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某型车用高速离心空压机气动设计

摘要:针对某型车载氢燃料电池的空气供应系统需求,开展高速离心式空压机气动设计,包括一维设计与三维数值计算分析,并探讨压气机内部流场情况,该压气机设计满足车载氢燃料电池电堆压缩空气要求的压比、流量以及效率,获得了高效的空压机气动设计结果。

关键词:燃料电池;离心压气机;气动设计;数值分析

0    引言

当前,汽车工业的发展受到全球能源与环境限制,需要加快节能减排的步伐,利用氢能的新能源汽车成为目前的主要发展方向[1-2]。美国盖瑞特空压机已成功应用于日本本田的氢燃料电池车,瑞典Opcon公司的双螺杆空压机为加拿大巴拉德燃料电池厂供货,丰田自动织机为Mirai燃料电池车提供了四叶罗茨式空压机[3-4]。国内在氢燃料电池汽车方面的研究起步较晚,相关关键部件的配套还处于研究阶段,严重影响了氢燃料电池汽车产业的发展[5-6]。

目前,国内有关氢燃料电池专用空压机的研究还集中于高校。同济大学研发的用于65 kW燃料电池系统的高速电机驱动离心空压机,在国内首次实现了离心式空压机在80 000 r/min下的稳定运行[6];浙江大学开发了一款离心式空压机,压比为1.6,流量为165 g/s[7];北京科技大学研发了一种水润滑电动离心式空压机,整体效率接近70%[8]。

针对某型号车载氢燃料电池开展流量100 g/s、压比2.5的车用离心式空压机气动设计,聚焦国家氢能发展战略,对推动我国氢燃料电池汽车产业的发展具有重要意义。

1    总体设计

本文选择空压机设计转速为90 000 r/min,采用两级串联形式。采用两级压气机串联增压的形式,可减小单级压气机的增压比,提高空压机效率。两级压气机叶轮背靠背布置在电机两端,可使两级离心叶轮产生的轴向力相互抵消,大幅减小轴向力[9-10]。空压机总体布置方案如图1所示,中间为高速永磁电机,两侧为两级压气机。

2    一维气动设计

根据压气机总体方案设计确定的参数,对两级压气机开展联合设计,经初步设计计算,得到两级压气机的设计结果,如表1所示。

图2所示为不同转速下空压机的气动性能曲线,包括流量—压比、流量—效率关系曲线。

通过流量—压比关系曲线可以看到,随着压气机转速的升高,压气机的压比增幅变大,高转速下压气机流量范围宽于低转速工况下流量范围;通过流量—效率曲线可以看到,随着转速的增加,压气机效率曲线向流量增大的方向平移,且最高效率点逐渐增大。空压机在设计点的压比为2.55,流量为100 g/s,功率为11.5 kW,气动效率为80.5%。

3    三维数值分析

根据一维气动设计结果开展两级压气机的三维数值分析,因压气机轴向对称,进行三维数值计算时选择单流道,减少计算量,提高计算速度。图3所示为低压级压气机的计算模型。

图4所示为高压级压气机内部流线分布情况,在叶轮的压力面上流线分布均匀,在吸力面上受到叶轮流道内从压力面指向吸力面的压力梯度的影响程度较小的周向偏移。在蜗壳内,流线分布均匀,说明流体流动情况良好。

图5所示为高压级压气机叶轮50%叶高截面的总压分布云图,在叶轮进口轴向段,流体压力几乎不变,进入径向段后,压力沿流线方向均匀升高,表明叶轮流道内增压情况良好。

4    结论

本文针对某型车载氢燃料电池用空压机开展了气动设计,得到一维气动设计结果,并针对两级压气机开展了三维数值分析。

(1)空压机采用两级离心串联增压的形式,對排布置在高速永磁电机两侧,可抵消部分轴向推力,提高整体结构强度。

(2)空压机设计转速90 000 r/min,在设计点,空压机流量达到100 g/s,压比为2.55,气动效率达到80.5%,满足设计要求。

(3)压气机内部流线分布均匀,流动情况良好,压力沿流线方向均匀增加,增压情况良好,压气机气动设计满足要求。

[参考文献]

[1] 衣宝廉.燃料电池——原理·技术·应用[M].北京:化学工业出版社,2003.

[2] 李建秋,方川,徐梁飞.燃料电池汽车研究现状及发展[J].汽车安全与节能学报,2014,5(1):17-29.

[3] PISCHINGER S,SCHNFELDER C,BORNSCHEUER W,et al.Integrated Air Supply and Humidification Concepts for Fuel Cell Systems[C]// SAE 2001-01-0233,2001:86-92.

[4] KULP G W.A Comparison of Two Air Compressors for PEM Fuel Cell Systems[D].Blacksburg:Virginia Polytechnic Institute and State University,2001.

[5] 鲍鹏龙,章道彪,许思传,等.燃料电池车用空气压缩机发展现状及趋势[J].电源技术,2016,40(8):1731-1734.

[6] 杨启超,李连生,赵远扬.燃料电池供气系统中空气压缩机的研发现状[J].通用机械,2008(1):32-37.

[7] 吴震宇.车载燃料电池用空气压缩机工作性能研究及能效分析[D].杭州:浙江大学,2007.

[8] 任天明.高速水润滑轴承电动离心式空压机关键技术研究[D].北京:北京科技大学,2017.

[9] 徐忠.离心式压缩机原理(修订本)[M].北京:机械工业出版社,1990.

[10] 杨策,施新.径流式叶轮机械理论及设计[M].北京:国防工业出版社,2004.

收稿日期:2021-01-13

作者简介:陈雪丽(1984—),女,浙江丽水人,硕士研究生,讲师,研究方向:机械设计、自动控制。

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