某航空發(fā)動機(jī)進(jìn)氣降溫設(shè)備設(shè)計研究

熊荊江+鄒植偉+楊飛+張浙波

摘 要：根據(jù)某航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)中低溫進(jìn)氣實(shí)際需求，須在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道前增加一套進(jìn)氣降溫設(shè)備。文章通過提出進(jìn)氣降溫設(shè)備的設(shè)計要求、解決方案，并依據(jù)熱力計算分析，以及設(shè)計選型來驗(yàn)證了設(shè)計方案的可行性。通過設(shè)計研究，得到該降溫設(shè)備的設(shè)計關(guān)鍵之處，為后續(xù)項(xiàng)目實(shí)施提供了技術(shù)支持和參考。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī)；進(jìn)氣；降溫設(shè)備；設(shè)計研究

中圖分類號：V26 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）23-0111-02

航空發(fā)動機(jī)在進(jìn)行臺架試驗(yàn)時，常常需錄取發(fā)動機(jī)在地面靜止標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下（大氣壓力101325Pa、大氣溫度15℃）的性能參數(shù)。但在地面臺架進(jìn)行試驗(yàn)時，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度條件由當(dāng)?shù)卮髿鉁囟葲Q定，很少有時間滿足15℃的要求，特別是南方地區(qū)，處于亞熱帶，大半年時間氣溫超過15℃。這種情況，發(fā)動機(jī)性能參數(shù)比較一般采用換算到地面標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下進(jìn)行比較，然而換算存在一定的誤差，發(fā)動機(jī)性能比較不準(zhǔn)確。為了滿足某地面試車臺可在夏天大氣條件下，進(jìn)行地面標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度的性能試驗(yàn)，需對試驗(yàn)臺發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行改造，設(shè)計增加一套進(jìn)氣降溫設(shè)備，將發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度從35℃降到15℃。

1 進(jìn)氣降溫設(shè)備設(shè)計方案

1.1 進(jìn)氣降溫設(shè)備設(shè)計要求

空氣流量：4kg/s；最大空氣濕度：90%；降溫能力：20℃（從35℃到15℃）；設(shè)備流阻：≤200Pa；溫度控制精度：穩(wěn)態(tài)±1℃。

1.2 設(shè)計方案

為了保證發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)流道內(nèi)清潔干凈，本次降溫采用間接換熱形式。讓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣氣流通過表面式熱交換器（筒稱表冷器）以達(dá)到換熱降溫的效果。

進(jìn)氣降溫設(shè)備設(shè)計為兩個模塊，一個模塊包括冷水箱、表冷器、冷水循環(huán)泵和調(diào)節(jié)閥等，表冷器置于冷水箱上部，冷水箱底座做有可移動腳輪；另一個模塊為螺桿式冷水機(jī)組，主要包括蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、過濾桶、膨脹閥、冷凍水泵以及電空箱集成于一體；機(jī)組底部做有可移動腳輪。冷水機(jī)組的循環(huán)冷卻水使用試驗(yàn)臺已有的冷卻水。

進(jìn)氣降溫設(shè)備布置簡圖見圖1。

2 熱力計算分析

將4kg/s的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量從35℃降溫到15℃，需要考慮發(fā)動機(jī)進(jìn)氣濕度條件。由濕溫圖可知，濕空氣冷卻過程中，其相對濕度是增加的，當(dāng)冷卻到露點(diǎn)溫度時，會有冷凝水析出，空氣保持飽和狀態(tài)，空氣中含濕量d下降。

由飽和水蒸汽表查得35℃時飽和蒸汽壓力ps=0.05628bar，相對濕度為90%時空氣的含濕量為：

式中：d1-大氣35℃，濕度90%含濕量，g/kg；φ-相對濕度；p-大氣壓力，bar；ps-飽和蒸汽壓力，bar。

按照公式（1）計算出，35℃大氣溫度90%相對濕度條件下的含濕量為33.2g/kg。

根據(jù)焓值計算公式：

H2=ha+0.001dhv=1.005t+0.001d（2501+1.86t）（2）

式中：ha-單位干空氣的焓，kJ/kg；hv-單位水蒸氣的焓，kJ/kg；t-空氣溫度，℃。

按公式（2）計算出：大氣溫度35℃、相對濕度90%條件下的焓H1=120.4kJ/kg；大氣溫度15℃飽和空氣含濕量（d2）為10.6g/kg，其焓H2=41.9kJ/kg。

發(fā)動機(jī)進(jìn)氣冷卻放熱量表示為：

Q=maq=ma（H2-H1）（3）

式中：Q-發(fā)動機(jī)進(jìn)氣放熱量，kJ/s；ma-發(fā)動機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量，kg/s；q-單位空氣的放熱量，kJ/kg；H1-35℃溫度下的空氣的焓，kJ/kg；H2-15℃溫度下的空氣的焓，kJ/kg。

按公式（3）計算可得，將4kg/s的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量從35℃降溫到15℃，總放熱量Q=314kJ/s?？紤]到設(shè)備散熱，換熱效率影響等因素，表冷器總換熱量需考慮一定的余量，總換熱量Q=314×1.2=376.8kJ/s，即376.8kW。

進(jìn)氣降溫設(shè)備使用中最大冷凝水量：

Gw=ma（d1-d2）=4×（33.2-10.6）=90.4g/s

即325.44kg/h。

3 進(jìn)氣降溫設(shè)備設(shè)計選型

為了滿足以上換熱量要求，冷水機(jī)組的壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、表冷器的設(shè)計換熱量均需大于376.8kW。設(shè)計選型見表1。

3.1 冷水機(jī)組

冷水機(jī)組選用常用的半密閉螺桿式冷水機(jī)組KRS-445W，其主要技術(shù)參數(shù)見表2。

冷水機(jī)組綜合了很多其他產(chǎn)品的特點(diǎn)，采用漢鐘公司生產(chǎn)的先進(jìn)半封閉螺桿壓縮機(jī)，輔之以高效率的換熱器，采用微電腦控制器，使機(jī)組具有外觀緊湊，布局合理，使用維護(hù)方便等特點(diǎn)。只要接上冷卻水管路和所要求的供電電源，即可投入運(yùn)行，開始制冷水，為保溫水箱提供冷凍水。

機(jī)組以氯化鈣水溶液作為冷卻介質(zhì)，名義工況：冷卻循環(huán)水進(jìn)水溫度30℃，出水溫度為35℃；冷凍水出水溫度為-10℃，進(jìn)水溫度為-5℃。

3.2 表冷器設(shè)計選型

為了在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道前面有限空間內(nèi)布置表冷器，且要求進(jìn)氣阻力不大于200Pa的要求，設(shè)計表冷器需要考慮增加換熱效率，且減少管道的阻塞率。表冷器設(shè)計采用不銹鋼管翅式，管翅式換熱通風(fēng)面積大，管道和翅片面積占比小，所以具有風(fēng)阻小的特點(diǎn)，特別適合進(jìn)氣降溫設(shè)備要求流阻低的特點(diǎn)。表冷器管道設(shè)計為蛇形管道，內(nèi)部帶螺旋溝槽，保證冷水在管道內(nèi)換熱充分。

表冷器以冷水作為冷卻介質(zhì)來換熱冷卻發(fā)動機(jī)進(jìn)氣，名義工況：發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度35℃，換熱冷卻后溫度為15℃；進(jìn)表冷器冷水溫度為5℃，出水溫度為20℃。經(jīng)計算表明，表冷器規(guī)格為1300×1200×6R，發(fā)動機(jī)最大4kg/s（14400m3/h）流量下，表冷器流阻為161Pa，滿足要求。

表冷器設(shè)計得充分考慮冷凝水排放問題，以免有液態(tài)水進(jìn)氣發(fā)動機(jī)，影響發(fā)動機(jī)正常工作。

3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)主要進(jìn)行冷水機(jī)組的制水過程控制和發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度調(diào)節(jié)控制，兩套控制邏輯均獨(dú)立執(zhí)行。制冷水過程控制主要通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)功率、膨脹閥等實(shí)現(xiàn)保溫水箱內(nèi)的冷水溫度恒定；發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度控制主要通過變頻調(diào)節(jié)冷水循環(huán)泵轉(zhuǎn)速和冷水旁通閥流量來控制表冷器換熱量，從而達(dá)到控制發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度的目的。

進(jìn)氣降溫設(shè)備的控制系統(tǒng)由上位機(jī)、PLC數(shù)據(jù)采集和控制模塊、傳感器、電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)、交換機(jī)、本地觸摸屏等控制硬、軟件組成?？刂葡到y(tǒng)具有本地和遠(yuǎn)程控制功能。

整套設(shè)備的安全保護(hù)功能設(shè)置完備、合理。系統(tǒng)設(shè)置水箱液位報警及保護(hù)、高低壓保護(hù)、冷凍冷卻水流量保護(hù)、過流、過載、缺相、欠過壓、相序保護(hù)等，從而確保機(jī)組運(yùn)行安全。

4 結(jié)束語

為了滿足某航空發(fā)動機(jī)低溫進(jìn)氣條件試驗(yàn)需要，設(shè)計了一套發(fā)動機(jī)進(jìn)氣降溫設(shè)備方案，依據(jù)熱力計算分析，以及設(shè)計選型分析，表明該設(shè)備可滿足該發(fā)動機(jī)低溫進(jìn)氣試驗(yàn)要求。

研究表明，進(jìn)氣降溫設(shè)備設(shè)計時，表冷器要重點(diǎn)考慮冷凝水排放問題，以防大量液體水進(jìn)氣發(fā)動機(jī)，影響發(fā)動機(jī)工作；另外，為了保證發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度控制精度，對進(jìn)入表冷器的冷水流量調(diào)節(jié)控制非常關(guān)鍵。

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