摘要
本文的研究是在镇江市重点研发计划（GY2018025）的资助下开展的。氢气循环泵是氢燃料电池系统的关键零部件，在提高氢气利用效率，优化水热管理能力等方面发挥重要作用。凸轮式氢气循环泵具有结构紧凑，低升压比下效率高，低温适应性能好等优点，成为重要研究方向。但是凸轮转子旋转时，进、排气腔容积发生周期性变化，产生不均匀气流脉动，引起脉动特性。随着车用燃料电池往大功率，高效率方向发展，对氢气循环泵转速和升压比提出了更高的要求，而高转速和高升压比增大了脉动特性，加速氢燃料电池老化。因此，开展凸轮式氢气循环泵设计及脉动特性研究，对降低氢气循环泵脉动，提高燃料电池耐久性具有重要意义。 本文采用理论分析、试验和数值模拟相结合的方法，进行氢气循环泵转子型线设计，研究不同工作间隙对脉动特性影响规律，在型线设计和最优工作间隙的基础上进行样机制作和试验研究，最后研究高转速和高升压比工况对泵脉动特性的影响。具体的工作内容和研究成果如下： 1.归纳总结国内外车用燃料电池氢气循环泵研究现状和相关产品参数，提出以凸轮式氢气循环泵为研究对象，并介绍国内外对于凸轮转子泵转子型线理论设计和泵内流场及脉动特性数值模拟的研究现状。 2.根据转子啮合原理建立多段圆弧转子型线方程，并计算叶轮最大半径和面积利用系数等几何参数；运用UGNX中的MotionSimulation模块对氢气循环泵转动部件进行动态干涉检测和啮合运动仿真，模拟的齿轮间平均啮合力与理论之间的相对误差仅为2.34%，验证转子型线设计的合理性，为后续进行泵内脉动特性数值模拟研究奠定基础。 3.基于Fluent动网格技术，并采用UDF指定凸轮转子运动对氢气循环泵进行三维瞬态数值模拟，通过对比理论排气流量和气体作 用力，验证数值模拟的准确性。在此基础上，研究了4种不同工作间隙对氢气循环泵脉动特性的影响规律。研究发现，随着工作间隙增大，泵腔壁面测点M1-M3压力脉动幅值增大，M4-M5压力脉动幅值减小；泵腔壁面监测点处压力脉动呈现明显周期性，脉动周期为2π/Z，压力脉动主频为叶频；凸轮转子所受径向力分量Fx和Fy也呈现明显周期性，脉动周期为2π/Z，径向力脉动主频为叶频；转子啮合间隙ζL为0.18mm，转子与壳体间径向间隙ζr为0.21mm时，径向力脉动幅值最小。 4.根据转子型线和工作间隙设计，进行氢气循环泵转子加工和样机制作，并搭建开式试验台，研究不同转速工况下氢气循环泵运行特性。研究发现，升压比一定时，排气流量随转速升高而增大，总体上呈线性关系；随着转速升高，泄漏流量有微小降低，泵容积效率升高；测点振动加速度幅值排序：水平测点P2＞垂直测点P1＞轴向测点P3；振动加速度级频谱图总体呈现宽频特征，在低频段处，振动加速度级频谱峰值均出现在轴频、叶频及其倍频处，并随着频率增大呈现减弱的趋势。 5.对不同转速和升压比工况下氢气循环泵进行三维瞬态数值模拟。研究发现，升压比一定时，随着转速升高，进、排气压力脉动和流量脉动幅值均增大，容积效率升高；转速一定时，随着升压比增大，泵壳间隙处压力脉动幅值增大，间隙处泄漏流量增大，容积效率降低；升压比是影响泵内排气温升的主要因素，升压比越大，排气温升越大。
NETL