大流量氢燃料电池用离心式空气压缩机气动设计与性能试验

马明俊， 张成义

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240)

全球气候恶化、石油危机加剧、人口剧增等问题对整个社会的影响不断加重，实行可持续发展的战略迫在眉睫。氢能是一种绿色和高效的二次能源，具有来源广、燃烧热值高、清洁无污染和可储存等优点，因而受到人们的青睐[1-2]。氢燃料电池因具有结构简单、运行稳定、能量转化效率高以及无污染物排放等优势而得到广泛应用，目前在便携式移动电源和家庭电源等小型电源以及小型发电站都有一定应用[3-4]。氢燃料电池是一个比较特殊的系统，其对空气洁净度有极高的要求，空气供应系统中最重要的部件是空气压缩机(以下简称空压机)，其将大气环境中的空气加压至电堆最佳操作压力，同时根据运行工况需求提供一定质量流量的压缩空气[5]。氢燃料电池对空压机的要求包括无油、低成本和高效率等，这也是氢燃料电池用空压机设计的技术难点。

国际上针对氢燃料电池用空压机的开发以车载专用空压机为主，戴姆勒公司开发出喷水螺杆式空压机，能够降低压缩空气温度；美国Vairex公司开发出空气质量流量为75 g/s的燃料电池用滑片式空压机[6]，压比能够达到2.5；日本丰田公司针对Mirai燃料电池车，由其自动织机公司开发出六叶螺旋罗茨式空压机，工作转速最高达12 500 r/min；美国霍尼韦尔公司与美国能源部(DOE)合作研发出最大空气质量流量100 g/s、最大压比3.2左右的离心式空压机，效率高于70%；韩国现代汽车公司基于空气箔片轴承开发出空气质量流量为80 g/s的离心式空压机[7]。

国内在氢燃料电池用空压机方面的研究主要集中在高校，浙江大学针对100 kW氢燃料电池堆开发出单螺杆空压机[8]；雪人公司研制出车用双螺杆空压机，压比约为2.7，效率高于60%；清华大学研发出低比转速车载燃料电池离心式空压机[9]，转速为20 000 r/min，叶轮压比为1.6；北京科技大学研制出水润滑轴承支承的高速离心式空压机[10]，其质量流量达到73 g/s、压比达到2.22；同济大学开发出适用于65 kW燃料电池系统的单级离心式空压机[11]，其最大空气质量流量为80 g/s、压比为1.5～2.5。

相比其他形式的空压机，离心式空压机在功率密度、效率和噪声等方面综合效果较好。目前，国内对氢燃料电池用空压机的研究与发达国家的技术差距明显，尚未有针对100 kW氢燃料电池堆的离心式空压机产品，而采购国外离心式空压机成本高，使用其他形式空压机效率又较低。

针对国内100 kW氢燃料电池堆用空压机的设计开发，考虑空气质量流量、压比和体积方面的要求，采用离心叶轮形式的大流量空压机是目前主流的发展方向。笔者针对100 kW氢燃料电池堆，开发空气质量流量为130 g/s、压比为2.8的两级串联离心式空压机。

1 空压机设计

1.1 总体设计

基于离心式空压机级效率最优的原则，参考离心叶轮经验设计型谱，确定空压机的级数为两级。空压机采用两级叶轮串联增压的形式，可减小单级叶轮的压比，提高空压机效率。两级叶轮分别布置在电机两端，设计转速为95 000 r/min。

两级叶轮的压比分配主要考虑以下3点：两级叶轮产生的轴向推力尽量相近，以减小整体的轴向推力；两级叶轮均具有合适的设计比转速，以提高空压机效率；两级叶轮直径接近，以减小空压机总体径向尺寸。

空压机在设计点工作时，进口压力为0.1 MPa，出口压力为0.28 MPa，为使两级叶轮上产生的轴向推力相近，采用升压值均分的方式，即第一级和第二级的压升均为0.09 MPa，故第一级的压比为1.9，第二级的压比为1.47。但等压升分配下两级压比相差较大，考虑叶轮的效率，应尽量减小两级叶轮的压比差别。因此，确定低压级叶轮压比为1.8，高压级叶轮压比为1.56。

根据两级叶轮的压比分配计算两级叶轮的比转速，得到低压级叶轮比转速为0.98，高压级叶轮比转速为0.88，两者比较接近，均在合理范围内。

1.2 一维气动设计

采用Concepts NREC公司的Compal软件进行两级叶轮的一维气动设计，得到两级叶轮的主要几何参数，如表1所示，两级叶轮均采用6+6长短叶片组合形式。两级叶轮直径接近，可减小空压机总体径向尺寸。

表1 两级叶轮的主要几何参数

空压机气动效率计算公式如下：

(1)

式中:p01、p02分别为空压机进口和出口空气压力;T01、T02分别为空压机进口和出口空气温度;k为绝热指数。

1.3 三维叶型设计

采用Concepts NREC公司的Axcent软件进行两级叶轮的三维叶型设计。通过调整叶型的角度、厚度和倾角分布控制叶轮内气动参数变化在合理范围内。图1给出了低压级叶轮通道内的相对马赫数分布和载荷分布。叶型采用中部加载设计，以减小叶轮进出口流动损失；叶轮出口空气具有较大的速度和动能，在扩压器和蜗壳中空气速度和动能减小并转化为压力能。

(a)相对马赫数分布

高压级叶轮压力高，叶尖泄漏情况较低压级严重。为减小叶尖泄漏，采用叶片前倾设计以减小高压级叶轮前缘的叶尖气动载荷。图2给出了调整后的高压级叶轮通道内的相对马赫数分布和叶片载荷分布。通过叶片载荷分布图可以看出，叶轮进口段的气动载荷有所降低。

(a)相对马赫数分布

2 空压机气动三维数值分析

2.1 控制方程

有限体积法利用网格将计算区域离散化，在每个控制体积内对控制方程进行积分，采用线性化方法生成未知变量的方程组，结合边界条件得到闭合的方程组，然后使用迭代计算方法得到收敛的各计算网格上的未知量[12]。

以N-S方程描述离心式压缩机内的气体流动，包括连续性方程、动量方程和能量方程。

在经典力学范围内，认为流体在运动过程中经历任何过程和变化，系统的物质总量保持不变。

连续性方程的微分形式如下：

(2)

式中：ρ为流体密度；t为时间；u、v、w分别表示x、y、z方向上的速度分量。

动量守恒方程表示：任何控制微元中流体动量对时间的变化率等于外界作用在流体微元上所受的合力。

考虑黏性流动，动量守恒方程的微分形式如下：

(3)

式中：fx、fy、fz分别表示x、y、z方向上流体微团的体积力；τxx、τyy、τzz分别表示x、y、z方向上的正应力；τxy和τyx、τxz和τzx、τyz和τzy分别表示xy、xz、yz平面上的切应力。

能量守恒方程表示：进出某系统的能量与该系统的总能量的变化量相等。在流动过程中，流体的内能与动能之和的变化率等于表面力做功功率、质量力做功功率与外界对流体的传热功率之和。

考虑黏性流动，能量守恒方程的微分形式如下：

(4)

2.2 数值仿真方法

采用NUMECA公司的Fine/Turbo软件进行空压机内部三维流动的数值仿真分析。控制方程采用雷诺平均N-S方程，湍流模型采用Spalart-Allmaras模型。数值差分格式采用二阶精度格式，并通过多重网格和隐式残差光顺技术加速收敛。边界条件为进口给定总温、总压和气流角，出口给定背压。

2.3 网格划分

低压级、高压级离心叶轮均包含12个叶片(长叶片和短叶片各6个)。每组叶片间为周期性流动，三维数值计算分析仅考虑稳态条件下的工作性能，为减少计算量，选取一组长短叶片构建计算域。图3所示为低压级叶轮和无叶扩压器几何模型以及单组叶片计算域网格，采用HOH型拓扑结构划分六面体网格，网格数约199万。

(a)几何模型

2.4 仿真结果分析

图4给出了两级叶轮内部流线分布情况。由图4可知，低压级和高压级叶轮叶片压力面附近的流线分布均匀；在叶片吸力面附近，受叶尖泄漏流动的影响存在小范围的流动紊乱区域。两级空压机蜗壳内部流线分布均匀，流动情况良好。

(a)低压级

图5给出了两级叶轮50%叶高截面的相对马赫数分布图。由图5可知，叶轮内的流动马赫数均小于1，没有出现跨声速流动和激波，吸力面处的马赫数大于压力面处的马赫数。在叶轮出口分流叶片吸力面附近存在一个低速流动区域，为出口回流区，其范围较小，对主流影响不大。

(a)低压级

图6给出了空压机系统在设计转速下的气动性能仿真结果，包括质量流量-压比和质量流量-效率关系曲线。由图6可知，在设计工况点，两级叶轮的压比为2.86，效率为79.38%。

(a)质量流量-压比关系曲线

3 空压机性能试验

3.1 空压机气动性能试验验证

图7为空压机性能试验方案图。进口管道布置压力、温度和质量流量测点，出口管道布置压力、温度、质量流量测点以及调节阀。使用差压变送器测量压力，使用电测温度计测量温度，使用标准孔板流量计测量质量流量。

图7 空压机性能测试台布置图

空压机试验时，在每条转速线上，通过调节阀控制质量流量和压比的变化，测量多个调节阀开度下的质量流量和压比的状态点，测试点数一般不少于5个。调节阀开度由大到小，逐渐向最小质量流量点逼近，当监测出口压力值开始波动时，缓慢调整节流阀开度，逐渐减小质量流量，当监测出口压力值波动剧烈，且10 s时间内不能稳定，即达到喘振边界。

在不同转速下进行气动性能测试，即在某一转速下，通过系统出口调节阀开度控制以调节空压机系统的质量流量，由大质量流量向小质量流量变化，逐渐逼近该转速下的喘振临界点，期间采集不同质量流量下的数据，获得空压机系统的进出口压力、温度、质量流量和功耗等参数。因控制器功率限制，实际试验测试时最大转速为设计转速95 000 r/min。

图8给出了不同转速下空压机气动性能的测试结果。左图为不同转速下空压机系统的质量流量-压比关系曲线，其中质量流量为空压机出口空气质量流量，压比为总压比，可以看出在设计转速95 000 r/min、质量流量为130 g/s时的压比为2.82。右图为不同转速下空压机系统的质量流量-效率关系曲线，其中效率为气动效率，可以看出在设计转速95 000 r/min、质量流量为130 g/s时的气动效率为77.5%。

(a)质量流量-压比关系曲线

3.2 分析讨论

空压机系统气动性能试验测试结果表明，空压机系统的总压比为2.82，比数值仿真分析得到的压比2.86低，这是由于数值仿真分析所选取的计算模型不包含两级之间的连接管道且未考虑连接管道的压力损失造成的。

气动性能试验所得空压机气动效率为77.5%，低于一维设计效率78.6%，这是因为在一维气动设计软件中蜗壳气动损失偏理想，低于实际蜗壳损失造成的。

气动性能试验所得空压机气动效率为77.5%，低于数值仿真分析结果79.38%，这是由于仿真分析计算模型未考虑离心叶轮的轮背泄漏，空压机系统实际运行过程中，叶轮轮背存在不同程度的泄漏问题，造成仿真分析结果高于实际测试结果。

4 结 论

(1)完成了空压机气动设计，高速离心叶轮通道内流场分布均匀，气动结果满足设计要求；采用高转速设计，有效减小了空压机系统体积，并提高了空压机气动效率。

(2)低压级叶轮叶型采用中部加载设计，减小低压级叶轮进出口流动损失；高压级叶轮采用叶片前倾设计，减小高压级叶轮前缘的叶尖气动载荷，提高气动效率。

(3)完成了空压机系统气动性能试验，结果表明，在设计转速、质量流量为130 g/s时，空压机的压比为2.82，气动效率为77.5%，可满足氢燃料电池堆要求。