摘要
氢燃料电池汽车具有高热值、零排放、充能时间短和续航里程长等特点，是新能源汽车发展的重要方向。气浮轴承离心空压机具有无油、高效、微振动、低成本、轻量化和动态响应能力好等优点，已成为车载氢燃料电池空压机的最佳选择和主要发展方向。目前国内针对氢燃料电池车用离心空压机的理论和部件研究较多，对动压气浮轴承离心空压机进行整机设计和性能测试的研究较少，且相关企业对关键核心技术的自主掌握不足。本研究设计制作了匹配150kW电堆的动压气浮轴承离心空压机，并搭建了综合性能试验台进行测试，主要研究内容和结论如下： (1)设计额定压比3.1、质量流量150g/s、转速88000rpm、功率26kW的两级气浮轴承离心空压机，确定离心空压机总体结构型式，获得了离心空压机叶轮、扩压器及蜗壳的主要参数。两级压缩端叶轮采用背靠背式结构布置于主轴两端，主轴通过高速直驱电机驱动，采用动压气浮轴承支承。 (2)基于流线曲率法的准三元流设计理论，对叶轮、扩压器及蜗壳等进行气动设计，采用ICEM对全流道叶轮、扩压器和蜗壳进行网格划分，通过数值模拟进行稳态工况分析。结果表明离心空压机转速95000rpm时、压比为3.34；转速88000rpm时绝热效率78.14%，电机功率小于额定功率，设计满足要求。通过PumpLinx进行空压机瞬态仿真，结果表明额定工况下空压机总压波动不大于0.06%，总温波动不大于0.08%，稳态仿真和瞬态仿真结果得到互相验证。 (3)采用有限差分法迭代求解可压缩气体润滑的雷诺方程，进而设计了整周式径向轴承和分体式止推轴承，并对不同工况的轴承转子系统进行模态分析和强度校核。结果表明轴承转子系统的工作转速范围30000-95000rpm，处于2阶和3阶临界转速之间。轴承转子系统局部最大应力出现在止推盘根部，小于止推盘屈服强度，最大变形出现在一级叶轮顶部，小于叶顶间隙，强度和变形满足设计要求。 (4)搭建综合性能试验台，测试离心空压机在30000-95000rpm工作转速的热力性能，获得了离心空压机全转速范围内的性能MAP图。试验结果表明：空压机稳定工况质量流量范围39.08-189.85g/s，最大压比3.1、最大绝热效率75.23%、最大电机功率小于26kW。试验和数值模拟结果对比表明，额定工况下两者的压比、效率、电机功率和压缩功率相对误差分别为4.21%、5.92%、4.42%、0.51%。 (5)试验研究了动压气浮轴承离心空压机的耐久性和可靠性，分析了箔片动压气浮轴承承载和稳定特性。试验结果表明：该离心空压机动态响应特性良好，空压机连续启停超过75000次后，气浮轴承顶箔涂层具有轻微磨损，波箔高度变化甚微，仍能支承空压机长期稳定运行。
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