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车载燃料电池用空气压缩机工作性能研究及能效分析

吴震宇  
【摘要】: 高速发展的现代社会对汽车交通运输需求日益增长,而作为其主要燃料的石油资源储量日益衰竭,人们开始寻求能够替代石油来驱动汽车运行的新型能源。在潜在替代能源中,氢燃料电池作为一种完全清洁、高效且来源广泛的能源成为当前研究热点。 燃料电池用空气压缩机是车用燃料电池发动机系统中的重要部件之一,它将环境大气中的氧气提升至一定压力,输送给燃料电池反应堆,并与储备氢气发生电化学反应产生电能和水;空气压缩机的驱动能源来源自燃料电池反应堆,空气压缩机和燃料电池反应堆形成互为依赖的关系,因此空气压缩机的工作特性对车载燃料电池发动机具有显著影响。本文以国家“863”高科技研究发展计划资助项目“燃料电池用空气压缩机的研制”(2003AA501360,2001AA501042)为依托,详细地分析了加压型和中压型两类具有不同工作原理空气压缩机工作方式和能源转换特点,引入有效能分析方法对加压型空气压缩机压缩过程中的各种能量损失源进行对比研究,对中压型空气压缩机二次流动进行了深入分析,并探索了环量分布和二次流动之间的关系;在研究中压型空气压缩机能量损失特点基础上,发展了一种指定环量方法的中压型空气压缩机叶片设计方法。在研究过程中,研制了多台车载燃料电池空气压缩机,并进行相应台架试验,从而验证了数学模型和理论分析。 论文主要研究内容如下: 第一章论述了研究课题的来源和意义,阐述了空气压缩机在燃料电池反应堆中的作用,并对国内外车载燃料电池空气压缩机的研究现状和发展趋势进行了综述,最后提出了本文所要进行的主要研究内容。 第二章以喷水单螺杆压缩机为代表,研究了燃料电池用加压型空气压缩机的工作原理,针对其工作过程建立了完善的数学模型,模型中考虑了气体泄漏和换热效果。该该数学模型基础上,探索了压缩机工作转速变化对其工作性能的影响;研究了喷水量变化对气体状态的影响。研究结果表明提高压缩机的工作转速是研制小体积、大流量燃料电池用空气压缩机有效途径。 第三章通过计算流体力学方法对以涡轮式压缩机为代表的燃料电池用中压型空气压缩机的压缩过程进行仿真研究,重点分析了设计工作转速下随着背压变化,叶道间气体流动状态相应改变;仿真结果表明小尺度涡轮压缩机能够合适的工作转速条件下提供燃料电池反应堆所需要的压缩空气。 第四章在前两章压缩机数学模型基础上,从质量、体积、流量-压力特性曲线方面对加压型、中压型燃料电池用空气压缩机进行比较研究。引入有效能方法将加压型压缩机轴功损失细分为四种物理过程,分别是不可逆传热、绝热节流、流体混合以及外泄漏,并对不同工况下这四种轴功损失变化进行了详细讨论;分析了涡轮式压缩机中二次流动所造成的损失,定性地探索了叶片表面环量分布对二次流抑制作用。 第五章提出一种基于涡片理论的低速低压比涡轮式压缩机叶面设计方法,该方法以叶片子午面上环量分布作为设计条件,通过平均流函数方程和周期谐次势函数方程来计算由该环量所诱导产生的叶道间速度场,进而使用叶片和速度相切条件获得改进叶片,经过上述步骤的迭代计算,得到收敛叶片中型面。将该设计方法应用于原有燃料电池空气压缩机的优化,数值仿真结果表明新叶轮绝热效率有所提高。 第六章建立了大功率空气压缩机性能测试台。设计制造了多台车载燃料电池空气压缩机,在测试台架上进行了试验研究,试验结果与理论分析结果基本符合。 第七章对全文进行总结并对后续工作给出展望。


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