[发明专利]一种空气压缩机叶轮设计方法、叶轮和空气压缩机

说明书

本发明公开了一种空气压缩机叶轮设计方法、叶轮和空气压缩机，涉及压缩机技术领域，解决了现有技术中气流经过空气压缩机叶轮后损失较大，导致空气压缩机工作效率降低的问题。该方法包括如下步骤：获取空气压缩机的运行工况特性曲线；获取空气压缩机的等效率曲线；基于空气压缩机的运行工况特性曲线和空气压缩机的等效率曲线构建空气压缩机的运行范围；通过空气压缩机的运行工况特性曲线和空气压缩机的等效率曲线，基于空气压缩机的预设工况，匹配叶轮的转速、叶轮叶片出口后弯角和叶轮压比，再确定叶片造型参数，使空气压缩机运行效率始终处于等效率曲线的中心高效区域。该方法可使空气压缩机在不同工况下的运行效率均处于中心高效区域。

技术领域

本发明涉及压缩机技术领域，尤其涉及一种空气压缩机叶轮设计方法、利用该设计方法设计的叶轮和包括该叶轮的空气压缩机。

背景技术

空气压缩机作为一种动力气源，广泛应用于机械、汽车、医疗、食品、电力、建材、石油、化工及军工等行业。按空气压缩机工作方式的不同，常见的有离心式空气压缩机、螺杆式空气压缩机、涡旋式空气压缩机等。

在新能源方面，氢燃料电池汽车具有动力性能高、加氢快、续航里程长等优势，是21世纪新能源汽车最具战略意义的突破口。空气压缩机可为氢燃料电池系统提供高压气源，与螺杆式空气压缩机、涡旋式空气压缩机相比，离心式空气压缩机能提供更高压比的气源，显著提升电堆的功率密度和整体性能。

离心式空气压缩机的工作原理是：通电后，高速电机驱动叶轮对进口的空气做功，使之成为高压空气，以源源不断地为燃料电池系统提供高压气源。叶轮的工作效率直接影响整个燃料电池系统的工作效率，由此可见，叶轮是空气压缩机的“心脏”。气流在经过叶轮后的损失大致分为摩擦损失、分离损失、二次流损失和尾迹损失四部分。其中，摩擦损失是由于气体与壁面的摩擦产生，是不可避免的；分离损失主要由于边界层的分离产生漩涡，导致气流反向流动引起能量损失；二次流损失主要是由于壁面存在压力差的作用，气体由工作面向非工作面流动，方向垂直主流区的流体，带来能量损失；尾迹损失主要由于叶轮尾缘存在一定的厚度，当气体从叶道中流出时，流通面积突然扩张，产生漩涡带来能量损失，是不可避免的。

现有车用燃料电池空气压缩机主要应用在小型汽车或者商务车上，其体积小、质量轻，导致叶轮相对较少。因此叶轮损失将会大大的降低空气压缩机的工作效率。而空气压缩机一般采用半开式叶轮，间隙泄露较大，自身效率低，因此需要进一步限制叶轮内部的流动损失以提高空气压缩机的效率。正如前面描述可知，摩擦损失和尾迹损失不可避免，进一步降低存在较大难度，而分离损失和二次流损失的存在占能量损失的主要部分，因此需要进一步优化叶轮内部流道，限制边界层的分离和轴向漩涡的形成。为了解决上述问题，急需提供一种高效叶轮设计方法，以提高空气压缩机全工况的气动效率。

发明内容

本发明的其中一个目的是提出一种空气压缩机叶轮设计方法、叶轮和空气压缩机，解决了现有技术中气流经过空气压缩机叶轮后损失较大，导致空气压缩机工作效率降低的技术问题。本发明优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明空气压缩机叶轮设计方法，包括如下步骤：

获取空气压缩机的运行工况特性曲线；

获取空气压缩机的等效率曲线；

基于空气压缩机的运行工况特性曲线和空气压缩机的等效率曲线构建空气压缩机的运行范围；

通过空气压缩机的运行工况特性曲线和空气压缩机的等效率曲线，基于空气压缩机的预设工况，匹配叶轮的转速、叶轮叶片出口后弯角和叶轮压比，再确定叶片造型参数，使空气压缩机运行效率始终处于等效率曲线的中心高效区域。

根据一个优选实施方式，空气压缩机为双级空气压缩机时，双级空气压缩机的两级叶轮的比转速相同。