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毕业论文-燃料电池低比转速离心空压机的设计与分析，共90页，
中文摘要
燃料电池作为绿色能源已成为各国研究的焦点。空气增压系统可直接提
高燃料电池的功率密度并改善燃料电池水热平衡。目前较为成熟的空气增压
系统主要是螺杆式和离心式空压机。离心式空压机有着效率高、体积小、寿
命长、响应迅速、可与涡轮匹配等优点，是目前最有前景的增压系统。但由
于目前燃料电池排气能量不足以驱动压气机，所以需要采用电能来辅助驱
动。采用常规设计，使用超高速电机来驱动离心压气机是方法之一，但会带
来诸多问题，比如高成本、空气轴承技术困难等，所以设计一种可以用普通
高速电机驱动的低比转速（即低转速下的小流量工况实现高压比）离心压气
机是目前最可行有效的阶段发展方法。
本文对可用普通高速电机(20000 r/min)驱动的车载燃料电池低比转速离
心压气机的设计进行了研究分析。首先对一维设计参数进行了研究，分析了
一维设计中的流道、无叶扩压器以及蜗壳的设计特点；并对压气机进行了一
维性能预测与分析。之后阐述了低比转速叶轮的三维设计特点，对其三维参
数作了分析总结。利用全三维数值模拟计算(CFD)技术初步研究了压气机叶
轮内部流场，得到了相应的特性曲线与主要气动参数分布。根据数值模拟分
析，所设计的燃料电池低比转速离心压气机具有较高的效率和较宽广且平坦
的工作特性，叶轮在设计转速下最高效率达 83%，最高压比达 1.6，流量范
围在 0.05 kg/s 至 0.20 kg/s 之间。
根据数值仿真结果，本文所设计的低比转速离心压气机能满足车载燃料
电池空气系统对于压气机的要求，同时避免了采用常规设计所需的超高速电
机所带来的问题。
关键词：燃料电池；离心压气机；低比转速；车载

目录
第 1 章 研究背景 1
1.1 引言 1
1.2 燃料电池压气机研究现状.... 6
1.2.1 涡旋式压气机 .. 7
1.2.2 螺杆式压气机 .. 8
1.2.3 环形相交叶片机械（VITM） ...... 10
1.2.4 离心式压气机 10
1.2.5 总结 13
1.3 燃料电池离心压气机研究现状.. 15
1.3.1 常规离心压气机 .... 16
1.3.2 低比转速离心压气机..... 18
1.4 本课题的目的和意义.. 19
1.5 本论文研究内容.. 20
第 2 章 离心压气机一维设计与分析 ...... 23
2.1 引言...... 23
2.2 主要设计参数...... 23
2.2.1 增压比 .... 23
2.2.2 流量 24
2.2.3 效率 24
2.2.4 总压恢复系数 25
2.3 叶轮一维设计...... 26
2.3.1 导风轮进口的叶片角..... 27
2.3.2 导风轮叶型 .... 28
2.3.3 叶轮进口最大直径与叶轮外径之比..... 28
2.3.4 叶轮轮毂直径 29
2.3.5 叶片数及长短叶片 29
2.3.6 叶轮出口处叶片型式 .... 29
2.3.7 叶轮出口宽度 30
2.3.8 叶轮通道总宽度 .... 30
2.3.9 小结 30
2.4 扩压器一维设计 . 33
2.4.1 无叶扩压器 .... 33
2.4.2 无叶扩压器出口宽度 .... 34
2.4.3 无叶扩压器外径 .... 34
2.4.4 短无叶扩压器设计 35
2.4.5 小结 35
2.5 蜗壳一维设计 ..... 36
2.5.1 蜗壳型式的选择 .... 36
2.5.2 蜗壳喉部的水力直径 .... 36
2.5.3 蜗壳出口直径 36
2.5.4 蜗壳出口锥角 36
2.5.5 小结 37
2.6 压气机一维性能预测与分析 ..... 37
2.6.2 Concept 预测两区模型... 38
2.6.3 预测结果 39
2.7 本章小结 ..... 41
第 3 章 离心压气机叶轮三维设计 ...43
3.1 引言 ..... 43
3.2 叶轮三维流道 ..... 43
3.3 叶轮叶片角度分布 ..... 47
3.3.1 叶轮叶片包角 47
3.3.2 叶轮叶片倾角 48
3.3.3 叶轮叶片后弯角 .... 49
3.4 叶轮叶片厚度 ..... 51
3.5 叶轮流场快速分析 ..... 53
3.5.1 流线曲率法 .... 53
3.5.2 求解过程 53
3.5.3 求解结果 54
3.6 本章小结...... 56
第 4 章 离心压气机三维流场仿真与分析 ...... 57
4.1 引言...... 57
4.2 研究对象...... 58
4.3 研究方法...... 59
4.3.1 控制方程 RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes Equations) . 59
4.3.2 湍流模型 Spalart-Allmaras model . 61
4.3.3 网格 61
4.3.4 初始条件、边界条件..... 63
4.4 结果分析...... 63
4.4.1 性能曲线 63
4.4.2 静压分布曲线 64
4.4.3 扩压器 .... 66
4.5 本章小结...... 67
第 5 章 结论与展望 .. 69
5.1 论文完成的主要工作.. 69
5.2 论文的创新点...... 70
5.3 课题研究的前景展望.. 70
插图索引I
表格索引...... V
参考文献... VII
致谢.....XI
声明..XIII
附录 A 燃料电池离心压气机装配图..... XV