针对100 kW氢燃料电池堆需求,开展了两级串联离心式空气压缩机的气动设计。根据轴向力、比转速和叶轮尺寸等确定两级叶轮的压比分配,通过中部加载叶型设计减小叶轮进出口流动损失,通过叶片前倾设计降低高压级叶轮前缘的气动载荷、减小叶尖泄漏损失。对空气压缩机进行了三维流动数值仿真分析。结果表明空气压缩机内部流动情况良好;在设计转速、质量流量为130 g/s时,整机压比达到2.82,气动效率达到77.5%,性能可以满足100 kW氢燃料电池堆的使用需求。

氢燃料电池所用的空压机主要为高速离心式空压机,其气动性能主要由叶轮和扩压器决定,两者的匹配性能与叶片扩压器的迎角有关。为探究迎角对空压机气动性能的影响,对设计工况下9组不同迎角的叶片扩压器进行研究。利用商业CFD软件Numeca对叶轮转速为95000r/min的空压机进行模拟计算,获得各个迎角下空压机的气动性能曲线,对流道子午面的马赫数和流场云图进行分析。结果表明扩压器迎角对离心式空压机的气动性能有重要影响,在一定范围内,迎角越大,空压机的工作范围越宽,峰值效率越高,高效率区越广;在额定转速下,迎角在0°~2°之间存在最优值,使叶轮与扩压器的匹配性最优,空压机具有更好的气动性能。

根据功率为120kW的乘用车车载燃料电池需求,以工况点效率最优为目标,确定了燃料电池压缩机的流量、压比和最佳设计转速,完成了压缩机叶轮的一维设计、叶轮造型、三维数值分析和结构校核。

气动性能测试是评价氢燃料电池用离心式空压机整机性能的重要方式。基于气动性能测试需求进行了试验技术研究,研制了一套气动测试管路方案,搭建了一套完整试验系统,总结了一套试验方法,并使用某型号空压机进行了验证。结果表明,形成的试验技术通用性强、精度高、可靠性好,可以对多种离心式空压机进行检测。