船用燃氣輪機回熱器設(shè)計的數(shù)值研究

鄭春兵

海軍駐青島造船廠軍事代表室，山東青島 266002

0 引 言

船用燃氣輪機回熱器通常是一種間壁式換熱器，其功能是回收動力渦輪出口燃氣的部分熱量，預熱壓氣機出口的空氣，從而提高燃氣輪機的熱效率。與船用燃氣輪機的設(shè)計要求相同，人們總是希望設(shè)計的回熱器在滿足主要熱力性能指標的前提下質(zhì)量盡可能輕、結(jié)構(gòu)盡可能緊湊和換熱效果盡可能佳［1-6］。以往開展該項研究時，往往側(cè)重于單純的回熱器設(shè)計，沒有考慮回熱器換熱器兩側(cè)氣體（一側(cè)為空氣，一側(cè)為燃氣）的不同熱力性質(zhì)，且氣體在回熱器通道中流動時產(chǎn)生的壓力損失通常也被視為定值，這些簡化計算措施明顯會造成計算結(jié)果的誤差，并不能完全反映工程實際。本文將回熱器作為船用燃氣輪機的一個關(guān)鍵部件，在考慮回熱器冷熱兩側(cè)的實際工質(zhì)熱力性質(zhì)和氣體在回熱器通道中的壓力損失變化的基礎(chǔ)上，進行了船用回熱器的設(shè)計并分析了其對燃氣輪機性能的影響。

1 回熱器的選型

回熱器主要有3種設(shè)計方案［7］：固定管板式、螺旋板式和板翅式。通常，采用傳熱效率、流體阻力、結(jié)構(gòu)緊湊程度以及制造成本等特征量指標來描述回熱器設(shè)計方案的優(yōu)劣程度。每個設(shè)計方案中特征值的權(quán)重（權(quán)重表示在評價過程中是被評價對象的不同側(cè)面的重要程度的定量分配，對各評價因子在總體評價中的作用進行區(qū)別對待）和隸屬度（每個方案的所有指標分別隸屬于優(yōu)等方案中的程度，即隸屬度，在區(qū)間［0，1］內(nèi)）如表1所示。

表1 回熱器設(shè)計方案中特征值的權(quán)重和隸屬度Tab.1 The weight and membership degree of the eigenvalues in the design project of the regenerator

由表1可知，板翅式回熱器的效率最高。鑒于船用燃氣輪機中工質(zhì)（空氣和燃氣）結(jié)垢性不強、腐蝕性不大的特點，回熱器采用板翅式設(shè)計方案是最佳選擇。

板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)形式很多，但其結(jié)構(gòu)元體基本相同，通道的排列有單疊式、復疊式2種，如圖1所示。圖中，L，L1和L2分別為各對應(yīng)通道的翅片尺寸。

圖1 回熱器通道Fig.1 The regenerator’s channels

由于單疊布置的翅片效率高于復疊布置，且對于多股流體的板翅式回熱器而言，當通道排列偏離理想位置時，局部的熱負荷將引起很大的不平衡，加劇溫差傳熱損失，降低回熱器效率，因此，在設(shè)計船用燃氣輪機回熱器時選擇單疊式排列方式。

若對各個通道進行不同方式的疊置和排列，釬焊成整體，可得到最常用的逆流、并流、錯流、錯逆流板翅式換熱器板束。相關(guān)資料表明，在同樣的條件下，逆流時的平均溫差總是大于并流時的平均溫差，而平均溫差相同時逆流所需換熱面積最小。所以，船用燃氣輪機回熱器設(shè)計成逆流式時體積最小。

翅片式、板翅式回熱器為最基本的元件，傳熱主要通過翅片來實現(xiàn)，其余過程直接通過隔板完成。翅片與隔板的聯(lián)結(jié)均為完善的釬焊，因此，大部分熱量經(jīng)翅片通過隔板傳到了冷流體。翅片除承擔主要的傳熱任務(wù)外，還承擔著兩隔板之間的加強作用。翅片的型式主要有平直式、鋸齒式、多孔型和波紋型等3種。因為回熱器燃氣側(cè)熱容量大，傳熱系數(shù)較高，有一定的污染性，因此燃氣側(cè)采用平直型翅片。回熱器空氣側(cè)由于空氣較為干凈，壓力較高，相對壓損小，傳熱系數(shù)較低，因此應(yīng)在空氣側(cè)進行強化傳熱措施，提高空氣側(cè)的傳熱系數(shù)，從而提高整個回熱器的傳熱效果。同時，艦船生命力方面的要求對噪音和振動有所限制，所以空氣側(cè)采用鋸齒型翅片。

綜上所述，船用燃氣輪機回熱器的設(shè)計應(yīng)為逆流板翅式，其通道采用單疊式排列，燃氣側(cè)為平直型翅片，空氣側(cè)為鋸齒型翅片，翅片材料必須適應(yīng)海洋工作環(huán)境。

2 回熱器的設(shè)計

2.1 工質(zhì)熱力參數(shù)的確定

在回熱器的設(shè)計中，需要利用空氣和燃氣的熱力性質(zhì)數(shù)據(jù)。當燃氣溫度不超過1 500℃時，氣體的裂解現(xiàn)象一般可以忽略。空氣和燃氣的狀態(tài)參數(shù)，如焓、比熱、相對壓力、普朗特數(shù)、密度、導熱系數(shù)及粘度等都可視為溫度的函數(shù)，而與壓力無關(guān)。由于空氣和燃氣是2種成分不同的工質(zhì)，其熱力參數(shù)迥異，在以往計算中，并沒有著重區(qū)分這一點。顯然，這會帶來一定程度的誤差。為了進一步提高運算精度，使得計算結(jié)果在工程應(yīng)用上更有價值，在計算這些參數(shù)的過程中，采用了吳仲華教授給出的熱力性質(zhì)表［8］。為便于計算機計算，采用數(shù)學公式表示工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)。

燃氣輪機所用的燃料是C8H16，它與空氣的化學反應(yīng)式為：

式中，X為空氣中非氮、非氧成分。由該反應(yīng)式可知，1 mol的 C8H16和 57.17 mol的空氣完全燃燒后生成61.17 mol的燃氣。對純?nèi)細猓剂舷禂?shù)β=1；對空氣，β=0；對一般燃氣，β介于0與1之間。因此，βmol的燃料與57.17 mol空氣的反應(yīng)可表示為：

由式（2）可知，在燃料系數(shù)為 β的燃氣中，空氣的摩爾成分 A=57.17(1-β)/(57.17+4β)；純?nèi)細獾哪柍煞?B=61.17β/(57.17+4β)。因此，燃料系數(shù)為 β的燃氣熱力性質(zhì)，如焓、比熱、相對壓力等可分別為：

為避免繁瑣的查表計算，可以采用最小二乘法［9］將燃氣熱力性質(zhì)表中有關(guān)的曲線和圖表擬合成多項式的形式，即：

式中，ai，bi和ci分別為系數(shù)。

在回熱器設(shè)計過程中，還涉及一些原始曲線的讀取，如雷諾數(shù)Re隨傳熱因子 j和摩擦因子 f的變化特性圖，收縮阻力系數(shù)Kc和擴大阻力系數(shù)Ke隨板束通道截面積與集氣管最大截面積之比σ的變化特性圖。同樣都采用最小二乘法將曲線和圖表擬合成多項式，并編制成方便調(diào)用的子程序。

2.2 回熱器的設(shè)計步驟

已知某船用三軸簡單循環(huán)燃氣輪機設(shè)計參數(shù)：低壓壓氣機進口空氣流率Ga=85 kg/s；進入回熱器空氣和燃氣的溫度Tai=251.8℃，Tgi=515.6℃；空氣側(cè)允許壓降為1%，燃氣側(cè)允許壓降為3%；排氣口直徑為2.430 m。

在設(shè)計回熱器的過程中，先初步選定回熱器的總體尺寸，再通過迭代法來進行回熱器設(shè)計。本文計算編程（借助通用工程軟件Matlab7.0）的具體步驟如下：

1）初選回熱器的尺寸。

2）初步假定回熱器的回熱度ε1=0.85，算出回熱器空氣和燃氣的出口溫度Tao和Tgo：

3）計算流體空氣和燃氣的雷諾數(shù) Re［10］：

式中，G為質(zhì)量流率；D為直徑；μ為流體動力的粘度；g為重力加速度。

4）計算空氣和燃氣的傳熱系數(shù)αg,αa：

式中，j為摩擦系數(shù)，由所擬合曲線 j=f(Re)算出；St為斯坦登準數(shù)。

5）計算總表面效率 ηg,ηa：

式中，λ為材料的導熱系數(shù)；δ為翅片的厚度；L為翅片的高度。

6）計算總傳熱系數(shù)K：

式中，F(xiàn)a為空氣側(cè)的總傳熱面積；Fg為燃氣側(cè)的總傳熱面積。

7）計算回熱器傳熱單元數(shù)NTU及有效度：

式中，cpa為空氣的比熱。

然后，通過所擬合的曲線方程ε=f(NTU)計算得到回熱器有效度ε。如果＞0.001，則取 ε1=ε，然后回到2）重新開始計算直到| |ε- ε1＜0.001，最后取ε=ε1，并由此算出回熱器中空氣和燃氣的出口溫度。

8）回熱器空氣和燃氣側(cè)壓力損失的計算［11］：

如果σRa和σRg均不小于規(guī)定值，則需要重新選擇回熱器的尺寸，再繼續(xù)重復上述過程進行計算，直至σRa和σRg均小于規(guī)定值為止，即此時所選的回熱器是符合要求的。在文獻［1-7］中，氣體在回熱器通道中的壓力損失一般取為定值。實際上，壓力損失并不是固定的。

圖2所示為回熱度ε隨回熱器高度h的變化關(guān)系。圖3所示為空氣和燃氣側(cè)的壓力損失ΔPa，ΔPg隨回熱器高度h的變化關(guān)系。由圖可見，隨回熱器高度的增大，回熱度不斷增大，空氣和燃氣側(cè)的壓力損失也增大。圖4所示為循環(huán)效率隨回熱度的變化。由圖可見，隨回熱度的增大，效率首先不斷增大，但最后仍然呈略微下降趨勢，這是由于過大的回熱度導致了過大的回熱器兩側(cè)的壓力損失系數(shù)，造成效率降低的程度略微超過了回熱過程帶來的益處。

圖2 回熱度ε隨回熱器高度h的變化關(guān)系Fig.2 Variation of the effectivenss of the regenerator εwith respect to the height of the regeneratorh

圖3 空氣和燃氣側(cè)壓力損失隨回熱器高度h的變化關(guān)系Fig.3 Variation of the air-side and gas-side pressure loss with respect to the height of the regenerator h

圖4 效率η隨回熱度ε的變化關(guān)系Fig.4 Variation of the efficiency with respect to the effectivenss of the regeneratorε

3 結(jié) 論

本文以某船用簡單循環(huán)燃氣輪機為母型進行研究，與以往文獻不同的是，在考慮了回熱器冷熱兩側(cè)空氣和燃氣的熱力性質(zhì)不同以及氣體在回熱器通道中流動時產(chǎn)生的壓力損失并不為常數(shù)的因素的基礎(chǔ)上，進行了回熱器的設(shè)計并分析了其對燃氣輪機的性能的影響。計算結(jié)果表明：

1）隨著回熱器回熱度的增大，燃氣輪機的效率越來越高；但當回熱度超過一定值時，效率卻不再提高，反而有所降低。

2）優(yōu)化改裝后的回熱器會使燃氣輪機具有更高的效率。效率的提高，意味著艦艇續(xù)航力的提高；加裝回熱器，回收了排氣中的部分熱量，降低排氣溫度，這就意味著降低了艦艇的紅外輻射強度，從而增強了艦艇的隱身能力，提高了其生命力。研究中，因無法進行實驗，故沒有考慮回熱器內(nèi)因溫度分布不均勻而產(chǎn)生的熱消耗。

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