李超 , ，郭志平 , ，郭浩

（1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，呼和浩特 010051；2. 內(nèi)蒙古大學(xué) 交通學(xué)院，呼和浩特 010070；3. 蘇州大學(xué) 江蘇省先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人與微系統(tǒng)研究中心，江蘇蘇州 215021）

近年來，隨著社會(huì)對(duì)能源與環(huán)境的不斷重視，新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。 電動(dòng)汽車作為新能汽車的主要類型，具有低能耗、低排放、低噪聲等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是今后汽車發(fā)展的主要方向。但目前電動(dòng)汽車的發(fā)展受到續(xù)航里程、充電時(shí)間、電池成本等因素的阻礙，使得電動(dòng)汽車的發(fā)展和普及受到了一定限制。增程式電動(dòng)汽車是當(dāng)前被認(rèn)為解決該問題的一種有效途徑[1]。增程式電動(dòng)汽車在運(yùn)行過程中主要依靠由增程器構(gòu)成的發(fā)電機(jī)組向動(dòng)力電池提供持續(xù)不斷的電能來保證續(xù)航里程，因此增程器性能的優(yōu)劣至關(guān)重要。目前增程式電動(dòng)汽車采用的增程器類型主要包括內(nèi)燃?xì)猓↖CE）、燃料電池（PEFC）以及微型燃?xì)廨啓C(jī)（MGT）等，如表1所示[2-4]，相比于其他3種類型，微型燃?xì)廨啓C(jī)在功率密度、燃料適應(yīng)性、排放及環(huán)保性等方面都具有優(yōu)勢(shì)，因此微型燃?xì)廨啓C(jī)被認(rèn)為是最具潛力的增程器。綜合考慮成本以及適用性等要求，目前在小型乘用車上采用功率介于5 ～ 30 kW的小功率微型燃?xì)廨啓C(jī)最為適合[5]。因此小功率微型燃?xì)廨啓C(jī)受到了國外很多研究機(jī)構(gòu)和汽車公司的關(guān)注，并積極的開展了相關(guān)的研究工作[6-7]。近年來國內(nèi)的一些高校也相繼在該領(lǐng)域開展相關(guān)研究工作，如北京航空航天大學(xué)姬芬竹等對(duì)電動(dòng)汽車微型燃?xì)廨啓C(jī)增程器進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究[5,8]，大連理工大學(xué)周雅夫等針對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)增程器式電動(dòng)汽車進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)研究[9]。

表1 電動(dòng)汽車增程器對(duì)比

電動(dòng)汽車微型燃?xì)廨啓C(jī)增程器系統(tǒng)主要由微型燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)及控制系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。其中微型燃?xì)廨啓C(jī)主要作用就是驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，為整車提供能量來源。在微型燃?xì)廨啓C(jī)中向心渦輪作為重要組成部件，承擔(dān)著能量轉(zhuǎn)化以及功率輸出的主要任務(wù)，因此為微型燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的向心渦輪十分重要[10]。而對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)所采用的向心渦輪開展有針對(duì)性的設(shè)計(jì)方法研究更是十分必要。本文以輸出功率為20 kW的小功率微型燃?xì)廨啓C(jī)向心渦輪為研究對(duì)象，綜合考慮到渦輪微尺寸化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用遺傳算法對(duì)其主要?dú)鈩?dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選取，并編制了微型向心渦輪一維設(shè)計(jì)計(jì)算程序。在此基礎(chǔ)上，建立了微型向心渦輪的三維模型，并采用CFD軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，驗(yàn)證了本文所采用的微型向心渦輪設(shè)計(jì)方法的可行性，獲得了符合設(shè)計(jì)要求的微型向心渦輪結(jié)構(gòu)。

圖1 微型燃?xì)廨啓C(jī)增程器系統(tǒng)圖

1 微型燃?xì)廨啓C(jī)增程器參數(shù)匹配

目前市場(chǎng)上的大多數(shù)的純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力有限，而且受到充電時(shí)間長(zhǎng)、充電樁數(shù)量少等問題的影響，使得純電動(dòng)汽車不能夠滿足遠(yuǎn)途行駛需求，這也是目前限制電動(dòng)汽車普及和發(fā)展的主要問題。因此，本文選取北汽新能源汽車EV150為原型車，以其主要技術(shù)參數(shù)為參考匹配增程器，增加其續(xù)航里程。該車型主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 北汽EV150電動(dòng)汽車主要技術(shù)參數(shù)

1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配

車輛以最高車速行駛時(shí)，汽車行駛的功率平衡方程為

式中：ηt為傳動(dòng)效率；m為整車整備重量，kg；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；umax為車輛最高行駛車速，km/h；CD為迎風(fēng)阻力系數(shù)；A為車輛迎風(fēng)面積，m2。

車輛在最大爬坡度情況下行駛，汽車行駛的功率平衡方程為

式中：ua為汽車爬坡時(shí)的行駛速度，ua= 20 km/h；i為最大爬坡度。

車輛在最大加速模式下，汽車行駛的功率平衡方程為

式中：ub= 50 km/h；t為加速到ub所需要的時(shí)間，t= 5.3 s。

因此，能夠滿足車輛動(dòng)力性要求的電機(jī)峰值功率Pemax= max(Pu,Pi,Pa) = 45 kW

電機(jī)的額定功率為

式中λ為電動(dòng)機(jī)過載系數(shù)，一般為1.8 ～ 2.2

經(jīng)以上初步分析，選取額定功率為20 kW，峰值功率為45 kW的永磁同步電動(dòng)機(jī)作為車輛的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這與原車所搭載的電機(jī)一致，說明上述計(jì)算分析是準(zhǔn)確的。

1.2 增程器匹配

增程式電動(dòng)汽車中，增程器的主要功用是為整車提供電力，保證以驅(qū)動(dòng)電機(jī)為動(dòng)力源的動(dòng)力系統(tǒng)能夠及時(shí)為車輛提供足夠的驅(qū)動(dòng)力。目前市場(chǎng)上主要的增程式電動(dòng)汽車大多采取的是串聯(lián)控制邏輯，即增程器并不參與驅(qū)動(dòng)車輛，而是主要帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。而且增程式電動(dòng)汽車都配有動(dòng)力電池，在動(dòng)力電池電量充足的情況下，車輛以純電模式行駛，當(dāng)電池SOC低于某一值時(shí)，車輛以增程模式行駛，增程器開始工作，依當(dāng)時(shí)的功率需求，給驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池供電，以保證在一定的車速下繼續(xù)達(dá)行駛[11]。本文所設(shè)計(jì)的增程器應(yīng)能在增程模式下，以不低于最高車速90%的巡航車速行駛，因此，增程器的最低輸出功率為

式中：ηm為發(fā)電機(jī)效率，ηm= 0.95；u90為90%最高車速，u90= 110 km/h。

根據(jù)所選驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及對(duì)增程器的最低輸出功率要求，所匹配的增程器的功率應(yīng)達(dá)到20 kW才能滿足要求。因此本文所研究的增程器為輸出功率為20 kW的微型燃?xì)廨啓C(jī)。

2 微型燃?xì)廨啓C(jī)整體性能分析

為了獲得較為準(zhǔn)確微型燃?xì)廨啓C(jī)各部件的性能參數(shù)，本文采用商業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)軟件Gasturb 13對(duì)所其進(jìn)行了整體性能分析。選用帶回?zé)崞鱯ingle spool Turboshaft模型進(jìn)行熱力循環(huán)模擬，如圖2所示。參考相關(guān)文獻(xiàn)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，給定微型燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)分析主要設(shè)計(jì)條件，如表3所示。通過軟件模擬以及初步估算得到微型燃?xì)廨啓C(jī)各部件主要性能參數(shù)和向心渦輪初始熱力設(shè)計(jì)參數(shù)，如表4和表5所示。

圖2 帶回?zé)醩ingle spool Turboshaft燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)模型

表3 微型燃機(jī)熱力循環(huán)分析主要設(shè)計(jì)條件

表4 微型燃?xì)廨啓C(jī)各部件主要性能參數(shù)

表5 微型向心渦輪主要初始熱力設(shè)計(jì)參數(shù)

3 微型向心渦輪一維設(shè)計(jì)

3.1 熱力分析

氣體在微型向心渦輪級(jí)中的流動(dòng)過程如圖3所示。狀態(tài)0-1和狀態(tài)1-2分別代表了燃?xì)鈱?dǎo)向裝置和轉(zhuǎn)子葉輪中的膨脹過程。經(jīng)過導(dǎo)向裝置使得燃?xì)饧铀龠M(jìn)入轉(zhuǎn)子葉輪，并隨速度的不斷增加而膨脹，動(dòng)能最終由轉(zhuǎn)子葉輪轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出。微型向心渦輪一維設(shè)計(jì)的第一步需要確定初始參數(shù)，因?yàn)椴捎貌煌脑O(shè)計(jì)參數(shù)會(huì)產(chǎn)生差異較大的幾何尺寸及損失設(shè)計(jì)方案[12]。向心渦輪速度三角形如圖4所示。

圖3 向心渦輪工作過程焓熵圖

圖4 向心渦輪速度三角形圖

根據(jù)能量方程和向心渦輪速度三角形（圖4），得到微型向心渦輪的輪周效率公式為

由式（6）可知，微型向心渦輪的輪周效率由φ（導(dǎo)葉柵流量系數(shù)）、ψ（動(dòng)葉流量系數(shù)）、Ω（反動(dòng)度）、xa（表示速比）、D2（ 輪徑比）、α1（葉輪入口絕對(duì)氣流角）、β2（葉輪出口相對(duì)氣流角）等7個(gè)參數(shù)所決定。

3.2 損失模型

向心渦輪工作過程中受到導(dǎo)向裝置相對(duì)損失、葉輪相對(duì)損失以及余速損失的影響。

導(dǎo)向裝置中相對(duì)損失為

葉輪中的相對(duì)損失為

式中：w2為葉輪出口相對(duì)速度；Δhs為渦輪等熵膨脹功。

余速損失為

式中c2為葉輪出口絕對(duì)速度。

因此向心渦輪的輪周效率可表達(dá)為

受到渦輪微尺寸化的影響，在微型向心渦輪實(shí)際工作過程中除了考慮以上3種損失外，葉輪的輪盤摩擦損失以及漏氣損失對(duì)渦輪的工作效率有很大影響。

葉輪的輪盤摩擦損失為

式中：fr為摩擦功率系數(shù)，fr= 4；ρ1為入口工質(zhì)密度；D1為葉輪進(jìn)口直徑；u1為葉輪周速；G為工質(zhì)流量。

漏氣損失為

式中：Δr為葉輪頂部徑向間隙，結(jié)合實(shí)際加工和裝配情況，取值為0.02 mm；lm為平均葉高。

通過以上建立的損失模型，微型向心渦輪的軸效率應(yīng)為

式中ηm為機(jī)械效率，ηm= 0.98。

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)3.2節(jié)分析可以看出，要想達(dá)到設(shè)計(jì)要求的渦輪軸效率，需要在結(jié)構(gòu)合理的前提下，盡可能高的提高渦輪輪周效率。因此，一維設(shè)計(jì)過程中，提高微型向心渦輪輪周效率是主要的優(yōu)化目標(biāo)。根據(jù)公式（3），若要提高渦輪的輪周效率，需要對(duì)其所涉及的7個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選取[13]。在常規(guī)向心渦輪設(shè)計(jì)過程中，優(yōu)化輪周效率的方法主要有比較法、解析法和篩選法[14]，但以上幾種方法都需要耗費(fèi)較大的工作量，且存在一定的盲目性。本文結(jié)合遺傳算法，以微型向心渦輪軸效率為適應(yīng)度函數(shù)，以導(dǎo)葉柵流量系數(shù)、動(dòng)葉流量系數(shù)、反動(dòng)度、表示速比、輪徑比、葉輪入口絕對(duì)氣流角、葉輪出口相對(duì)氣流角等7個(gè)參數(shù)為變量對(duì)微型向心渦輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，流程如圖5所示。依據(jù)該設(shè)計(jì)流程，并根據(jù)微型燃?xì)廨啓C(jī)整體性能分析得到的渦輪設(shè)計(jì)熱力參數(shù)值，在MATLAB環(huán)境下編制了微型向心渦輪一維設(shè)計(jì)計(jì)算程序，完成微型向心渦輪的一維設(shè)計(jì)。表5為遺傳算法主要運(yùn)行參數(shù)值。表6為最終通過優(yōu)化以及程序計(jì)算得到的一維設(shè)計(jì)結(jié)果，從表6所中看到渦輪輸出軸效率達(dá)到80.8%，輸出功率達(dá)到33.7，說明一維設(shè)計(jì)所得到的微型向心渦輪性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖5 微型向心渦輪優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

表6 遺傳算法主要運(yùn)行參數(shù)

表7中的主要幾何參數(shù)是進(jìn)行渦輪設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，其位置如圖6所示。

表7 微型向心渦輪一維設(shè)計(jì)所得主要參數(shù)

圖6 微型向心渦輪二維子午流道圖

4 三維建模及數(shù)值模擬仿真

4.1 三維建模

建立微型向心渦輪的三維模型是其開展仿真分析以及后續(xù)加工制造的必要步驟，因此設(shè)計(jì)的合理的微型向心渦輪三維結(jié)構(gòu)尤為重要。渦輪葉片葉型設(shè)計(jì)對(duì)其性能影響很大，對(duì)提高效率也有關(guān)鍵作用。目前渦輪葉型設(shè)計(jì)方法中應(yīng)用較多的是B樣條曲線方法，該方法能夠在Bezier曲線構(gòu)造法基礎(chǔ)上根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)葉型曲線的形狀進(jìn)行局部控制與修改，比較適合復(fù)雜葉型的設(shè)計(jì)[15]。本文采用ANSYS中的 Bladegen模塊完成微型向心渦輪的葉片造型。將一維設(shè)計(jì)中所得的渦輪主要幾何參數(shù)導(dǎo)入ANSYS Bladegen中，通過反復(fù)優(yōu)化調(diào)整葉片子午流道的曲線形狀以及葉片角度、厚度等參數(shù)，最終完成渦輪動(dòng)葉及導(dǎo)葉三維造型，如圖7和圖8所示。最終獲得微型向心渦輪三維模型，如圖9所示。

圖7 葉輪子午流道及三維造型圖

圖8 導(dǎo)葉子午流道及三維造型圖

圖9 微型向心渦輪三維模型

4.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

ANSYS中的TurboGrid模塊是葉輪機(jī)械專用的網(wǎng)格劃分工具，針對(duì)葉輪機(jī)械其能夠提供質(zhì)量較高的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。本文將4.1節(jié)所完成的葉輪及導(dǎo)葉模型導(dǎo)入TurboGrid中完成網(wǎng)格劃分。數(shù)值計(jì)算過程中，網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大。為了使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，需要進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性的驗(yàn)證。如圖10所示，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于95萬時(shí)，計(jì)算結(jié)果隨網(wǎng)格量的增加基本無變化，故數(shù)值計(jì)算中網(wǎng)格數(shù)量被確定為958698，圖11和圖12為生成的葉輪和導(dǎo)葉的三維網(wǎng)格圖。

圖10 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

圖11 靜葉三維網(wǎng)格圖

圖12 動(dòng)葉三維網(wǎng)格圖

4.3 數(shù)值模擬計(jì)算

數(shù)值模擬計(jì)算在CFX軟件中完成。將所生成的葉輪及導(dǎo)葉網(wǎng)格模型導(dǎo)入CFX中。根據(jù)設(shè)計(jì)工況，在前處理中設(shè)定邊界條件，進(jìn)口邊界條件給定進(jìn)口總壓、總溫、流動(dòng)方向以及湍流度，出口邊界條件給定出口靜壓，導(dǎo)葉與葉輪交接面設(shè)置為frozen rotor模式。完成邊界條件設(shè)置后，利用CFX-Solver求解器完成數(shù)值模擬計(jì)算。

主要性能參數(shù)模擬值與一維設(shè)計(jì)值對(duì)比如表8所示。從表8中可以看到，數(shù)值模擬值計(jì)算所得到的微型向心渦輪的輪周效率以及軸功率比一維設(shè)計(jì)結(jié)果略低。通過對(duì)仿真數(shù)據(jù)的分析，導(dǎo)向器葉片出口的馬赫數(shù)略低于一維設(shè)計(jì)值，使導(dǎo)葉中焓減小，導(dǎo)致葉輪入口的絕對(duì)速度減小，因此渦輪效率受到影響。但從數(shù)值對(duì)比結(jié)果來看，偏差都在4%以內(nèi)，說明一維設(shè)計(jì)所得到的微型向心渦輪結(jié)構(gòu)合理，性能也基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

表8 主要性能參數(shù)模擬值與一維設(shè)計(jì)值對(duì)比

圖13為微型向心渦輪導(dǎo)葉及動(dòng)輪50%葉高處的速度流線圖，可以看出導(dǎo)葉及動(dòng)葉流道流線順滑，工質(zhì)流速在導(dǎo)葉流道后得到提高進(jìn)入動(dòng)葉，在動(dòng)葉入口壓力側(cè)有少量渦流，產(chǎn)生局部低速區(qū)，導(dǎo)致少量的流動(dòng)損失，這也是引起輪周效率下降的原因之一。但從總體來看，未對(duì)主流產(chǎn)生較大影響。下一步可對(duì)此開展進(jìn)一步的優(yōu)化研究。

圖13 50%葉高處的流線圖

圖14和圖15分別給出了微型向心渦輪50%葉高處的壓力和溫度云圖。從兩張?jiān)茍D可以看出整個(gè)渦輪級(jí)壓力及溫度分布合理。工質(zhì)經(jīng)過導(dǎo)葉和葉輪后壓力和溫度逐步降低，工質(zhì)在渦輪級(jí)中較好的完成了氣體的膨脹加速過程，說明所設(shè)計(jì)的微型向心渦輪具有較好的氣動(dòng)性能。

圖14 50%葉高處的壓力云圖

圖15 50%葉高處的溫度云圖

5 結(jié)論

1）本文以小型微型燃?xì)廨啓C(jī)增程式電動(dòng)汽車為研究背景，通過結(jié)構(gòu)分析結(jié)合參數(shù)匹配計(jì)算的方法對(duì)其增程器動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，輸出功率為20 kW微型燃?xì)廨啓C(jī)作為小型增程式電動(dòng)汽車增程器是可行的。

2）根據(jù)微型向心渦輪的工作原理及過程，將其輪周效率與主要?dú)鈩?dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，具體分析了其工作過程中的各種損失模型，并采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上編制了微型向心渦輪一維設(shè)計(jì)流程和計(jì)算程序。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的微型向心渦輪主要性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3）利用CFD方法對(duì)所設(shè)計(jì)的微型向心渦輪進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，模擬計(jì)算結(jié)果顯示主要性能參數(shù)相對(duì)偏差都在4%以內(nèi)，與一維設(shè)計(jì)的結(jié)果有較高吻合度，驗(yàn)證了本文的微型向心渦輪設(shè)計(jì)方法的可行性和準(zhǔn)確性。

4）采用B樣條曲線造型方法，對(duì)導(dǎo)葉及葉輪線型進(jìn)行了三維造型設(shè)計(jì)。通過CFD仿真得到的流線、壓力、溫度云圖表明所設(shè)計(jì)的微型向心渦輪結(jié)構(gòu)合理，具有較好的氣動(dòng)性能。

5）本文針對(duì)小型微型燃?xì)廨啓C(jī)增程式電動(dòng)汽車所采用的微型向心渦輪所提出的設(shè)計(jì)方法為微型燃?xì)廨啓C(jī)在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用提供了進(jìn)一步的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。