席會(huì)杰

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在能源和環(huán)境的雙重危機(jī)下，開(kāi)發(fā)新的動(dòng)力源汽車(chē)成為了各個(gè)車(chē)企關(guān)注的重點(diǎn)。目前，氫能作為重要的清潔能源解決方案，可大幅削減CO2排放以完成自主減排目標(biāo)，促使氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)有了進(jìn)一步發(fā)展。

在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的車(chē)載燃料電池產(chǎn)品核心技術(shù)中，質(zhì)子反應(yīng)堆是氫燃料電池產(chǎn)生電能的核心?？諝鈮嚎s機(jī)將反應(yīng)所需的空氣壓縮到燃料電池電堆所適合的壓力。離心壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速高、尺寸小、質(zhì)量輕及結(jié)構(gòu)緊湊，并且噪聲較小，變工況運(yùn)行平穩(wěn)，在冷起動(dòng)、振動(dòng)及起停等方面運(yùn)行較為可靠，將成為車(chē)載燃料電池的主流設(shè)備。

設(shè)計(jì)參數(shù)確定

離心空氣壓縮機(jī)是車(chē)載氫燃料電堆氧氣供給的重要部件，壓縮機(jī)的性能直接影響到氫燃料電堆的功率密度和熱效率，因此提高壓縮機(jī)的壓比對(duì)減小燃料電池電堆尺寸有重要作用。

提高空氣壓力可顯著降低燃料電池的電堆成本、提高燃料電池的功率密度以及維持燃料電池內(nèi)部的水平衡，但空氣供應(yīng)壓力過(guò)高將會(huì)造成空氣壓縮機(jī)的自耗功率過(guò)大，整機(jī)的總效率降低。針對(duì)小流量高壓比特點(diǎn)的離心空氣壓縮機(jī)，空氣供應(yīng)流量越小，供氣壓力要求越高，研發(fā)的技術(shù)難度越大，研發(fā)成本將急劇升高，因此選取合適的設(shè)計(jì)參數(shù)，將顯得尤為重要。

相較市場(chǎng)上推出的成熟產(chǎn)品燃料電池乘用車(chē)功率為120kW，按進(jìn)氣壓力98kPa（20℃）計(jì)算，確定壓縮機(jī)設(shè)計(jì)流量為7.7m3/min，設(shè)計(jì)壓比為 2.5較為合適。本文根據(jù)上述設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行離心壓縮機(jī)的葉輪設(shè)計(jì)，包括一維氣動(dòng)設(shè)計(jì)、三維CFD數(shù)值分析和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析等。

一維氣動(dòng)設(shè)計(jì)

壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)初步階段，首先應(yīng)該進(jìn)行一維氣動(dòng)設(shè)計(jì)。針對(duì)上述氣動(dòng)參數(shù)，采用半開(kāi)式葉輪，可以使葉輪圓周速度大幅增加，單級(jí)壓比滿足要求，同時(shí)采用后彎式葉輪可拓寬葉輪的工況范圍以及效率。基于壓縮機(jī)的軸系設(shè)計(jì)要求，壓縮機(jī)入口輪轂直徑為18mm，葉片厚度設(shè)定為0.6mm，半開(kāi)式葉輪頂部間隙為0.4mm，葉輪出口平均氣流角為45°。

本文通過(guò)NREC軟件的Compal設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行葉輪氣動(dòng)的計(jì)算和分析，分別以設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速100 000r/min、110 000r/min、120 000r/min、130 000r/min、140 000r/min來(lái)計(jì)算，分析不同設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的葉輪一維尺寸，對(duì)相同流量下的壓力、功耗和效率等參數(shù)進(jìn)行初步分析，計(jì)算得到的葉輪一維結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 葉輪一維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

由表1可以看出，隨著葉輪的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速逐漸升高，壓縮機(jī)葉輪的比轉(zhuǎn)速越大，葉輪進(jìn)口葉高和出口直徑逐漸降低，葉輪出口葉高、多變效率先增大后減小，軸功率先減小后增大。車(chē)載燃料電池空壓機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)保證氣動(dòng)效率高下，盡可能做到結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)需考慮加工制造的成本，因此選取120 000r/min為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，確定壓縮機(jī)葉輪的初步結(jié)構(gòu)參數(shù)。

氣動(dòng)性能分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行離心壓縮機(jī)的葉輪三維造型。葉輪子午面采用Bezier曲線來(lái)控制，子午面通流截面面積平穩(wěn)縮小，以減少葉輪子午面氣體邊界層的分離?？紤]到加工的因素，葉片型線采用直紋面葉型，通過(guò)調(diào)整葉片輪轂和輪蓋側(cè)的安裝角改變?nèi)~片壓力面和吸力面的載荷分布，優(yōu)化壓縮機(jī)葉輪的氣動(dòng)性能和工況范圍，最終得到的葉片三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 葉片三維結(jié)構(gòu)

燃料電池空氣壓縮機(jī)運(yùn)行在多個(gè)工況下，通過(guò)調(diào)整空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)適應(yīng)燃料電池電堆的不同負(fù)荷的負(fù)載，選取40 000r/min、60 000r/min、80 000r/min、100 000r/min、120 000r/min和135 000r/min等6個(gè)轉(zhuǎn)速，來(lái)對(duì)本設(shè)計(jì)的離心壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速、流量、壓比、效率等參數(shù)進(jìn)行氣動(dòng)性能分析。

圖2所示為所設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)不同轉(zhuǎn)速工況的流量-壓比性能曲線。隨著轉(zhuǎn)速的增加，壓縮機(jī)的流量范圍和壓比范圍均逐漸增加。從流量-壓比性能曲線中看出，在設(shè)計(jì)工況下流量達(dá)到7.7m3/min時(shí)，壓縮機(jī)壓比2.61，滿足燃料電池的需求，設(shè)計(jì)點(diǎn)壓比的喘振裕量為12.4%，流量阻塞裕度為35%，滿足壓縮機(jī)安全運(yùn)行的要求。

圖2 不同轉(zhuǎn)速工況流量-壓比性能曲線

從圖3所示的流量-多變效率性能曲線中看出，不同轉(zhuǎn)速下壓縮機(jī)的多變效率隨著流量的增大存在先增大后減小的趨勢(shì)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，多變效率最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)流量值逐漸增大，最高效率范圍為84%～87%之間。壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)為120 000r/min轉(zhuǎn)速下的效率最高點(diǎn)，壓縮機(jī)性能基本滿足要求。

圖3 不同轉(zhuǎn)速工況流量-多變效率性能曲線

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

葉輪使用材料為7075鋁合金，為準(zhǔn)確分析出實(shí)際工作中葉輪的強(qiáng)度及變形量，將流場(chǎng)仿真計(jì)算的氣動(dòng)載荷加載到葉輪表面，同時(shí)將不同葉高下的溫度分布附加到葉輪上。葉輪最高點(diǎn)溫度為130℃，按照設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速超速10%來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算葉輪的應(yīng)力分布以及變形分布情況，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 132 000r/min工況下葉輪應(yīng)力分布

可以看出，在超速10%工作轉(zhuǎn)速下，耦合流場(chǎng)中氣體載荷后，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在葉輪根部，葉輪部分應(yīng)力低于 230.040MPa，且高離心應(yīng)力區(qū)域位于葉輪的后盤(pán)氣封處，安全裕度比較大。130℃下7075鋁合金的屈服強(qiáng)度是364MPa，極限強(qiáng)度是401MPa，均大于葉輪的最大應(yīng)力。因此從葉輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的角度看，132 000r/min超速狀態(tài)下，葉輪強(qiáng)度達(dá)到要求。

結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)功率為120kW的乘用車(chē)車(chē)載燃料電池需求，以工況點(diǎn)效率最優(yōu)為目標(biāo)，確定了燃料電池壓縮機(jī)的流量、壓比和最佳設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，完成了壓縮機(jī)葉輪的一維設(shè)計(jì)、葉輪造型、三維數(shù)值分析和結(jié)構(gòu)校核。所設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)葉輪的流量、壓比、多變效率、功率和強(qiáng)度等方面均滿足了車(chē)載燃料電池用高速離心式壓縮機(jī)的要求。