì)為較大的蝸殼直徑，用以減少氣體在蝸殼內(nèi)的損失。設(shè)置蝸殼中壓力恢復(fù)系數(shù)不變，為更多的將動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，在蝸殼出口處，設(shè)置逐漸變寬的通道型式，蝸殼出口直徑與喉部直徑的比值為11。

對葉輪設(shè)計(jì)進(jìn)行空壓機(jī)二維仿真計(jì)算，得到空壓機(jī)流量與效率和壓比的關(guān)系，空壓機(jī)流量與效率關(guān)系如圖3所示，空壓機(jī)流量與壓比關(guān)系如圖4所示。

空氣壓縮機(jī)可以在流量0012～014 kg/s范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，并保持一定的工作效率。由圖3和圖4可以看出，在轉(zhuǎn)速為80 000 r/min，流量為009 kg/s的設(shè)計(jì)點(diǎn)，空壓機(jī)效率達(dá)到08，壓比達(dá)到18，符合設(shè)計(jì)要求。

3?三維虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

3.1?內(nèi)外子午線及葉片角Beta設(shè)計(jì)

采用Concepts NREC軟件中的AxCent模塊，對葉輪三維模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)葉輪內(nèi)外子午線時(shí)，將通道設(shè)計(jì)為逐漸減少通流面積的模式，通過減少通道出口處的通流面積，以減少葉片間的載荷。

較大的葉片包角可以減少葉片間的載荷，但是不利于加工制造時(shí)刀頭的工作，較小的葉片包角有利于刀頭的加工，但會增加葉片間的載荷。本文設(shè)計(jì)的葉片角，在葉輪入口葉頂處Beta角為-56°，葉底Beta角為-40°，從葉輪入口處自二維設(shè)計(jì)入口值圓滑緩步增加，在相對位置三分之二周圍達(dá)到最大值，葉頂處最大葉片角為-31°，葉底處最大葉片角為-5°，后圓滑下降至二維設(shè)計(jì)葉輪出口葉片角，在葉輪出口處葉頂與葉底Beta角均為-40°。葉片角Beta分布設(shè)計(jì)如圖5所示，可以獲得包角適中的葉片，在滿足葉片間載荷的前提下，易于加工制造。

3.2?葉片厚度設(shè)計(jì)

葉片厚度的增加可以有效增加葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但也會減少葉輪的通流面積，等厚度葉片雖然可以使葉輪的效率、壓比達(dá)到折中水平，但是相比于等厚度葉片，變厚度葉片可以根據(jù)不同流域位置選擇不同的葉片厚度，來獲得更高的效率和壓比，葉片厚度設(shè)計(jì)分布如圖6所示。

在葉輪進(jìn)口處，葉頂厚度設(shè)計(jì)為035 mm，葉底厚度設(shè)計(jì)為07 mm，葉片厚度設(shè)計(jì)較薄，以獲得更好的氣動性能，葉片厚度平緩增加;在葉輪位置60%處，厚度達(dá)到最大值，葉頂厚度在07 mm，葉底厚度為125 mm;在葉輪出口處，葉頂厚度設(shè)計(jì)為05 mm，葉底厚度設(shè)計(jì)為105 mm。在壓比達(dá)到設(shè)計(jì)要求的情況下，出口采用較厚的葉片，既可以提高葉輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，增加安全性，又可以減少葉輪的擴(kuò)張度及損失，進(jìn)一步提高葉輪效率。

通過一維設(shè)計(jì)及對葉片子午面輪廓的設(shè)計(jì)、葉片角Beta的分布設(shè)計(jì)、葉片厚度分布設(shè)計(jì)，得到葉輪三維幾何形狀，葉片間載荷分布如圖7所示。在葉片上所有位置，葉片載荷均未達(dá)到危險(xiǎn)值10，說明葉輪的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)易于加工制造，工作效率進(jìn)一步提高，滿足設(shè)計(jì)要求。

4?仿真校驗(yàn)

在AxCent中，設(shè)計(jì)葉片子午線、葉片角Beta分布及葉片厚度，將葉輪模型導(dǎo)入業(yè)內(nèi)公認(rèn)流體仿真軟件CFX，進(jìn)行葉輪網(wǎng)格劃分及CFD三維流體仿真。在CFD仿真中，為了降低計(jì)算機(jī)計(jì)算資源，提高計(jì)算效率，并兼顧計(jì)算精度，采用單通道周期性邊界條件進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)出口作為邊界條件，進(jìn)口模式設(shè)定為給定總溫總壓，出口邊界條件設(shè)置為質(zhì)量流量，壁面條件設(shè)計(jì)為絕熱無滑移壁面，工質(zhì)采用理想可壓縮氣體，殘差收斂量級為1×10-6，迭代步數(shù)為800～1000之間，采用kε計(jì)算模型，湍流強(qiáng)度為中等，離散格式采用精度較高的High resolution高階迎風(fēng)模式。

壓力分布圖如圖8所示，在高速運(yùn)行情況下，如果壓力分布階梯出現(xiàn)較嚴(yán)重的反方向階躍，勢必會造成喘振邊界點(diǎn)的不穩(wěn)定運(yùn)行，因此壓力分布是否均勻至關(guān)重要。由圖8可以看出，在葉輪子午面中，壓力從進(jìn)口處穩(wěn)步增加至葉輪出口，在葉輪出口處總壓達(dá)到最大值，并且在出口處的壓力分布較均勻，說明在流道中的增壓情況良好，在葉輪進(jìn)口處由于流速較快，導(dǎo)致入口壓力會略小于大氣壓，從數(shù)值上看，葉輪出口處壓力整體在195 200 Pa以上，符合設(shè)計(jì)壓比要求。馬赫數(shù)分布圖如圖9所示，由圖9可以看出，本文設(shè)計(jì)葉輪整體馬赫數(shù)偏低，最大馬赫數(shù)出現(xiàn)在葉輪出口處，從數(shù)值來看馬赫數(shù)最大值小于0698，在葉輪中全部流速都在亞音速，沒有超音速部分，這樣形成的激波，影響范圍和引起的損失均較小，滿足氣動性要求。速度矢量跡線圖如圖10所示。

速度矢量跡線圖是流道內(nèi)工質(zhì)變化最直觀的體現(xiàn)，可以清楚的反應(yīng)其在壓縮過程中出現(xiàn)的二次流等非正常流域現(xiàn)象，由圖10可以看出，除了葉頂間隙處有部分輕微氣體擾動，其余流面氣流平穩(wěn)，無回流等其他非正常流域，整體流域平穩(wěn)，符合設(shè)計(jì)初衷，效率較高。根據(jù)仿真結(jié)果，該空氣壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)點(diǎn)（轉(zhuǎn)速為80 000 r/min，流量為009 kg/s）的效率為0853，壓比為196，因擴(kuò)壓器與蝸殼會有一部分損失，所以在留有余量的情況下，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5?結(jié)束語

本文對離心壓氣機(jī)的葉輪設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，得到了性能較好的離心壓氣機(jī)葉輪。通過一維計(jì)算與三維仿真結(jié)果互相對比印證的方式，設(shè)計(jì)了一款用于車載燃料電池的高速離心壓氣機(jī)葉輪，運(yùn)用此方法可以在設(shè)計(jì)仿真環(huán)節(jié)中增加設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性與可行性。該款空氣壓縮機(jī)葉輪在滿足壓比達(dá)到18、效率達(dá)到08的前提下，具有較寬的工作裕度，在小流量情況下，提高了空氣壓縮機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，與先前的設(shè)計(jì)相比，可以更好地適應(yīng)發(fā)展的趨勢。將空氣壓縮機(jī)應(yīng)用到車載燃料電池上，能更好地適應(yīng)燃料電池汽車行駛過程中最經(jīng)常出現(xiàn)的慢車速低流量車況，可以滿足車輛行駛過程中對壓氣機(jī)的要求，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。該壓氣機(jī)成本較低，加工制造難度較低，壽命長并且具有較寬的工作范圍。但該研究依然具有一些不足，只對空氣壓縮機(jī)葉輪的氣動性能進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真，而對于葉輪強(qiáng)度、動平衡等問題沒有進(jìn)行考慮，下一步可進(jìn)行多學(xué)科同步優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]?張虹， 陳意， 王卓. 電驅(qū)動離心壓氣機(jī)葉型分析及設(shè)計(jì)[J/OL]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 18[20200716]. https：∥doi. org/10. 15918/j. tbit10010645. 2019. 290.

[2]?張虹， 馬朝臣. 車用渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能分析[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2005， 25（1）： 2226.

[3]?湯福鼎. 計(jì)算機(jī)在活塞式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通， 2020（6）： 14， 23.

[4]?王瑾瑾. 微型離心壓氣機(jī)的氣動設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D]. 大連： 大連理工大學(xué)， 2019.

[5]?初雷哲， 杜建一， 湯華， 等. 計(jì)及幾何參數(shù)變化的離心壓氣機(jī)特性分析[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào)， 2006， 27（3）： 405407.

[6]?Kang S， Johnston J P， Arima T， et al. Microscale radialflow compressor impeller made of silicon nitride： manufacturing and performance[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power， 2004， 126（2）： 358365.

[7]?張虹， 馬朝臣. 車用渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪強(qiáng)度計(jì)算與分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程， 2007， 28（1）： 6266.

[8]?王定標(biāo)， 韓落樂， 王光輝， 等. 基于流固耦合的離心式壓氣機(jī)葉輪葉片仿真研究[J]. 熱科學(xué)與技術(shù)， 2020， 19（1）： 6471.

[9]?楊世平， 劉俊， 楊家禮， 等. 亞音速離心葉輪分流葉片前緣掠形性能分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究， 2018， 34（4）： 142147.

[10]?汪陳芳， 張睿棟， 諸葛偉林， 等. 葉片前掠對低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)性能的影響[J]. 汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)， 2017， 8（4）： 432436.

[11]?謝哲. 現(xiàn)階段我國微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展與應(yīng)用推廣[J]. 科技與創(chuàng)新， 2018（8）： 160161.

[12]?Epstein AH， Senturia S D. Macro power from micro machinery[J]. Science， 1997， 276（5136）： 1211.

[13]?孟春潮， 宋丹路， 錢大興. 某微型渦噴發(fā)動機(jī)離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)床與液壓， 2017， 45（15）： 113117.

[14]?姜世杰， 張一晗， 史銀芳， 等. 離心壓縮機(jī)葉輪振動特性實(shí)驗(yàn)研究與仿真分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2020， 351（5）： 1922.

[15]?魯萍， 陳濤， 宋亞麗. 多工況離心壓氣機(jī)葉輪設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程師， 2016（8）： 9598.

[16]?劉瑞韜， 徐忠. 分流葉片位置對高轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)性能的影響[J]. 空氣動力學(xué)學(xué)報(bào)， 2005， 23（1）： 129134.

[17]?Isomura K， Teramoto T， Togo Shinichi， et al. Effects of Reynolds Number and Tip Clearances on the Performance of a Centrifugal Compressor at Micro Scale[C]∥ASME Turbo Expo： Power for Land， Sea， and Air. Barcelona， Spain： ASME， 2006.

[18]?唐新姿， 肖鵬， 王喆， 等. 多載荷變形工況下離心壓氣機(jī)葉輪氣動優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào)， 2019， 40（8）： 17411750.

[19]?彭森， 楊策， 馬朝臣， 等. 前傾角對離心壓氣機(jī)葉輪性能的影響[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版， 2005， 45（2）： 250253.

[20]?邱智凌， 鄭新前， 張揚(yáng)軍. 車載燃料電池低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版， 2008， 48（5）： 872874.

Design of High Speed Centrifugal Compressor for Vehicle Fuel Cell

SHI Chenglong， ZHANG Hongxin， ZHAO Qinghai， HUA Qingsong

（School of Electromechanic Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract： ?In order to solve the problem of low efficiency caused by insufficient air intake of the fuel cell， this paper designed a highspeed onboard fuel cell centrifugal compressor impeller. We use the Compal module in Concepts NREC to design a twodimensional cycle of the compressor. At the same time， the AxCent module in Concepts NREC is used for the geometric design of the centrifugal compressor blades. We use the fluid simulation software （computational fluid X， CFX） in Ansys to perform computational fluid dynamics simulation （computational fluid dynamics， CFD） on the impeller fluid field， and compare the obtained fluid field with the twodimensional simulation calculation results. The research results show that the centrifugal compressor is driven by a motor， the maximum efficiency of the impeller at the design speed can reach 0.8， and the working range is 0.012 kg/s to 0.14 kg/s. The fluid field with good effect is obtained， which confirms the accuracy of the twodimensional design. The design has a wide working range， which can meet the requirements of the car for the air compressor， especially in the low flow range， and can better adapt to the lowspeed conditions of the car during driving. This research is of great significance to the development of new energy in our country.

Key words： fuel cell; highspeed motor; centrifugal compressor; CFX; fluid simulation; lowspeed vehicle conditions