【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池汽车用空气压缩机领域，具体涉及一种涡旋空压机水冷涡盘及其结构优化方法。
技术介绍
1、空气压缩机是车用燃料电池阴极供气系统的重要部件，通过对进堆空气进行增压，可以提高燃料电池的功率密度和效率，减小燃料电池系统的尺寸。由于新能源汽车自身的性能要求，对于其空压机也有相应的要求，如自身重量和所占空间要小，有较高的转化率等，同时还要满足在各种复杂状况下性能的稳定性。因此，涡旋式空压机的优越性得以凸显。
2、在涡旋空压机涡旋盘的运行过程中，由于气体的压缩和摩擦，涡旋盘会产生大量的热量。如果不及时冷却，涡旋盘的温度将会升高，不但会导致涡旋盘变形、磨损加剧或失效，影响涡旋空压机的性能和寿命，还会降低涡旋空压机的压缩效率。
3、当前涡旋空压机涡旋盘冷却主要采用风冷或水冷的方式，而由于空气的热传导系数较低，散热速度较慢，因此使用水冷的方式对涡旋盘进行冷却有着更好的优越性。但对于水冷涡旋盘，如何通过合理的水冷流道结构来提升冷却效率则至关重要。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种涡旋空压机水冷涡盘及其结构优化方法，该水冷涡盘及其结构优化方法可以提高冷却效率。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种涡旋空压机水冷涡盘，所述水冷涡盘为内部设有多圆环水冷流道的静涡旋盘，所述多圆环水冷流道由同心设置的多个圆环状流道组成，相邻圆环状流道之间经通道连通，所述水冷涡盘的上侧部中部设有排气口，所述排气口旁侧设有多圆环水冷流道的进水口，
3、进一步地，所述水冷涡盘的上涡旋齿与多圆环水冷流道之间通过多圆环水冷流道的底板分隔开。
4、进一步地，所述圆环状流道的横截面为矩形。
5、进一步地，所述水冷涡盘由基座和其上的盖板连接组成，所述基座上开设有多圆环流道槽，所述多圆环流道槽的上表面通过盖板进行封闭，形成多圆环水冷流道。
6、进一步地，所述排气口和进水口开设于盖板上，所述进水口与进水管连接；所述出水口开设于基座的旁侧部，所述出水口与出水管连接。
7、进一步地，冷却水由进水管经盖板上的进水口进入水冷涡盘，从水冷涡盘中心区域沿着多圆环水冷流道向外逐步进行冷却后，经水冷涡盘上的出水口从出水管流出。
8、本专利技术还提供了上述涡旋空压机水冷涡盘的结构优化方法，以水冷流道总热阻和水冷流道进出口压降最小为优化目标，利用多目标遗传算法求解出水冷流道圈数、水冷流道横截面高度、水冷流道横截面宽度以及冷却水流速的优化值。
9、进一步地，所述水冷流道总热阻由水冷流道底板的传导热阻、水冷流道壁的传导热阻、水冷流道底面的对流热阻、水冷流道侧面的对流热阻以及水冷流道中冷却水的焓变热阻组成，即：
10、rt＝rcond1+rcond2+rconv1+rconv2+rfluid (1)
11、其中，rcond1为水冷流道底板的传导热阻；rcond2为水冷流道壁的传导热阻；rconv1为水冷流道底面的对流热阻；rconv2为水冷流道侧面的对流热阻；rfluid为冷却水的焓变热阻；
12、上述各阻值可表示为：
13、
14、
15、
16、
17、
18、其中，d为水冷流道底板厚度；a1为水冷涡盘底面积；k为水冷涡盘导热系数；r为水冷涡盘半径；a2为水冷流道壁上表面的总面积；n为水冷流道圈数；w为水冷流道横截面宽度；wb为水冷流道壁的厚度；θ为相邻圆环状流道之间的通道开口的圆心角；rb为水冷涡盘排气口半径；hm为冷却水平均传热系数；a3为冷却水与水冷流道底面接触面积；a4为水冷流道壁侧面面积；qm为冷却水的质量流量；v为冷却水流速；h为水冷流道横截面高度；ρ为冷却水密度；cp为冷却水的常压热容。
19、进一步地，所述水冷流道进出口压降即为水冷流道总压力损失，其由多圆环水冷流道的沿程压力损失与多圆环水冷流道的局部压力损失组成，即：
20、
21、其中，μ为摩擦因素；lm为水冷流道总长度；dh为水力直径；ξi为每圈圆环状流道的局部损失系数，表示为：
22、ξi＝b1c1ξmi (8)
23、其中，b1为水冷流道转角的函数，c1为反映水冷流道横截面高宽比的影响的系数；ξmi为每圈圆环状流道的转弯半径ri和水冷流道横截面宽度w的函数，表示为：
24、ξi＝b1c1ξmiξmi＝0.131+0.163(w/ri)7/2 (9)。
25、进一步地，所述结构优化方法包括以下步骤：
26、1)以水冷流道总热阻和水冷流道进出口压降最小为优化目标，以水冷流道圈数、水冷流道横截面高度、水冷流道横截面宽度以及冷却水流速为优化参数，构建优化参数与优化目标之间的函数关系，即目标函数为：其中rt为水冷流道总热阻，δp为水冷流道进出口压降；
27、2)在各优化参数的约束条件内随机产生若干组水冷流道参数组成初始参数集a0；
28、3)将参数集中各组水冷流道参数对应的水冷流道总热阻与水冷流道进出口压降采用nsga-ii算法进行优化计算，经过包括选择、交叉、变异、非支配排序的优化步骤后，得到优化后的水冷流道参数集ai，i＝1,2,3,…,n；
29、4)判断实际迭代次数i是否大于最大迭代次数n，是则，否则令i＝i+1，然后返回步骤3)继续迭代；
30、5)输出pareto解集，选取pareto解集中水冷流道总热阻和水冷流道进出口压降最小的优化结果，根据优化结果对应的优化参数，得到优化后的水冷涡盘结构。
31、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供了一种涡旋空压机水冷涡盘及其结构优化方法，该水冷涡盘考虑到涡旋空压机的静涡旋盘于中心工作腔附近发热量最高，因而采用从静涡旋盘中心高温区域向外逐步进行冷却的方式进行静涡旋盘内水冷流道的设计，较传统水冷流道布置形式能够有效提高对静涡旋盘的冷却效率；此外，本专利技术将水冷流道总热阻与水冷流道进出口压降作为目标函数，利用多目标遗传算法对水冷涡盘的多圆环水冷流道进行多目标优化，从而求解出多圆环流道圈数、水冷流道横截面高度、水冷流道横截面宽度以及冷却水流速的优化值，实现水冷流道总热阻与水冷流道进出口压降的减小，进一步提高优化后的水冷涡盘的冷却效率。
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1.一种涡旋空压机水冷涡盘，其特征在于，所述水冷涡盘为内部设有多圆环水冷流道的静涡旋盘，所述多圆环水冷流道由同心设置的多个圆环状流道组成，相邻圆环状流道之间经通道连通，所述水冷涡盘的上侧部中部设有排气口，所述排气口旁侧设有多圆环水冷流道的进水口，所述水冷涡盘的旁侧部设有多圆环水冷流道的出水口。
2.根据权利要求1所述的一种涡旋空压机水冷涡盘，其特征在于，所述水冷涡盘的上涡旋齿与多圆环水冷流道之间通过多圆环水冷流道的底板分隔开。
3.根据权利要求1所述的一种涡旋空压机水冷涡盘，其特征在于，所述圆环状流道的横截面为矩形。
4.根据权利要求1所述的一种涡旋空压机水冷涡盘，其特征在于，所述水冷涡盘由基座和其上的盖板连接组成，所述基座上开设有多圆环流道槽，所述多圆环流道槽的上表面通过盖板进行封闭，形成多圆环水冷流道。
5.根据权利要求4所述的一种涡旋空压机水冷涡盘，其特征在于，所述排气口和进水口开设于盖板上，所述进水口与进水管连接；所述出水口开设于基座的旁侧部，所述出水口与出水管连接。
6.根据权利要求5所述的一种涡旋空压机水冷涡
7.根据权利要求1所述的一种涡旋空压机水冷涡盘的结构优化方法，其特征在于，以水冷流道总热阻和水冷流道进出口压降最小为优化目标，利用多目标遗传算法求解出水冷流道圈数、水冷流道横截面高度、水冷流道横截面宽度以及冷却水流速的优化值。
8.根据权利要求7所述的一种涡旋空压机水冷涡盘的结构优化方法，其特征在于，所述水冷流道总热阻由水冷流道底板的传导热阻、水冷流道壁的传导热阻、水冷流道底面的对流热阻、水冷流道侧面的对流热阻以及水冷流道中冷却水的焓变热阻组成，即：
9.根据权利要求7所述的一种涡旋空压机水冷涡盘的结构优化方法，其特征在于，所述水冷流道进出口压降即为水冷流道总压力损失，其由多圆环水冷流道的沿程压力损失与多圆环水冷流道的局部压力损失组成，即：
10.根据权利要求7所述的一种涡旋空压机水冷涡盘的结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种涡旋空压机水冷涡盘，其特征在于，所述水冷涡盘为内部设有多圆环水冷流道的静涡旋盘，所述多圆环水冷流道由同心设置的多个圆环状流道组成，相邻圆环状流道之间经通道连通，所述水冷涡盘的上侧部中部设有排气口，所述排气口旁侧设有多圆环水冷流道的进水口，所述水冷涡盘的旁侧部设有多圆环水冷流道的出水口。
2.根据权利要求1所述的一种涡旋空压机水冷涡盘，其特征在于，所述水冷涡盘的上涡旋齿与多圆环水冷流道之间通过多圆环水冷流道的底板分隔开。
3.根据权利要求1所述的一种涡旋空压机水冷涡盘，其特征在于，所述圆环状流道的横截面为矩形。
4.根据权利要求1所述的一种涡旋空压机水冷涡盘，其特征在于，所述水冷涡盘由基座和其上的盖板连接组成，所述基座上开设有多圆环流道槽，所述多圆环流道槽的上表面通过盖板进行封闭，形成多圆环水冷流道。
5.根据权利要求4所述的一种涡旋空压机水冷涡盘，其特征在于，所述排气口和进水口开设于盖板上，所述进水口与进水管连接；所述出水口开设于基座的旁侧部，所述出水口与出水管连接。
6.根据权利要求5...
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