叶片倾角对燃料电池低比转速离心压气机性能的影响研究

高翔，刘屹，汪陈芳

（合肥工业大学汽车与交通工程学院，合肥 230009）

0 引言

在新能源汽车发展的进程中，质子交换膜氢燃料电池以其能量密度高、排放零污染[1]、续航里程长等优势成为未来最被看好的动力源之一[2-3]。氢燃料电池空气管理系统内增压技术可以有效提高电池系统功率、效率，改善水平衡条件。目前燃料电池领域以螺杆式压缩机和离心式压缩机为主，然而螺杆式压缩机由于存在体积尺寸、噪声大且无法与涡轮联动等问题正在被离心式压缩机所逐渐取代[4]。离心式压缩机具有结构紧凑、效率高、成本低等优势，是目前燃料电池系统应用的主流，但由于其通常具有100 000 r/min以上的转速，需要高速电动机来带动，因此带来难以解决的润滑及散热问题[5]。低比转速离心压气机能在转速较低的条件下使其达到与高速压气机同等的压比，是当前阶段行业研究的重点。

目前对于低比转速离心空压机的研究仍处于起步阶段，国内清华大学流体与节能课题组设计了一套在0.1 kg/s的工况下运行效率能达到75%的系统[6]；A.J.Vine等[7]开发了一款转速在20 000 r/min的低比转速离心压气机，避开了超高速转动带来的问题；陈卓等[8]对氦气压缩机进行研究，发现叶片倾角及叶片数会影响等熵效率；任蔼琳等[9]研究了低比转速离心泵压力脉动特性；汪陈芳等[10]研究了叶片前掠对低比转速离心压气机性能的影响；陈培江等[11]使用Kriging近似模型结合灰狼算法，优化了110 kW燃料电池离心压气机，使得优化后的空压机压比得到提升，功耗得到降低；史成龙[12]对于车载燃料电池高速离心压气机的优化；胡文彪[13]对低比转速离心压气机进行气动分析及喘振机理的研究，以上研究为深入进行低比转速离心压气机开发奠定了扎实的基础。

对于低比转速离心压缩机而言，叶轮叶片安装倾角往往对压缩机性能有着决定性的作用，对叶轮出口压比、等熵效率、功率、转矩等参数有着重大影响，优异的叶片倾角可以改善叶轮内部流场分布，从而改善其流动特性[14-15]。

本文建立了某车用燃料电池低比转速离心压气机模型，对不同转速下的叶轮叶片倾角的改型优化进行模拟计算，研究了其对压气机性能的影响并通过流场对其进行流动分析。

1 低比转速离心压缩机设计

比转速（ns）是由相似理论引出的综合性参数，全面地反映了泵或风机流量、压比、转速三者之间的关系[16]。其计算式为

式中：n为转速；qv为体积流量；hpol为能量头。

低比转速离心压气机由叶轮、扩压段、蜗壳3个部分组成，其中采用无导叶式扩压器。设计工况：设计流量为0.12 kg/s、设计转速为60 000 r/min、进口静压为101 325 Pa、进口静温为300 K、工作介质为27 ℃空气。

模型设计与压气机性能一维预测采用CFturbo涡轮设计软件，CFturbo软件是由德国Gmbh公司研发的一款泵与旋转机械专业设计软件,广泛应用于离心泵、离心风机、压气机、混流风机、涡轮等领域。压气机气动计算采用一元计算方法，各部分几何参数通过查阅相关文献及CFturbo设计软件内置经验参数得到。初步设计压气机各部件几何结构参数如表1所示。

表1 低比转速离心压气机主要结构参数

本文采用两种设计方案如图1所示，进出口叶根、叶尖几何结构不变、叶片数、长短叶片前掠角不变。

图1 叶轮结构图

2 数值模拟

使用NUMECA仿真软件进行数值计算，其中IGG/Auto Grid模块对本文几何模型进行结构化网格划分，叶片通道采用05H型网格，叶尖间隙采用蝶形网格，首层网格厚度设置为3×10-3mm，此时Y+值小于10，满足湍流模型对网格的要求。对于首层网格厚度计算Y+值的计算式为

式中：ywall为壁面第一层网格厚度；Vref为参考速度；Lref为参考长度；V为流体运动黏性；Y+为无量纲量，对于不同的湍流模型有不同的取值范围。

本文采用旋转坐标系而非动网格处理叶轮旋转问题，求解过程为基于压力的定常流动过程。采用对涡轮机械适应性良好收敛较快的S Palart-Allmaras（S-A）湍流模型，Navier-Stokes（N-S）控制方程，进口条件为前文所给出的静温静压，出口为给定质量流量，轮毂、叶片采用无滑移壁面近壁区采用壁面函数法处理，轮盖为静止的固定壁面边界，收敛残差设定为1.0×10-6。

为了消除网格离散效应对仿真计算的影响，进行网格无关性检验，在保证网格结构不变的前提下，通过改变节点数量来得到不同稀疏程度的网格。同时采用完全一致的湍流模型与边界条件，得出数值结果随网格数量变化的规律。如图2所示，在网格数目较低时压气机压比、效率随网格数变化而剧烈变化，网格达到80万后计算结果相对稳定，在网格数到120万后空压机效率与压比趋于稳定，数值结果基本不再受网格数量影响，故选用129万网格进行后续工作。

图2 网格无关性检验

3 研究结果

3.1 压气机总性能分析

图3对比了低比转速离心压气机在不同转速下叶片倾角改变后压气机整体压比、效率、功率的变化结果。图中叶片倾角分别为0°、20°，压气机转速分别为60 000、50 000 r/min。由图3（a）可知叶片倾角变化对于等熵效率的影响，在设计工况点附近时并不明显，但当流量增大后其影响作用会逐渐显现，在压气机近堵塞工况时叶片倾角对效率的影响最为明显。大流量下叶片倾角0°比20°倾角的效率提升了3.8%。

图3 离心压气机性能

由图3（b）可知，叶轮叶片倾角变化对压气机总压比影响作用不大，在不同转速下其近喘振点、设计工况点压比在叶片倾角变化改变后无明显变化，近堵塞点倾角20°时略有下降。由图3（c）可知，在低转速运行时叶片倾角改变对功率的影响作用较小，然而当压气机转速升高之后其影响作用有了一个显著变化。当转速为60 000 r/min时0°到20°的倾角变化使得压气机功耗降低了约2%。

3.2 流动分析结果

为了深入分析在叶片倾角改变后压气机性能出现种种变化的原因所在，取不同转速下设计工况点、近喘振点进行流动分析，如表2所示。

表2 流动工况点

图4对比了在低转速下设计 工 况 点A185% 叶高处叶片倾角改变后相对马赫数（MACH）云图，图5对比了其熵增云图。由图可知马赫数、熵增均未有大的改变，此结果与前文所示压气机压比、效率变化相一致，验证了仿真结果的准确性。

图4 设计工况点A185%叶高相对马赫数云图

图5 设计工况点A185%叶高熵增云图

图6对比了在低转速下近堵塞工况点85%叶高处叶片倾角改变后相对马赫数（MACH）云图，可以看到20°时气流在叶片尾缘形成了局部加速区，其大小已超过声速，与此同时，由图7的熵增云图可以发现此区域相对于0°时熵增更为明显。可知当叶片倾角由0°改变为20°时，叶片尾缘处形成的局部加速区是近堵塞工况下压气机效率、压比下降的成因所在。推测可能是由于高速气流与叶片摩擦导致损耗增大，但此推测还需进一步验证。

图6 近堵塞点B185%叶高相对马赫数云图

图7 近堵塞点B185%叶高熵增云图

通过图8可以看到叶片倾角0°时整个分流叶片流道内存在低能流体区域，叶片倾角20°时流动状况得到改善，主叶片没有明显变化，分流叶片前端流动更为顺畅。流动状况的改善使得短叶片前端熵增有一定的降低，如图9所示。

图8 设计工况点A285%叶高相对马赫数云图

图10对比了近堵塞点B285%叶高相对马赫数，图11对比了B285%叶高熵增。其结果与近堵塞点B1相似，叶片尾缘产生了局部加速区伴随着超音速流体，导致叶片倾角20°近堵塞工况下压比与效率的降低。

图10 近堵塞点B285%叶高相对马赫数云图

图11 近堵塞点B285%叶高熵增云图

4 结论

本文通过研究燃料电池低比转速离心压气机叶片倾角（0°，20°）不同时总体性能变化，以及对其进行流动分析得出以下结论：叶片倾角20°的低比转速离心压气机与0°相比，压比、效率在设计工况点附近均无明显变化，近堵塞点附近会有所降低。低转速（50 000 r/min）运行时两种压气机功率无显著差别，但当转速升高至60 000 r/min时叶片倾角20°较倾角为0°功率下降了约2%，此项变化有利于解决燃料电池汽车中压气机寄生功率过大的问题。大流量时压气机效率、压比下降的原因是叶片尾缘处熵增所致，要改善总体流动状况，需在叶片倾角改变的同时对后弯进行优化。