葉片傾角對燃料電池低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)性能的影響研究

高翔，劉屹，汪陳芳

（合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引言

在新能源汽車發(fā)展的進(jìn)程中，質(zhì)子交換膜氫燃料電池以其能量密度高、排放零污染[1]、續(xù)航里程長等優(yōu)勢成為未來最被看好的動力源之一[2-3]。氫燃料電池空氣管理系統(tǒng)內(nèi)增壓技術(shù)可以有效提高電池系統(tǒng)功率、效率，改善水平衡條件。目前燃料電池領(lǐng)域以螺桿式壓縮機(jī)和離心式壓縮機(jī)為主，然而螺桿式壓縮機(jī)由于存在體積尺寸、噪聲大且無法與渦輪聯(lián)動等問題正在被離心式壓縮機(jī)所逐漸取代[4]。離心式壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、成本低等優(yōu)勢，是目前燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用的主流，但由于其通常具有100 000 r/min以上的轉(zhuǎn)速，需要高速電動機(jī)來帶動，因此帶來難以解決的潤滑及散熱問題[5]。低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)能在轉(zhuǎn)速較低的條件下使其達(dá)到與高速壓氣機(jī)同等的壓比，是當(dāng)前階段行業(yè)研究的重點(diǎn)。

目前對于低比轉(zhuǎn)速離心空壓機(jī)的研究仍處于起步階段，國內(nèi)清華大學(xué)流體與節(jié)能課題組設(shè)計(jì)了一套在0.1 kg/s的工況下運(yùn)行效率能達(dá)到75%的系統(tǒng)[6]；A.J.Vine等[7]開發(fā)了一款轉(zhuǎn)速在20 000 r/min的低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)，避開了超高速轉(zhuǎn)動帶來的問題；陳卓等[8]對氦氣壓縮機(jī)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)葉片傾角及葉片數(shù)會影響等熵效率；任藹琳等[9]研究了低比轉(zhuǎn)速離心泵壓力脈動特性；汪陳芳等[10]研究了葉片前掠對低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)性能的影響；陳培江等[11]使用Kriging近似模型結(jié)合灰狼算法，優(yōu)化了110 kW燃料電池離心壓氣機(jī)，使得優(yōu)化后的空壓機(jī)壓比得到提升，功耗得到降低；史成龍[12]對于車載燃料電池高速離心壓氣機(jī)的優(yōu)化；胡文彪[13]對低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)進(jìn)行氣動分析及喘振機(jī)理的研究，以上研究為深入進(jìn)行低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)開發(fā)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

對于低比轉(zhuǎn)速離心壓縮機(jī)而言，葉輪葉片安裝傾角往往對壓縮機(jī)性能有著決定性的作用，對葉輪出口壓比、等熵效率、功率、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)有著重大影響，優(yōu)異的葉片傾角可以改善葉輪內(nèi)部流場分布，從而改善其流動特性[14-15]。

本文建立了某車用燃料電池低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)模型，對不同轉(zhuǎn)速下的葉輪葉片傾角的改型優(yōu)化進(jìn)行模擬計(jì)算，研究了其對壓氣機(jī)性能的影響并通過流場對其進(jìn)行流動分析。

1 低比轉(zhuǎn)速離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)

比轉(zhuǎn)速（ns）是由相似理論引出的綜合性參數(shù)，全面地反映了泵或風(fēng)機(jī)流量、壓比、轉(zhuǎn)速三者之間的關(guān)系[16]。其計(jì)算式為

式中：n為轉(zhuǎn)速；qv為體積流量；hpol為能量頭。

低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)由葉輪、擴(kuò)壓段、蝸殼3個部分組成，其中采用無導(dǎo)葉式擴(kuò)壓器。設(shè)計(jì)工況：設(shè)計(jì)流量為0.12 kg/s、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為60 000 r/min、進(jìn)口靜壓為101 325 Pa、進(jìn)口靜溫為300 K、工作介質(zhì)為27 ℃空氣。

模型設(shè)計(jì)與壓氣機(jī)性能一維預(yù)測采用CFturbo渦輪設(shè)計(jì)軟件，CFturbo軟件是由德國Gmbh公司研發(fā)的一款泵與旋轉(zhuǎn)機(jī)械專業(yè)設(shè)計(jì)軟件,廣泛應(yīng)用于離心泵、離心風(fēng)機(jī)、壓氣機(jī)、混流風(fēng)機(jī)、渦輪等領(lǐng)域。壓氣機(jī)氣動計(jì)算采用一元計(jì)算方法，各部分幾何參數(shù)通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)及CFturbo設(shè)計(jì)軟件內(nèi)置經(jīng)驗(yàn)參數(shù)得到。初步設(shè)計(jì)壓氣機(jī)各部件幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文采用兩種設(shè)計(jì)方案如圖1所示，進(jìn)出口葉根、葉尖幾何結(jié)構(gòu)不變、葉片數(shù)、長短葉片前掠角不變。

圖1 葉輪結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)值模擬

使用NUMECA仿真軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，其中IGG/Auto Grid模塊對本文幾何模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，葉片通道采用05H型網(wǎng)格，葉尖間隙采用蝶形網(wǎng)格，首層網(wǎng)格厚度設(shè)置為3×10-3mm，此時Y+值小于10，滿足湍流模型對網(wǎng)格的要求。對于首層網(wǎng)格厚度計(jì)算Y+值的計(jì)算式為

式中：ywall為壁面第一層網(wǎng)格厚度；Vref為參考速度；Lref為參考長度；V為流體運(yùn)動黏性；Y+為無量綱量，對于不同的湍流模型有不同的取值范圍。

本文采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系而非動網(wǎng)格處理葉輪旋轉(zhuǎn)問題，求解過程為基于壓力的定常流動過程。采用對渦輪機(jī)械適應(yīng)性良好收斂較快的S Palart-Allmaras（S-A）湍流模型，Navier-Stokes（N-S）控制方程，進(jìn)口條件為前文所給出的靜溫靜壓，出口為給定質(zhì)量流量，輪轂、葉片采用無滑移壁面近壁區(qū)采用壁面函數(shù)法處理，輪蓋為靜止的固定壁面邊界，收斂殘差設(shè)定為1.0×10-6。

為了消除網(wǎng)格離散效應(yīng)對仿真計(jì)算的影響，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，在保證網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不變的前提下，通過改變節(jié)點(diǎn)數(shù)量來得到不同稀疏程度的網(wǎng)格。同時采用完全一致的湍流模型與邊界條件，得出數(shù)值結(jié)果隨網(wǎng)格數(shù)量變化的規(guī)律。如圖2所示，在網(wǎng)格數(shù)目較低時壓氣機(jī)壓比、效率隨網(wǎng)格數(shù)變化而劇烈變化，網(wǎng)格達(dá)到80萬后計(jì)算結(jié)果相對穩(wěn)定，在網(wǎng)格數(shù)到120萬后空壓機(jī)效率與壓比趨于穩(wěn)定，數(shù)值結(jié)果基本不再受網(wǎng)格數(shù)量影響，故選用129萬網(wǎng)格進(jìn)行后續(xù)工作。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)

3 研究結(jié)果

3.1 壓氣機(jī)總性能分析

圖3對比了低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下葉片傾角改變后壓氣機(jī)整體壓比、效率、功率的變化結(jié)果。圖中葉片傾角分別為0°、20°，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速分別為60 000、50 000 r/min。由圖3（a）可知葉片傾角變化對于等熵效率的影響，在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)附近時并不明顯，但當(dāng)流量增大后其影響作用會逐漸顯現(xiàn)，在壓氣機(jī)近堵塞工況時葉片傾角對效率的影響最為明顯。大流量下葉片傾角0°比20°傾角的效率提升了3.8%。

圖3 離心壓氣機(jī)性能

由圖3（b）可知，葉輪葉片傾角變化對壓氣機(jī)總壓比影響作用不大，在不同轉(zhuǎn)速下其近喘振點(diǎn)、設(shè)計(jì)工況點(diǎn)壓比在葉片傾角變化改變后無明顯變化，近堵塞點(diǎn)傾角20°時略有下降。由圖3（c）可知，在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時葉片傾角改變對功率的影響作用較小，然而當(dāng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速升高之后其影響作用有了一個顯著變化。當(dāng)轉(zhuǎn)速為60 000 r/min時0°到20°的傾角變化使得壓氣機(jī)功耗降低了約2%。

3.2 流動分析結(jié)果

為了深入分析在葉片傾角改變后壓氣機(jī)性能出現(xiàn)種種變化的原因所在，取不同轉(zhuǎn)速下設(shè)計(jì)工況點(diǎn)、近喘振點(diǎn)進(jìn)行流動分析，如表2所示。

表2 流動工況點(diǎn)

圖4對比了在低轉(zhuǎn)速下設(shè)計(jì) 工 況 點(diǎn)A185% 葉高處葉片傾角改變后相對馬赫數(shù)（MACH）云圖，圖5對比了其熵增云圖。由圖可知馬赫數(shù)、熵增均未有大的改變，此結(jié)果與前文所示壓氣機(jī)壓比、效率變化相一致，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖4 設(shè)計(jì)工況點(diǎn)A185%葉高相對馬赫數(shù)云圖

圖5 設(shè)計(jì)工況點(diǎn)A185%葉高熵增云圖

圖6對比了在低轉(zhuǎn)速下近堵塞工況點(diǎn)85%葉高處葉片傾角改變后相對馬赫數(shù)（MACH）云圖，可以看到20°時氣流在葉片尾緣形成了局部加速區(qū)，其大小已超過聲速，與此同時，由圖7的熵增云圖可以發(fā)現(xiàn)此區(qū)域相對于0°時熵增更為明顯?？芍?dāng)葉片傾角由0°改變?yōu)?0°時，葉片尾緣處形成的局部加速區(qū)是近堵塞工況下壓氣機(jī)效率、壓比下降的成因所在。推測可能是由于高速氣流與葉片摩擦導(dǎo)致?lián)p耗增大，但此推測還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖6 近堵塞點(diǎn)B185%葉高相對馬赫數(shù)云圖

圖7 近堵塞點(diǎn)B185%葉高熵增云圖

通過圖8可以看到葉片傾角0°時整個分流葉片流道內(nèi)存在低能流體區(qū)域，葉片傾角20°時流動狀況得到改善，主葉片沒有明顯變化，分流葉片前端流動更為順暢。流動狀況的改善使得短葉片前端熵增有一定的降低，如圖9所示。

圖8 設(shè)計(jì)工況點(diǎn)A285%葉高相對馬赫數(shù)云圖

圖10對比了近堵塞點(diǎn)B285%葉高相對馬赫數(shù)，圖11對比了B285%葉高熵增。其結(jié)果與近堵塞點(diǎn)B1相似，葉片尾緣產(chǎn)生了局部加速區(qū)伴隨著超音速流體，導(dǎo)致葉片傾角20°近堵塞工況下壓比與效率的降低。

圖10 近堵塞點(diǎn)B285%葉高相對馬赫數(shù)云圖

圖11 近堵塞點(diǎn)B285%葉高熵增云圖

4 結(jié)論

本文通過研究燃料電池低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)葉片傾角（0°，20°）不同時總體性能變化，以及對其進(jìn)行流動分析得出以下結(jié)論：葉片傾角20°的低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)與0°相比，壓比、效率在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)附近均無明顯變化，近堵塞點(diǎn)附近會有所降低。低轉(zhuǎn)速（50 000 r/min）運(yùn)行時兩種壓氣機(jī)功率無顯著差別，但當(dāng)轉(zhuǎn)速升高至60 000 r/min時葉片傾角20°較傾角為0°功率下降了約2%，此項(xiàng)變化有利于解決燃料電池汽車中壓氣機(jī)寄生功率過大的問題。大流量時壓氣機(jī)效率、壓比下降的原因是葉片尾緣處熵增所致，要改善總體流動狀況，需在葉片傾角改變的同時對后彎進(jìn)行優(yōu)化。