[发明专利]一种基于修正控制方程的离心叶轮进口设计方法

说明书

本发明公开了一种基于修正控制方程的离心叶轮进口设计方法，该设计方法采用控制方程中所含有的约束参数或经验参数与实际设计中给出的约束参数一致；使用控制方程求解离心叶轮进口最优解的过程简单快捷，避免了反复的迭代过程，增加计算的繁杂性和可靠性；控制方程在数学上是完备的，且得的解是最优解而不是近似解。该离心叶轮进口设计控制方程更加快捷可靠，而且其应用范围更加广泛。在不同给定进口轮毂半径或者进口形状因子条件下，均可求解得到唯一离心叶轮气体进口叶尖处最小相对速度或者最大质量流量及相应的进口几何参数和气动参数。

技术领域

本发明涉及应用于燃料电池车用空气压缩机，属于燃料电池发动机技术领域，具体涉及一种基于修正控制方程的离心叶轮进口设计方法。

背景技术

目前离心空压机被广泛应用于燃料电池系统中，离心空压机进口几何参数不仅决定了空压机的流通能力，同时也影响着下游流动状态和损失的形成与发展。算法优化虽然可以降低对流动理论和经验的依赖，但是建立样本空间时需要进行大量的CFD仿真计算，工作量和时间成本明显增加。另一方面由于样本空压的有限性和优化算法自身的局限性会导致局部最优解的出现，降低了算法优化的可靠性。良好的初始设计可以降低后期优化的工作量和难度，如果设计的不合理，则由此引起的损失和性能的降低是无法通过下游改变设计得到补偿的。因此离心叶轮进口设计对设计目标和性能的实现有重要影响。

离心叶轮进口设计之所以重要是由以下两个因素决定的。一是在给定离心叶轮出口直径和圆周速度的条件下，叶轮进口几何参数决定了离心空压机的流通能力。该特性可被表述为叶轮的进口流量系数，该无量纲参数被广泛应用于离心式和轴流式空压机的选型、设计和性能分析中。在车用离心空压机的设计中，压比和转速通常会作为输入参数对设计进行约束，这种情况下，离心叶轮出口直径不会有太大变化。因此，离心空压机的流通能力主要取决于进口结构参数和气动参数的设计。

另一个因素是离心叶轮进口对下游的流动有很大的影响。进口冲角和进口相对速度是对下游流动产生影响的两个主要气动参数，如附图1所示。这两个参数不仅主导着在离心叶轮进口的流动损失(主要是冲击损失)，还是影响着下游气流的稳定性，如流动分离、涡团和回流等都与进口气动参数有密切的关系。在气体进入叶轮流道后，边界层开始在叶片表面、轮毂和轮盖面形成和发展。假设气流均匀且无偏离的接近离心叶轮进口，则主流区在最开始倾向于合理地沿着叶片的引导流动。但是如果在进口气流中有一个明显的流场畸变，则主流区从一开始便会具有明显的涡旋特征，而且这种流场畸变在下游的流动中是一定不会消失的，只会随着流动不断发展变化，甚至加剧，以至于严重影响离心空压机性能。这种流场畸变主要是受进口冲角的影响。设计者需要小心地核算进口叶片角以尽可能地降低在叶轮进口处的流场畸变。

进口相对速度或进口相对马赫数同样在下游的流动中起着重要影响。当叶轮出口圆周速度和流通能力确定的情况下，进口相对速度取决于进口相对气流角、轮毂和叶尖直径，可以从进口速度三角形得出其中的关系。进口相对速度或者相对马赫数是决定进口流动损失的最主要气动参数，通常认为离心叶轮进口最小气流冲击损失发生进口相对速度或相对马赫数最小时。若此时设计进口冲角为零，不仅可以获得最小的进口冲击损失，而且可以使得进口流场畸变最小。则此时进口流动状态对下游流动的负面影响也是最小的。进口相对速度的大小还影响摩擦损失、负载损失和扩压损失，随着进口相对速度的增加，以上损失通常会相应增加。当进口相对速度超过声速时，离心叶轮进口设计不合理会明显增加进口相对速度，甚至会在进口形成冲击波，此时进口损失会显著增加。