燃氣輪機間冷器結(jié)構(gòu)改進試驗研究

安 洋，楊志民

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015）

0 引言

間冷循環(huán)燃氣輪機通過在低壓壓氣機與高壓壓氣機之間安裝1個中間冷卻器，使從低壓壓氣機中流出空氣的溫度降低到接近環(huán)境溫度，以此降低高壓壓氣機進口溫度，從而降低高壓壓氣機的耗功，提高循環(huán)的總輸出功率[1-3]。在間冷循環(huán)燃氣輪機中，間冷器的性能直接決定燃氣輪機的性能，間冷器的使用可以明顯提高燃氣輪機的循環(huán)比功，同時在部分工況下可提高其效率。

船用間冷循環(huán)燃氣輪機間冷系統(tǒng)由機上間冷器和機外海水換熱器2個換熱部分組成雙回路系統(tǒng)。機上間冷器用于空氣和冷卻液的換熱，降低低壓壓氣機出口空氣的溫度，從中提取熱量，通過系統(tǒng)循環(huán)回路中的冷卻液將熱量帶到機外海水換熱器中進行熱交換，機外冷卻液-海水換熱器中的海水將系統(tǒng)中的熱量最終排入大海[4]。板翅式換熱器基于其結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、質(zhì)量輕等突出優(yōu)點，近年來已經(jīng)成為間冷循環(huán)燃氣輪機機上間冷器的首選形式[5-6]。

目前，國內(nèi)對燃氣輪機間冷器的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化及換熱性能試驗分析開展了一些技術(shù)研究。李卓等[7]針對某船用燃氣輪機提出3種間冷器結(jié)構(gòu)方案，得到較好的模擬結(jié)果；董威等[8-9]借助計算流體動力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)，實現(xiàn)間冷器整個流路的總壓損失分析，并設(shè)計了模塊化間冷換熱器，進行間冷器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化；周亞峰等[10-11]提出間冷器濕空氣凝析問題，建立了濕空氣凝析的條件判別式，并論證了間冷循環(huán)技術(shù)可以提高輸出功率和熱效率的本質(zhì)；周雷等[12]通過試驗獲取了間冷器流動阻力特性和換熱特性，評估了間冷器流動換熱性能；陳吉鋮等[13]試驗驗證了CC型交叉波紋板式間冷器換熱性能良好。

本文根據(jù)船用間冷循環(huán)燃氣輪機長期工作的海洋環(huán)境下的性能要求及結(jié)構(gòu)特點設(shè)計機上間冷器，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對間冷器換熱性能的影響，提出改進方案并加工出試驗件，通過試驗驗證理論分析，為間冷器設(shè)計提供參考。

1 間冷模塊的初步設(shè)計及試驗

1.1 間冷模塊的初步設(shè)計

為方便維修和拆卸，機上間冷器采用模塊化設(shè)計，將間冷器設(shè)計成10個獨立模塊[14-15]，每2個基本模塊中間的楔形通道布置冷卻水的進、出口管路。這樣布置的好處是當(dāng)機上間冷器發(fā)生故障時，可以通過診斷系統(tǒng)找到故障模塊，便于從機匣中迅速定位取出，滿足安全穩(wěn)定航行的要求。

表1 間冷系統(tǒng)運行條件

表2 模塊A結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 間冷模塊試驗系統(tǒng)

試驗采用的間冷系統(tǒng)由機上間冷器和機外換熱系統(tǒng)組成。機上間冷器如圖1所示，間冷機匣采用S型流路；機外換熱系統(tǒng)由機外換熱器1次水泵、補水泵、儲液罐等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示；機上間冷器機匣如圖3所示。

試驗器包括進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、純水系統(tǒng)、電加溫系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。其中進、排氣系統(tǒng)最大空氣流量為 30 kg/s，壓力為0.8 MPa，電加溫系統(tǒng)采用4 MW電加溫器，可滿足試驗空氣來流流量及溫度需求，其中，電加溫器依靠純水系統(tǒng)進行冷卻。在間冷試驗中，熱空氣通過間冷模塊與1次換熱介質(zhì)進行熱交換，被加熱的1次換熱介質(zhì)再與2次水換熱，試驗用1次換熱介質(zhì)為純水，2次水由低壓冷卻水系統(tǒng)提供，均可滿足試驗需求。

圖1 機上間冷器

圖2 機外換熱系統(tǒng)

圖3 機上間冷器機匣

1.3 模塊A試驗

在模塊A的第1次試驗準備階段，供氣后發(fā)現(xiàn)試驗件漏氣嚴重，立即停止試驗。對試驗件進行重新裝配，在試驗?zāi)K與外套連接處涂密封膠，試驗件漏氣問題得以解決，完成模塊A的試驗。得到模塊A的性能參數(shù)見表3。后續(xù)又進行模塊A的第2次性能驗證試驗，發(fā)現(xiàn)性能有所衰減，經(jīng)檢查為模塊A內(nèi)部漏水所致。鈦合金間冷模塊的焊接工藝仍有待進一步完善。

表3 模塊A性能參數(shù)

圖4 模塊A換熱效率的變化規(guī)律

間冷器的換熱效率與冷卻水的關(guān)系如圖4所示。從圖中可見，隨著冷卻水流量增大，間冷器的換熱效率逐漸提高，且這種提高趨勢是逐漸趨緩的。這是因為，隨著冷卻水流量的逐漸增大，冷卻水能夠帶走的熱量增多，系統(tǒng)換熱能力越來越強，冷卻效果越來越充分，因而換熱效率隨之提高；由于空氣的進口流量和溫度是固定的，能夠被帶走的熱量有限，當(dāng)冷卻水流量增大到一定量值后，冷卻水的冷卻能力開始“富余”，雖然換熱效果仍逐漸變好，但趨勢逐漸變緩。因此，可以通過增加一定的冷卻水流量來提高間冷器的換熱效率。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對間冷器換熱性能的影響

為了在間冷器高度和軸向限制尺寸范圍內(nèi)對間冷器結(jié)構(gòu)參數(shù)進行改進，基于模塊A的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在間冷器的外形尺寸限定范圍內(nèi)，保持翅片間距和板間距等參數(shù)不變的情況下，研究翅片高度、翅片厚度及隔板厚度對換熱器性能的影響。

間冷器的換熱性能與翅片高度的關(guān)系如圖5、6所示。從圖中可見，隨著翅片高度在2.0～5.0 mm內(nèi)增加，間冷器換熱效率逐漸降低，總壓恢復(fù)系數(shù)隨之增大。這是由于翅片高度增加導(dǎo)致水力直徑變大，流通面積增大，從而使雷諾數(shù)變小，湍流程度降低，即傳熱因子和摩擦因子都減小，最終導(dǎo)致機上間冷器的效率和氣側(cè)壓力損失率的減小。

圖5 翅片高度與換熱效率的關(guān)系

圖6 翅片高度與總壓恢復(fù)系數(shù)的關(guān)系

圖7 翅片厚度與換熱效率的關(guān)系

圖8 翅片厚度與總壓恢復(fù)系數(shù)的關(guān)系

間冷器的換熱性能隨翅片厚度的變化規(guī)律如圖7、8所示。從圖中可見，隨著翅片厚度在0.1～0.2 mm內(nèi)增加，間冷器換熱效率逐漸提高，總壓恢復(fù)系數(shù)隨之減小。這是由于翅片的導(dǎo)熱系數(shù)很大，且翅片的高度比厚度大得多，因此沿厚度方向的熱傳導(dǎo)可忽略不計。增加翅片厚度使翅片的橫截面積變大，沿翅片高度方向的傳熱量增加，從而提高了間冷器的換熱效率；翅片厚度的增加也使流體流通面積減小，流通阻力和壓力損失增大。同時，翅片厚度的增加還導(dǎo)致整個間冷器質(zhì)量變大，對經(jīng)濟性不利。此外，翅片厚度還受制于間冷器強度和加工工藝，應(yīng)不小于0.15 mm。

間冷器的換熱性能隨隔板厚度的變化規(guī)律如圖9、10所示。從圖中可見，隨著隔板厚度在0.3～0.8 mm內(nèi)增加，間冷器的換熱效率逐漸降低，間冷器的總壓恢復(fù)系數(shù)沒有變化。板翅式換熱器的傳熱過程主要通過翅片的熱傳導(dǎo)與流體之間的對流換熱來完成，僅有一小部分直接由隔板完成。隔板厚度的增加導(dǎo)致單位體積下?lián)Q熱層數(shù)減少，由于隔板的比表面積比翅片小得多，其緊湊性明顯變差，換熱器總傳熱面積減小，換熱能力降低。因此應(yīng)在滿足承壓能力的前提下，減少隔板厚度以提高換熱效率。

圖9 隔板厚度與間冷器效率的關(guān)系

圖10 隔板厚度與總壓恢復(fù)系數(shù)的關(guān)系

3 模塊A的改進及試驗

為了提高鈦合金間冷模塊的換熱性能，在模塊A的基礎(chǔ)上進一步改進并加工出模塊B，通過降低空氣側(cè)高度和增加換熱層數(shù)來提升模塊的換熱能力，通過增加隔板厚度來保證釬焊質(zhì)量達到要求的保壓能力。模塊B的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表4。

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表4 模塊B的結(jié)構(gòu)參數(shù)

模塊B除安裝邊平面度和芯體垂直度有超差外，其余尺寸符合圖紙要求，保壓要求滿足圖紙技術(shù)條件。在模塊B的試驗中，試驗件水側(cè)存在流阻高，冷卻水流量最大僅為10 kg/s，為進一步摸索模塊性能，后又利用高壓水直接連接試驗件液側(cè)進口完成試驗，試驗結(jié)果見表5。從表中可見，模塊B的水側(cè)流阻大于模塊A的，即使使用高壓水，冷卻水流量僅為13.9 kg/s，此時水側(cè)流阻為1015.2 kPa，模塊B的總壓恢復(fù)系數(shù)略有減小，但換熱能力提升較大。

表5 模塊B與模塊A性能參數(shù)對比

圖11 模塊B與模塊A的換熱效率對比

模塊B與模塊A的換熱效率對比如圖11所示。從圖中可見，隨著冷卻水流量的增加，2個模塊的換熱效率均逐漸提高，且提高的趨勢相近；此外，在同等冷卻水流量下，模塊B的換熱效率要遠遠高于模塊A的，可見模塊B的換熱能力較模塊A是有大幅提升的。

針對模塊B水側(cè)阻力超標問題開展分析，最終確定2個原因：水側(cè)高度的降低增大了水側(cè)阻力；水側(cè)翅片沖壓模具使用時間過長導(dǎo)致水側(cè)翅片尺寸不穩(wěn)定，部分鋸齒波沖斷處存在毛刺，增大了水側(cè)阻力。為此，綜合考慮換熱性能、釬焊質(zhì)量、結(jié)構(gòu)變形及沖壓質(zhì)量等因素，在模塊B的基礎(chǔ)上增加液側(cè)翅片高度，在間冷器滿足承壓能力的前提下將隔板厚度調(diào)整為0.4 mm，同時調(diào)整翅片層數(shù)以適應(yīng)間冷器的尺寸要求，加工出間冷模塊C，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表6。在模塊C的研制過程中，突破了間冷模塊安裝邊機加技術(shù)，解決了安裝邊平面度和芯體垂直度超差的問題，加工工藝水平顯著提高。

表6 模塊C的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖12 3個模塊的換熱效率對比

模塊C與模塊A、B的換熱效率對比如圖12所示，性能參數(shù)對比見表7。試驗結(jié)果表明，模塊C的換熱效率比模塊A、B的顯著提高；冷卻水壓差在模塊B的基礎(chǔ)上有了很大改善；總壓恢復(fù)系數(shù)三者相差不大。整體來看，模塊C的換熱性能好于模塊A、B的。

表7 3個模塊性能參數(shù)對比

4 結(jié)論

本文根據(jù)船用間冷循環(huán)燃氣輪機特定的工作環(huán)境要求設(shè)計間冷器，研究了間冷器翅片高度、翅片厚度和隔板厚度對間冷器換熱性能的影響，并對所設(shè)計間冷模塊逐步改進，創(chuàng)新性地將間冷器的試驗與理論分析相結(jié)合，通過試驗手段驗證，為間冷器的設(shè)計及優(yōu)化提供參考。從設(shè)計及試驗結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

（1）翅片高度在2.0～5.0 mm內(nèi)增加導(dǎo)致間冷器換熱效率降低，總壓恢復(fù)系數(shù)增大。

（2）翅片厚度在0.1～0.2 mm內(nèi)增加導(dǎo)致間冷器換熱效率提高及總壓恢復(fù)系數(shù)減小。但受間冷器強度和加工工藝的限制，翅片厚度應(yīng)不小于0.15 mm。

（3）隔板厚度在0.3～0.8 mm內(nèi)增加，導(dǎo)致間冷器換熱效率降低，對總壓恢復(fù)系數(shù)影響微弱。在間冷器滿足承壓能力的前提下，應(yīng)減少隔板厚度以提高換熱效率。

（4）模塊B、C的換熱效率分別為86.8%、89.5%，比模塊A的84.9%有了顯著提高，3個模塊的總壓恢復(fù)系數(shù)相差不超過0.3%。