馬明俊， 張成義

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 200240)

全球氣候惡化、石油危機(jī)加劇、人口劇增等問(wèn)題對(duì)整個(gè)社會(huì)的影響不斷加重，實(shí)行可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略迫在眉睫。氫能是一種綠色和高效的二次能源，具有來(lái)源廣、燃燒熱值高、清潔無(wú)污染和可儲(chǔ)存等優(yōu)點(diǎn)，因而受到人們的青睞[1-2]。氫燃料電池因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、能量轉(zhuǎn)化效率高以及無(wú)污染物排放等優(yōu)勢(shì)而得到廣泛應(yīng)用，目前在便攜式移動(dòng)電源和家庭電源等小型電源以及小型發(fā)電站都有一定應(yīng)用[3-4]。氫燃料電池是一個(gè)比較特殊的系統(tǒng)，其對(duì)空氣潔凈度有極高的要求，空氣供應(yīng)系統(tǒng)中最重要的部件是空氣壓縮機(jī)(以下簡(jiǎn)稱空壓機(jī))，其將大氣環(huán)境中的空氣加壓至電堆最佳操作壓力，同時(shí)根據(jù)運(yùn)行工況需求提供一定質(zhì)量流量的壓縮空氣[5]。氫燃料電池對(duì)空壓機(jī)的要求包括無(wú)油、低成本和高效率等，這也是氫燃料電池用空壓機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)。

國(guó)際上針對(duì)氫燃料電池用空壓機(jī)的開發(fā)以車載專用空壓機(jī)為主，戴姆勒公司開發(fā)出噴水螺桿式空壓機(jī)，能夠降低壓縮空氣溫度；美國(guó)Vairex公司開發(fā)出空氣質(zhì)量流量為75 g/s的燃料電池用滑片式空壓機(jī)[6]，壓比能夠達(dá)到2.5；日本豐田公司針對(duì)Mirai燃料電池車，由其自動(dòng)織機(jī)公司開發(fā)出六葉螺旋羅茨式空壓機(jī)，工作轉(zhuǎn)速最高達(dá)12 500 r/min；美國(guó)霍尼韋爾公司與美國(guó)能源部(DOE)合作研發(fā)出最大空氣質(zhì)量流量100 g/s、最大壓比3.2左右的離心式空壓機(jī)，效率高于70%；韓國(guó)現(xiàn)代汽車公司基于空氣箔片軸承開發(fā)出空氣質(zhì)量流量為80 g/s的離心式空壓機(jī)[7]。

國(guó)內(nèi)在氫燃料電池用空壓機(jī)方面的研究主要集中在高校，浙江大學(xué)針對(duì)100 kW氫燃料電池堆開發(fā)出單螺桿空壓機(jī)[8]；雪人公司研制出車用雙螺桿空壓機(jī)，壓比約為2.7，效率高于60%；清華大學(xué)研發(fā)出低比轉(zhuǎn)速車載燃料電池離心式空壓機(jī)[9]，轉(zhuǎn)速為20 000 r/min，葉輪壓比為1.6；北京科技大學(xué)研制出水潤(rùn)滑軸承支承的高速離心式空壓機(jī)[10]，其質(zhì)量流量達(dá)到73 g/s、壓比達(dá)到2.22；同濟(jì)大學(xué)開發(fā)出適用于65 kW燃料電池系統(tǒng)的單級(jí)離心式空壓機(jī)[11]，其最大空氣質(zhì)量流量為80 g/s、壓比為1.5～2.5。

相比其他形式的空壓機(jī)，離心式空壓機(jī)在功率密度、效率和噪聲等方面綜合效果較好。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)氫燃料電池用空壓機(jī)的研究與發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)差距明顯，尚未有針對(duì)100 kW氫燃料電池堆的離心式空壓機(jī)產(chǎn)品，而采購(gòu)國(guó)外離心式空壓機(jī)成本高，使用其他形式空壓機(jī)效率又較低。

針對(duì)國(guó)內(nèi)100 kW氫燃料電池堆用空壓機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)，考慮空氣質(zhì)量流量、壓比和體積方面的要求，采用離心葉輪形式的大流量空壓機(jī)是目前主流的發(fā)展方向。筆者針對(duì)100 kW氫燃料電池堆，開發(fā)空氣質(zhì)量流量為130 g/s、壓比為2.8的兩級(jí)串聯(lián)離心式空壓機(jī)。

1 空壓機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

基于離心式空壓機(jī)級(jí)效率最優(yōu)的原則，參考離心葉輪經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)型譜，確定空壓機(jī)的級(jí)數(shù)為兩級(jí)?？諌簷C(jī)采用兩級(jí)葉輪串聯(lián)增壓的形式，可減小單級(jí)葉輪的壓比，提高空壓機(jī)效率。兩級(jí)葉輪分別布置在電機(jī)兩端，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為95 000 r/min。

兩級(jí)葉輪的壓比分配主要考慮以下3點(diǎn)：兩級(jí)葉輪產(chǎn)生的軸向推力盡量相近，以減小整體的軸向推力；兩級(jí)葉輪均具有合適的設(shè)計(jì)比轉(zhuǎn)速，以提高空壓機(jī)效率；兩級(jí)葉輪直徑接近，以減小空壓機(jī)總體徑向尺寸。

空壓機(jī)在設(shè)計(jì)點(diǎn)工作時(shí)，進(jìn)口壓力為0.1 MPa，出口壓力為0.28 MPa，為使兩級(jí)葉輪上產(chǎn)生的軸向推力相近，采用升壓值均分的方式，即第一級(jí)和第二級(jí)的壓升均為0.09 MPa，故第一級(jí)的壓比為1.9，第二級(jí)的壓比為1.47。但等壓升分配下兩級(jí)壓比相差較大，考慮葉輪的效率，應(yīng)盡量減小兩級(jí)葉輪的壓比差別。因此，確定低壓級(jí)葉輪壓比為1.8，高壓級(jí)葉輪壓比為1.56。

根據(jù)兩級(jí)葉輪的壓比分配計(jì)算兩級(jí)葉輪的比轉(zhuǎn)速，得到低壓級(jí)葉輪比轉(zhuǎn)速為0.98，高壓級(jí)葉輪比轉(zhuǎn)速為0.88，兩者比較接近，均在合理范圍內(nèi)。

1.2 一維氣動(dòng)設(shè)計(jì)

采用Concepts NREC公司的Compal軟件進(jìn)行兩級(jí)葉輪的一維氣動(dòng)設(shè)計(jì)，得到兩級(jí)葉輪的主要幾何參數(shù)，如表1所示，兩級(jí)葉輪均采用6+6長(zhǎng)短葉片組合形式。兩級(jí)葉輪直徑接近，可減小空壓機(jī)總體徑向尺寸。

表1 兩級(jí)葉輪的主要幾何參數(shù)

空壓機(jī)氣動(dòng)效率計(jì)算公式如下：

(1)

式中:p01、p02分別為空壓機(jī)進(jìn)口和出口空氣壓力;T01、T02分別為空壓機(jī)進(jìn)口和出口空氣溫度;k為絕熱指數(shù)。

1.3 三維葉型設(shè)計(jì)

采用Concepts NREC公司的Axcent軟件進(jìn)行兩級(jí)葉輪的三維葉型設(shè)計(jì)。通過(guò)調(diào)整葉型的角度、厚度和傾角分布控制葉輪內(nèi)氣動(dòng)參數(shù)變化在合理范圍內(nèi)。圖1給出了低壓級(jí)葉輪通道內(nèi)的相對(duì)馬赫數(shù)分布和載荷分布。葉型采用中部加載設(shè)計(jì)，以減小葉輪進(jìn)出口流動(dòng)損失；葉輪出口空氣具有較大的速度和動(dòng)能，在擴(kuò)壓器和蝸殼中空氣速度和動(dòng)能減小并轉(zhuǎn)化為壓力能。

(a)相對(duì)馬赫數(shù)分布

高壓級(jí)葉輪壓力高，葉尖泄漏情況較低壓級(jí)嚴(yán)重。為減小葉尖泄漏，采用葉片前傾設(shè)計(jì)以減小高壓級(jí)葉輪前緣的葉尖氣動(dòng)載荷。圖2給出了調(diào)整后的高壓級(jí)葉輪通道內(nèi)的相對(duì)馬赫數(shù)分布和葉片載荷分布。通過(guò)葉片載荷分布圖可以看出，葉輪進(jìn)口段的氣動(dòng)載荷有所降低。

(a)相對(duì)馬赫數(shù)分布

2 空壓機(jī)氣動(dòng)三維數(shù)值分析

2.1 控制方程

有限體積法利用網(wǎng)格將計(jì)算區(qū)域離散化，在每個(gè)控制體積內(nèi)對(duì)控制方程進(jìn)行積分，采用線性化方法生成未知變量的方程組，結(jié)合邊界條件得到閉合的方程組，然后使用迭代計(jì)算方法得到收斂的各計(jì)算網(wǎng)格上的未知量[12]。

以N-S方程描述離心式壓縮機(jī)內(nèi)的氣體流動(dòng)，包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。

在經(jīng)典力學(xué)范圍內(nèi)，認(rèn)為流體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中經(jīng)歷任何過(guò)程和變化，系統(tǒng)的物質(zhì)總量保持不變。

連續(xù)性方程的微分形式如下：

(2)

式中：ρ為流體密度；t為時(shí)間；u、v、w分別表示x、y、z方向上的速度分量。

動(dòng)量守恒方程表示：任何控制微元中流體動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在流體微元上所受的合力。

考慮黏性流動(dòng)，動(dòng)量守恒方程的微分形式如下：

(3)

式中：fx、fy、fz分別表示x、y、z方向上流體微團(tuán)的體積力；τxx、τyy、τzz分別表示x、y、z方向上的正應(yīng)力；τxy和τyx、τxz和τzx、τyz和τzy分別表示xy、xz、yz平面上的切應(yīng)力。

能量守恒方程表示：進(jìn)出某系統(tǒng)的能量與該系統(tǒng)的總能量的變化量相等。在流動(dòng)過(guò)程中，流體的內(nèi)能與動(dòng)能之和的變化率等于表面力做功功率、質(zhì)量力做功功率與外界對(duì)流體的傳熱功率之和。

考慮黏性流動(dòng)，能量守恒方程的微分形式如下：

(4)

2.2 數(shù)值仿真方法

采用NUMECA公司的Fine/Turbo軟件進(jìn)行空壓機(jī)內(nèi)部三維流動(dòng)的數(shù)值仿真分析?？刂品匠滩捎美字Z平均N-S方程，湍流模型采用Spalart-Allmaras模型。數(shù)值差分格式采用二階精度格式，并通過(guò)多重網(wǎng)格和隱式殘差光順技術(shù)加速收斂。邊界條件為進(jìn)口給定總溫、總壓和氣流角，出口給定背壓。

2.3 網(wǎng)格劃分

低壓級(jí)、高壓級(jí)離心葉輪均包含12個(gè)葉片(長(zhǎng)葉片和短葉片各6個(gè))。每組葉片間為周期性流動(dòng)，三維數(shù)值計(jì)算分析僅考慮穩(wěn)態(tài)條件下的工作性能，為減少計(jì)算量，選取一組長(zhǎng)短葉片構(gòu)建計(jì)算域。圖3所示為低壓級(jí)葉輪和無(wú)葉擴(kuò)壓器幾何模型以及單組葉片計(jì)算域網(wǎng)格，采用HOH型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約199萬(wàn)。

(a)幾何模型

2.4 仿真結(jié)果分析

圖4給出了兩級(jí)葉輪內(nèi)部流線分布情況。由圖4可知，低壓級(jí)和高壓級(jí)葉輪葉片壓力面附近的流線分布均勻；在葉片吸力面附近，受葉尖泄漏流動(dòng)的影響存在小范圍的流動(dòng)紊亂區(qū)域。兩級(jí)空壓機(jī)蝸殼內(nèi)部流線分布均勻，流動(dòng)情況良好。

(a)低壓級(jí)

圖5給出了兩級(jí)葉輪50%葉高截面的相對(duì)馬赫數(shù)分布圖。由圖5可知，葉輪內(nèi)的流動(dòng)馬赫數(shù)均小于1，沒有出現(xiàn)跨聲速流動(dòng)和激波，吸力面處的馬赫數(shù)大于壓力面處的馬赫數(shù)。在葉輪出口分流葉片吸力面附近存在一個(gè)低速流動(dòng)區(qū)域，為出口回流區(qū)，其范圍較小，對(duì)主流影響不大。

(a)低壓級(jí)

圖6給出了空壓機(jī)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的氣動(dòng)性能仿真結(jié)果，包括質(zhì)量流量-壓比和質(zhì)量流量-效率關(guān)系曲線。由圖6可知，在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，兩級(jí)葉輪的壓比為2.86，效率為79.38%。

(a)質(zhì)量流量-壓比關(guān)系曲線

3 空壓機(jī)性能試驗(yàn)

3.1 空壓機(jī)氣動(dòng)性能試驗(yàn)驗(yàn)證

圖7為空壓機(jī)性能試驗(yàn)方案圖。進(jìn)口管道布置壓力、溫度和質(zhì)量流量測(cè)點(diǎn)，出口管道布置壓力、溫度、質(zhì)量流量測(cè)點(diǎn)以及調(diào)節(jié)閥。使用差壓變送器測(cè)量壓力，使用電測(cè)溫度計(jì)測(cè)量溫度，使用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量質(zhì)量流量。

圖7 空壓機(jī)性能測(cè)試臺(tái)布置圖

空壓機(jī)試驗(yàn)時(shí)，在每條轉(zhuǎn)速線上，通過(guò)調(diào)節(jié)閥控制質(zhì)量流量和壓比的變化，測(cè)量多個(gè)調(diào)節(jié)閥開度下的質(zhì)量流量和壓比的狀態(tài)點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)數(shù)一般不少于5個(gè)。調(diào)節(jié)閥開度由大到小，逐漸向最小質(zhì)量流量點(diǎn)逼近，當(dāng)監(jiān)測(cè)出口壓力值開始波動(dòng)時(shí)，緩慢調(diào)整節(jié)流閥開度，逐漸減小質(zhì)量流量，當(dāng)監(jiān)測(cè)出口壓力值波動(dòng)劇烈，且10 s時(shí)間內(nèi)不能穩(wěn)定，即達(dá)到喘振邊界。

在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行氣動(dòng)性能測(cè)試，即在某一轉(zhuǎn)速下，通過(guò)系統(tǒng)出口調(diào)節(jié)閥開度控制以調(diào)節(jié)空壓機(jī)系統(tǒng)的質(zhì)量流量，由大質(zhì)量流量向小質(zhì)量流量變化，逐漸逼近該轉(zhuǎn)速下的喘振臨界點(diǎn)，期間采集不同質(zhì)量流量下的數(shù)據(jù)，獲得空壓機(jī)系統(tǒng)的進(jìn)出口壓力、溫度、質(zhì)量流量和功耗等參數(shù)。因控制器功率限制，實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試時(shí)最大轉(zhuǎn)速為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速95 000 r/min。

圖8給出了不同轉(zhuǎn)速下空壓機(jī)氣動(dòng)性能的測(cè)試結(jié)果。左圖為不同轉(zhuǎn)速下空壓機(jī)系統(tǒng)的質(zhì)量流量-壓比關(guān)系曲線，其中質(zhì)量流量為空壓機(jī)出口空氣質(zhì)量流量，壓比為總壓比，可以看出在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速95 000 r/min、質(zhì)量流量為130 g/s時(shí)的壓比為2.82。右圖為不同轉(zhuǎn)速下空壓機(jī)系統(tǒng)的質(zhì)量流量-效率關(guān)系曲線，其中效率為氣動(dòng)效率，可以看出在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速95 000 r/min、質(zhì)量流量為130 g/s時(shí)的氣動(dòng)效率為77.5%。

(a)質(zhì)量流量-壓比關(guān)系曲線

3.2 分析討論

空壓機(jī)系統(tǒng)氣動(dòng)性能試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，空壓機(jī)系統(tǒng)的總壓比為2.82，比數(shù)值仿真分析得到的壓比2.86低，這是由于數(shù)值仿真分析所選取的計(jì)算模型不包含兩級(jí)之間的連接管道且未考慮連接管道的壓力損失造成的。

氣動(dòng)性能試驗(yàn)所得空壓機(jī)氣動(dòng)效率為77.5%，低于一維設(shè)計(jì)效率78.6%，這是因?yàn)樵谝痪S氣動(dòng)設(shè)計(jì)軟件中蝸殼氣動(dòng)損失偏理想，低于實(shí)際蝸殼損失造成的。

氣動(dòng)性能試驗(yàn)所得空壓機(jī)氣動(dòng)效率為77.5%，低于數(shù)值仿真分析結(jié)果79.38%，這是由于仿真分析計(jì)算模型未考慮離心葉輪的輪背泄漏，空壓機(jī)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，葉輪輪背存在不同程度的泄漏問(wèn)題，造成仿真分析結(jié)果高于實(shí)際測(cè)試結(jié)果。

4 結(jié) 論

(1)完成了空壓機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)，高速離心葉輪通道內(nèi)流場(chǎng)分布均勻，氣動(dòng)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求；采用高轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，有效減小了空壓機(jī)系統(tǒng)體積，并提高了空壓機(jī)氣動(dòng)效率。

(2)低壓級(jí)葉輪葉型采用中部加載設(shè)計(jì)，減小低壓級(jí)葉輪進(jìn)出口流動(dòng)損失；高壓級(jí)葉輪采用葉片前傾設(shè)計(jì)，減小高壓級(jí)葉輪前緣的葉尖氣動(dòng)載荷，提高氣動(dòng)效率。

(3)完成了空壓機(jī)系統(tǒng)氣動(dòng)性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、質(zhì)量流量為130 g/s時(shí)，空壓機(jī)的壓比為2.82，氣動(dòng)效率為77.5%，可滿足氫燃料電池堆要求。