基于CFD仿真的燃料電池離心空壓機(jī)葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張申，吳孟龍，范俊巖，辛軍

(奕森科技(上海)有限公司，上海 201703)

0 引言

目前，車用內(nèi)燃機(jī)燃料依然以化石能源為主，從而不可避免地帶來環(huán)境污染問題。 我國(guó)國(guó)六b階段的排放法規(guī)將于2023年7月1日實(shí)施，THC、NMHC、CO及NOX分別加嚴(yán)50%、50%、50%及42%，并且加嚴(yán)了裂化系數(shù)[1]。

燃料電池是一種能直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。這種能量轉(zhuǎn)換方式?jīng)]有熱機(jī)過程，不被卡諾循環(huán)約束，所以能量轉(zhuǎn)換效率高[2]。其中氫燃料電池以效率高、噪聲小以及零排放，受到廣泛關(guān)注與研究。我國(guó)已經(jīng)開展了燃料電池相關(guān)研究，在基本性能方面與國(guó)際先進(jìn)水平的差距不大，但在關(guān)鍵材料及工藝、關(guān)鍵零部件、整車集成以及耐久性等方面，仍有明顯差距[3]。

空壓機(jī)為燃料電池系統(tǒng)提供壓縮空氣。常用的空壓機(jī)類型有滑片式、螺桿式、離心式、渦旋式和羅茨式等。其中離心空壓機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)和效率高等特點(diǎn)[4]，比較適合燃料電池。離心空壓機(jī)通過葉輪的高速旋轉(zhuǎn)對(duì)工質(zhì)進(jìn)行做功，持續(xù)輸出壓縮空氣，離心空壓機(jī)的性能主要由其中的葉輪決定。燃料電池空壓機(jī)葉輪與傳統(tǒng)車用渦輪增壓器葉輪的設(shè)計(jì)需求差別較大，傳統(tǒng)渦輪增壓器葉輪需要較寬的流量范圍；而燃料電池所需要的離心空壓機(jī)需要較高的壓比，不需要過寬的流量范圍。

1 葉輪的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)方法

高性能葉輪的葉片是復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮到氣動(dòng)性能與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還要考慮加工工藝，以便于進(jìn)行側(cè)銑加工，總體設(shè)計(jì)難度較大。葉輪設(shè)計(jì)基本有兩種方式：(1)根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)全新設(shè)計(jì);(2)對(duì)現(xiàn)有葉輪進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

全新設(shè)計(jì)葉輪需要根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，首先從一維設(shè)計(jì)軟件中預(yù)測(cè)基本的幾何參數(shù)，再通過三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)性能進(jìn)行優(yōu)化。全新設(shè)計(jì)葉輪需要很長(zhǎng)的時(shí)間周期，而且設(shè)計(jì)難度較大。在工程開發(fā)上多采用第二種方式，即對(duì)現(xiàn)有葉輪重新設(shè)計(jì)并進(jìn)行優(yōu)化。

文中采用第二種方式，對(duì)現(xiàn)有某車用渦輪增壓器葉輪進(jìn)行快速設(shè)計(jì)，以達(dá)到燃料電池離心空壓機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)需求。

1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)目標(biāo)來自于某燃料電池用離心空壓機(jī)，具體參數(shù)見表1。

表1 離心空壓機(jī)參數(shù)

1.3 計(jì)算設(shè)置

為了快速設(shè)計(jì)出滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求的葉輪，選用葉輪單流道進(jìn)行性能仿真，流體部分總共分為3個(gè)域，分別為進(jìn)口、葉輪及出口，進(jìn)口和出口為靜止域，葉輪為旋轉(zhuǎn)域。旋轉(zhuǎn)域給定目標(biāo)轉(zhuǎn)速，壁面設(shè)置為光滑、絕熱、無滑移邊界。工質(zhì)選用理想氣體，進(jìn)口邊界條件為總壓101.325 kPa、總溫298 K，出口邊界條件設(shè)置為流量，選用SST湍流模型。

2 設(shè)計(jì)過程及優(yōu)化結(jié)果

2.1 基礎(chǔ)葉輪分析

2.1.1 基礎(chǔ)葉輪參數(shù)

選用現(xiàn)有的某車用渦輪增壓器用46 mm葉輪，并進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。現(xiàn)有該車用渦輪增壓器葉輪共有8個(gè)主葉片，無分流葉片。在轉(zhuǎn)速為90 000 r/min時(shí)的最大流量為0.066 kg/s，其流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。其模型如圖1所示。

圖1 某車用渦輪增壓器葉輪模型

首先通過縮放葉輪直徑至60 mm以滿足設(shè)計(jì)點(diǎn)的流量需求，然后通過增加葉片數(shù)量至12個(gè)以降低葉片載荷，并以此狀態(tài)的葉輪為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化，基礎(chǔ)葉輪的主要參數(shù)見表2。

表2 基礎(chǔ)葉輪參數(shù)

2.1.2 基礎(chǔ)葉輪仿真分析

對(duì)基礎(chǔ)葉輪進(jìn)行仿真分析，得到其MAP如圖2 所示，計(jì)算轉(zhuǎn)速為30 000～110 000 r/min，每20 000 r/min計(jì)算一條轉(zhuǎn)速線，效率選取80%以上，圖中黑色圓點(diǎn)表示設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖2 基礎(chǔ)葉輪MAP

由圖可看出，基礎(chǔ)葉輪要達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)工況，其轉(zhuǎn)速需要達(dá)到110 000 r/min，這對(duì)于燃料電池空壓機(jī)的電機(jī)和軸承的要求更高，現(xiàn)有電機(jī)和軸承難以滿足，且重新開發(fā)的難度較大。

基礎(chǔ)葉輪在目標(biāo)轉(zhuǎn)速及流量下的壓比僅為1.31，不滿足目標(biāo)壓比1.7的要求；效率也僅為81.3%，不滿足設(shè)計(jì)要求；目標(biāo)轉(zhuǎn)速的最高效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量為0.12 kg/s，流量偏小，導(dǎo)致目標(biāo)流量位于MAP的阻塞端附近，距離MAP最高效率線較遠(yuǎn)。

2.2 設(shè)計(jì)方向

基礎(chǔ)葉輪的流量及壓比均不能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，需要對(duì)葉輪的流量進(jìn)行拓寬，同時(shí)提高壓比，以滿足目標(biāo)流量及目標(biāo)流量處的壓比需求。

通過調(diào)節(jié)葉輪子午型線[5]、后彎角[6]、包角、進(jìn)口安裝角、進(jìn)口掠角[7]和出口葉片高度等參數(shù)，并對(duì)CFD仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，最終經(jīng)過多輪迭代優(yōu)化，完成對(duì)基礎(chǔ)葉輪的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2.3 設(shè)計(jì)結(jié)果

新葉輪MAP如圖3所示，黑色圓點(diǎn)為設(shè)計(jì)目標(biāo)。經(jīng)過多輪優(yōu)化，新葉輪的各項(xiàng)性能指標(biāo)均已滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速90 000 r/min、流量0.18 kg/s時(shí)，新葉輪的壓比達(dá)到了1.74，效率為88.9%，轉(zhuǎn)速、流量、壓比和效率均滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，且設(shè)計(jì)目標(biāo)位于MAP的最高效率線附近，滿足空壓機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)工況的需求。

圖3 新葉輪MAP

3 結(jié)果分析

3.1 相對(duì)馬赫數(shù)

圖4為不同葉高處的相對(duì)馬赫數(shù)分布圖，分別取設(shè)計(jì)點(diǎn)處20%、50%和80%葉高處Blade-to-Blade的相對(duì)馬赫數(shù)分布。在20%葉高和50%葉高處的壓力面附近存在低速氣流區(qū)域，在80%葉高處的出口位置存在一個(gè)低速渦團(tuán)，結(jié)合20%和50%葉高處的相對(duì)馬赫數(shù)分布情況，可以推測(cè)為上述低速氣流沿葉高和流動(dòng)方向發(fā)展，最終在出口葉尖附近形成低速渦團(tuán)，低速渦團(tuán)會(huì)導(dǎo)致氣流不穩(wěn)，增加氣流損失。

圖4 不同葉高處的相對(duì)馬赫數(shù)分布

由于當(dāng)前設(shè)計(jì)的葉輪效率滿足目標(biāo)要求，且高于目標(biāo)要求4.9%，即可認(rèn)為上述低速渦團(tuán)對(duì)目標(biāo)工況的影響不明顯，故暫時(shí)不考慮優(yōu)化此渦團(tuán)。

3.2 熵

熵可以反映流動(dòng)中的能量損失，熵值越高，損失越大。圖5分別為20%、50%和80%葉高處的熵分布圖，20%葉高處進(jìn)出口均無明顯損失，只在葉片表面附近存在小面積的損失；50%葉高處不僅在葉片附近存在損失，而且在出口處也存在明顯損失； 80%葉高處的損失主要在出口，而且熵值較大。對(duì)比3處葉高的熵圖，可以發(fā)現(xiàn)熵值較大的位置在出口葉尖附近，即流動(dòng)損失主要集中在出口葉尖附近，與之前相對(duì)馬赫數(shù)分布圖所得出的結(jié)論一致。

圖5 不同葉高處的熵分布

3.3 葉片載荷

圖6為葉片不同葉高處的靜壓分布圖，靜壓差值越大，則葉片的載荷越大。在進(jìn)口位置，載荷均較小。由于沒有分流葉片，在葉片的后半段載荷有所增加，總體上葉片載荷分布比較均勻、合理。

圖6 不同葉高處的載荷分布

4 結(jié)束語(yǔ)

文中基于現(xiàn)有的某車用渦輪增壓器葉輪，通過對(duì)其進(jìn)行重新優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一款可應(yīng)用于燃料電池離心空壓機(jī)的新葉輪。

通過對(duì)氣流的流動(dòng)情況和葉片的載荷進(jìn)行分析，未發(fā)現(xiàn)有明顯缺陷，即該設(shè)計(jì)結(jié)果基本合理，可以滿足目標(biāo)燃料電池的需求。

新葉輪的流量較基礎(chǔ)葉輪增大21.4%，目標(biāo)流量處的等熵效率增加7.5%、壓比提高了32.4%，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求。