大流量氫燃料電池用離心式空氣壓縮機氣動設(shè)計與性能試驗

馬明俊， 張成義

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責任公司，上海 200240)

全球氣候惡化、石油危機加劇、人口劇增等問題對整個社會的影響不斷加重，實行可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略迫在眉睫。氫能是一種綠色和高效的二次能源，具有來源廣、燃燒熱值高、清潔無污染和可儲存等優(yōu)點，因而受到人們的青睞[1-2]。氫燃料電池因具有結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定、能量轉(zhuǎn)化效率高以及無污染物排放等優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用，目前在便攜式移動電源和家庭電源等小型電源以及小型發(fā)電站都有一定應(yīng)用[3-4]。氫燃料電池是一個比較特殊的系統(tǒng)，其對空氣潔凈度有極高的要求，空氣供應(yīng)系統(tǒng)中最重要的部件是空氣壓縮機(以下簡稱空壓機)，其將大氣環(huán)境中的空氣加壓至電堆最佳操作壓力，同時根據(jù)運行工況需求提供一定質(zhì)量流量的壓縮空氣[5]。氫燃料電池對空壓機的要求包括無油、低成本和高效率等，這也是氫燃料電池用空壓機設(shè)計的技術(shù)難點。

國際上針對氫燃料電池用空壓機的開發(fā)以車載專用空壓機為主，戴姆勒公司開發(fā)出噴水螺桿式空壓機，能夠降低壓縮空氣溫度；美國Vairex公司開發(fā)出空氣質(zhì)量流量為75 g/s的燃料電池用滑片式空壓機[6]，壓比能夠達到2.5；日本豐田公司針對Mirai燃料電池車，由其自動織機公司開發(fā)出六葉螺旋羅茨式空壓機，工作轉(zhuǎn)速最高達12 500 r/min；美國霍尼韋爾公司與美國能源部(DOE)合作研發(fā)出最大空氣質(zhì)量流量100 g/s、最大壓比3.2左右的離心式空壓機，效率高于70%；韓國現(xiàn)代汽車公司基于空氣箔片軸承開發(fā)出空氣質(zhì)量流量為80 g/s的離心式空壓機[7]。

國內(nèi)在氫燃料電池用空壓機方面的研究主要集中在高校，浙江大學針對100 kW氫燃料電池堆開發(fā)出單螺桿空壓機[8]；雪人公司研制出車用雙螺桿空壓機，壓比約為2.7，效率高于60%；清華大學研發(fā)出低比轉(zhuǎn)速車載燃料電池離心式空壓機[9]，轉(zhuǎn)速為20 000 r/min，葉輪壓比為1.6；北京科技大學研制出水潤滑軸承支承的高速離心式空壓機[10]，其質(zhì)量流量達到73 g/s、壓比達到2.22；同濟大學開發(fā)出適用于65 kW燃料電池系統(tǒng)的單級離心式空壓機[11]，其最大空氣質(zhì)量流量為80 g/s、壓比為1.5～2.5。

相比其他形式的空壓機，離心式空壓機在功率密度、效率和噪聲等方面綜合效果較好。目前，國內(nèi)對氫燃料電池用空壓機的研究與發(fā)達國家的技術(shù)差距明顯，尚未有針對100 kW氫燃料電池堆的離心式空壓機產(chǎn)品，而采購國外離心式空壓機成本高，使用其他形式空壓機效率又較低。

針對國內(nèi)100 kW氫燃料電池堆用空壓機的設(shè)計開發(fā)，考慮空氣質(zhì)量流量、壓比和體積方面的要求，采用離心葉輪形式的大流量空壓機是目前主流的發(fā)展方向。筆者針對100 kW氫燃料電池堆，開發(fā)空氣質(zhì)量流量為130 g/s、壓比為2.8的兩級串聯(lián)離心式空壓機。

1 空壓機設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

基于離心式空壓機級效率最優(yōu)的原則，參考離心葉輪經(jīng)驗設(shè)計型譜，確定空壓機的級數(shù)為兩級。空壓機采用兩級葉輪串聯(lián)增壓的形式，可減小單級葉輪的壓比，提高空壓機效率。兩級葉輪分別布置在電機兩端，設(shè)計轉(zhuǎn)速為95 000 r/min。

兩級葉輪的壓比分配主要考慮以下3點：兩級葉輪產(chǎn)生的軸向推力盡量相近，以減小整體的軸向推力；兩級葉輪均具有合適的設(shè)計比轉(zhuǎn)速，以提高空壓機效率；兩級葉輪直徑接近，以減小空壓機總體徑向尺寸。

空壓機在設(shè)計點工作時，進口壓力為0.1 MPa，出口壓力為0.28 MPa，為使兩級葉輪上產(chǎn)生的軸向推力相近，采用升壓值均分的方式，即第一級和第二級的壓升均為0.09 MPa，故第一級的壓比為1.9，第二級的壓比為1.47。但等壓升分配下兩級壓比相差較大，考慮葉輪的效率，應(yīng)盡量減小兩級葉輪的壓比差別。因此，確定低壓級葉輪壓比為1.8，高壓級葉輪壓比為1.56。

根據(jù)兩級葉輪的壓比分配計算兩級葉輪的比轉(zhuǎn)速，得到低壓級葉輪比轉(zhuǎn)速為0.98，高壓級葉輪比轉(zhuǎn)速為0.88，兩者比較接近，均在合理范圍內(nèi)。

1.2 一維氣動設(shè)計

采用Concepts NREC公司的Compal軟件進行兩級葉輪的一維氣動設(shè)計，得到兩級葉輪的主要幾何參數(shù)，如表1所示，兩級葉輪均采用6+6長短葉片組合形式。兩級葉輪直徑接近，可減小空壓機總體徑向尺寸。

表1 兩級葉輪的主要幾何參數(shù)

空壓機氣動效率計算公式如下：

(1)

式中:p01、p02分別為空壓機進口和出口空氣壓力;T01、T02分別為空壓機進口和出口空氣溫度;k為絕熱指數(shù)。

1.3 三維葉型設(shè)計

采用Concepts NREC公司的Axcent軟件進行兩級葉輪的三維葉型設(shè)計。通過調(diào)整葉型的角度、厚度和傾角分布控制葉輪內(nèi)氣動參數(shù)變化在合理范圍內(nèi)。圖1給出了低壓級葉輪通道內(nèi)的相對馬赫數(shù)分布和載荷分布。葉型采用中部加載設(shè)計，以減小葉輪進出口流動損失；葉輪出口空氣具有較大的速度和動能，在擴壓器和蝸殼中空氣速度和動能減小并轉(zhuǎn)化為壓力能。

(a)相對馬赫數(shù)分布

高壓級葉輪壓力高，葉尖泄漏情況較低壓級嚴重。為減小葉尖泄漏，采用葉片前傾設(shè)計以減小高壓級葉輪前緣的葉尖氣動載荷。圖2給出了調(diào)整后的高壓級葉輪通道內(nèi)的相對馬赫數(shù)分布和葉片載荷分布。通過葉片載荷分布圖可以看出，葉輪進口段的氣動載荷有所降低。

(a)相對馬赫數(shù)分布

2 空壓機氣動三維數(shù)值分析

2.1 控制方程

有限體積法利用網(wǎng)格將計算區(qū)域離散化，在每個控制體積內(nèi)對控制方程進行積分，采用線性化方法生成未知變量的方程組，結(jié)合邊界條件得到閉合的方程組，然后使用迭代計算方法得到收斂的各計算網(wǎng)格上的未知量[12]。

以N-S方程描述離心式壓縮機內(nèi)的氣體流動，包括連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。

在經(jīng)典力學范圍內(nèi)，認為流體在運動過程中經(jīng)歷任何過程和變化，系統(tǒng)的物質(zhì)總量保持不變。

連續(xù)性方程的微分形式如下：

(2)

式中：ρ為流體密度；t為時間；u、v、w分別表示x、y、z方向上的速度分量。

動量守恒方程表示：任何控制微元中流體動量對時間的變化率等于外界作用在流體微元上所受的合力。

考慮黏性流動，動量守恒方程的微分形式如下：

(3)

式中：fx、fy、fz分別表示x、y、z方向上流體微團的體積力；τxx、τyy、τzz分別表示x、y、z方向上的正應(yīng)力；τxy和τyx、τxz和τzx、τyz和τzy分別表示xy、xz、yz平面上的切應(yīng)力。

能量守恒方程表示：進出某系統(tǒng)的能量與該系統(tǒng)的總能量的變化量相等。在流動過程中，流體的內(nèi)能與動能之和的變化率等于表面力做功功率、質(zhì)量力做功功率與外界對流體的傳熱功率之和。

考慮黏性流動，能量守恒方程的微分形式如下：

(4)

2.2 數(shù)值仿真方法

采用NUMECA公司的Fine/Turbo軟件進行空壓機內(nèi)部三維流動的數(shù)值仿真分析?？刂品匠滩捎美字Z平均N-S方程，湍流模型采用Spalart-Allmaras模型。數(shù)值差分格式采用二階精度格式，并通過多重網(wǎng)格和隱式殘差光順技術(shù)加速收斂。邊界條件為進口給定總溫、總壓和氣流角，出口給定背壓。

2.3 網(wǎng)格劃分

低壓級、高壓級離心葉輪均包含12個葉片(長葉片和短葉片各6個)。每組葉片間為周期性流動，三維數(shù)值計算分析僅考慮穩(wěn)態(tài)條件下的工作性能，為減少計算量，選取一組長短葉片構(gòu)建計算域。圖3所示為低壓級葉輪和無葉擴壓器幾何模型以及單組葉片計算域網(wǎng)格，采用HOH型拓撲結(jié)構(gòu)劃分六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約199萬。

(a)幾何模型

2.4 仿真結(jié)果分析

圖4給出了兩級葉輪內(nèi)部流線分布情況。由圖4可知，低壓級和高壓級葉輪葉片壓力面附近的流線分布均勻；在葉片吸力面附近，受葉尖泄漏流動的影響存在小范圍的流動紊亂區(qū)域。兩級空壓機蝸殼內(nèi)部流線分布均勻，流動情況良好。

(a)低壓級

圖5給出了兩級葉輪50%葉高截面的相對馬赫數(shù)分布圖。由圖5可知，葉輪內(nèi)的流動馬赫數(shù)均小于1，沒有出現(xiàn)跨聲速流動和激波，吸力面處的馬赫數(shù)大于壓力面處的馬赫數(shù)。在葉輪出口分流葉片吸力面附近存在一個低速流動區(qū)域，為出口回流區(qū)，其范圍較小，對主流影響不大。

(a)低壓級

圖6給出了空壓機系統(tǒng)在設(shè)計轉(zhuǎn)速下的氣動性能仿真結(jié)果，包括質(zhì)量流量-壓比和質(zhì)量流量-效率關(guān)系曲線。由圖6可知，在設(shè)計工況點，兩級葉輪的壓比為2.86，效率為79.38%。

(a)質(zhì)量流量-壓比關(guān)系曲線

3 空壓機性能試驗

3.1 空壓機氣動性能試驗驗證

圖7為空壓機性能試驗方案圖。進口管道布置壓力、溫度和質(zhì)量流量測點，出口管道布置壓力、溫度、質(zhì)量流量測點以及調(diào)節(jié)閥。使用差壓變送器測量壓力，使用電測溫度計測量溫度，使用標準孔板流量計測量質(zhì)量流量。

圖7 空壓機性能測試臺布置圖

空壓機試驗時，在每條轉(zhuǎn)速線上，通過調(diào)節(jié)閥控制質(zhì)量流量和壓比的變化，測量多個調(diào)節(jié)閥開度下的質(zhì)量流量和壓比的狀態(tài)點，測試點數(shù)一般不少于5個。調(diào)節(jié)閥開度由大到小，逐漸向最小質(zhì)量流量點逼近，當監(jiān)測出口壓力值開始波動時，緩慢調(diào)整節(jié)流閥開度，逐漸減小質(zhì)量流量，當監(jiān)測出口壓力值波動劇烈，且10 s時間內(nèi)不能穩(wěn)定，即達到喘振邊界。

在不同轉(zhuǎn)速下進行氣動性能測試，即在某一轉(zhuǎn)速下，通過系統(tǒng)出口調(diào)節(jié)閥開度控制以調(diào)節(jié)空壓機系統(tǒng)的質(zhì)量流量，由大質(zhì)量流量向小質(zhì)量流量變化，逐漸逼近該轉(zhuǎn)速下的喘振臨界點，期間采集不同質(zhì)量流量下的數(shù)據(jù)，獲得空壓機系統(tǒng)的進出口壓力、溫度、質(zhì)量流量和功耗等參數(shù)。因控制器功率限制，實際試驗測試時最大轉(zhuǎn)速為設(shè)計轉(zhuǎn)速95 000 r/min。

圖8給出了不同轉(zhuǎn)速下空壓機氣動性能的測試結(jié)果。左圖為不同轉(zhuǎn)速下空壓機系統(tǒng)的質(zhì)量流量-壓比關(guān)系曲線，其中質(zhì)量流量為空壓機出口空氣質(zhì)量流量，壓比為總壓比，可以看出在設(shè)計轉(zhuǎn)速95 000 r/min、質(zhì)量流量為130 g/s時的壓比為2.82。右圖為不同轉(zhuǎn)速下空壓機系統(tǒng)的質(zhì)量流量-效率關(guān)系曲線，其中效率為氣動效率，可以看出在設(shè)計轉(zhuǎn)速95 000 r/min、質(zhì)量流量為130 g/s時的氣動效率為77.5%。

(a)質(zhì)量流量-壓比關(guān)系曲線

3.2 分析討論

空壓機系統(tǒng)氣動性能試驗測試結(jié)果表明，空壓機系統(tǒng)的總壓比為2.82，比數(shù)值仿真分析得到的壓比2.86低，這是由于數(shù)值仿真分析所選取的計算模型不包含兩級之間的連接管道且未考慮連接管道的壓力損失造成的。

氣動性能試驗所得空壓機氣動效率為77.5%，低于一維設(shè)計效率78.6%，這是因為在一維氣動設(shè)計軟件中蝸殼氣動損失偏理想，低于實際蝸殼損失造成的。

氣動性能試驗所得空壓機氣動效率為77.5%，低于數(shù)值仿真分析結(jié)果79.38%，這是由于仿真分析計算模型未考慮離心葉輪的輪背泄漏，空壓機系統(tǒng)實際運行過程中，葉輪輪背存在不同程度的泄漏問題，造成仿真分析結(jié)果高于實際測試結(jié)果。

4 結(jié) 論

(1)完成了空壓機氣動設(shè)計，高速離心葉輪通道內(nèi)流場分布均勻，氣動結(jié)果滿足設(shè)計要求；采用高轉(zhuǎn)速設(shè)計，有效減小了空壓機系統(tǒng)體積，并提高了空壓機氣動效率。

(2)低壓級葉輪葉型采用中部加載設(shè)計，減小低壓級葉輪進出口流動損失；高壓級葉輪采用葉片前傾設(shè)計，減小高壓級葉輪前緣的葉尖氣動載荷，提高氣動效率。

(3)完成了空壓機系統(tǒng)氣動性能試驗，結(jié)果表明，在設(shè)計轉(zhuǎn)速、質(zhì)量流量為130 g/s時，空壓機的壓比為2.82，氣動效率為77.5%，可滿足氫燃料電池堆要求。