[發明專利]一種基于修正控制方程的離心葉輪進口設計方法

有效

• 申請號: 201910042310.2
• 申請日: 2019-01-17
• 公開（公告）號: CN109635512B
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 倪淮生
• 申請（專利權）人: 德燃（浙江）動力科技有限公司
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20
• 代理公司: 浙江千克知識產權代理有限公司 33246
• 代理人: 裴金華

本發明公開了一種基于修正控制方程的離心葉輪進口設計方法，該設計方法采用控制方程中所含有的約束參數或經驗參數與實際設計中給出的約束參數一致；使用控制方程求解離心葉輪進口最優解的過程簡單快捷，避免了反復的迭代過程，增加計算的繁雜性和可靠性；控制方程在數學上是完備的，且得的解是最優解而不是近似解。該離心葉輪進口設計控制方程更加快捷可靠，而且其應用范圍更加廣泛。在不同給定進口輪轂半徑或者進口形狀因子條件下，均可求解得到唯一離心葉輪氣體進口葉尖處最小相對速度或者最大質量流量及相應的進口幾何參數和氣動參數。

技術領域

本發明涉及應用于燃料電池車用空氣壓縮機，屬于燃料電池發動機技術領域，具體涉及一種基于修正控制方程的離心葉輪進口設計方法。

背景技術

目前離心空壓機被廣泛應用于燃料電池系統中，離心空壓機進口幾何參數不僅決定了空壓機的流通能力，同時也影響著下游流動狀態和損失的形成與發展。算法優化雖然可以降低對流動理論和經驗的依賴，但是建立樣本空間時需要進行大量的CFD仿真計算，工作量和時間成本明顯增加。另一方面由于樣本空壓的有限性和優化算法自身的局限性會導致局部最優解的出現，降低了算法優化的可靠性。良好的初始設計可以降低后期優化的工作量和難度，如果設計的不合理，則由此引起的損失和性能的降低是無法通過下游改變設計得到補償的。因此離心葉輪進口設計對設計目標和性能的實現有重要影響。

離心葉輪進口設計之所以重要是由以下兩個因素決定的。一是在給定離心葉輪出口直徑和圓周速度的條件下，葉輪進口幾何參數決定了離心空壓機的流通能力。該特性可被表述為葉輪的進口流量系數，該無量綱參數被廣泛應用于離心式和軸流式空壓機的選型、設計和性能分析中。在車用離心空壓機的設計中，壓比和轉速通常會作為輸入參數對設計進行約束，這種情況下，離心葉輪出口直徑不會有太大變化。因此，離心空壓機的流通能力主要取決于進口結構參數和氣動參數的設計。

另一個因素是離心葉輪進口對下游的流動有很大的影響。進口沖角和進口相對速度是對下游流動產生影響的兩個主要氣動參數，如附圖1所示。這兩個參數不僅主導著在離心葉輪進口的流動損失(主要是沖擊損失)，還是影響著下游氣流的穩定性，如流動分離、渦團和回流等都與進口氣動參數有密切的關系。在氣體進入葉輪流道后，邊界層開始在葉片表面、輪轂和輪蓋面形成和發展。假設氣流均勻且無偏離的接近離心葉輪進口，則主流區在最開始傾向于合理地沿著葉片的引導流動。但是如果在進口氣流中有一個明顯的流場畸變，則主流區從一開始便會具有明顯的渦旋特征，而且這種流場畸變在下游的流動中是一定不會消失的，只會隨著流動不斷發展變化，甚至加劇，以至于嚴重影響離心空壓機性能。這種流場畸變主要是受進口沖角的影響。設計者需要小心地核算進口葉片角以盡可能地降低在葉輪進口處的流場畸變。

進口相對速度或進口相對馬赫數同樣在下游的流動中起著重要影響。當葉輪出口圓周速度和流通能力確定的情況下，進口相對速度取決于進口相對氣流角、輪轂和葉尖直徑，可以從進口速度三角形得出其中的關系。進口相對速度或者相對馬赫數是決定進口流動損失的最主要氣動參數，通常認為離心葉輪進口最小氣流沖擊損失發生進口相對速度或相對馬赫數最小時。若此時設計進口沖角為零，不僅可以獲得最小的進口沖擊損失，而且可以使得進口流場畸變最小。則此時進口流動狀態對下游流動的負面影響也是最小的。進口相對速度的大小還影響摩擦損失、負載損失和擴壓損失，隨著進口相對速度的增加，以上損失通常會相應增加。當進口相對速度超過聲速時，離心葉輪進口設計不合理會明顯增加進口相對速度，甚至會在進口形成沖擊波，此時進口損失會顯著增加。