間冷回熱循環(huán)發(fā)動機回熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝研究

吳正洪，馬 健，黃祖耀，王榮寶，陳吉鋮，婁德倉

(1.中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都610500；2.寧波科達制動器制造有限公司，浙江寧波315191)

間冷回熱循環(huán)發(fā)動機回熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝研究

吳正洪1，馬 健1，黃祖耀2，王榮寶2，陳吉鋮1，婁德倉1

(1.中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都610500；2.寧波科達制動器制造有限公司，浙江寧波315191)

介紹了一種基于間冷回熱航空發(fā)動機特點的回熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和工藝實現(xiàn)方法。根據(jù)回熱器在間冷回熱發(fā)動機中的使用環(huán)境和使用要求，結(jié)合U形管式回熱器的結(jié)構(gòu)特點及管式換熱器的理論計算結(jié)果，設(shè)計了一種U形管回熱器結(jié)構(gòu)方案。同時，針對目前國內(nèi)的工藝制造水平，簡述了該方案加工制造中的關(guān)鍵工藝及解決措施，為U形管式回熱器的加工制造提供了一個工藝參考。

航空發(fā)動機；間冷回熱循環(huán)；U形管式回熱器；分流器；收集器；工藝制造

1 引言

間冷回熱渦扇發(fā)動機是一種新型節(jié)能環(huán)保航空發(fā)動機，通過在傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機熱循環(huán)基礎(chǔ)上增加間冷和回熱過程，可使得發(fā)動機擁有更低的耗油率[1]?；責崞魇情g冷回熱渦扇發(fā)動機的一個主要特征部件，工作在超過900 K的高溫核心流中，其性能將直接影響發(fā)動機的性能，其設(shè)計技術(shù)是間冷回熱渦扇發(fā)動機的一個關(guān)鍵技術(shù)。

近年，國外針對回熱器設(shè)計開展了大量的理論和試驗研究。MTU公司利用航空發(fā)動機先進排氣回熱器技術(shù)(AEROHEX)計劃中發(fā)明的型面管式回熱器技術(shù)，設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)緊湊和耐大溫度梯度的回熱器[2]。該回熱器具有高傳熱效率和低氣動壓力損失的優(yōu)點，并在試驗中證實了該結(jié)構(gòu)能夠在高熱能和高機械載荷下工作。國內(nèi)對于間冷回熱渦扇發(fā)動機的研究起步較晚，目前還停留在概念追蹤和總體方案初步研究方面，對于回熱器部件的研究并未深入開展，特別是回熱器的設(shè)計及校核方面缺乏相關(guān)設(shè)計和工程驗證研究。

中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院于國內(nèi)率先開展間冷回熱循環(huán)發(fā)動機的研究，并通過設(shè)計、優(yōu)化完成了回熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計及模型試驗件的加工制造。本文基于回熱器模型試驗件結(jié)構(gòu)設(shè)計和試制過程，總結(jié)和梳理出一套回熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝實現(xiàn)方案，其研究成果對高效、低壓損、高緊湊度、可實現(xiàn)的回熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的參考意義。

2 回熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

航空發(fā)動機用回熱器工作在渦輪出口高溫排氣環(huán)境下，放置在發(fā)動機噴管內(nèi)部，將壓氣機出口氣流引至回熱器加熱后再返回至燃燒室進口(圖1)[3]。因此，回熱器設(shè)計應(yīng)滿足以下要求：

(1) 在給定工作條件(流體流量、進口溫度等)下，達到要求的傳熱量和流體出口溫度；

(2)回熱器熱端和冷端壓力損失盡可能小，保證發(fā)動機性能；

(3)滿足噴管等尺寸和總體質(zhì)量要求；

(4)與渦輪和噴管等耦合分析，保證各部件性能；

(5)高溫下工作安全可靠；

(6)保證制造工藝、耐腐蝕等要求。

結(jié)合以上要求，根據(jù)換熱器計算流程編制計算程序，計算確定換熱器的冷熱側(cè)換熱表面積、換熱器總體積以及冷熱兩側(cè)的氣流流動損失等參數(shù)。本方案采用U形管回熱器結(jié)構(gòu)，同時對U型管回熱器的管截面形狀、管排數(shù)、管間距、橢圓度、壁厚等進行設(shè)計分析，最終選擇橢圓形管作為換熱器的基本管形，采用5-4-5型叉排管束布局。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，結(jié)合U型管式回熱器的結(jié)構(gòu)強度限制，以及國內(nèi)實際加工制造水平，對回熱器結(jié)構(gòu)進行詳細設(shè)計。圖2顯示了回熱器工作原理：冷氣從集氣管一端進氣，在集氣管內(nèi)被分配到各個橢圓管束內(nèi)，在集氣管另一端內(nèi)匯集排出；燃氣從橢圓管外側(cè)與管內(nèi)冷氣發(fā)生熱交換。根據(jù)工作原理，將回熱器分解為分流器、收集器、U形管排、加強裝置等結(jié)構(gòu)。由于回熱器長期工作在高溫環(huán)境，設(shè)計時應(yīng)盡量選用焊接或螺栓連接等成熟可靠工藝。同時，考慮到回熱器在發(fā)動機上按不同角度安裝，且安裝結(jié)構(gòu)簡單、裝拆方便等要求，回熱器設(shè)計有可進行角度調(diào)整的安裝結(jié)構(gòu)。

3.1 分流器

初始方案中，回熱器進口冷氣通道被設(shè)計成光滑圓管，無導流措施。但通過Fluent軟件分析發(fā)現(xiàn)，該方案中冷卻流量分配不均衡，這將導致?lián)Q熱不均勻，進而使整個回熱器的換熱效率降低。存在此現(xiàn)象的原因是進出口壓力一定時，管內(nèi)氣流大部分從靠近出口的基本管束流出，使得靠近進口的基本管束流量偏小。為此，擬采取三種改進方案，其共同點是在主管內(nèi)設(shè)置導流措施，分別是導流片、水平套管及擴張型套管。通過對回熱器流場三維數(shù)值模擬分析[4]，得出以下結(jié)論：

(1)初始設(shè)計方案中，回熱器基本管束內(nèi)的流量分布不均勻，容易導致回熱器回熱效率降低，不能滿足設(shè)計要求。

(2)在回熱器主流管束內(nèi)增加導流片，可有效均衡回熱器基本管束內(nèi)的流量分布，但導流片的固定安裝困難，增加了加工制造的難度。

(3)在回熱器主流管束內(nèi)增加水平套管，雖然易于固定安裝、加工制造簡單，但計算結(jié)果顯示，此方案中氣流的流量分布也不均勻，不適合采用。

(4)結(jié)合安裝導流片和水平套管的結(jié)構(gòu)形式，在回熱器主流管束內(nèi)增加擴張管，既可充分利用前兩個方案的優(yōu)勢，又可有效減小加工制造難度。計算結(jié)果顯示，此方案的流量分布均勻。

根據(jù)評估結(jié)果，最終采用擴張式分流器方案，其結(jié)構(gòu)見圖3。分流器為圓形擴張管結(jié)構(gòu)，采用圓管沖壓或機械加工制造。擴張段處設(shè)計有四處凸臺，通過與回熱器冷氣主流道小間隙配合來確保分流器安裝定心。凸臺周邊設(shè)計有氣流通道，計算表明該設(shè)計更能確保冷氣來流的速度、壓力以及流量均勻分配到各橢圓管束中。為便于安裝，分流器采用可拆卸式結(jié)構(gòu)。前段設(shè)計有階梯形定位銷孔，安裝時分流器通過進氣口插入，與收集器上的定位孔對正后采用螺栓階梯銷固定。另外，收集器和螺栓階梯銷均設(shè)計有鎖絲孔，通過鎖絲將螺栓階梯銷鎖緊，同時在螺栓階梯銷上涂抹螺紋膠確保密封有效。

3.2 收集器

收集器是支撐橢圓管束等部件的承力結(jié)構(gòu)。根據(jù)回熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，收集器設(shè)計時主要考慮以下因素：

(1) 橢圓管束安裝在收集器上，其安裝面至少需加工5 000多個橢圓孔，且橢圓孔間距需保證在3～5 mm內(nèi)，加工精度高、周期長；

(2) 橢圓管束通過焊接方式固定在收集器上，其焊接零件多，焊點數(shù)達到5 000以上，焊接空間非常狹小(管束間距3～5 mm)，且焊接后不允許出現(xiàn)泄漏，焊接工藝復雜；

(3) 收集器是回熱器的承力支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)計時需考慮在發(fā)動機上的安裝及調(diào)節(jié)等要求。

針對以上因素，收集器采用分體設(shè)計，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。收集器由集氣框架、密封銅墊、安裝板及螺栓螺母組成，安裝板上的橢圓孔采用機械或沖孔方式加工，集氣框架和密封銅墊采用機械加工，各零件加工難度較小。

考慮橢圓管束焊接困難，收集器采用分體設(shè)計后，其橢圓管束的焊接過程為：先將橢圓管排焊接在橢圓孔安裝板上，焊接位置在孔板內(nèi)側(cè)，焊接方式、焊接工藝以及焊接工裝設(shè)計相對簡單，也便于對未焊接好的管束進行補焊；同時將焊接好的橢圓管排和孔板通過螺栓安裝在承力框架上，并通過銅墊和高溫膠形式對回熱器結(jié)構(gòu)進行密封，如圖5所示。

分體設(shè)計的收集器，不僅解決了零件的加工和焊接難題，也便于工作中出現(xiàn)管束漏氣時的修復。但是分體設(shè)計也存在以下問題：

(1)回熱器連接螺栓數(shù)量、規(guī)格是否滿足密封要求。設(shè)計時為追求質(zhì)量指標往往忽略連接件的密封問題，考慮到密封性，回熱器設(shè)計時將M6連接螺栓調(diào)整為M8連接螺栓(圖6)。

(2)中間排連接螺栓扳擰空間問題。根據(jù)回熱器空間結(jié)構(gòu)(圖7)，回熱器中間排螺栓存在扳擰空間不足問題。為此，設(shè)計時要求先將已焊接U型管的安裝板通過螺栓連接在安裝框架上，然后進行密封性檢查，合格后再安裝并點焊加強板，從而確保安裝中間排螺栓時沒有加強板的干涉，增加了中間排螺栓的扳擰空間。

(3)回熱器密封問題。為確?；責崞髅芊饪煽浚捎妹芊忏~墊進行密封外，還在安裝板所有密封位置涂抹高溫密封膠，在安裝銷螺紋處涂抹螺紋密封膠(圖8)。

3.3 橢圓管束

橢圓管束為長軸內(nèi)直徑a、短軸內(nèi)直徑b構(gòu)成的橢圓形管，采用5-4-5型叉排管束布局，管束橫向間距為S1/b，流向間距為S2/a，設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖9所示。橢圓管束采用圓管拉制的方法制造。為控制管束間的排列間距，采用可靠整體工裝彎制校型橢圓管排，確保間距尺寸滿足設(shè)計要求。

4 主要零件選材

根據(jù)設(shè)計參數(shù)，回熱器熱端進口最高溫度達970 K，巡航時最高溫度為847 K。為此，回熱器選用GH4169鎳基高溫合金，該合金在526～973 K范圍內(nèi)具有良好的綜合性能，923 K以下的屈服強度居變形高溫合金首位，具有良好的抗疲勞、抗氧化及耐輻射性能。

5 強度分析

根據(jù)強度設(shè)計要求，采用有限元軟件ANSYS對回熱器進行了強度、位移及剛度分析。表1為回熱器工作條件，圖10為強度計算結(jié)果。由圖分析可知：U形管排受力均勻，變形對稱，管排間不會發(fā)生干涉；螺栓安裝邊密封性儲備系數(shù)大于1.0，螺栓屈服強度儲備滿足設(shè)計要求；螺母螺紋牙彎曲儲備大于1.5，剪切儲備大于2.5，均滿足設(shè)計要求；U形管排靜強度滿足設(shè)計要求。

表1 回熱器工作參數(shù)Table 1 The working parameters of the recuperator

6 關(guān)鍵工藝

橢圓管束焊接是回熱器試制中的關(guān)鍵工藝。通過采用縮比試件進行焊接工藝摸索，發(fā)現(xiàn)相對于真空釬焊等其他焊接工藝，手工釬焊能很好地控制管束的焊接質(zhì)量、結(jié)構(gòu)尺寸和焊接變形，還可對不合格焊縫進行補焊，滿足回熱器焊接工藝要求，所以回熱器采用手工釬焊進行試制。管束焊接過程中存在焊縫漏氣等問題，需要對不合格焊縫進行補焊。由于補焊會影響其他焊接位置，所以焊接時存在密封性檢查+補焊不斷交替的過程。為達到焊接要求，設(shè)計了焊接檢查工裝。將裝配好橢圓管的安裝板放置在工裝上，安裝板和焊接檢查工裝通過螺栓和密封墊進行固定和密封。焊接檢查工裝上設(shè)計有打壓檢查進氣口，按圖11所示對橢圓管排和安裝板進行焊接。焊接完成后在檢查工裝進氣口處充入壓力0.3 MPa空氣，同時關(guān)閉出氣口處的出氣活門；再采用肥皂水對焊接部位進行密封性檢查，對出現(xiàn)漏氣的焊縫進行補焊，直至焊縫密封性檢查符合設(shè)計要求。最后，按圖紙要求裝配回熱器，并進行最終檢查驗收，完成回熱器制造。圖12為回熱器實物圖。

7 結(jié)束語

根據(jù)間冷回熱循環(huán)發(fā)動機的特點，結(jié)合國內(nèi)工藝水平，本文闡述的回熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝，為U形管回熱器的設(shè)計提供了一種可行的方案，也為回熱器的加工制造提供了一種參考。目前本方案已進行了換熱性能的考核驗證。由于回熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計還欠缺足夠的設(shè)計和使用經(jīng)驗，同時存在安裝困難、質(zhì)量過大等問題，在完成回熱器樣機驗證后，還需不斷優(yōu)化改進結(jié)構(gòu)和工藝方案，最終實現(xiàn)工程驗證。

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The structure design and m anu facturing study of a tube recuperator of the intercooled and recuperated aero-engine

WU Zheng-hong1，MA Jian1，HUANG Zu-yao2，WANG Rong-bao2，CHEN Ji-cheng1，LOU De-cang1
(1.AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China；2.NingBo KEDA Brake Manufacture Co.Ltd.，Ningbo 315191，China)

The structure design and manufacturing process of a recuperator of an intercooled and recuperated aero-engine was introduced.A U-type tube recuperator structure was designed based on the working environ?ment and operation requirements,along with U-type tube recuperator characteristics and theoretical calcula?tion results.Considering current manufacturing level in China,critical process and solution measures were presented which can be provided as a process reference for U type tube recuperator manufacturing.

aero-engine；intercooled and recuperated cycle；U-type tube recuperator；honeycomb duct；gas collection device；processing manufacturing

V236

：A

：1672-2620(2017)02-0005-06

2016-12-03；

：2017-04-11

吳正洪(1986-)，男，貴州遵義人，工程師，主要從事航空發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計與技術(shù)研究。