燃料电池离心式空压机转子临界转速关键影响因素分析

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.09.009

摘要/Abstract

摘要：

鉴于国产燃料电池车用离心式空压机高压比和大流量的进气需求，本文对100 000 r/min超高速离心式空压机转子稳定性设计中存在的共振失稳问题建立了复合截面转子-轴承系统模型并进行研究。剖析了增大轴承刚度和缩小轴承跨距时的临界转速提升，以及转子空心结构和温升造成的临界转速降低，并为刚性和柔性转子提出了不同的避震措施。还探讨了大转动惯量的叶轮由于回转效应影响对于高阶临界转速的显著提升作用。研究结果为燃料电池超高速离心式空压机转子和轴承设计提供良好的理论指导和设计参考。

关键词: 燃料电池汽车, 离心式空压机, 转子-轴承系统, 临界转速, 回转效应

Abstract:

In view of demand of the high-pressure ratio and large flow air of centrifugal air compressor for domestic fuel cell vehicle， a rotor-bearing system model with compound cross-section is established to study the resonance instability problem of the rotor stability design for ultra-high-speed air compressor with rated speed of 100 000 r/min. The paper analyzes the critical speed increase by increasing the bearing stiffness and reducing the bearing span， and the decrease of critical speed by the rotor hollow structure and the temperature rise， and proposes different shock absorption measures for rigid and flexible rotors. In addition， the impeller with large moment of inertia significantly improving the high-order critical speed due to the influence of the rotary effect is discussed. The conclusions can provide theoretical guidance and design reference for the rotor and bearing design of ultra-high speed centrifugal air compressor of fuel cell vehicle.

Key words: fuel cell vehicle, centrifugal air compressor, rotor-bearing, critical speed, gyroscopic effect

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图/表 12

图1

表1

材料性能参数"

部件	转轴	永磁体	护套
材料名称	9Cr18Mo	NdFeB	TC4
弹性模量/GPa	215	160	110
密度/（ $k g ? m - 3$ ）	7 700	7 400	4 510
泊松比	0.3	0.24	0.34
热膨胀系数/℃^-1	$10.4$ $× 10 - 6$	$6.5$ $× 10 - 6$	$7.9$ $× 10 - 6$
强度极限/MPa	590	105	895

表1

图2

图3

图4

图5

表2

转子系统临界转速随轴承跨距变化率"

轴承刚度/ （ $N ? m - 1$ ）	1阶临界转速变化率/%	2阶临界转速变化率/%	3阶临界转速变化率/%
$5 × 107$	4.3	-18.7	-2.9
$6 × 107$	5.4	-18.1	-3.9
$7 × 107$	6.5	-17.4	-5.1
$8 × 107$	7.6	-16.5	-6.4
$9 × 107$	8.7	-15.5	-7.9
$1 × 108$	9.8	-14.4	-9.4
$1.1 × 108$	10.9	-13.3	-10.8
$1.2 × 108$	11.9	-12.2	-12.2

表2

图6

图7

表3

空心孔半径减小后的临界转速变化率"

轴承刚度/ （ $N ? m - 1$ ）	1阶临界转速变化率/%	2阶临界转速变化率/%	3阶临界转速变化率/%
$5.0 × 107$	-6.32	-6.20	-1.39
$7.0 × 107$	-5.84	-4.87	-2.70
$9.0 × 107$	-5.38	-3.30	-4.21
$1.1 × 108$	-4.94	-1.91	-5.50

表3

图8

表4

各转动惯量时的系统临界转速"

中心极转动惯量/（ $k g ? m 2$ ）	中心直径转动惯量/（ $k g ? m 2$ ）	1阶临界转速/ （ $r ? m i n - 1$ ）	2阶临界转速/（ $r ? m i n - 1$ ）	3阶临界转速/（ $r ? m i n - 1$ ）
$1.04 × 10 - 4$	$5.98 × 10 - 5$	72 585	104 899	213 043
$1.56 × 10 - 4$	$5.98 × 10 - 5$	72 639	106 551	220 825
$2.08 × 10 - 4$	$5.98 × 10 - 5$	72 675	107 502	223 703
$1.04 × 10 - 4$	$1.20 × 10 - 4$	72 473	100 719	172 817
$1.04 × 10 - 4$	$1.79 × 10 - 4$	72 219	91 532	131 393

表4

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