FC部件|基于 CFD 仿真的燃料電池離心空壓機葉輪的優(yōu)化設計
0 引言
目前,車用內燃機燃料依然以化石能源為主,從而不可避免地帶來環(huán)境污染問題。我國國六b階段的排放法規(guī)將于2023年7月1日實施,THC、NMHC、CO及NOX分別加嚴50%、50%、50%及42%,并且加嚴了裂化系數(shù)。
燃料電池是一種能直接把化學能轉換為電能的裝置。這種能量轉換方式?jīng)]有熱機過程,不被卡諾循環(huán)約束,所以能量轉換效率高。其中氫燃料電池以效率高、噪聲小以及零排放,受到廣泛關注與研究。我國已經(jīng)開展了燃料電池相關研究,在基本性能方面與國際先進水平的差距不大,但在關鍵材料及工藝、關鍵零部件、整車集成以及耐久性等方面,仍有明顯差距。
空壓機為燃料電池系統(tǒng)提供壓縮空氣。常用的空壓機類型有滑片式、螺桿式、離心式、渦旋式和羅茨式等。其中離心空壓機具有結構緊湊、響應快、壽命長和效率高等特點,比較適合燃料電池。離心空壓機通過葉輪的高速旋轉對工質進行做功,持續(xù)輸出壓縮空氣,離心空壓機的性能主要由其中的葉輪決定。燃料電池空壓機葉輪與傳統(tǒng)車用渦輪增壓器葉輪的設計需求差別較大,傳統(tǒng)渦輪增壓器葉輪需要較寬的流量范圍;而燃料電池所需要的離心空壓機需要較高的壓比,不需要過寬的流量范圍。
1 葉輪的設計
1.1 設計方法
高性能葉輪的葉片是復雜的三維結構,在設計時不僅要考慮到氣動性能與結構強度,還要考慮加工工藝,以便于進行側銑加工,總體設計難度較大。葉輪設計基本有兩種方式:(1)根據(jù)設計目標全新設計;(2)對現(xiàn)有葉輪進行設計優(yōu)化。
全新設計葉輪需要根據(jù)設計目標,首先從一維設計軟件中預測基本的幾何參數(shù),再通過三維設計軟件對性能進行優(yōu)化。全新設計葉輪需要很長的時間周期,而且設計難度較大。在工程開發(fā)上多采用第二種方式,即對現(xiàn)有葉輪重新設計并進行優(yōu)化。
文中采用第二種方式,對現(xiàn)有某車用渦輪增壓器葉輪進行快速設計,以達到燃料電池離心空壓機的設計目標需求。
1.2 設計目標
設計目標來自于某燃料電池用離心空壓機,具體參數(shù)見表1。
1.3 計算設置
為了快速設計出滿足設計目標要求的葉輪,選用葉輪單流道進行性能仿真,流體部分總共分為3個域,分別為進口、葉輪及出口,進口和出口為靜止域,葉輪為旋轉域。旋轉域給定目標轉速,壁面設置為光滑、絕熱、無滑移邊界。工質選用理想氣體,進口邊界條件為總壓101.325kPa、總溫298K,出口邊界條件設置為流量,選用SST湍流模型。
2 設計過程及優(yōu)化結果
2.1 基礎葉輪分析
2.1.1 基礎葉輪參數(shù)
選用現(xiàn)有的某車用渦輪增壓器用46mm葉輪,并進行重新設計。現(xiàn)有該車用渦輪增壓器葉輪共有8個主葉片,無分流葉片。在轉速為90000r/min時的最大流量為0.066kg/s,其流量遠遠不能滿足設計目標。其模型如圖1所示。
首先通過縮放葉輪直徑至60mm以滿足設計點的流量需求,然后通過增加葉片數(shù)量至12個以降低葉片載荷,并以此狀態(tài)的葉輪為基礎進行優(yōu)化,基礎葉輪的主要參數(shù)見表2。
2.1.2 基礎葉輪仿真分析
對基礎葉輪進行仿真分析,得到其MAP如圖2所示,計算轉速為30000~110000r/min,每20000r/min計算一條轉速線,效率選取80%以上,圖中黑色圓點表示設計目標。
由圖可看出,基礎葉輪要達到設計目標工況,其轉速需要達到110000r/min,這對于燃料電池空壓機的電機和軸承的要求更高,現(xiàn)有電機和軸承難以滿足,且重新開發(fā)的難度較大。
基礎葉輪在目標轉速及流量下的壓比僅為1.31,不滿足目標壓比1.7的要求;效率也僅為81.3%,不滿足設計要求;目標轉速的最高效率點對應的流量為0.12kg/s,流量偏小,導致目標流量位于MAP的阻塞端附近,距離MAP最高效率線較遠。
2.2 設計方向
基礎葉輪的流量及壓比均不能滿足設計目標要求,需要對葉輪的流量進行拓寬,同時提高壓比,以滿足目標流量及目標流量處的壓比需求。
通過調節(jié)葉輪子午型線、后彎角、包角、進口安裝角、進口掠角和出口葉片高度等參數(shù),并對CFD仿真結果進行對比分析,最終經(jīng)過多輪迭代優(yōu)化,完成對基礎葉輪的設計優(yōu)化。
2.3 設計結果
新葉輪MAP如圖3所示,黑色圓點為設計目標。經(jīng)過多輪優(yōu)化,新葉輪的各項性能指標均已滿足設計目標要求。在設計轉速90000r/min、流量0.18kg/s時,新葉輪的壓比達到了1.74,效率為88.9%,轉速、流量、壓比和效率均滿足設計目標要求,且設計目標位于MAP的最高效率線附近,滿足空壓機設計目標工況的需求。
3 結果分析
3.1 相對馬赫數(shù)
圖4為不同葉高處的相對馬赫數(shù)分布圖,分別取設計點處20%、50%和80%葉高處Blade-to-Blade的相對馬赫數(shù)分布。在20%葉高和50%葉高處的壓力面附近存在低速氣流區(qū)域,在80%葉高處的出口位置存在一個低速渦團,結合20%和50%葉高處的相對馬赫數(shù)分布情況,可以推測為上述低速氣流沿葉高和流動方向發(fā)展,最終在出口葉尖附近形成低速渦團,低速渦團會導致氣流不穩(wěn),增加氣流損失。
由于當前設計的葉輪效率滿足目標要求,且高于目標要求4.9%,即可認為上述低速渦團對目標工況的影響不明顯,故暫時不考慮優(yōu)化此渦團。
3.2 熵
熵可以反映流動中的能量損失,熵值越高,損失越大。圖5分別為20%、50%和80%葉高處的熵分布圖,20%葉高處進出口均無明顯損失,只在葉片表面附近存在小面積的損失;50%葉高處不僅在葉片附近存在損失,而且在出口處也存在明顯損失;80%葉高處的損失主要在出口,而且熵值較大。對比3處葉高的熵圖,可以發(fā)現(xiàn)熵值較大的位置在出口葉尖附近,即流動損失主要集中在出口葉尖附近,與之前相對馬赫數(shù)分布圖所得出的結論一致。
3.3 葉片載荷
圖6為葉片不同葉高處的靜壓分布圖,靜壓差值越大,則葉片的載荷越大。在進口位置,載荷均較小。由于沒有分流葉片,在葉片的后半段載荷有所增加,總體上葉片載荷分布比較均勻、合理。
4 結束語
文中基于現(xiàn)有的某車用渦輪增壓器葉輪,通過對其進行重新優(yōu)化,設計了一款可應用于燃料電池離心空壓機的新葉輪。
通過對氣流的流動情況和葉片的載荷進行分析,未發(fā)現(xiàn)有明顯缺陷,即該設計結果基本合理,可以滿足目標燃料電池的需求。
新葉輪的流量較基礎葉輪增大21.4%,目標流量處的等熵效率增加7.5%、壓比提高了32.4%,達到了設計目標的要求。
文章來源：張申,吳孟龍,范俊巖,辛軍.基于CFD仿真的燃料電池離心空壓機葉輪的優(yōu)化設計[J].汽車零部件,2020(11):23-26.DOI:10.19466/j.cnki.1674-1986.2020.11.005.
文章來源：CEA氫氫子衿
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