叶轮出口相对宽度对两级离心压气机流场稳定性的影响

温鑫宇; 杨汉乾; 曹岁丰; 何光清; 官庆武

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2502597

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (5) :1972-1981 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502597

机械、仪表工业

叶轮出口相对宽度对两级离心压气机流场稳定性的影响

温鑫宇 ¹ ,
杨汉乾 ¹^,^* ,
曹岁丰 ¹ ,
何光清 ² ,
官庆武 ²

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Influence of Relative Width of Impeller Outlet on Flow Field Stability of Two-stage Centrifugal Compressor

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摘要

为了提高质子交换膜燃料电池功率密度,电堆阴极需维持高供气压力。常采用超高转速单级离心压气机,但该方案存在电机过热和效率较低的问题。两级增压可降低电机转速,但存在喘振流量偏大的问题。以某80 kW燃料电池用两级离心压气机为研究对象,搭建了高压级与低压级联合工作的数值仿真模型,系统分析了各级叶轮出口相对宽度对压气机流动稳定性的影响规律,并开展了联合优化设计。结果表明:调整低压级叶轮出口相对宽度对高压级流动特性具有显著影响;流动失稳现象首先在高压级区域发生;在高压级中采用比低压级更小的叶轮出口相对宽度可有效改善其流动特性,并增大压气机的喘振裕度。

Abstract

To enhance the power density of proton exchange membrane fuel cells, a high air supply pressure must be maintained at the cathode of the stack. Ultra-high-speed single-stage centrifugal compressors were commonly employed, but this approach was associated with issues of motor overheating and lower efficiency. Two-stage pressurization can reduce the motor speed, but it has the problem of excessive surge flow. Taking a specific two-stage centrifugal compressor for an 80 kW fuel cell as the research object, a collaborative numerical simulation model of the high-pressure stage and low-pressure stage was established. The influence mechanisms of the relative outlet width of the impellers in each stage on the compressor’s flow stability were systematically analyzed, and a collaborative optimization design was conducted. The results indicate that adjusting the relative width of the low-pressure stage impeller outlet has a significant impact on the flow characteristics of the high-pressure stage. The phenomenon of flow instability first occurs in the high-pressure zone. Using a smaller relative width of the impeller outlet in the high-pressure stage compared to the low-pressure stage can effectively improve its flow characteristics and increase the compressor’s surge margin.

Graphical abstract

关键词

燃料电池 / 两级离心式压气机 / 喘振边界 / 出口相对宽度 / 流场稳定性

Key words

fuel cell / two-stage centrifugal compressor / surge boundary / relative width of export / flow field stability

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温鑫宇, 杨汉乾, 曹岁丰, 何光清, 官庆武. 叶轮出口相对宽度对两级离心压气机流场稳定性的影响[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(5): 1972-1981 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502597

WEN Xin-yu, YANG Han-qian, CAO Sui-feng, HE Guang-qing, GUAN Qing-wu. Influence of Relative Width of Impeller Outlet on Flow Field Stability of Two-stage Centrifugal Compressor[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(5): 1972-1981 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502597

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质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)凭借其高效率、零排放和低噪声等优势,已成为未来汽车动力系统的理想选择之一^[1]。作为阴极供气系统的核心部件,压气机在燃料电池系统中发挥着类似“肺”的关键作用^[2]。其中,电动离心式压气机因其结构紧凑、效率高等特点,在燃料电池系统中得到广泛应用^[3]。研究表明,将阴极供气压力维持在2.0~2.5 bar(1 bar=10⁵ Pa)的适宜范围内,可显著提升燃料电池的功率密度和系统效率^[4-5]。然而,根据欧拉方程(Euler’s Equation),要实现更高的增压压力,叶轮必须达到更高的转速。单级电动增压器的转速通常超过100 000 r/min,这不仅增加了轴承润滑和热管理的难度,还会导致系统效率降低和电机成本增加^[6]。因此,单级增压系统的增压能力受到转速限制,难以满足更高性能燃料电池系统的需求。

采用两级串联离心式增压技术在有效降低工作转速的同时可实现较高的增压比,早在2016年本田的燃料电池轿车Clarity就运用了该项技术。然而该技术方案仍面临两个关键技术挑战:喘振边界流量偏大和运行效率偏低^[7]。针对压气机喘振的问题,许多学者进行了相关研究。Sun等^[8]研究了扩压器叶片对单级离心压气机喘振的影响,发现非对称叶片扩压器在特定转速下能抑制喘振并拓宽边界。陈颖秀等^[9]研究了转轴偏心对单级离心压气机喘振的影响,发现当转轴偏心导致的最小叶尖间隙位于轻度喘振幅值较大的周向位置时,可以有效抑制喘振。孙立臣等^[10]研究了单级离心压气机的喘振特性,发现安装叶片扩压器后,压气机的喘振裕度会大幅度减小。然而,对于压气机喘振特性的研究,现有研究主要集中于单级离心压气机,针对两级离心压气机的研究相对匮乏。这种研究现状与两级压气机在车载燃料电池等领域的广泛应用形成明显反差。两级增压系统的级间耦合效应、复杂流动特性及其对喘振边界的影响机制仍待深入探索,以指导高性能两级压气机的设计与优化。

流场失稳是导致压气机效率较低的关键原因之一,而结构参数是决定流动特性的核心要素。因此,优化压气机结构参数成为改善流动、提高效率并拓宽喘振边界的关键技术路径。这一方法通过改善流场稳定性,可有效提升压气机的运行范围和可靠性。针对压气机结构参数对流动的影响,许多学者做了相关研究。赵阳等^[11]研究了叶轮叶顶间隙非定常流动的发展机理,发现叶顶间隙涡与主叶片吸力面分离流相互作用在叶轮叶片吸力面附近形成低速区。Sun等^[12]研究发现S形的入口弯管能在90%工作转速下延迟喘振,提高稳定性。Mirzaee等^[13]的研究表明,叶轮内气体失速时,前缘叶尖泄漏流向上游偏转,会导致更严重的溢出,从而引发流场不稳定。Sun等^[14]通过对蜗壳设计的改进,使压力畸变从8.82%降至3.22%,稳定流量范围从49.8%扩展至58.7%,有效提高了流动稳定性。叶轮出口相对宽度(b₂/D₂)通过改变气流的相对速度、方向以及流道扩张角,直接影响流动稳定性,是影响压气机流动特性的关键结构参数^[15-16]。两级增压系统的级间耦合效应使叶轮出口相对宽度对流动的影响更加复杂。然而,针对该参数对两级压气机流场稳定性影响的研究仍然不足。为此,现建立高压级与低压级耦合的数值仿真模型,系统探究叶轮出口相对宽度对两级压气机流场稳定性的影响机制,以期为优化设计提供理论依据。

1 模型介绍

采用单电机驱动的串联式两级增压系统,高低压级转速相同。表1列出了系统设计参数,图1展示了叶轮三维模型,其结构参数如表2所示。如图2所示,压气机通流部件包括进口管道、高低压级叶轮、扩压器及蜗壳,构成完整的气动通道。

2 数值模拟方法

2.1 网格划分与边界条件设置

采用专业网格划分工具对计算域进行离散化处理,利用TurboGrid软件对叶轮区域生成高质量六面体网格,叶轮网格如图3所示。其中叶轮前缘采用C型拓扑结构,叶轮尾缘采用H型拓扑结构,以确保复杂几何区域的网格质量。在Global Size Factor中定义叶轮网格密度,设置Size Factor为1.6。在Boundary Layer Refinement Control中选择Proportional to Mesh Size方式对壁面网格进行加密,设置Size Factor为3.0。其余通流部件的网格划分则通过Ansys Mesh软件完成,最终构建的整机求解模型如图4所示。

采用Ansys CFX求解器对两级离心式压气机进行数值模拟,求解三维定常可压缩雷诺时均Navier-Stokes方程。湍流模型选用SST k-ω模型,该模型能准确预测分离流动和逆压梯度流动。工质为理想气体,壁面采用无滑移绝热边界条件。计算设置如下:入口边界条件为总温293 K、总压1 atm(1 atm=101 325 Pa),出口采用质量流量边界条件。为确保计算精度,采用双精度模式进行求解,动静域交界面使用混合平面法处理。同时,启用Enhanced Wall Treatment功能,将壁面距离y⁺值严格控制在200以下,以满足SST湍流模型对近壁区处理的要求^[17-18]。这些设置保证了数值模拟的可靠性和准确性。

压比和绝热效率是评估压气机性能的两个核心指标。这两个参数能够全面反映压气机的气动性能和能量转换特性,是评价压气机性能优化效果的重要依据。通过监测压比和绝热效率的变化,可以准确评估不同设计方案对压气机性能的影响。

压比的计算公式为

(1)ε_c=$\frac{{P}_{2}}{{P}_{1}}$

式(1)中:P₁为入口压力;P₂为出口压力。

等熵效率的计算公式为

(2)η_S=$\frac{{T}_{1}}{{T}_{2}-{T}_{1}}\left[{\left(\frac{{P}_{2}}{{P}_{1}}\right)}^{\frac{k-1}{k}}-1\right]$

式(2)中:T₁为入口温度;T₂为出口温度;P₁为入口压力;P₂为出口压力;k为等熵指数。

为排除网格数量对数值模拟结果的影响,进行了系统的网格无关性分析,结果表明当网格数量超过600万时,关键性能参数(如压比和效率)的变化率小于5.0%(如图5所示)。最终确定计算网格总数为6 293 590,在保证计算精度的同时兼顾了计算效率。

2.2 数值模拟方法的验证

为评估数值模拟方法的可靠性,选用某企业生产的80 kW两级离心压气机作为实验验证对象。研究所用叶轮模型基于该压气机叶轮实物原型进行改进,两者几何尺度接近且特性曲线吻合良好,故其实验数据可用于支撑数值方法的验证工作。压气机与叶轮实物模型分别如图6和图7所示。

压气机在设计工况下的数值模拟结果与实验数据对比如图8所示。

图8对比结果显示,数值模拟与实验数据在压比和效率等关键性能参数上吻合度较高。其中,压比的最大相对误差低于7%,效率的最大相对误差范围控制在8.5%以内。数据表明,所采用的数值模拟方法能够较为准确地预测压气机的气动性能。

2.3 仿真实验组

为系统研究高低压级叶轮出口相对宽度(b₂/D₂)对两级压气机性能的影响,设计了如表3所示的数值实验矩阵。该矩阵采用控制变量法,在保持其他几何参数不变的前提下,分别调整高低压级叶轮出口相对宽度,共设置9组对比方案。高压级和低压级叶轮出口相对宽度范围为0.025~0.05,涵盖了典型离心压气机的设计范围。这种实验设计能够有效分离高低压级几何参数的影响,为揭示叶轮出口相对宽度对整机性能的作用机制提供可靠的数据支持。

3 结果分析

3.1 出口相对宽度对气动性能的影响

在40 000~90 000 r/min转速范围内对两级压气机进行数值模拟,获得了完整的性能特性曲线(图9)。结果表明,在设计转速(70 000 r/min)下,压气机可实现2.3的压比,完全满足质子交换膜燃料电池阴极2.0~2.5 bar(1 bar=10⁵ Pa)的供气压力需求。

图10详细展示了70 000 r/min转速下,低压级叶轮出口相对宽度(b₂/D₂)对两级压气机性能的影响规律。在设计流量0.08 kg/s时,当b₂₁/D₂从0.038 5增加至0.044 9时,压比提升约1.83%,等熵效率基本维持不变;然而,当b₂₁/D₂继续增大至0.051 3时,虽然压比进一步提高2.34%,但等熵效率却下降1.12%。这表明,低压级叶轮出口相对宽度存在最优设计区间,过度增大反而会降低系统整体性能。

图11系统揭示了70 000 r/min转速下,高压级叶轮出口相对宽度(b₂₂/D₂)对两级压气机性能的影响特性。在设计工况下,与低压级的影响规律(图9)相比,高压级b₂₂/D₂的改变对整机性能的影响呈现相似趋势但变化幅度较小。在近喘振工况(0.05 kg/s)下,当b₂₁/D₂从0.044 9降至0.038 5时,可使效率提升1.17%。这些结果表明,高压级叶轮出口相对宽度的优化应着重考虑近喘振工况下的性能表现。

图12显示,当低压级和高压级叶轮出口相对宽度分别优化至0.036和0.042左右时,整机效率达到峰值。效率随b₂/D₂变化呈抛物线趋势,且低压级的影响更为显著。这表明优化时应优先考虑低压级参数,同时考虑两级间的匹配关系,以实现整机性能的最佳平衡。

3.2 出口相对宽度对流场稳定性的影响

图13展示了70 000 r/min转速、0.08 kg/s流量工况下,低压级叶轮不同出口相对宽度(b₂₁/D₂)的50%叶高马赫数分布。结果表明,当b₂₁/D₂减小至0.025 6时,叶轮出口马赫数显著升高,这会导致扩压器内冲击损失和摩擦损失增加。同时,低压级静压转换效率的下降,致使高压级入口动能增加,叶片前缘冲击损失增大,最终导致整机效率降低。

图14展示了70 000 r/min转速、0.08 kg/s设计流量工况下,低压级叶轮出口相对宽度为0.025 6时的流场特征。速度矢量图分析表明,低压级叶轮流道内流动保持稳定[图14(a)],未出现明显的流动分离;然而,高压级叶片吸力面侧出现了显著的流动分离现象[图14(b)]。这种流动特征的差异主要源于气体经过低压级压缩后,其压力得到了提升,密度增加,导致高压级进口雷诺数显著增大。而在高压级强逆压梯度的情况下,叶片前缘的边界层会在高雷诺数下抑制分离涡的形成,而在叶片尾缘的强逆压梯度区域时,分离涡和强逆压梯度会加快转捩的发生,从而恶化叶片尾缘的流动特性。同时,叶片尾缘吸力面曲率较大,而叶片尾缘湍流边界层外层低速流体较厚,在强逆压梯度下更易堆积分离,进一步破坏了边界层的稳定性。高压级吸力面分离区的分离涡严重影响了级间匹配效率和整机性能。

当高压级进口体积流量达到单级喘振临界值时,低压级进口流量仍小于喘振临界值,导致高压级率先进入喘振状态。这种级间喘振特性的差异主要源于高压级对流量变化更敏感,工作点更接近喘振边界,且进口雷诺数较高(边界层易分离);而低压级具有更大的稳定裕度,受上游扰动影响较小。

图15展示了70 000 r/min转速、0.08 kg/s设计流量工况下,低压级叶轮出口相对宽度为0.051 3时的流场特征。速度矢量图分析表明,在低压级叶轮压力面侧,气体速度达到120~150 m/s[图15(a)],表明叶轮对气体做功充分,能量转换效率较高;气体经压缩进入高压级后,压力面侧速度降至80~100 m/s[图15(b)],说明部分动能成功转化为静压能,且流道内未出现明显的流动分离现象。对比图14的流动特征,证实了低压级叶轮出口相对宽度通过改变级间流量匹配,显著影响高压级的流动稳定性。当b₂₁/D₂=0.051 3时,高压级进口流量仍处于稳定工作范围内,避免了流动分离的产生。这表明通过合理设计低压级出口相对宽度,可有效改善高压级的流动稳定性。

燃料电池用离心压气机在高压小流量工况(60%~70%设计流量)下面临严重的气动失稳问题,这些流动失稳特征严重影响系统可靠性。

图16~图18揭示了70 000 r/min转速、0.05 kg/s小流量工况下,低压级叶轮出口相对宽度(b₂₁/D₂)对流动特性的影响。图16显示,随着b₂₁/D₂从0.051 3减小至0.025 6,压力面与吸力面压差降低,说明低压级叶轮做功能力下降,而整机压比也有一定降低。然而,图17的流场图表明较小的b₂₁/D₂有利于改善低压级流动,可以看出叶轮入口流动分离区面积有一定减小,图18子午面静熵云图证实入口和出口区域的熵增都有一定程度降低,表明流动损失减小。结果表明,在小流量工况下低压级叶轮过大的b₂₁/D₂会加剧流动分离,而过小的b₂₁/D₂则限制做功能力。因此,需要在流动损失和做功能力之间寻求平衡,以实现最佳的气动性能。

图19~图21展示了在70 000 r/min转速、0.05 kg/s小流量工况下,高压级叶轮出口相对宽度(b₂₂/D₂)对流动特性的影响。图19显示,高压级b₂₂/D₂的变化规律与低压级相似,随着高压级叶轮b₂₂/D₂减小,压力面与吸力面压差降低,导致叶轮做功能力下降。然而,图20的流场特征分析表明,高压级叶轮b₂₂/D₂变化对流动分离的改善效果有限;而图21子午面静熵云图证实,减小高压级叶轮b₂₂/D₂可使入口和出口区域熵增降低,有效减小了流动损失。这些结果表明,在小流量工况下,高压级b₂₂/D₂的优化应着重考虑损失控制而非流动改善。

3.3 联合优化

由以上分析可知,分别调整高低压级叶轮的出口相对宽度可有效调节级间匹配效率和整机性能。根据分析结果,同时调整高低压级叶轮的出口相对宽度可进一步优化整机性能。采用联合优化的设计方法,设置9组实验矩阵对比方案。表4系统列出了设计工况(70 000 r/min,0.08 kg/s)下高低压级叶轮出口相对宽度(b₂/D₂)的联合设计结果。

结果表明,当低压级b₂₁/D₂=0.044 9、高压级b₂₂/D₂=0.044 9时,压比提升约2.06%,等熵效率提高0.85%。相较于低压级b₂₁/D₂=0.044 9、高压级b₂₂/D₂=0.032 1时的情况,压比提升效果更加显著,此组合更加适用于提高燃料电池的功率密度。但更大的出口相对宽度意味着喘振裕度会有所减小,因此设计时需考虑整体系统运行工况。值得注意的是,低压级b₂₁/D₂对性能的影响更为显著。在相同变化幅度下,其引起的压比和效率变化量分别为高压级的1.5倍和1.8倍。这表明在确定叶轮出口相对宽度时,应优先优化低压级参数,同时考虑两级间的匹配关系。

图22对比了第8组(高压级采用比低压级更小的叶轮出口相对宽度)与原模型在60 000~80 000 r/min转速范围内的性能特性。研究表明,优化后的模型在高效率区运行范围和喘振边界等方面均有显著改善,设计点和部分负荷工况下的效率及压比均有所提高。

图23~图24对比了优化前后在近喘振工况下(0.04 kg/s、70 000 r/min)高压级叶轮的流场特征。图23显示,优化后50%叶高处的流线分布更加均匀,吸力面分离区面积显著减小,表明流动稳定性得到改善。图24的子午面静熵云图进一步证实,优化后叶尖区域的熵增降低,出口损失减小,表明流动损失得到有效控制。这些流场特征的改善主要归因于优化设计增强了级间匹配,改善了高压级进口流动条件,从而提升了叶轮内部的流动稳定性。流场可视化结果与性能模拟数据相互印证,证实了优化措施的有效性,为两级压气机的设计改进提供了重要依据。

4 结论

(1)低压级叶轮出口相对宽度的改变会显著影响级间流量匹配,并进一步影响高压级的入口体积流量和流动特性。这种级间耦合效应使得低压级叶轮出口相对宽度对整机性能的影响更为显著。因此,在两级压气机优化设计中,应优先考虑低压级参数的优化,同时注重两级间的匹配关系,以实现整机性能的最佳平衡。

(2)由于级间流量匹配特性的差异,高压级内的体积流量先于低压级达到喘振临界值,导致高压级率先出现流动分离现象。这种级间喘振特性的差异主要源于高压级对流量变化更为敏感,且工作点更接近喘振边界。具体表现为高压级吸力面出现明显的流动分离区,而低压级仍保持相对稳定的流动状态。

(3)高压级采用比低压级更小的叶轮出口相对宽度可有效改善流场特性并扩大稳定工作范围。这种设计通过优化级间流量匹配,减小了叶片前缘冲击损失,同时改善了叶轮内的流动分离。

以燃料电池用两级离心压气机为研究对象,通过建立CFD联合仿真模型,系统探究了叶轮出口相对宽度对两级压气机流场特性及整机性能的影响规律。研究揭示了高低压级叶轮出口相对宽度通过改变级间流量匹配影响流动稳定性的内在机理,明确了优化设计准则,为两级离心压气机的性能提升提供了重要的理论依据和设计指导。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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