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摘要：“双碳”目标下氢能机车研发迫在眉睫。内燃机涡轮作为氢能内燃机的关键部件，直接影响氢能机车的动力输出和燃氢效率。通过离心涡轮三维建模和气动性能设计，对叶轮应力和涡壳包容性进行了分析，并采用MATLAB软件借助哈里斯鹰优化算法(HHO)对结构进行优化。依据现有主流700 kW氢能调车机车完成了一二级涡轮三维设计和CFD数值仿真。分析了一级涡轮叶片平面压力分布及不同叶高下的压力、平面流线、密度场及温度场，结果均符合使用要求，但需要优化；分析了二级涡轮叶片平面流线、密度场及温度场，结果表明二级涡轮设计较佳；采用LS-DYNA软件对涡轮开展了包容性仿真，结果证明设计安全性合理。在叶轮意外破裂的情况下，叶轮碎块不会击穿蜗壳对周边环境产生破坏；在最大化额定工况下完成了Kriging模型结合哈里斯鹰算法的多目标多参数优化，得到了最终优化参数，对比优化前后叶道静熵、叶轮子午面流速、叶轮子午面静熵，结果表明一级涡轮的等熵效率提高了5.3%,二级涡轮的等熵效率提高了4.9%。
关键词：氢能机车；涡轮；设计；有限元
0引言
2020年我国提出“双碳”目标，力争2030年前碳达峰，2060年前实现碳中和[1]。2021年国务院印发2030年前碳达峰行动方案，推动氢能技术研发和示范应用，探索在工业、运输等领域规模化应用[2]。“十四五”规划《纲要》指出谋划布局氢能与储能产业，实现“双碳”战略目标[3]。为此，氢能作为一种清洁、高效的能源，被广泛认为是未来能源体系的重要组成部分。氢能机车在我国尚处于研发阶段，其性能和应用范围还有待提升[4]。内燃机涡轮如压气机、涡轮和燃气发生器等作为氢能内燃机的关键部件，直接影响氢能机车的动力输出和燃油效率。有限元分析(Finite Element Method,FEM)作为一种用于研究结构性能的数值方法，能够有效分析涡轮的气动特性、材料性能、噪声和振动等问题，为涡轮设计提供科学、准确的依据[5]。2002年美国Vehicle Projects公司研发出了氢燃料采矿机车，在2009年研发出了功率可超1MW氢燃料电池调车机车[6],2013年我国氢燃料电池动力机车“蓝天号”在西南交通大学试运行[7],2015年，氢能源有轨电车在中车青岛四方机车车辆股份有限公司成功下线[8]。2016年9月法国阿尔斯通运输公司推出氢动力客运火车[9],2021年，由西南交通大学与中车大同电力机车有限公司联合研制的氢燃料电池混合动力调车机车在内蒙古锦白铁路（锦州－白音华）上线运行[10]。
2022年由中车长客与成都轨道集团共同研发的氢能市域列车在成都下线，该车最高速度可达160 km/h,续航里程可达600 km[11]。2023年北京轨道交通技术装备集团有限公司研发的氢燃料混合动力铰接式轻轨列车在北京下线[12]。涡轮主要由叶片、轴、轮毂等部分组成，通过旋转产生动力，将内燃机的内能转化为机械能。在氢能机车内燃机涡轮的设计方面，国内外学者进行了广泛研究。鲍鹏龙等[13]研究发现离心式空压机在密度、效率、噪声等方面具有很好的综合效果，是提高燃料电池系统性能的有效措施。严彦等[14]经过对比发现离心压缩机与燃料电池系统的适配性更高。一些学者提出了基于流体动力学(FLUIDS)的涡轮增压器设计方法，如陈君君[14]提出的基于雷诺平均的湍流模型和基于雷诺特征的湍流模型。有些学者提出了基于有限元方法(FEM)的涡轮增压器设计方法，如张国庆等[15]提出的S1、S2相对流面理论，这些理论为涡轮增压器的三维设计提供了重要的理论支持。还一些学者对涡轮增压器内部流场进行了数值模拟，如颜培刚[16]采用大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)方法对涡轮增压器内部流场进行模拟，结果表明LES方法在预测涡轮增压器内部流场和气缸燃烧过程方面具有较高的准确性。氢能内燃机涡轮的发展趋势是高效、轻量化、低噪声、低振动。
现有的涡轮增压器设计方法主要集中在柴油和汽油的理论研究和实验研究，对氢能研究较少。本文通过离心涡轮三维建模和气动性能设计，对叶轮应力和涡壳包容性进行了分析，最后采用MATLAB软件借助哈里斯鹰优化算法(Harris Hawk Optimization,HHO)对结构进行优化。
1离心式涡轮的气动性能设计
1.1两级叶轮设计
根据国内市场主流功率700 kW氢能调车机车，采用燃料电池乘用车功率为120 kW大功率氢燃料电池，燃料电池堆的单元电压0.8 V,额定转速10万高转速电磁电机，一级压缩涡轮和二级膨胀涡轮由等转速空气轴承连接，叶轮处轴径38 mm,主轴总长420 mm,电池堆实际需求空气质量流量0.41 kg/s。本设计涡轮采用半开式，避免局部应力较高，叶片为效率较高的后弯式长短叶片结构，涡轮叶轮及蜗壳建模依据一维热力设计结果采用Cfturbo软件进行三维设计，一级涡轮入口温度20℃,入口压力101.325 kPa,总压比3.2;膨胀机考虑气体泄漏、叶轮变形以及止推轴承轴向移动距离等影响因素，采用Bezier平滑子午面通流截面曲线，叶顶间隙取0.6 mm,入口压力0.2 MPa,入口温度100℃,出口压力0.13 MPa,叶片形线采用直纹抛物面，叶片厚度取1.6 mm,叶尾采用带鱼型长短径比为8,分为外层轮盖面和内层轮毂面，喷嘴叶片采用直线型长短径比为5的椭圆倒角。一级叶轮叶片扩压器为避免出口堵塞情况，设计为无叶扩压器，无叶扩压器内径为65 mm。采用截面为圆形对称式蜗壳结构，涡壳尺寸由扩压器尺寸决定。蜗壳出口直径42.3 mm。一、二级涡轮的主要参数如表1所示，涡轮三维结构如图1所示。
1.2涡轮流场分析
离心式涡轮数值仿真基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)实现。CFD中控制方程为连续性方程，动量守恒方程、能量方程、气体状态方程。
1.2.1 CFD仿真前处理
仿真前处理包括网格划分、模型的选择、边界条件设置以及求解的设置。网格划分采用ANSYS软件Turbogrid模块CFD中旋转镜像生成的全流道网格。一级涡轮扩压器，二级喷嘴采用SST湍流模型结构化网格，设置近壁面为8层附面网格，网格质量达0.3以上，黏性力为y+约等于1的k-ω低雷诺数模型，偏离壁面采用惯性力主导的k-ε高雷诺30≤y+≤90模型，蜗壳隔舌处为防止产生负体积采用非结构化网格。采用前处理器ICEMT对各网格组装，全部网格质量大于0.3,总体网格数1796万。并对整体模型进行网格无关性验证，结果显示流量和出口压力均与网格数量无关。最后对边界条件进行设置，叶轮壁面和叶轮流域保持相对静止，固壁无滑移、绝热壁面，采用MRF法进行求解，蜗壳、喷嘴、扩压器转化为定常稳态模型求解，交界面采用Interface数据链接。整体进口、出口设置压力边界条件，叶轮接触面设为动壁面，压力速度的耦合采用SIMPLEC算法，动量、压力、能量以及密度的离散方式采用二迎风模型，其余为一阶迎风模型，湍流设为标准k-ε高雷诺模型。边界条件设计转速100 000 r/min,一级涡轮入口总压101.3 kPa,温度20℃,收敛残差10-6,第二级涡轮进口参数为第一级出口参数，其余边界条件与一级涡轮相同，湍流模型选用SST剪切输运模型在y+小于5时直接求解，当y+大于5时转换为壁面函数求解。结果SST湍流模型y+最佳值为34,最大值为114,满足小于300要求。一级涡轮网格划分及y+图如图2所示。
1.2.2涡轮流场仿真分析
图3(a)为z=20 mm回转平面压力分布云图。可见叶轮与扩压器压力呈非均匀变化，叶轮进口处压力低，出口处压力高，流场呈放射状分布，最大压力值位于蜗壳出口处及蜗壳局部最外侧区域。蜗舌的存在干扰了流场的流动，导致气体流动空间增大，在蜗舌叶轮出口至扩压器出口一段存在较大的低压区外溢压力，达到0.26 MPa。叶轮弯道处也存在低压区呈渐开线型升高，蜗壳的隔舌处有高压存在，需要对其做进一步优化。图3(b)分别为10%、30%、50%、70%、90%叶高下的叶轮内部流场压力分布。可见在叶轮流道中，涡轮在轮盖及轮毂面产生横向涡流，导致叶片吸力面压力明显低于工作面压力，叶轮内部流场基本平缓过度，低压区域分布较广，在蜗舌区分布压力最低，叶轮出口平均压力0.25 MPa,越靠近轮盖，压力越低，流道越偏离轮毂，叶片附近压力也越小，这是半开式设计导致。
图4(a)为z=20 mm平面流线图，可见气体由入口到出口流动平稳，受叶片做功的影响，叶轮处靠近叶顶间隙处流场紊乱，叶轮进口靠近轮盖处流速最高，轮毂处流速最低，轮毂面边界层的气体不易与主流发生分离，蜗壳中未形成漩涡流，但扩压器内子午面流线均出现漩涡，叶尾低速区分布较宽。可见叶片出口角不是最优角度，需通过调节叶片型线来改善叶轮内的流场提升叶轮的效率。图4(b)为z=20 mm平面密度场，图4(c)为z=20 mm平面温度场，在叶轮流域内温度及密度呈中心对称分布，叶片吸力面温度相较于工作面温度较低，靠近蜗舌区域的叶轮出口局部温度较高。由于叶轮持续高转速压缩空气和高摩擦、黏性摩擦及高温空气膨胀导致流道内密度变化相对剧烈，整体温度沿空气流向逐渐升高，在蜗壳出口处达到466.6 K。整体设计满足气动性能要求。
图5(a)为二级涡轮z=5 mm平面流线图，相对于一级涡轮流速低，未出现高速流体，但有旋涡存在，设计还得进一步优化。图5(b)和图5(c)为二级涡轮z=5 mm平面温度场和压力场，可见温度分布和压力分布较为相似，整体呈中心对称分布，由内向外逐渐减弱，说明流场中不存在超音速流动，所得二级涡轮入口压力为0.25 MPa,温度80℃,转速100 000 r/min,出口平均气压0.136 MPa,温度55℃,叶轮轮毂面与叶片上扭矩大小为TN=0.235 N·m,一二级同轴相连可省23%功率。二级涡轮设计较佳。
2叶轮应力分析及涡壳包容性分析
2.1一级叶轮应力及应变分析
为校核叶轮强度和分析叶片结构的合理性对叶轮应力和应变进行分析。取叶片根部倒角C2 mm,叶轮出口处厚度取3mm,采用铆钉穿过轮底面处与主轴法兰连接。叶轮采用四面体非结构化网格划分，铆钉孔处进行优化处理，所得网格256万，选7075铝硅合金。工作时气体对叶轮的反作用力和叶轮的温度升高使得叶轮承受较大应力，对其按照额定工况条件进行分析，从图6(a)(b)可见，耦合流场加载后最大应力点出现在铆钉孔，形成应力集中，达到335.96 MPa,其余地方应力由内到外逐渐减弱，均低于223.98 MPa,温度120℃条件下7075铝合金材料的屈服强度为364 MPa,满足设计要求。图6(c)为额定工况下的变形量分布，可见最大变形出现在叶片顶缘处，其最大变形量为0.1463 mm,在弹性变形范围。由于设计叶顶间隙0.43 mm,主轴跳动最大量0.151 mm,可得叶轮变形不会与涡壳碰撞。叶轮变形满足设计要求。
2.2一级蜗壳包容性分析
由于叶轮在额定工作状态下的边缘线速度为523.64 m/s,轮盘碎片与外面壳体的撞击过程发生在2~5 ms之间，属于高速撞击问题计算的侵蚀接触类型，采用Johnson-Cook材料模型和失效模型LS-DYNA进行分析，对称罚函数法进行运算。图7(a)所示的三维模型经拓扑处理后进行四面体单元网格划分，蜗壳网格总数为36.7万，叶轮13.9万，底板六面体单元25.3万，材料为叶轮7075铝合金，蜗壳材料ZL105铸造铝合金，底板45钢，采用LS-DYNA971求解，设置约束条件为蜗壳底面全约束，叶轮以99 999 r/min均匀破裂成3块，触点罚函数值为0.5,静、动摩擦因数取值为0.2。图7(b)为t=3 ms时刻撞击过程结束时叶轮的Mises应力分布云图，可见当到达t=3 ms时单块叶轮碎块的总能量已不足100 J且动能几乎为零，过程结束。图7(c)为t=3 ms时刻撞击过程结束时涡壳整体模型的Mises应力分布云图，可见整个过程蜗壳整体结构完好，说明设计安全性合理，在叶轮意外破裂的情况下，叶轮碎块不会击穿蜗壳对周边环境产生破坏。
3涡轮参数优化
3.1优化设计
由于涡轮的设计缺陷，在有限元分析过程中发现存在设计不合理之处，为此通过最大化额定工况下基于MATLAB软件多目标多参数优化，提出Kriging模型结合哈里斯鹰算法(HHO)采取渐近式快速俯冲的软包围策略（式1)的优化方法对优化结果进行分析。
式中：X(t)为当前个体位置；X(t+1)为下一次迭代时个体位置；Xrand(t)为随机挑选出的个体位置；Xrabbit(t)为猎物位置即拥有最优适应度的个体位置；r1、r2、r3、r4、q为[0,1]之间的随机数；Xm(t)为个体平均位置；Xk(t)为种群中第k个个体位置；M为种群规模。叶轮仿真在额定功率条件下进行，转速为100 000 r/min,流量0.37 kg/s,一级压比3.2,二级压比1.54,叶轮叶轮结构决策变量选取及权重如表2所示。设计LHD生成25组结构参数样本库，用MATLAB自动模拟，包括导入icemTurbogrid网格划分、网格组装、边界条件设置、优化目标等，设定误差为0.001。多目标参数X有Kriging模型、入口安装角β1、出口安装角β2、叶片包角ψ、叶片倾角λ、叶片分流占π1、叶片型线xh1、叶片型线xh2、叶片型线xs1、叶片型线xs2、叶片分流占π2。
3.2优化结果分析
构建近似模型后进行多次迭代寻优参数如表3所示。图8(a)为叶轮50%叶高处静熵云图，此处熵值越高其流场越散乱，通过对比优化前后数据发现，相比最初设计一级涡轮的等熵效率提高了5.3%,二级涡轮的等熵效率提高了4.9%,原先叶轮流道中气流紊乱明显改善，尤其是叶片尾缘处流线呈弯曲状的低速区，提升了涡轮整体效率。图8(b)为额定工况下一级涡轮叶轮子午面的速度云图，可见叶轮优化前，由于内流动存在气体回流导致入口靠近轮盖处速度有所降低；优化后，流速低的面积明显减少，减少叶轮入口处气流速度的影响。图8(c)为额定工况下一级涡轮叶轮在子午面的静熵云图，优化后的高熵区降低了，总体效率提升了。
4结束语
本文通过离心涡轮三维建模和气动性能设计，对叶轮应力和涡壳包容性进行了分析，最后采用MATLAB软件借助哈里斯鹰优化算法(HHO)对结构进行优化。主要工作内容及结果如下。
(1)依据现有主流700 kW氢能调车机车完成了一二级涡轮三维设计。
(2)完成了一二级涡轮CFD数值仿真，分析了一级涡轮叶片平面压力分布及不同叶高下的压力、平面流线、密度场及温度场，均符合使用要求，但需要优化；分析了二级涡轮叶片平面流线、密度场及温度场，二级涡轮设计较佳。
(3)采用LS-DYNA软件对涡轮完成了包容性仿真，结果表明设计安全性合理，在叶轮意外破裂的情况下，叶轮碎块不会击穿蜗壳对周边环境产生破坏。
(4)在最大化额定工况下完成了Kriging模型结合哈里斯鹰算法的多目标多参数优化，得到了最终优化参数，对比了优化前后叶道静熵、叶轮子午面流速、叶轮子午面静熵，一级涡轮的等熵效率提高了5.3%,二级涡轮的等熵效率提高了4.9%。
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氢能机车内燃机涡轮的设计与FEM分析论文
人参与 2024-10-24 10:08:56 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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