氢燃料电池车用空压机气体轴承研究

作     者：李昱寒 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：洪伟荣

授予年度：2024年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：燃料电池空压机 椭圆气体轴承 流场仿真计算 动态网格更新方法 动压效应 

摘      要：随着环境问题日益凸显以及国家对新能源产业的大力扶持,燃料电池车成为近年来的研究热点。气体轴承是车用氢燃料电池阴极供气系统的关键支撑部件之一,加大对氢燃料电池车用离心式空压机气体轴承的研发投入将有助于国产燃料电池车的进一步发展。其中静压气体轴承综合了无污染、低噪声、摩擦小、寿命长等优势,是理想的高速离心式空压机轴系支承方案,不过应用于燃料电池车用空压机时还需改善其承载能力较弱、需额外供气源等问题。本文针对氢燃料电池车用空压机中的气体轴承开展了研究,主要研究内容如下: (1)针对氢燃料电池车用离心式空压机的使用需求,对目前较为理想的解决方案——静压气体轴承进行了初步设计。采用GAMBIT软件对轴承流场进行建模、网格划分,采用FLUENT软件对气体轴承进行了流场仿真计算。研究了各关键参数对轴承性能的影响,结合工程实际对参数进行了调整。 (2)为提高静压气体轴承的静动态特性,将轴承内孔结构改为椭圆使之同时具备静、动压轴承的优势。提出一种适用于椭圆轴承的动态网格更新方法,通过比较指定偏心率时的气膜力验证了动态网格程序的正确性。通过流场特性分析,研究了椭圆结构对动压效应的影响;计算了向不同方向偏心时气膜的动态性能。研究结果表明,随着转速的升高椭圆轴承的动压效应增强、气膜压力显著提高,额定转速下气膜压力最大值高于供气压力;且偏心方向越接近气膜压力最大方向、气膜的动态特性更好,安装轴承时使气膜压力最大方向与轴系重力方向一致可更好应对颠簸路况。 (3)将所设计的气体轴承应用于转子系统,针对静压气体轴承使用时需额外供气源问题,探究将供气压降低至空压机出口气压即实现自供气时椭圆轴承的支撑能力。计算了不同供气压、轴承孔类型时转子轴颈的运行平衡位置及平衡位置附近的气膜动态特性,通过对比发现自供气条件下椭圆轴承具有足够的承载力和优异的动态特性,能够替代外接气源的圆柱静压轴承为车用空压机转子提供支承。通过模态分析、冲击响应分析验证转子-轴承系统的可靠性。 (4)为验证上述理论研究的合理性,采用气吹驱动膨胀机叶轮转动的方式搭建了实验测试与分析平台,对转子系统进行了实物实验。测得升速过程及设计转速下轴颈的振动及转速信号;对实验数据分析得到系统的一阶临界转速,与理论计算结果的误差为4.1%,验证了仿真计算的准确性;得到不同转速下自供气条件下椭圆轴承的轴颈运动轨迹并与圆柱轴承进行对比分析,证明在高转速下动压效应更为明显,可提高椭圆轴承对转子的支承能力。实验过程中椭圆轴承轴颈振幅始终小于气膜最小厚度,自供气条件下所设计的椭圆轴承可为转子提供可靠支承。 本文所构建的椭圆轴承动态网格更新方法对于类似结构轴承的流场仿真计算提供了理论基础。研究成果可为燃料电池车用空压机轴承供气压力的降低乃至实现自供气以降低系统的复杂度提供技术支撑。