葉片傾角對燃料電池低比轉速離心壓氣機性能的影響研究

高翔，劉屹，汪陳芳

（合肥工業大學汽車與交通工程學院，合肥 230009）

0 引言

在新能源汽車發展的進程中，質子交換膜氫燃料電池以其能量密度高、排放零污染[1]、續航里程長等優勢成為未來最被看好的動力源之一[2-3]。氫燃料電池空氣管理系統內增壓技術可以有效提高電池系統功率、效率，改善水平衡條件。目前燃料電池領域以螺桿式壓縮機和離心式壓縮機為主，然而螺桿式壓縮機由于存在體積尺寸、噪聲大且無法與渦輪聯動等問題正在被離心式壓縮機所逐漸取代[4]。離心式壓縮機具有結構緊湊、效率高、成本低等優勢，是目前燃料電池系統應用的主流，但由于其通常具有100 000 r/min以上的轉速，需要高速電動機來帶動，因此帶來難以解決的潤滑及散熱問題[5]。低比轉速離心壓氣機能在轉速較低的條件下使其達到與高速壓氣機同等的壓比，是當前階段行業研究的重點。

目前對于低比轉速離心空壓機的研究仍處于起步階段，國內清華大學流體與節能課題組設計了一套在0.1 kg/s的工況下運行效率能達到75%的系統[6]；A.J.Vine等[7]開發了一款轉速在20 000 r/min的低比轉速離心壓氣機，避開了超高速轉動帶來的問題；陳卓等[8]對氦氣壓縮機進行研究，發現葉片傾角及葉片數會影響等熵效率；任藹琳等[9]研究了低比轉速離心泵壓力脈動特性；汪陳芳等[10]研究了葉片前掠對低比轉速離心壓氣機性能的影響；陳培江等[11]使用Kriging近似模型結合灰狼算法，優化了110 kW燃料電池離心壓氣機，使得優化后的空壓機壓比得到提升，功耗得到降低；史成龍[12]對于車載燃料電池高速離心壓氣機的優化；胡文彪[13]對低比轉速離心壓氣機進行氣動分析及喘振機理的研究，以上研究為深入進行低比轉速離心壓氣機開發奠定了扎實的基礎。

對于低比轉速離心壓縮機而言，葉輪葉片安裝傾角往往對壓縮機性能有著決定性的作用，對葉輪出口壓比、等熵效率、功率、轉矩等參數有著重大影響，優異的葉片傾角可以改善葉輪內部流場分布，從而改善其流動特性[14-15]。

本文建立了某車用燃料電池低比轉速離心壓氣機模型，對不同轉速下的葉輪葉片傾角的改型優化進行模擬計算，研究了其對壓氣機性能的影響并通過流場對其進行流動分析。

1 低比轉速離心壓縮機設計

比轉速（ns）是由相似理論引出的綜合性參數，全面地反映了泵或風機流量、壓比、轉速三者之間的關系[16]。其計算式為

式中：n為轉速；qv為體積流量；hpol為能量頭。

低比轉速離心壓氣機由葉輪、擴壓段、蝸殼3個部分組成，其中采用無導葉式擴壓器。設計工況：設計流量為0.12 kg/s、設計轉速為60 000 r/min、進口靜壓為101 325 Pa、進口靜溫為300 K、工作介質為27 ℃空氣。

模型設計與壓氣機性能一維預測采用CFturbo渦輪設計軟件，CFturbo軟件是由德國Gmbh公司研發的一款泵與旋轉機械專業設計軟件,廣泛應用于離心泵、離心風機、壓氣機、混流風機、渦輪等領域。壓氣機氣動計算采用一元計算方法，各部分幾何參數通過查閱相關文獻及CFturbo設計軟件內置經驗參數得到。初步設計壓氣機各部件幾何結構參數如表1所示。

表1 低比轉速離心壓氣機主要結構參數

本文采用兩種設計方案如圖1所示，進出口葉根、葉尖幾何結構不變、葉片數、長短葉片前掠角不變。

圖1 葉輪結構圖

2 數值模擬

使用NUMECA仿真軟件進行數值計算，其中IGG/Auto Grid模塊對本文幾何模型進行結構化網格劃分，葉片通道采用05H型網格，葉尖間隙采用蝶形網格，首層網格厚度設置為3×10-3mm，此時Y+值小于10，滿足湍流模型對網格的要求。對于首層網格厚度計算Y+值的計算式為

式中：ywall為壁面第一層網格厚度；Vref為參考速度；Lref為參考長度；V為流體運動黏性；Y+為無量綱量，對于不同的湍流模型有不同的取值范圍。

本文采用旋轉坐標系而非動網格處理葉輪旋轉問題，求解過程為基于壓力的定常流動過程。采用對渦輪機械適應性良好收斂較快的S Palart-Allmaras（S-A）湍流模型，Navier-Stokes（N-S）控制方程，進口條件為前文所給出的靜溫靜壓，出口為給定質量流量，輪轂、葉片采用無滑移壁面近壁區采用壁面函數法處理，輪蓋為靜止的固定壁面邊界，收斂殘差設定為1.0×10-6。

為了消除網格離散效應對仿真計算的影響，進行網格無關性檢驗，在保證網格結構不變的前提下，通過改變節點數量來得到不同稀疏程度的網格。同時采用完全一致的湍流模型與邊界條件，得出數值結果隨網格數量變化的規律。如圖2所示，在網格數目較低時壓氣機壓比、效率隨網格數變化而劇烈變化，網格達到80萬后計算結果相對穩定，在網格數到120萬后空壓機效率與壓比趨于穩定，數值結果基本不再受網格數量影響，故選用129萬網格進行后續工作。

圖2 網格無關性檢驗

3 研究結果

3.1 壓氣機總性能分析

圖3對比了低比轉速離心壓氣機在不同轉速下葉片傾角改變后壓氣機整體壓比、效率、功率的變化結果。圖中葉片傾角分別為0°、20°，壓氣機轉速分別為60 000、50 000 r/min。由圖3（a）可知葉片傾角變化對于等熵效率的影響，在設計工況點附近時并不明顯，但當流量增大后其影響作用會逐漸顯現，在壓氣機近堵塞工況時葉片傾角對效率的影響最為明顯。大流量下葉片傾角0°比20°傾角的效率提升了3.8%。

圖3 離心壓氣機性能

由圖3（b）可知，葉輪葉片傾角變化對壓氣機總壓比影響作用不大，在不同轉速下其近喘振點、設計工況點壓比在葉片傾角變化改變后無明顯變化，近堵塞點傾角20°時略有下降。由圖3（c）可知，在低轉速運行時葉片傾角改變對功率的影響作用較小，然而當壓氣機轉速升高之后其影響作用有了一個顯著變化。當轉速為60 000 r/min時0°到20°的傾角變化使得壓氣機功耗降低了約2%。

3.2 流動分析結果

為了深入分析在葉片傾角改變后壓氣機性能出現種種變化的原因所在，取不同轉速下設計工況點、近喘振點進行流動分析，如表2所示。

表2 流動工況點

圖4對比了在低轉速下設計 工 況 點A185% 葉高處葉片傾角改變后相對馬赫數（MACH）云圖，圖5對比了其熵增云圖。由圖可知馬赫數、熵增均未有大的改變，此結果與前文所示壓氣機壓比、效率變化相一致，驗證了仿真結果的準確性。

圖4 設計工況點A185%葉高相對馬赫數云圖

圖5 設計工況點A185%葉高熵增云圖

圖6對比了在低轉速下近堵塞工況點85%葉高處葉片傾角改變后相對馬赫數（MACH）云圖，可以看到20°時氣流在葉片尾緣形成了局部加速區，其大小已超過聲速，與此同時，由圖7的熵增云圖可以發現此區域相對于0°時熵增更為明顯。可知當葉片傾角由0°改變為20°時，葉片尾緣處形成的局部加速區是近堵塞工況下壓氣機效率、壓比下降的成因所在。推測可能是由于高速氣流與葉片摩擦導致損耗增大，但此推測還需進一步驗證。

圖6 近堵塞點B185%葉高相對馬赫數云圖

圖7 近堵塞點B185%葉高熵增云圖

通過圖8可以看到葉片傾角0°時整個分流葉片流道內存在低能流體區域，葉片傾角20°時流動狀況得到改善，主葉片沒有明顯變化，分流葉片前端流動更為順暢。流動狀況的改善使得短葉片前端熵增有一定的降低，如圖9所示。

圖8 設計工況點A285%葉高相對馬赫數云圖

圖10對比了近堵塞點B285%葉高相對馬赫數，圖11對比了B285%葉高熵增。其結果與近堵塞點B1相似，葉片尾緣產生了局部加速區伴隨著超音速流體，導致葉片傾角20°近堵塞工況下壓比與效率的降低。

圖10 近堵塞點B285%葉高相對馬赫數云圖

圖11 近堵塞點B285%葉高熵增云圖

4 結論

本文通過研究燃料電池低比轉速離心壓氣機葉片傾角（0°，20°）不同時總體性能變化，以及對其進行流動分析得出以下結論：葉片傾角20°的低比轉速離心壓氣機與0°相比，壓比、效率在設計工況點附近均無明顯變化，近堵塞點附近會有所降低。低轉速（50 000 r/min）運行時兩種壓氣機功率無顯著差別，但當轉速升高至60 000 r/min時葉片傾角20°較傾角為0°功率下降了約2%，此項變化有利于解決燃料電池汽車中壓氣機寄生功率過大的問題。大流量時壓氣機效率、壓比下降的原因是葉片尾緣處熵增所致，要改善總體流動狀況，需在葉片傾角改變的同時對后彎進行優化。