某型車(chē)用高速離心空壓機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)某型車(chē)載氫燃料電池的空氣供應(yīng)系統(tǒng)需求，開(kāi)展高速離心式空壓機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)，包括一維設(shè)計(jì)與三維數(shù)值計(jì)算分析，并探討壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)情況，該壓氣機(jī)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足車(chē)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(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：燃料電池;離心壓氣機(jī);氣動(dòng)設(shè)計(jì);數(shù)值分析

0? ? 引言

當(dāng)前，汽車(chē)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(chē)成為目前的主要發(fā)展方向[1-2]。美國(guó)蓋瑞特空壓機(jī)已成功應(yīng)用于日本本田的氫燃料電池車(chē)，瑞典Opcon公司的雙螺桿空壓機(jī)為加拿大巴拉德燃料電池廠供貨，豐田自動(dòng)織機(jī)為Mirai燃料電池車(chē)提供了四葉羅茨式空壓機(jī)[3-4]。國(guó)內(nèi)在氫燃料電池汽車(chē)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(yán)重影響了氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[5-6]。

目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)氫燃料電池專(zhuān)用空壓機(jī)的研究還集中于高校。同濟(jì)大學(xué)研發(fā)的用于65 kW燃料電池系統(tǒng)的高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)離心空壓機(jī)，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了離心式空壓機(jī)在80 000 r/min下的穩(wěn)定運(yùn)行[6];浙江大學(xué)開(kāi)發(fā)了一款離心式空壓機(jī)，壓比為1.6，流量為165 g/s[7];北京科技大學(xué)研發(fā)了一種水潤(rùn)滑電動(dòng)離心式空壓機(jī)，整體效率接近70%[8]。

針對(duì)某型號(hào)車(chē)載氫燃料電池開(kāi)展流量100 g/s、壓比2.5的車(chē)用離心式空壓機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)，聚焦國(guó)家氫能發(fā)展戰(zhàn)略，對(duì)推動(dòng)我國(guó)氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1? ? 總體設(shè)計(jì)

本文選擇空壓機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為90 000 r/min，采用兩級(jí)串聯(lián)形式。采用兩級(jí)壓氣機(jī)串聯(lián)增壓的形式，可減小單級(jí)壓氣機(jī)的增壓比，提高空壓機(jī)效率。兩級(jí)壓氣機(jī)葉輪背靠背布置在電機(jī)兩端，可使兩級(jí)離心葉輪產(chǎn)生的軸向力相互抵消，大幅減小軸向力[9-10]?？諌簷C(jī)總體布置方案如圖1所示，中間為高速永磁電機(jī)，兩側(cè)為兩級(jí)壓氣機(jī)。

2? ? 一維氣動(dòng)設(shè)計(jì)

根據(jù)壓氣機(jī)總體方案設(shè)計(jì)確定的參數(shù)，對(duì)兩級(jí)壓氣機(jī)開(kāi)展聯(lián)合設(shè)計(jì)，經(jīng)初步設(shè)計(jì)計(jì)算，得到兩級(jí)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)果，如表1所示。

圖2所示為不同轉(zhuǎn)速下空壓機(jī)的氣動(dòng)性能曲線(xiàn)，包括流量—壓比、流量—效率關(guān)系曲線(xiàn)。

通過(guò)流量—壓比關(guān)系曲線(xiàn)可以看到，隨著壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，壓氣機(jī)的壓比增幅變大，高轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)流量范圍寬于低轉(zhuǎn)速工況下流量范圍;通過(guò)流量—效率曲線(xiàn)可以看到，隨著轉(zhuǎn)速的增加，壓氣機(jī)效率曲線(xiàn)向流量增大的方向平移，且最高效率點(diǎn)逐漸增大?？諌簷C(jī)在設(shè)計(jì)點(diǎn)的壓比為2.55，流量為100 g/s，功率為11.5 kW，氣動(dòng)效率為80.5%。

3? ? 三維數(shù)值分析

根據(jù)一維氣動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果開(kāi)展兩級(jí)壓氣機(jī)的三維數(shù)值分析，因壓氣機(jī)軸向?qū)ΨQ(chēng)，進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算時(shí)選擇單流道，減少計(jì)算量，提高計(jì)算速度。圖3所示為低壓級(jí)壓氣機(jī)的計(jì)算模型。

圖4所示為高壓級(jí)壓氣機(jī)內(nèi)部流線(xiàn)分布情況，在葉輪的壓力面上流線(xiàn)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(xiàn)分布均勻，說(shuō)明流體流動(dòng)情況良好。

圖5所示為高壓級(jí)壓氣機(jī)葉輪50%葉高截面的總壓分布云圖，在葉輪進(jìn)口軸向段，流體壓力幾乎不變，進(jìn)入徑向段后，壓力沿流線(xiàn)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(duì)某型車(chē)載氫燃料電池用空壓機(jī)開(kāi)展了氣動(dòng)設(shè)計(jì)，得到一維氣動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果，并針對(duì)兩級(jí)壓氣機(jī)開(kāi)展了三維數(shù)值分析。

（1）空壓機(jī)采用兩級(jí)離心串聯(lián)增壓的形式，對(duì)排布置在高速永磁電機(jī)兩側(cè)，可抵消部分軸向推力，提高整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

（2）空壓機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速90 000 r/min，在設(shè)計(jì)點(diǎn)，空壓機(jī)流量達(dá)到100 g/s，壓比為2.55，氣動(dòng)效率達(dá)到80.5%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

（3）壓氣機(jī)內(nèi)部流線(xiàn)分布均勻，流動(dòng)情況良好，壓力沿流線(xiàn)方向均勻增加，增壓情況良好，壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。

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收稿日期：2021-01-13

作者簡(jiǎn)介：陳雪麗（1984—），女，浙江麗水人，碩士研究生，講師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制。