氫燃料電池用離心式空壓機(jī)氣動性能試驗(yàn)技術(shù)

程志 曾純

（中車株洲電機(jī)有限公司，株洲 412001）

在“雙循環(huán)”“碳中和”“碳達(dá)峰”的新發(fā)展格局下，氫能產(chǎn)業(yè)迎來新的機(jī)遇。氫燃料電池具有零排放、加注時(shí)間短、續(xù)航里程長以及低溫啟動性好等優(yōu)點(diǎn)，氫燃料電池汽車及其產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展將是我國未來氫能發(fā)展的重要方向?？諌簷C(jī)是氫燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)的核心部件，通過對進(jìn)堆空氣進(jìn)行增壓提高氫燃料電池的功率密度和效率。常用的空壓機(jī)類型有滑片式、螺桿式、離心式、渦旋式以及羅茨式等。離心式空壓機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、無油、壽命長以及效率高等特點(diǎn)，是今后主流的發(fā)展方向[1]。對于實(shí)際運(yùn)行的氫燃料電池，空壓機(jī)作用后空氣的壓強(qiáng)、流量直接影響電堆的工作狀況。氣動性能測試是空壓機(jī)整機(jī)性能評價(jià)的重要方式，因此開展氫燃料電池用離心式空壓機(jī)氣動性能試驗(yàn)技術(shù)研究具有重要的實(shí)際意義。

目前，機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《離心和軸流式鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)熱力性能試驗(yàn)》（JB/T 3165—1999）適用于普通的離心式空壓機(jī)，但是缺少對氫燃料電池用離心式空壓機(jī)的針對性設(shè)計(jì)[2]；《燃料電池電動汽車用空氣壓縮機(jī)試驗(yàn)方法》（T/CAAMTB 13—2020）適用于所有類型的燃料電池用空壓機(jī)，提出了通用測試要求，但未給出具體的氣動測試管路方案和試驗(yàn)方法[3]。文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]介紹了一套氫燃料電池離心空壓機(jī)性能測試系統(tǒng)，側(cè)重于測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[6]、文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[8]中均給出了測量氫燃料電池用空壓機(jī)氣動性能的測試裝置，可以對空壓機(jī)出氣口的流量、溫度、壓強(qiáng)可以進(jìn)行測量，不包括進(jìn)氣口的測量，測量裝置簡易，內(nèi)容不夠全面和具體。綜上所述，對于氫燃料電池用離心式空壓機(jī)氣動性能試驗(yàn)技術(shù)的研究是不全面的。因此，從氫燃料電池用離心式空壓機(jī)的特點(diǎn)入手，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，研制了氣動測試管路，同時(shí)根據(jù)總體測試需求搭建了一套完整試驗(yàn)系統(tǒng)，總結(jié)了具體的試驗(yàn)方法和步驟，用于指導(dǎo)實(shí)際試驗(yàn)。

1 氣動測試管路方案

在燃料電池的空氣供應(yīng)系統(tǒng)中，空氣先經(jīng)過空氣濾清器過濾，由管路流到空壓機(jī)中進(jìn)行升溫增壓，再經(jīng)過冷卻、增濕后進(jìn)入電堆進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，最后經(jīng)過背壓閥排出。為了降低噪聲，一般在背壓閥后面會接上管路和消聲器[9]。與普通空壓機(jī)相比，氫燃料電池用離心空壓機(jī)出氣口的壓強(qiáng)更大、出口溫度更高，同時(shí)其氣浮軸承是利用氣體在軸與軸承內(nèi)表面間的楔形空間產(chǎn)生壓力氣膜來支承載荷。為了避免空氣中雜質(zhì)使軸承磨損甚至損壞，需要在進(jìn)氣管路配置空氣過濾器。氫燃料電池用離心式空壓機(jī)在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生諸多噪聲，其中空氣動力噪聲是最顯著的噪聲源。為了降低噪聲，需要在出氣管路安裝消音器[10]。氫燃料電池用離心式空壓機(jī)轉(zhuǎn)速通常高達(dá)100 000 r·min-1，測試時(shí)需要關(guān)注其轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性，防止軸振超過限值。離心式空壓機(jī)在低流量時(shí)會發(fā)生喘振現(xiàn)象，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能和空壓機(jī)的使用壽命，需特別關(guān)注喘振點(diǎn)。進(jìn)入氫燃料離心式空壓機(jī)的氣體除從出氣口排出外，還有部分氣體用來冷卻軸承，出氣口質(zhì)量流量大于進(jìn)氣口質(zhì)量流量。由于采用永磁電機(jī)，可以通過電頻率計(jì)算同步轉(zhuǎn)速得到空壓機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

氫燃料電池用離心式空壓機(jī)氣動性能試驗(yàn)時(shí)需要測量不同轉(zhuǎn)速下的進(jìn)出口的空氣流量、壓力及溫度，氣動測試管路需要包括進(jìn)管道分為進(jìn)氣段和出氣段兩部分。氣動測試管路方案設(shè)計(jì)方案可參考 JB/T 3165—1999 中的“進(jìn)、出氣試驗(yàn)裝置管路方案”和T/CAAMTB 13—2020 中的“輸出特性試驗(yàn)臺架”。其中，JB/T 3165—1999 的管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明詳細(xì)，但是其中采用節(jié)流元件（孔板、文丘里管和噴嘴）上、下游取壓口的差壓來確定流量，未針對性對氫燃料電池用離心式空壓機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。T/CAAMTB 13—2020 說明了測試管路中需要安裝溫度傳感器、壓力傳感器、流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥，但是沒有明確的管道測試方案，沒有流量計(jì)等關(guān)鍵部件的選型和布置規(guī)范。

本文設(shè)計(jì)的氣動測試管路系統(tǒng)是針對氫燃料電池用離心式空壓機(jī)的氣動性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)的，是整套試驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。該系統(tǒng)主要由空氣過濾器、流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥、消音器以及相應(yīng)的連接管路等組成，如圖1 所示，主要要求如下。

（1）流量計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)中重要部件，應(yīng)盡可能使常用量處在流量范圍上限的1/2 ～2/3。流量計(jì)需要明確以下工作參數(shù)進(jìn)行流量范圍和儀表口徑確定：被測介質(zhì)的名稱、組分，工作狀態(tài)的最小、常用、最大流量，介質(zhì)的最低、常用、最高壓強(qiáng)和溫度，工作狀態(tài)下介質(zhì)的粘度。在本管路系統(tǒng)中，為了保證出氣管路流量測量的范圍寬，出氣管路選用了量程較大、測量精度高的熱式質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行流量測量[11-12]。為了保證進(jìn)氣管路壓強(qiáng)損失小，避免較大的負(fù)壓進(jìn)入空壓機(jī)，進(jìn)氣管路選用了幾乎沒有壓損的雙扭線質(zhì)量流量計(jì)測量進(jìn)氣流量。該流量計(jì)前面不需加任何直管段，其結(jié)構(gòu)簡單，流量計(jì)算方便。

（2）除流量計(jì)選擇外，本系統(tǒng)流量測量管路、測量傳感器均按照J(rèn)B/T 3165—1999 執(zhí)行。

（3）系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥采用球閥，包括主背壓閥和小管徑微調(diào)背壓閥兩種，可以精細(xì)調(diào)節(jié)背壓值。

（4）在出氣管路處安裝有排空閥，可以在電機(jī)喘振或異常等發(fā)生時(shí)快速泄壓降低風(fēng)險(xiǎn)。

（5）該系統(tǒng)中流量、溫度、壓力傳感器及電動閥、排空閥配備標(biāo)準(zhǔn)4 ～20 mA 信號，便于遠(yuǎn)程連接和二次開發(fā)。

（4）本系統(tǒng)中的流量計(jì)、閥門、排空閥等均采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭式連接，便于后期更換和維護(hù)，增加了測試的通用性。

（6）供氣管路系統(tǒng)耐壓滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求，管道材質(zhì)選擇304 不銹鋼，出氣管路上裝有隔熱防護(hù)，選用的儀器儀表能夠滿足溫度和壓力要求。

（7）管路上增加指針式壓力表和溫度表，可以本地顯示溫度壓力數(shù)據(jù)，同時(shí)可以核對數(shù)顯儀表的準(zhǔn)確性。

（8）出氣管路增加了一個(gè)90°彎管，增加了出氣口管路布局的靈活性。

（9）消聲器類型應(yīng)選擇阻抗復(fù)合式消聲器，工作流量、壓強(qiáng)、溫度滿足使用要求，設(shè)計(jì)消音量≥30 dB。

（10）過濾器宜采用實(shí)際車用過濾器，過濾精度不低于5 μm，使用過程中需根據(jù)污染程度定期更換。

2 完整試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

完整試驗(yàn)系統(tǒng)包括電源系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)4 大部分。電源系統(tǒng)主要包括驅(qū)動空壓機(jī)的驅(qū)動器、給驅(qū)動器供電的可回饋直流電源及相關(guān)開關(guān)柜等；測量系統(tǒng)主要包括氣動測試管路和加速度、軸振、溫度、電量等參數(shù)的測量設(shè)備；控制系統(tǒng)用來遠(yuǎn)程操作和記錄，并具有安全與保護(hù)功能，包括工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、PLC、工業(yè)計(jì)算機(jī)等硬件及上位機(jī)軟件；輔助系統(tǒng)包括支承試驗(yàn)臺、冷卻設(shè)備及安全防護(hù)系統(tǒng)等。

整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)搭建時(shí)，須充分根據(jù)場地結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置，應(yīng)美觀大方，符合現(xiàn)場安全要求，具有電磁干擾和振動較少、適合人機(jī)操作等特征。布局方案如圖2 所示。

3 試驗(yàn)方法

空壓機(jī)的整體氣動測試過程：驅(qū)動器控制空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；空氣經(jīng)過流量計(jì)測量進(jìn)氣口流量，經(jīng)過濾后進(jìn)入進(jìn)氣段管道測量空壓機(jī)進(jìn)氣口的壓強(qiáng)、溫度；吸入空壓機(jī)的空氣經(jīng)過壓縮、升溫后，再流經(jīng)出氣段管道測量空壓機(jī)出氣口的溫度、壓強(qiáng)、流量，流經(jīng)背壓調(diào)節(jié)閥，再通過消音器排出。在進(jìn)行氣動性能試驗(yàn)前需要獲取空壓機(jī)的氣動性能設(shè)計(jì)參數(shù)，具體試驗(yàn)過程如下。

3.1 試驗(yàn)前檢查

所有設(shè)備必須完好且工作正常；檢查安全措施是否到位；試驗(yàn)場所必須安全、通暢，進(jìn)氣口周圍空間應(yīng)在1.5 倍進(jìn)口直徑范圍內(nèi)不得有障礙物（并保證無任何異物可被吸入空壓機(jī)），排氣周圍空間須保證在至少5 倍排氣管道直徑的軸向距離內(nèi)無障礙物[2]；確認(rèn)工裝、緊固件的安裝是否正確；確認(rèn)空壓機(jī)的電氣連接和控制是否正常。

3.2 輕載測試

將組裝好的空壓機(jī)安裝于試驗(yàn)平臺上，布置傳感器，連接電纜和水管，通冷卻水；啟動空壓機(jī)至 300 r·min-1，短暫運(yùn)行約2 s，停機(jī)檢查其旋轉(zhuǎn)方向，確保方向正確；連接進(jìn)、出氣測試管路。關(guān)閉放空閥，微調(diào)背壓閥全開，可將主背壓閥開至90%；啟動空壓機(jī)至允許運(yùn)行轉(zhuǎn)速（遠(yuǎn)離氣浮軸承起飛轉(zhuǎn)速），若出氣壓強(qiáng)太小可以關(guān)小主背壓閥，運(yùn)行過程中觀察空壓機(jī)和試驗(yàn)系統(tǒng)是否運(yùn)行正常；若無異常情況出現(xiàn)，則保持背壓閥開度不變，逐步升速至最大轉(zhuǎn)速，若有異常應(yīng)立即停機(jī)檢查。

3.3 氣動性能測試

輕載測試正常后方可進(jìn)行，轉(zhuǎn)動電機(jī)至要求轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié)閥門（采用主背壓閥和微調(diào)背壓閥聯(lián)合調(diào)節(jié)）開度控制流量和壓力的變化；每個(gè)測試點(diǎn)要穩(wěn)定運(yùn)行后記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)；需在該轉(zhuǎn)速下阻塞邊界到喘振邊界的測試過程中測量多點(diǎn)；在靠近喘振邊接點(diǎn)時(shí)，應(yīng)逐步關(guān)小背壓調(diào)節(jié)閥。當(dāng)質(zhì)量流量降低到一定程度時(shí)，會出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)。在流量臨界位置，流體狀態(tài)將發(fā)生變化，這個(gè)臨界位置稱作喘振點(diǎn)。記錄喘振點(diǎn)數(shù)據(jù)，不允許空壓機(jī)在喘振工況運(yùn)行。試驗(yàn)過程中若出現(xiàn)喘振，必須立即調(diào)大出口閥門。如果試驗(yàn)過程中出現(xiàn)意外情況需要緊急停機(jī)，則應(yīng)立即打開排空閥，泄壓停機(jī)。同上，進(jìn)行其他轉(zhuǎn)速下的氣動特性測試。

4 驗(yàn)證

依據(jù)試驗(yàn)方法對待測樣品進(jìn)行驗(yàn)證，見表1。在主閥門開度為30%時(shí)測得出氣口流量、壓強(qiáng)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖如圖3 所示，可見試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行良好。

表1 待測空壓機(jī)參數(shù)

5 結(jié)語

基于氫燃料電池用離心式空壓機(jī)氣動性能測試需求，從氣動測試管路方案、完整試驗(yàn)系統(tǒng)、試驗(yàn)方法進(jìn)行了具體的試驗(yàn)技術(shù)研究，形成的試驗(yàn)通用性強(qiáng)、精度高、可靠性好，可以對多種氫燃料電池用離心式空壓機(jī)進(jìn)行檢測。