收稿日期:20150130基金项目:国家“八六三”计划项目(SS2012AA110501)

作者简介:任天明(1988—),男,博士生,E-mail:ray_1107@163.com.通信作者:冯明(1967—),男,教授,博士生导师,E-mail:mingfeng@me.ustb.edu.cn.

第36卷 第7期2016年7月北京理工大学学报TransactionsofBeijingInstituteofTechnologyVol.36 No.7Jul.2016

燃料电池用水润滑电动离心式空压机的研发任天明1, 冯明1, 倪淮生2(1.北京科技大学机械工程学院,北京100083;2.上海燃料电池汽车动力系统有限公司,上海201804)

摘 要:提出了一种以水润滑动静压轴承为支撑、永磁同步电机驱动的高速离心式空气压缩机解决方案.在结构

上实现了水润滑与永磁电机的融合,满足了燃料电池系统对空压机无油、高效的要求.在对空压机转子系统进行动力学优化的基础上,研究了不同结构浅腔动静压轴承的水膜稳定性,进而研发出空压机原理样机,空压机样机在6×104r/min时可提供350kg/h,压力比为1.52的压缩空气,整体效率接近80%,实现了高速稳定运行,验证了设

计方案的可行性.关键词:燃料电池;电动离心式空压机;水润滑;动静压轴承;转子动力学中图分类号:TH452 文献标志码:A 文章编号:1001-0645(2016)07-0679-05

DOI:10.15918/j.tbit1001-0645.2016.07.004

DevelopmentoftheMotorizedCentrifugalAirCompressorUsingWater-LubricatedBearingsforFuelCells

RENTian-ming1, FENGMing1, NIHuai-sheng2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofScienceandTechnology,Beijing100083,China;2.ShanghaiFuelCellVehiclePower-TrainCompanyLtd,Shanghai201804,China)

Abstract:Adesignprogrammingwaspresentedforahighspeedcentrifugalaircompressor

supportedwithwaterlubricatedbearingsanddrivenbypermanentmagnetsynchronousmotor(PMSM).Inordertosatisfytheoil-freeandhighefficiencyrequirementsofthefuelcellsystem,

thecompressorwasdesignedstructurallycombiningwaterlubricatedbearingwithPMSM.Adynamicoptimizationwasfirstconductedonthecompressorrotor,thenthestability

performancesofdifferentkindsofwaterlubricatedsallowmulti-pocketbearingwereinvestigated.Finally,aprototypeofthecompressorwasdevelopedandtested.Theresultsshowthattheaircompressorprototypecanproridecompressedairwith350kg/h,aressureratioat6×104r/min.Steadyoperationsathighrotatingspeedwereobtained,andthefeasibilityofthedesignwasverified.Keywords:fuelcell;motorizedcentrifugalcompressor;waterlubrication;hydrodynamicand

hydrostatichybridbearing;rotordynamics

随着燃料电池汽车行业的不断发展,作为其核心部件之一的空压机也逐渐成为研究热点.离心式空压机已在微型涡轮发电机[1]、微型涡轮空压机[2]、汽车电动涡轮增压器[3]等领域得到了广泛应用,具有效率高、结构紧凑和质量轻的优点,被认为是理想

的燃料电池汽车空压机解决方案.但在燃料电池汽车中使用时,由于电堆中质子交换膜对油污十分敏感,使得传统空压机中的油润滑或油冷却方法不再适用,需要开发燃料电池汽车专用的高效、无油空压机[4].国外对燃料电池专用空压机的研究起步较早,瑞士Opcon、德国Liebherr、美国Honeywell以及MiTi等公司均已推出了可实际使用的产品[56].目前,国内相关技术的研究仍处于起步阶段,与国外差距明显[79].现有燃料电池专用电动离心式空压机都采用气体动压箔片轴承作为支撑,以满足无油的要求,但因此面临着气体轴承承载性能低、抗冲击振动能力差和易磨损等问题的挑战.水润滑动静压轴承能较好的避免这些问题,且在其它高速机械中已有成功应用的案例[1,10].本文作者提出了一种以汽车冷却液(乙二醇)做介质的水润滑轴承电动离心式空压机技术方案,并对其在汽车燃料电池系统中应用的可行性进行了初步探讨.由于电动离心式空压机的研发涉及多个技术领域,如高速永磁同步电机及其驱动控制技术、叶轮设计等,文中从压缩机结构、转子系统动力学以及水润滑动静压轴承等方面进行分析讨论.1 空压机结构设计空压机结构设计如图1所示.主要由叶轮、主轴、水润滑轴承、永磁同步电机、电机冷却水套及壳体等部分组成.空压机的最大特点是使用水作为轴承润滑剂,不仅满足无油的使用要求,还提高了轴承的承载力、抗冲击能力和稳定性.图1 电动离心式压缩机结构Fig.1 Configurationofthemotorizedcentrifugalaircompressor离心式空压机的工作转速越高,其效率越高.为保证转子在高速下的稳定性,电机位于转子中间,两个水润滑动静压径向轴承分别位于电机两侧,两个止推轴承位于转子后端,叶轮位于最前端,使得整个转子的质心尽量靠近中心.为缩短转子支撑跨距,减轻质量,两个径向轴承的一部分伸入到电机端部线圈内,有效地利用了电机两侧端部绕组的空间.空压机转子的Campbell图如图2所示,其一阶弯曲临界转速约1400Hz,在8万r/min转速以下工作时可认为是刚性转子,具有较好的稳定性.

图2 空压机转子Campbell图Fig.2 Campbelldiagramoftherotor

由于采用水或乙二醇作为润滑剂,在磁钢、止推轴承外圆等处不可避免地存在搅水现象.其中磁钢的直径较大,线速度高,搅水损耗势必较大.为降低这一损耗,在前后径向轴承与磁钢之间设计了特殊的非接触式密封环(如图1所示)和回水通路,以尽量减少轴承润滑回水向磁钢处的泄漏,降低搅水损耗,提高空压机的效率.

2 水润滑轴承

2.1 稳定性分析

在高速滑动轴承中,线式供水阶梯腔轴承和小孔供水阶梯腔轴承是两种常见的结构,如图3所示.

图3 两种不同的轴承结构Fig.3 Structuresoftwodifferentbearings

两种结构均采用阶梯型腔.线式结构在轴承中间开有较深的环槽,润滑水由小孔供入后,由环槽向两侧的阶梯腔供给.在小孔结构中,润滑水由小孔

086北京理工大学学报第36卷供入阶梯腔中.水润滑轴承不仅起支承作用,更是压缩机转子轴承系统的重要部分.轴承水膜的动力特性对整个转子系统有很大的影响,尤其是在压缩机工作转速很高的情况下,对轴承水膜稳定性的分析十分必要.这里使用失稳转速法对轴承稳定性进行分析.由于水黏度低,密度大,水膜极易处于紊流状态,轴承稳定性分析时必须考虑紊流的影响.考虑紊流的水润滑径向轴承的静态雷诺方程为∂r∂θh3Kθμ∂Pr∂æèçöø÷θ+∂∂Zh3KZμ∂Pr∂æèçöø÷Z=U2∂hr∂θ,(1)式中:Kθ=12+0.0136Re0.9;KZ=12+0.0043Re0.98;θ、Z分别为轴承圆周方向和轴向坐标;r为轴承半径;h为膜厚;P为压力;μ为水的动力黏度;ρ为水的密度;U为轴承线速度;Kθ、KZ为紊流修正因子(采用Ng-Pan模型);Re为雷诺数.Re=Uρh/μ.轴承量纲一的等效刚度Keq为Keq=Kxxcyy+Kyycxx-Kxycyx-Kyxcxycxx+cyy,(2)界限涡动比γ为γ2=(Keq-Kxx)(Keq-Kyy)-KxyKyxU2(cxxcyy-cxycyx),(3)轴承的失稳角速度Ωst为Ωst=μlmψ3Keqγ2.(4)式中:l为轴承宽度;m为转子质量;ψ=h0/r;h0为轴承的半径间隙;Kij、cij(i,j=x,y)为轴承的刚度和阻尼系数.图4 两种轴承的等效刚度与界限涡动比Fig.4 Equivalentstiffnessandwhirl-frequencyratioofthebearings为比较两种轴承的稳定性,在参数相同的条件下,计算得到轴承的量纲一的等效刚度、界限涡动比和失稳转速.轴承的等效刚度和界限涡动比如图4所示.小孔结构的等效刚度约为线式结构的2.7倍.两种结构的界限涡动比相差不大,低转速时线式结构较小,高转速时小孔结构较小.在不同转速下计算轴承水膜的失稳转速,如图5所示.由图可见,线式结构轴承的水膜失稳转速

约5.2×104r/min,而小孔结构轴承的水膜失稳转

速与等速线在20×104r/min以内无交点,表明小孔结构阶梯浅腔轴承的稳定性更好.

图5 两种轴承的失稳转速Fig.5 Stabilitythresholdspeedofbearings

2.2 实验验证

为验证理论分析的正确性,对两种结构的轴承分别进行了实验研究.通过测量空压机外部轴承处的振动加速度,得到振动瀑布图,如图6所示.

图6 两种结构轴承的振动瀑布图Fig.6 Waterfallsofmeasuredbearingvibrations

由图可知,线式结构轴承在5.5×104r/min突然出现幅值远大于基频的半频涡动,此后随转速升高,半频涡动的幅值持续增大,显现出水膜失稳的特征.出现水膜失稳的转速与理论计算值仅相差

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