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

離心壓氣機相對于其他類型的壓氣機，具有單級壓比高、效率高、流量范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊簡單、壽命長、低噪聲的優(yōu)點，廣泛應用于化工機械、燃氣輪機、汽車渦輪增壓以及氫燃料電池空壓機等方面。

氫燃料電池是通向汽車零排放道路上的重要一步，氫燃料電池壓氣機要求流量大、效率高、流量范圍寬廣、壽命長、無油、低噪聲，離心壓氣機被認為是氫燃料電池最有前途的增壓方式之一[1]?？諌簷C功耗占氫燃料電池輔助系統(tǒng)總功耗的90%，約占電池總輸出功率的13%，提升壓氣機效率對提升氫燃料電池系統(tǒng)效率非常重要[2]。

可調(diào)進口導葉(Variable Inlet Guide Vanes，VIGV),通過對壓氣機進氣進行預旋，可以在不降低壓氣機最高效率的前提下，通過移動壓氣機性能Map，使效率島中心位于不同工況點，進而提高原非設(shè)計工況點的效率[3]。

本文作者為兩級同軸離心壓氣機設(shè)計了可變進氣導葉，用CFD的方法做了整級仿真，并獲取了可調(diào)進氣導葉調(diào)節(jié)規(guī)律。結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)進氣導葉可以有效提升目標工況(壓氣機非設(shè)計點)效率，最高提升1.6%。

1 研究模型

1.1 兩級離心壓氣機

圖1為某公司現(xiàn)有的電動兩級壓氣機，低、高壓離心壓氣機同軸驅(qū)動，串聯(lián)運行，每一級壓氣機均由葉輪、無葉擴壓器、蝸殼構(gòu)成，低壓壓氣機蝸殼出口通過管道直接連接到高壓壓氣機進口。低、高壓壓輪直徑均為60 mm，葉輪均為9大葉片+9小葉片的結(jié)構(gòu)。

圖1 兩級離心壓氣機

相對于單級離心壓氣機，這種兩級結(jié)構(gòu)可以使設(shè)計點落在最佳比轉(zhuǎn)速附近，提升設(shè)計點效率，并抵消軸向力。但兩級串聯(lián)的結(jié)構(gòu)會降低壓氣機整機高效工作范圍；連接兩級壓氣機的彎管會造成高壓壓氣機進氣畸變，這也對效率和工作范圍產(chǎn)生負面作用。

該壓氣機的設(shè)計工況點和某應用項目工作點參數(shù)見表1，應用項目的工況點偏離現(xiàn)有壓氣機設(shè)計點，故效率有待提高。文中目的是通過為兩級離心壓氣機分別設(shè)計可調(diào)進口導葉，提升該工況點效率。同時證明可調(diào)進氣導葉在擴展兩級同軸離心壓氣機高效率工作范圍的可行性。

表1 兩級離心壓氣機設(shè)計點參數(shù)

1.2 可調(diào)進口導葉

1.2.1 可調(diào)進氣導葉原理

進氣導葉可以對離心壓氣機進氣產(chǎn)生節(jié)流和預旋作用。葉輪進、出口速度三角形如圖2、圖3所示。

圖2 壓氣機葉輪進口速度三角形示意

圖3 壓氣機葉輪出口速度三角形示意

由速度三角形可知，正預旋可以減小葉輪進氣攻角，改善喘振點附件進氣條件，惡化堵塞點附近進氣條件，使工作范圍向小流量方向移動。同時正預旋會降低壓氣機扭速和葉片對氣體的輸入功，從而降低壓比，故正預旋使壓氣機Map向小流量、低壓比方向移動，如公式(1)。反之，反預旋使壓氣機Map向大流量、高壓比方向移動。對于兩級離心壓氣機，可調(diào)進口導葉還能夠調(diào)節(jié)兩級壓氣機載荷和壓比的分配，使低、高壓壓氣機更好地協(xié)同工作。此外，導葉還具有整流作用，削弱高壓壓氣機由于進氣道彎管引起的進氣畸變，進一步改善壓氣機性能。

基于上述，可以通過調(diào)節(jié)可變進氣導葉，將效率島中心移動到原先的非設(shè)計工況點附近，進而達到提升該工況點效率的目的。

(1)

式中：π為壓氣機壓比；k為氣體比熱容比；R為理想空氣氣體常數(shù)；T01為壓氣機進口總溫；U1、U2分別為葉輪進、出口葉片線速度；C1、C2分別為葉輪進、出口絕對速度；θ1、θ2分別為葉輪進、出口絕對速度與軸向、徑向的夾角。

1.2.2 可調(diào)進氣導葉設(shè)計

基于某直翼型，為低、高壓壓氣機分別設(shè)計了進氣導葉。導葉翼型和截面如圖4(a)所示，VIGV與壓氣機葉輪的工作狀態(tài)如圖4(b)所示。低、高壓導葉的葉片數(shù)均為9片，周向均勻分布，采用相同的葉型，葉片可以繞貫穿葉片弦線中心的徑向軸轉(zhuǎn)動。導葉尾緣與葉輪前緣的最小距離為導葉最大弦長的1倍，足夠大的該間距可以減小導葉尾跡對下游葉輪的影響；導葉的最大直徑與葉輪進口葉尖直徑之比為1.4。

圖4 VIGV葉型及與壓氣機葉輪組合狀態(tài)

2 仿真方法

2.1 計算模型

基于有限體積法的CFD軟件，利用雷諾平均N-S方程的SST模型對兩級離心壓氣機整級做了仿真。葉輪部分選用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，導葉和蝸殼流道部分采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，圖5為仿真計算模型。

圖5 計算模型

2.2 邊界條件

進氣條件選用壓力入口，給定環(huán)境的總溫總壓，出口為流量出口，給定所需流量。轉(zhuǎn)靜交界面采用混合面法處理。計算轉(zhuǎn)速為100 000 r/min。規(guī)定導葉預旋方向與轉(zhuǎn)速相反時，開啟角度為正，反之為負。低壓導葉分別取-10°、-5°、0°、10°、20°，高壓導葉分別取0°、10°、20°、30°、40°。共計算了25個低、高壓VIGV角度組合方案和1個無VIGV方案，邊界條件見表2。

表2 邊界條件

3 仿真結(jié)果

3.1 整體結(jié)果

圖6和圖7分別為CFD得到的壓氣機整機效率、壓縮比隨VIGV角度的變化曲線。

圖6 等熵效率隨VIGV角度的變化

圖7 壓比隨VIGV角度的變化

在該項目需求的轉(zhuǎn)速、流量工況點下，隨著VIGV角度的增大，壓氣機壓比上升，等熵壓縮效率先上升后下降。低壓導葉角度到達20°之后，效率迅速下降，高壓導葉角度達到20°后，升壓速度變緩。帶VIGV的壓氣機在低壓VIGV角度大于-10°，高壓VIGV角度大于0°的條件下，壓比均高于不帶VIGV的壓氣機。帶VIGV壓氣機的效率最高高于無VIGV壓氣機1.6%。

帶VIGV方案最高效率點的仿真結(jié)果與無VIGV仿真結(jié)果見表3，帶VIGV方案壓比高于無VIGV方案0.14，效率高于無VIGV方案1.6%。其中，兩者低壓機性能差異較小，高壓級效率差異較大，前者效率高于后者3.7%。

表3 無VIGV與帶VIGV方案仿真性能對比

3.2 流場分析

由文中可知，在涉及項目的工況點下，帶VIGV方案壓氣機性能優(yōu)于不帶VIGV壓氣機，其主要性能差異在于高壓級的變化，文中選取兩算例的高壓級壓氣機流場進行對比分析。

3.2.1 高壓級進氣截面流場分析

由于高壓壓氣機進氣口前彎管的存在，高壓氣機存在進氣畸變。圖8為兩算例高壓級進口截面速度矢量圖，無VIGV壓氣機高壓級進口存在3個旋渦，帶VIGV壓氣機高壓級進口截面流動矢量沿預旋方向均勻分布，無旋渦和分離存在。

圖8 高壓壓氣機進口截面速度矢量

圖9為兩算例高壓級壓氣機進口截面總壓云圖。無VIGV方案的進口的高壓區(qū)偏向一側(cè)，而帶VIGV方案的進口截面總壓沿沿周向基本均勻分布。這是由于高壓級的進氣導葉不僅起了預旋作用，還起到了整流作用。

圖9 高壓壓氣機進口截面總壓云圖

3.2.2 葉輪內(nèi)流動分析

圖10為兩方案高壓壓氣機葉輪50%葉高的葉片載荷分布。帶VIGV方案前緣附近載荷高于無VIGV方案，根據(jù)可控擴散葉型原理[4]，葉片前緣附近邊界層最薄，具有最好的做功條件，適宜承擔更高載荷；帶VIGV方案在葉片中部載荷更低，葉片中部附面層較厚，降低載荷有利于推遲邊界層分離。

圖10 高壓壓氣機50%葉高葉片載荷分布

文中葉輪存在分流葉片載荷過低、與主葉片載荷相差過大的問題，這會增加出口摻混損失，降低效率。帶VIGV方案分流葉片載荷更高，緩解了該問題，即帶VIGV方案對葉片載荷的分布進行了一定的優(yōu)化，是效率得以提升的原因之一。

熵增是表征流動混亂程度的參數(shù)，高熵增伴隨更高的損失。圖11為兩方案高壓壓氣機葉輪50%葉高截面的靜熵分布，帶VIGV方案高熵區(qū)域面積更小，這得益于該方案葉片中部更小的載荷。

圖12為兩方案高壓壓氣機葉輪子午面平均靜熵，帶VIGV方案的高壓壓氣機進口附近熵值更低，這得益于上游導葉的整流作用。

圖11 高壓壓氣機50%葉高熵值云圖

圖12 高壓壓氣機子午面平均熵值

4 結(jié)論

文中為氫燃料電池的兩級同軸離心壓氣機設(shè)計了可調(diào)進氣導葉，并用CFD的方法獲取了在某非設(shè)計工況條件下，壓氣機性能隨可調(diào)導葉角度的變化規(guī)律，結(jié)果表明：

(1)隨正預旋角度的增加，壓氣機提升，效率先提升后降低。

(2)相對于無VIGV的壓氣機，帶VIGV壓氣機壓比提高0.14，效率提升1.6%。壓比的提升在于VIGV反預旋而提升的扭速；效率的提升源于VIGV的整流作用以及對葉片載荷的合理調(diào)整。

(3)增加可調(diào)進氣導葉是提高兩級離心壓氣機高效率范圍的有效方法。