FC部件|基于 CFD 仿真的燃料电池离心空压机叶轮的优化设计
0 引言
目前,车用内燃机燃料依然以化石能源为主,从而不可避免地带来环境污染问题。我国国六b阶段的排放法规将于2023年7月1日实施,THC、NMHC、CO及NOX分别加严50%、50%、50%及42%,并且加严了裂化系数。
燃料电池是一种能直接把化学能转换为电能的装置。这种能量转换方式没有热机过程,不被卡诺循环约束,所以能量转换效率高。其中氢燃料电池以效率高、噪声小以及零排放,受到广泛关注与研究。我国已经开展了燃料电池相关研究,在基本性能方面与国际先进水平的差距不大,但在关键材料及工艺、关键零部件、整车集成以及耐久性等方面,仍有明显差距。
空压机为燃料电池系统提供压缩空气。常用的空压机类型有滑片式、螺杆式、离心式、涡旋式和罗茨式等。其中离心空压机具有结构紧凑、响应快、寿命长和效率高等特点,比较适合燃料电池。离心空压机通过叶轮的高速旋转对工质进行做功,持续输出压缩空气,离心空压机的性能主要由其中的叶轮决定。燃料电池空压机叶轮与传统车用涡轮增压器叶轮的设计需求差别较大,传统涡轮增压器叶轮需要较宽的流量范围;而燃料电池所需要的离心空压机需要较高的压比,不需要过宽的流量范围。
1 叶轮的设计
1.1 设计方法
高性能叶轮的叶片是复杂的三维结构,在设计时不仅要考虑到气动性能与结构强度,还要考虑加工工艺,以便于进行侧铣加工,总体设计难度较大。叶轮设计基本有两种方式:(1)根据设计目标全新设计;(2)对现有叶轮进行设计优化。
全新设计叶轮需要根据设计目标,首先从一维设计软件中预测基本的几何参数,再通过三维设计软件对性能进行优化。全新设计叶轮需要很长的时间周期,而且设计难度较大。在工程开发上多采用第二种方式,即对现有叶轮重新设计并进行优化。
文中采用第二种方式,对现有某车用涡轮增压器叶轮进行快速设计,以达到燃料电池离心空压机的设计目标需求。
1.2 设计目标
设计目标来自于某燃料电池用离心空压机,具体参数见表1。
1.3 计算设置
为了快速设计出满足设计目标要求的叶轮,选用叶轮单流道进行性能仿真,流体部分总共分为3个域,分别为进口、叶轮及出口,进口和出口为静止域,叶轮为旋转域。旋转域给定目标转速,壁面设置为光滑、绝热、无滑移边界。工质选用理想气体,进口边界条件为总压101.325kPa、总温298K,出口边界条件设置为流量,选用SST湍流模型。
2 设计过程及优化结果
2.1 基础叶轮分析
2.1.1 基础叶轮参数
选用现有的某车用涡轮增压器用46mm叶轮,并进行重新设计。现有该车用涡轮增压器叶轮共有8个主叶片,无分流叶片。在转速为90000r/min时的最大流量为0.066kg/s,其流量远远不能满足设计目标。其模型如图1所示。
首先通过缩放叶轮直径至60mm以满足设计点的流量需求,然后通过增加叶片数量至12个以降低叶片载荷,并以此状态的叶轮为基础进行优化,基础叶轮的主要参数见表2。
2.1.2 基础叶轮仿真分析
对基础叶轮进行仿真分析,得到其MAP如图2所示,计算转速为30000~110000r/min,每20000r/min计算一条转速线,效率选取80%以上,图中黑色圆点表示设计目标。
由图可看出,基础叶轮要达到设计目标工况,其转速需要达到110000r/min,这对于燃料电池空压机的电机和轴承的要求更高,现有电机和轴承难以满足,且重新开发的难度较大。
基础叶轮在目标转速及流量下的压比仅为1.31,不满足目标压比1.7的要求;效率也仅为81.3%,不满足设计要求;目标转速的最高效率点对应的流量为0.12kg/s,流量偏小,导致目标流量位于MAP的阻塞端附近,距离MAP最高效率线较远。
2.2 设计方向
基础叶轮的流量及压比均不能满足设计目标要求,需要对叶轮的流量进行拓宽,同时提高压比,以满足目标流量及目标流量处的压比需求。
通过调节叶轮子午型线、后弯角、包角、进口安装角、进口掠角和出口叶片高度等参数,并对CFD仿真结果进行对比分析,最终经过多轮迭代优化,完成对基础叶轮的设计优化。
2.3 设计结果
新叶轮MAP如图3所示,黑色圆点为设计目标。经过多轮优化,新叶轮的各项性能指标均已满足设计目标要求。在设计转速90000r/min、流量0.18kg/s时,新叶轮的压比达到了1.74,效率为88.9%,转速、流量、压比和效率均满足设计目标要求,且设计目标位于MAP的最高效率线附近,满足空压机设计目标工况的需求。
3 结果分析
3.1 相对马赫数
图4为不同叶高处的相对马赫数分布图,分别取设计点处20%、50%和80%叶高处Blade-to-Blade的相对马赫数分布。在20%叶高和50%叶高处的压力面附近存在低速气流区域,在80%叶高处的出口位置存在一个低速涡团,结合20%和50%叶高处的相对马赫数分布情况,可以推测为上述低速气流沿叶高和流动方向发展,最终在出口叶尖附近形成低速涡团,低速涡团会导致气流不稳,增加气流损失。
由于当前设计的叶轮效率满足目标要求,且高于目标要求4.9%,即可认为上述低速涡团对目标工况的影响不明显,故暂时不考虑优化此涡团。
3.2 熵
熵可以反映流动中的能量损失,熵值越高,损失越大。图5分别为20%、50%和80%叶高处的熵分布图,20%叶高处进出口均无明显损失,只在叶片表面附近存在小面积的损失;50%叶高处不仅在叶片附近存在损失,而且在出口处也存在明显损失;80%叶高处的损失主要在出口,而且熵值较大。对比3处叶高的熵图,可以发现熵值较大的位置在出口叶尖附近,即流动损失主要集中在出口叶尖附近,与之前相对马赫数分布图所得出的结论一致。
3.3 叶片载荷
图6为叶片不同叶高处的静压分布图,静压差值越大,则叶片的载荷越大。在进口位置,载荷均较小。由于没有分流叶片,在叶片的后半段载荷有所增加,总体上叶片载荷分布比较均匀、合理。
4 结束语
文中基于现有的某车用涡轮增压器叶轮,通过对其进行重新优化,设计了一款可应用于燃料电池离心空压机的新叶轮。
通过对气流的流动情况和叶片的载荷进行分析,未发现有明显缺陷,即该设计结果基本合理,可以满足目标燃料电池的需求。
新叶轮的流量较基础叶轮增大21.4%,目标流量处的等熵效率增加7.5%、压比提高了32.4%,达到了设计目标的要求。
文章来源：张申,吴孟龙,范俊岩,辛军.基于CFD仿真的燃料电池离心空压机叶轮的优化设计[J].汽车零部件,2020(11):23-26.DOI:10.19466/j.cnki.1674-1986.2020.11.005.
文章来源：CEA氢氢子衿
