某型車用高速離心空壓機氣動設計

摘要：針對某型車載氫燃料電池的空氣供應系統需求，開展高速離心式空壓機氣動設計，包括一維設計與三維數值計算分析，并探討壓氣機內部流場情況，該壓氣機設計滿足車載氫燃料電池電堆壓縮空氣要求的壓比、流量以及效率，獲得了高效的空壓機氣動設計結果。

關鍵詞：燃料電池;離心壓氣機;氣動設計;數值分析

0? ? 引言

當前，汽車工業的發展受到全球能源與環境限制，需要加快節能減排的步伐，利用氫能的新能源汽車成為目前的主要發展方向[1-2]。美國蓋瑞特空壓機已成功應用于日本本田的氫燃料電池車，瑞典Opcon公司的雙螺桿空壓機為加拿大巴拉德燃料電池廠供貨，豐田自動織機為Mirai燃料電池車提供了四葉羅茨式空壓機[3-4]。國內在氫燃料電池汽車方面的研究起步較晚，相關關鍵部件的配套還處于研究階段，嚴重影響了氫燃料電池汽車產業的發展[5-6]。

目前，國內有關氫燃料電池專用空壓機的研究還集中于高校。同濟大學研發的用于65 kW燃料電池系統的高速電機驅動離心空壓機，在國內首次實現了離心式空壓機在80 000 r/min下的穩定運行[6];浙江大學開發了一款離心式空壓機，壓比為1.6，流量為165 g/s[7];北京科技大學研發了一種水潤滑電動離心式空壓機，整體效率接近70%[8]。

針對某型號車載氫燃料電池開展流量100 g/s、壓比2.5的車用離心式空壓機氣動設計，聚焦國家氫能發展戰略，對推動我國氫燃料電池汽車產業的發展具有重要意義。

1? ? 總體設計

本文選擇空壓機設計轉速為90 000 r/min，采用兩級串聯形式。采用兩級壓氣機串聯增壓的形式，可減小單級壓氣機的增壓比，提高空壓機效率。兩級壓氣機葉輪背靠背布置在電機兩端，可使兩級離心葉輪產生的軸向力相互抵消，大幅減小軸向力[9-10]。空壓機總體布置方案如圖1所示，中間為高速永磁電機，兩側為兩級壓氣機。

2? ? 一維氣動設計

根據壓氣機總體方案設計確定的參數，對兩級壓氣機開展聯合設計，經初步設計計算，得到兩級壓氣機的設計結果，如表1所示。

圖2所示為不同轉速下空壓機的氣動性能曲線，包括流量—壓比、流量—效率關系曲線。

通過流量—壓比關系曲線可以看到，隨著壓氣機轉速的升高，壓氣機的壓比增幅變大，高轉速下壓氣機流量范圍寬于低轉速工況下流量范圍;通過流量—效率曲線可以看到，隨著轉速的增加，壓氣機效率曲線向流量增大的方向平移，且最高效率點逐漸增大。空壓機在設計點的壓比為2.55，流量為100 g/s，功率為11.5 kW，氣動效率為80.5%。

3? ? 三維數值分析

根據一維氣動設計結果開展兩級壓氣機的三維數值分析，因壓氣機軸向對稱，進行三維數值計算時選擇單流道，減少計算量，提高計算速度。圖3所示為低壓級壓氣機的計算模型。

圖4所示為高壓級壓氣機內部流線分布情況，在葉輪的壓力面上流線分布均勻，在吸力面上受到葉輪流道內從壓力面指向吸力面的壓力梯度的影響程度較小的周向偏移。在蝸殼內，流線分布均勻，說明流體流動情況良好。

圖5所示為高壓級壓氣機葉輪50%葉高截面的總壓分布云圖，在葉輪進口軸向段，流體壓力幾乎不變，進入徑向段后，壓力沿流線方向均勻升高，表明葉輪流道內增壓情況良好。

4? ? 結論

本文針對某型車載氫燃料電池用空壓機開展了氣動設計，得到一維氣動設計結果，并針對兩級壓氣機開展了三維數值分析。

（1）空壓機采用兩級離心串聯增壓的形式，對排布置在高速永磁電機兩側，可抵消部分軸向推力，提高整體結構強度。

（2）空壓機設計轉速90 000 r/min，在設計點，空壓機流量達到100 g/s，壓比為2.55，氣動效率達到80.5%，滿足設計要求。

（3）壓氣機內部流線分布均勻，流動情況良好，壓力沿流線方向均勻增加，增壓情況良好，壓氣機氣動設計滿足要求。

[參考文獻]

[1] 衣寶廉.燃料電池——原理·技術·應用[M].北京：化學工業出版社，2003.

[2] 李建秋，方川，徐梁飛.燃料電池汽車研究現狀及發展[J].汽車安全與節能學報，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] 鮑鵬龍，章道彪，許思傳，等.燃料電池車用空氣壓縮機發展現狀及趨勢[J].電源技術，2016，40（8）：1731-1734.

[6] 楊啟超，李連生，趙遠揚.燃料電池供氣系統中空氣壓縮機的研發現狀[J].通用機械，2008（1）：32-37.

[7] 吳震宇.車載燃料電池用空氣壓縮機工作性能研究及能效分析[D].杭州：浙江大學，2007.

[8] 任天明.高速水潤滑軸承電動離心式空壓機關鍵技術研究[D].北京：北京科技大學，2017.

[9] 徐忠.離心式壓縮機原理（修訂本）[M].北京：機械工業出版社，1990.

[10] 楊策，施新.徑流式葉輪機械理論及設計[M].北京：國防工業出版社，2004.

收稿日期：2021-01-13

作者簡介：陳雪麗（1984—），女，浙江麗水人，碩士研究生，講師，研究方向：機械設計、自動控制。