艦船燃?xì)廨啓C(jī)間冷器優(yōu)化設(shè)計與性能分析

董 威，高 鵬，鄭培英，楊芳菲

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240；2.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所，沈陽 110015）

0 引言

間冷循環(huán)或間冷回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)相對于普通燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計工況熱效率提高，功率比提高25%，油耗降低30%～40%，而且克服了在低工況下經(jīng)濟(jì)性變差的弱點(diǎn)，因而已經(jīng)成為艦船燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展趨勢[1-2]。

間冷器性能的好壞對間冷回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)總體性能的影響至關(guān)重要。而板翅式換熱器由于具有較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、相對簡單的結(jié)構(gòu)形式和非常高的換熱效率，近幾十年來發(fā)展迅速[3]，已經(jīng)成為艦船燃?xì)廨啓C(jī)間冷器和回?zé)崞鞯氖走x換熱器形式[4]。

本文采用緊湊換熱器小通道內(nèi)的流動換熱經(jīng)驗(yàn)公式對矩形平直翅片式間冷器的流動換熱性能進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析，結(jié)合中等功率艦船燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能要求，提出了合理的間冷器設(shè)計分析方法，針對所設(shè)計的間冷器開展了冷卻介質(zhì)流動參數(shù)和燃?xì)廨啓C(jī)不同工作狀態(tài)下間冷器性能分析。

1 間冷器設(shè)計與性能分析

本文重點(diǎn)研究矩形平直翅片式間冷器。在間冷器設(shè)計時，著重考慮2個性能參數(shù)：間冷器的壓降和溫降。間冷器的壓降必須盡可能地小，因?yàn)槠渥罱K會對燃?xì)廨啓C(jī)耗油率產(chǎn)生不利影響；間冷器的換熱能力必須盡可能大，以在規(guī)定的最小壓降的通道和空間內(nèi)盡可能多地提取熱量，從而提高高壓壓氣機(jī)效率。從間冷器的設(shè)計角度來看，在限定尺寸范圍內(nèi)壓降和溫降是相互矛盾的，因此，必須對間冷器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和流動參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而提高間冷器綜合流動換熱性能，以滿足艦船燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)和總體設(shè)計性能的需要。間冷器內(nèi)部冷熱介質(zhì)流道內(nèi)的流動換熱可以采用CFD計算分析，得到冷熱介質(zhì)詳細(xì)的流動換熱過程，為間冷器的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計提供合理的優(yōu)化改進(jìn)方向[5]。

本研究的間冷器的結(jié)構(gòu)形式由其安裝位置所決定，一般來說，間冷器的布置有機(jī)外布置和機(jī)內(nèi)布置2種。對于艦船燃?xì)廨啓C(jī)而言，由于其結(jié)構(gòu)尺寸的要求，間冷器的布置往往采用機(jī)內(nèi)布置。典型的機(jī)內(nèi)布置形式如WR-21燃?xì)廨啓C(jī)間冷器的環(huán)形布置[6-7]，低壓壓氣機(jī)出口氣流先經(jīng)過擴(kuò)壓流道減速，然后以適當(dāng)速度進(jìn)入間冷換熱器，經(jīng)過間冷器后的氣流通過收縮通道后加速流入高壓壓氣機(jī)，間冷系統(tǒng)的流路如圖1所示。該布置形式有利于簡化整個間冷流路的結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時有利于減少間冷流路的壓降損失，提高高壓壓氣機(jī)進(jìn)口氣流的流場品質(zhì)。本文采用有利于艦船燃?xì)廨啓C(jī)安裝維護(hù)的間冷器多模塊設(shè)計方案。

垂直于燃?xì)廨啓C(jī)軸線的整個間冷器截面如圖2所示。沿周向布置了10個間冷模塊，每2個模塊為2組，每組可以單獨(dú)拆卸進(jìn)行維護(hù)，冷卻介質(zhì)從中間流入，從模塊的兩側(cè)流出，與熱氣形成叉逆流的換熱形式。每個間冷模塊3個方向的外形參數(shù)不是相互獨(dú)立的，間冷器氣體流動長度L1和寬度L2與間冷模塊的安裝位置(即距離燃?xì)廨啓C(jī)軸線的內(nèi)徑r和外徑R的大小)相關(guān)聯(lián)，如下式所示；軸向厚度L3受到燃?xì)廨啓C(jī)軸向尺寸本身的制約。

為盡量減少熱氣側(cè)的流動壓降，同時簡化加工工藝，間冷器的冷熱介質(zhì)兩側(cè)都采用平直翅片，考慮到間冷器內(nèi)部小通道的流動傳熱CFD計算所耗資源十分巨大，借助緊湊式換熱器的效率—傳熱單元數(shù)設(shè)計方法對所設(shè)計的間冷器流動傳熱性能進(jìn)行計算分析，設(shè)計及性能分析流程如圖3所示。冷熱兩側(cè)流動的摩擦因子f和努塞爾數(shù)Nu計算為

式中：Re、Pr、μ、gm、de分別為介質(zhì)的雷諾數(shù)、普朗特數(shù)、黏性系數(shù)、質(zhì)量流速和當(dāng)量直徑。

冷熱介質(zhì)的平均溫度考慮了介質(zhì)沿程的溫度變化情況，物性參數(shù)的計算由內(nèi)置數(shù)據(jù)庫插值得到[8]。

以中等功率燃?xì)廨啓C(jī)的參數(shù)條件對所設(shè)計的間冷器流動換熱性能進(jìn)行了分析，設(shè)計參數(shù)取燃?xì)廨啓C(jī)在ISO標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下工作時，間冷器熱側(cè)氣體進(jìn)口溫度為161℃，壓力為0.35 MPa，流量為75 kg/s，冷卻介質(zhì)采用淡水，流量為90 kg/s，溫度為20℃。設(shè)計約束條件為：限制間冷器流道最大外徑R=1025 mm，厚度亦即軸向尺寸最大為360 mm。在結(jié)構(gòu)尺寸限制范圍內(nèi)對間冷器參數(shù)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，間冷器材質(zhì)選用銅鎳合金材料。

在目前可行的銅鎳合金板翅加工條件下，通過對板間距、翅片間距和厚度等參數(shù)的影響分析確定間冷器的板片和翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)[9]。燃?xì)廨啓C(jī)在ISO標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下工作時，間冷器效率不低于0.8，氣體壓降不大于3%的情況下，間冷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 間冷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

為了在燃?xì)廨啓C(jī)高度、軸向限制尺寸范圍內(nèi)優(yōu)化間冷器的總體結(jié)構(gòu)尺寸，在間冷器處于外徑極限尺寸條件下，改變所在位置的內(nèi)徑大小，在其他參數(shù)如板間距、翅片間距等都不變的情況下，得到了間冷器氣側(cè)總壓恢復(fù)系數(shù)和出口溫度變化曲線，如圖4、5所示。綜合考慮間冷器氣側(cè)出口溫度和總壓恢復(fù)系數(shù)對燃?xì)廨啓C(jī)總體性能的影響，從而確定間冷器的結(jié)構(gòu)尺寸。

2 淡水參數(shù)對間冷器性能的影響

艦船燃?xì)廨啓C(jī)間冷器設(shè)計中所關(guān)心的參數(shù)主要是流過間冷器的氣體溫降和壓降，在間冷器結(jié)構(gòu)尺寸限定的情況下，可以通過增加流過間冷器的淡水流量來降低氣體出口溫度。板翅式間冷器傳熱過程總熱阻1/(KA)為

式中：η0為換熱表面效率；α為對流換熱系數(shù)；A為傳熱面積；下標(biāo)1、2分別代表氣側(cè)和液側(cè)。

對于氣液換熱來說，氣側(cè)對流換熱系數(shù)要比液側(cè)的小得多，從提高換熱效率的角度來看，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注氣側(cè)換熱系數(shù)的增大。但艦船燃?xì)廨啓C(jī)間冷器的尺寸受限程度很大，同時氣側(cè)壓降如果過大對燃?xì)廨啓C(jī)總體性能的影響有可能超過氣體溫度降低所帶來的效益提升。因此，在有限壓降和尺寸限制提升氣側(cè)換熱效果的前提條件下，可以通過增大液側(cè)換熱系數(shù)來提高間冷器的換熱性能。液側(cè)換熱效果會隨著液側(cè)流量的增大而逐漸提高，但其趨勢會逐漸減緩；同時隨著液側(cè)流量的增大，間冷系統(tǒng)液側(cè)管路尺寸都將增大。因此，確定合理的液側(cè)流量也是間冷器整體優(yōu)化的1個方面。

以1組滿足設(shè)計要求的間冷器尺寸L1=300 mm、L2=430 mm、L3=360 mm為例，分析液側(cè)流量的變化對間冷器效率的影響,間冷器效率隨液側(cè)流量變化的關(guān)系曲線如圖6所示。從圖中可見，隨著液側(cè)流量的增加，間冷器效率開始提高的速度非?？?，但是當(dāng)液側(cè)流量增加到一定程度后繼續(xù)增加，間冷器效率的提高趨于平緩。經(jīng)綜合考慮，本文研究的中等功率燃?xì)廨啓C(jī)間冷器液側(cè)流量選為90～100 kg/s。

3 非設(shè)計工況下間冷器的性能

艦船燃?xì)廨啓C(jī)的總體性能既要求其設(shè)計點(diǎn)性能好，也要求在非設(shè)計點(diǎn)工作時同樣能滿足性能要求。分析艦船燃?xì)廨啓C(jī)非設(shè)計點(diǎn)總體性能時需要給出間冷器在相應(yīng)工作參數(shù)下的換熱性能和壓力恢復(fù)系數(shù)的變化。在上述間冷器結(jié)構(gòu)尺寸和液側(cè)流動參數(shù)給定的情況下，根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)非設(shè)計工況所給出的流動參數(shù)條件，針對上文所選定的間冷器結(jié)構(gòu)參數(shù)和尺寸，計算分析了間冷器的效率和壓力恢復(fù)系數(shù)的變化情況。燃?xì)廨啓C(jī)在非設(shè)計工況下的間冷器氣側(cè)進(jìn)口流動參數(shù)的變化如圖7所示；在非設(shè)計工況下的間冷器的效率和總壓恢復(fù)系數(shù)的變化如圖8、9所示。

4 結(jié)論

本文借助板翅式換熱器內(nèi)部流動通道的換熱和壓降計算方法，針對艦船燃?xì)廨啓C(jī)低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)流道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計了合理的間冷器結(jié)構(gòu)形式，并研究了間冷器的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對間冷器性能的影響。文中給出的間冷器結(jié)構(gòu)形式考慮了艦船燃?xì)廨啓C(jī)的流道形式，對開展艦船燃?xì)廨啓C(jī)間冷器設(shè)計與優(yōu)化提供了有益參考。從間冷器效率隨液側(cè)流量變化的分析可知，間冷器效率隨著液側(cè)流量的增加而逐漸提高。液側(cè)流量較低時，間冷器效率隨著液側(cè)流量增大而提高得很快，但是當(dāng)液側(cè)流量增加到一定程度后繼續(xù)增加，間冷器效率的提高趨于平緩。考慮到由于液側(cè)流量增大所帶來的液側(cè)阻力損失對燃?xì)廨啓C(jī)總體性能沒有影響，可以通過增加液側(cè)流量來提高間冷器的效率，但在確定間冷器液側(cè)流量時應(yīng)該考慮過大的液側(cè)流量使間冷器效率提高趨緩，也使得間冷器液側(cè)管路布置困難，需合理確定間冷器的液側(cè)流量。在燃?xì)廨啓C(jī)非設(shè)計工況下，流量成為影響間冷器性能的主要因素，因此，在燃?xì)廨啓C(jī)部分負(fù)荷時，間冷器的效率和總壓恢復(fù)系數(shù)都有所增加，所以在設(shè)計間冷器時只需針對設(shè)計點(diǎn)工況優(yōu)化設(shè)計，同時給出非設(shè)計點(diǎn)間冷器的性能參數(shù)，以便于燃?xì)廨啓C(jī)總體性能計算分析。

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