氫燃料電池汽車用空氣壓縮機氣動設計和優化

席會杰

金通靈科技集團股份有限公司 江蘇南通 226001

在能源和環境的雙重危機下，開發新的動力源汽車成為了各個車企關注的重點。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，促使氫燃料電池汽車產業有了進一步發展。

在國內現有的車載燃料電池產品核心技術中，質子反應堆是氫燃料電池產生電能的核心?？諝鈮嚎s機將反應所需的空氣壓縮到燃料電池電堆所適合的壓力。離心壓縮機的轉速高、尺寸小、質量輕及結構緊湊，并且噪聲較小，變工況運行平穩，在冷起動、振動及起停等方面運行較為可靠，將成為車載燃料電池的主流設備。

設計參數確定

離心空氣壓縮機是車載氫燃料電堆氧氣供給的重要部件，壓縮機的性能直接影響到氫燃料電堆的功率密度和熱效率，因此提高壓縮機的壓比對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部的水平衡，但空氣供應壓力過高將會造成空氣壓縮機的自耗功率過大，整機的總效率降低。針對小流量高壓比特點的離心空氣壓縮機，空氣供應流量越小，供氣壓力要求越高，研發的技術難度越大，研發成本將急劇升高，因此選取合適的設計參數，將顯得尤為重要。

相較市場上推出的成熟產品燃料電池乘用車功率為120kW，按進氣壓力98kPa（20℃）計算，確定壓縮機設計流量為7.7m3/min，設計壓比為 2.5較為合適。本文根據上述設計參數，進行離心壓縮機的葉輪設計，包括一維氣動設計、三維CFD數值分析和結構強度分析等。

一維氣動設計

壓氣機氣動設計初步階段，首先應該進行一維氣動設計。針對上述氣動參數，采用半開式葉輪，可以使葉輪圓周速度大幅增加，單級壓比滿足要求，同時采用后彎式葉輪可拓寬葉輪的工況范圍以及效率?；趬嚎s機的軸系設計要求，壓縮機入口輪轂直徑為18mm，葉片厚度設定為0.6mm，半開式葉輪頂部間隙為0.4mm，葉輪出口平均氣流角為45°。

本文通過NREC軟件的Compal設計模塊進行葉輪氣動的計算和分析，分別以設計轉速100 000r/min、110 000r/min、120 000r/min、130 000r/min、140 000r/min來計算，分析不同設計轉速的葉輪一維尺寸，對相同流量下的壓力、功耗和效率等參數進行初步分析，計算得到的葉輪一維結構參數見表1。

表1 葉輪一維結構設計參數

由表1可以看出，隨著葉輪的設計轉速逐漸升高，壓縮機葉輪的比轉速越大，葉輪進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。車載燃料電池空壓機設計應保證氣動效率高下，盡可能做到結構緊湊，同時需考慮加工制造的成本，因此選取120 000r/min為設計轉速，確定壓縮機葉輪的初步結構參數。

氣動性能分析

根據上述設計參數，進行離心壓縮機的葉輪三維造型。葉輪子午面采用Bezier曲線來控制，子午面通流截面面積平穩縮小，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，通過調整葉片輪轂和輪蓋側的安裝角改變葉片壓力面和吸力面的載荷分布，優化壓縮機葉輪的氣動性能和工況范圍，最終得到的葉片三維結構如圖1所示。

圖1 葉片三維結構

燃料電池空氣壓縮機運行在多個工況下，通過調整空氣壓縮機的轉速來適應燃料電池電堆的不同負荷的負載，選取40 000r/min、60 000r/min、80 000r/min、100 000r/min、120 000r/min和135 000r/min等6個轉速，來對本設計的離心壓縮機的轉速、流量、壓比、效率等參數進行氣動性能分析。

圖2所示為所設計的壓縮機不同轉速工況的流量-壓比性能曲線。隨著轉速的增加，壓縮機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，在設計工況下流量達到7.7m3/min時，壓縮機壓比2.61，滿足燃料電池的需求，設計點壓比的喘振裕量為12.4%，流量阻塞裕度為35%，滿足壓縮機安全運行的要求。

圖2 不同轉速工況流量-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，不同轉速下壓縮機的多變效率隨著流量的增大存在先增大后減小的趨勢，隨著轉速的增加，多變效率最高點對應的壓縮機流量值逐漸增大，最高效率范圍為84%～87%之間。壓縮機在設計工況點為120 000r/min轉速下的效率最高點，壓縮機性能基本滿足要求。

圖3 不同轉速工況流量-多變效率性能曲線

結構強度分析

葉輪使用材料為7075鋁合金，為準確分析出實際工作中葉輪的強度及變形量，將流場仿真計算的氣動載荷加載到葉輪表面，同時將不同葉高下的溫度分布附加到葉輪上。葉輪最高點溫度為130℃，按照設計轉速超速10%來進行結構強度計算，計算葉輪的應力分布以及變形分布情況，計算結果如圖4所示。

圖4 132 000r/min工況下葉輪應力分布

可以看出，在超速10%工作轉速下，耦合流場中氣體載荷后，最大應力點出現在葉輪根部，葉輪部分應力低于 230.040MPa，且高離心應力區域位于葉輪的后盤氣封處，安全裕度比較大。130℃下7075鋁合金的屈服強度是364MPa，極限強度是401MPa，均大于葉輪的最大應力。因此從葉輪結構強度的角度看，132 000r/min超速狀態下，葉輪強度達到要求。

結語

本文根據功率為120kW的乘用車車載燃料電池需求，以工況點效率最優為目標，確定了燃料電池壓縮機的流量、壓比和最佳設計轉速，完成了壓縮機葉輪的一維設計、葉輪造型、三維數值分析和結構校核。所設計的壓縮機葉輪的流量、壓比、多變效率、功率和強度等方面均滿足了車載燃料電池用高速離心式壓縮機的要求。