間冷回熱循環發動機間冷器結構設計與工藝研究

陳吉鋮，馬 健，黃祖耀，王榮寶，吳正洪

(1.中國航發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)

間冷回熱循環發動機間冷器結構設計與工藝研究

陳吉鋮1，馬 健1，黃祖耀2，王榮寶2，吳正洪1

(1.中國航發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)

為支持間冷回熱循環發動機技術研究，根據Realizable k-ε湍流模型分析結果，設計了CC型交叉波紋板式間冷器。綜合考慮氣動、結構、傳熱、強度、工藝等因素，確定了間冷器的主要結構特征，擬定了結構設計方案。并與加工單位制定了詳細可行的工藝流程，完成了間冷器加工。經試驗驗證，理論計算結果與試驗結果吻合，CC型交叉波紋板式間冷器換熱性能良好。可為航空發動機用間冷器設計加工提供參考。

航空發動機；間冷回熱循環；間冷器；換熱芯體；CC型交叉波紋板；結構特征；工藝方案；試驗驗證

1 引言

燃氣輪機熱力循環參數和部件效率經過不斷改進已趨近極限，為更有效利用能源，國外研究人員在上世紀40年代就著手研究了一種新型結構的熱力循環燃氣輪機——間冷回熱循環發動機。1943年，德國首先提出熱交換航空發動機概念，并研制了一臺低總壓比回熱循環發動機；隨后英國也開始研究帶回熱器部件的航空發動機。90年代中后期，由英、美聯合研制的間冷回熱循環WR-21艦船燃氣輪機成功投入使用[1]。90年代后期，俄羅斯研制的外涵回熱式燃氣輪機在工程上具有較高的應用價值[2]。進入21世紀后，歐洲多國持續對間冷回熱結構展開研究。其中Gronstedt、W ilfert等對間冷回熱發動機性能進行的分析和優化表明：間冷回熱發動機耗油率相比常規發動機約降低4.3%[3]，CO2、NOX排放量分別降低6%和16%[4]，降耗與減排效果顯著。

相較于傳統發動機，間冷回熱渦扇發動機[5]中間冷器的引入，對原空氣流路產生一定程度的堵塞，進而對發動機性能產生有害影響。為此，在有限體積內做出結構緊湊、質量輕、換熱效率高、穩定可靠的間冷器尤為重要。間冷器效率高低主要取決于換熱芯體效率，國內外學者研發了板翅式和原表面型等換熱器芯體，近期又提出了具有高緊湊度、高換熱效率的交叉波紋面型換熱器CC型和CU型。本文介紹了一種CC型間冷器的設計和工藝，詳述了該間冷器換熱芯體的結構、選材和關鍵工藝，并對其進行了試驗驗證，以期為間冷回熱循環發動機研究提供支持。

2 間冷器工作原理

間冷器環向布置在間冷回熱發動機核心機外壁面，結構見圖1。間冷器模塊在發動機外涵內以V型布局，熱氣通道側帶有進、出氣封頭結構(圖2)。工作時熱氣進入進氣封頭經過間冷器進行熱交換，出氣封頭降低溫度后進入發動機主流路；冷氣自V型缺口流經間冷器進行熱交換，升溫后在發動機噴口處進行混合，為發動機做功。

作為增壓級和高壓壓氣機之間的熱交換器，間冷器工作性能的優劣將影響整個系統性能。若間冷器氣動損失過大或熱交換效果較差等，將降低熱機效率。為確保熱力循環系統有較高的效率，間冷器設計應遵循以下原則：

(1)在給定的工作條件(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)流體壓降小，以減少運行的能量消耗；

(3)滿足外形尺寸和質量要求；

(4)安全可靠，滿足最高工作壓力、溫度以及防腐、防漏、工作壽命等方面的要求；

(5)制造工藝切實可行，選材合理且材料來源有保證。

3 間冷器換熱芯體設計及分析

參考MTU公司設計的換熱器[6]構型，經大量分析計算，最終將間冷器換熱芯體確定為一種90°皺起角的CC板換熱芯體[7]。該換熱芯體具有熱交換效率高、工作穩定、氣流損失小等優點。CC型間冷器換熱芯體由兩種波紋方向交錯成90°薄波紋板組成，見圖3。波紋板斷面為正弦曲線，見圖4。兩種波紋板將換熱空間分割成冷氣通道與熱氣通道，以盡量增加冷、熱氣換熱面積，提高換熱效率；波紋板依次交替重疊(圖5)組合形成換熱芯體。氣流流經波紋板換熱情況如圖6所示，冷、熱氣流從兩個方向進入換熱芯體，流入由波紋板組成的交錯通道，氣流行走路徑長、換熱面積大，便于進行熱交換，進而實現間冷器換熱功能。但實際加工時，不可能每片波紋板的波峰、波谷均達到理論高度，且波紋板單純疊加很容易因零件翹曲、變形、加工不到位等因素引起波紋板間存在縫隙，氣流短路，影響熱交換效率。因此，設計時應該考慮在波紋板組裝時施加徑向貼合應力，保證兩片波紋板波峰、波谷都能貼合上；對于換熱芯體高度較高、波紋板自重較大的間冷器換熱芯體，還應設置分層板分擔壓力，避免最下部分波紋板因累積重力，受到過大載荷將波紋板壓裂。

搭建間冷器換熱芯體構件模型，三維仿真冷、熱氣流通過換熱芯體后空氣流路走向，并分析波紋板溫度場分布。圖7為單片波紋板溫度場分布。考慮溫度場分布、氣流沖擊、熱變形、施加貼合應力等因素，利用波紋板ANSA分網模型(圖8)進行強度評估，得出工作狀態下徑向位移分布、試驗狀態下波紋板的等效應力分布、波紋板的第一主應力分布等，各項強度水平均滿足設計要求。

4 間冷器結構設計及工藝

4.1 結構設計

根據設計及試驗要求，間冷器每兩組換熱芯體呈V字型分布。采用商業軟件進行數值計算，方程離散采用二階迎風格式，流動和溫度采用分離求解器，考慮空氣的可壓縮性和物性隨溫度的變化，湍流模型選取Realizable k-ε模型。根據計算結果，確定V字型張開角及間冷器迎風角[7]。換熱芯體采用框架式承力結構固定，承力框架合理布置密封結構，以保證氣密性良好。由于熱氣進氣封頭氣流路徑較長，因此采用分流格柵均勻分配氣流，保證間冷器換熱效率最大化。間冷器V字型單元結構見圖9。

4.2 材料選取

間冷器換熱芯體波紋板既要保證換熱效率高，又要滿足強度方面要求，加工材料的選取尤為重要。為使間冷器換熱芯體質量盡量輕、換熱效率高，波紋板厚度定為0.15 mm。波紋板厚度小，彎折相對曲率較大，對材料自身及工藝方法要求極高。結合加工廠材料使用經驗，初步選定一種航空不銹鋼材料的鋼箔作為加工原材料。為增加材料延展性，最終定制了一種專用不銹鋼。該不銹鋼適當增加了銅元素含量，削弱了部分剛度特性，增加了延展性，便于波紋板的加工制造。

4.3 關鍵工藝

間冷器的框架和連接結構均可采用傳統機械加工工藝完成加工、制造，但其中的換熱芯體由于所采用的波紋板厚度薄、層數多、控制因素繁瑣導致工藝實現性差，其關鍵工藝主要有波紋板壓制和換熱芯體組裝。

4.3.1 波紋板壓制

(1) 模具修正

波紋板加工采用模具沖壓工藝。批量沖壓不銹鋼箔，待零件時效后，測量并統計出波紋板回彈變形量。根據沖壓零件回彈量修配模具，新模具連續沖壓10片不銹鋼箔，零件時效后，波紋板處于尺寸公差范圍內，模具合格。最后進行模具固化處理。

(2) 波紋板沖壓

為保證壓制過程中鋼箔受力均勻，采用油壓機作為沖壓動力。波紋板壓制分為預壓制、正式壓制兩個步驟。預壓制是將不銹鋼箔固定在油壓機上，控制壓力使鋼箔緩慢變形尺寸至70%～80%。將壓制后的鋼箔取出，放置在真空爐中加溫至1 000℃，進行材料光亮熱處理，進一步增加材料韌性。將熱處理后的鋼箔邊緣用油壓機固定好，進行正式壓制。正式壓制時，控制油壓緩慢將鋼箔沖壓至目標尺寸，維持5 min，正式壓制完成。

(3) 波紋板翻邊

波紋板沖壓完成后，裁剪余料，使用專用工裝翻折安裝邊。波紋板一側采用豎直翻邊的形式，另一側采用彎折翻邊形式，見圖10。

4.3.2 換熱芯體組裝

(1) 波紋板組裝

波紋板完成翻折后，兩側翻邊按圖11所示貼合，并涂抹高溫密封膠。涂抹完成后，將小單元體放置工裝內限位，并給與貼合壓力，保證組合后寬度、高度尺寸不變，直至密封膠凝固，單片波紋板組合成小單元體組件。單元體組件穩定后，放置在單元體打壓工裝內進行打壓，檢查氣密性，不允許有泄漏。

(2) 換熱芯體封裝

每兩組小單元體分別粘接，凝固后進一步組裝，組裝過程中用工裝限制每組小單元體尺寸，便于最終組裝。間冷器換熱芯體要求有良好的換熱功能，但不允許冷氣、熱氣互相摻混，波紋板組合后轉角處要設置密封片、避免漏氣。波紋板小單元體之間涂抹高溫密封膠后，連同換熱芯體框架上、下底板一同放置在限位工裝內，并施加貼合應力將波紋板壓縮到預定高度，波紋板轉角處貼合密封片，再將框架側棱與密封片粘接好，拼接順序見圖12。點焊固定好框架底板與側棱的相對位置，放置在限位工裝內等待高溫密封膠凝固。凝固完成后，進行換熱芯體框架焊接并打磨。

將波紋板組合成換熱芯體組件封裝在換熱芯體框架的過程中，不得將波紋板4個方向都與棱邊抵死，應在熱變形影響最大方向預留膨脹間隙，避免波紋板在工作過程中因熱變形無法釋放而對換熱芯體自身產生損傷，從而影響部件性能。

(3) 換熱芯體打壓

將間冷器換熱芯體裝進用于檢驗密封性的專用框架，形成間冷器打壓組件。再將該組件放進打壓設備，檢驗氣密性，保證在1.5倍工作壓力條件下冷、熱氣通道分別暢通，且冷氣、熱氣不互竄。氣密性檢查過程中將間冷器打壓組件沉入水中，熱氣通道輸入打壓氣體，保持壓力5 min，冷氣通道無氣泡冒出，證明間冷器密封可靠。

5 間冷器試驗驗證

按發動機典型工況下間冷器冷氣進口與熱氣進口氣體壓力、溫度、速度等氣體特性對試驗件供氣，分別測量進、出口氣體特性，對測量結果進行分析、整理得到試驗結果。試驗結果表明：試驗模擬熱端壓力損失與理論計算結果吻合度很高，冷端壓力損失隨冷氣雷諾數的改變而改變，冷端壓力損失最大值也在試驗可接受范圍內，間冷度不低于理論計算水平，在某些試驗工況下高于理論計算結果，即換熱效果更優。由此可知，試驗結果與理論計算結果吻合良好，間冷器設計合理，加工及檢驗過程可靠。

6 結束語

通過研究國外間冷器技術相關文獻資料，參考國內多種換熱器的加工、制造工藝，經過整理、改進形成一種適合航空發動機結構特點的間冷器設計、加工方案。經試驗驗證，依照該方案加工的間冷器換熱性能較好、流阻損失較小，為間冷器及類似換熱器的設計、加工提供了一種參考。目前，間冷器應用于航空發動機領域，國內尚處于摸索階段，存在設計結構相對繁瑣，加工周期較長，部分工藝較為依賴人工操作，不利于批量生產等缺點。因此，還需要不斷深入研究，改善方案，優化結構，提高間冷器效率。

[1]沈 虹，周 軍，陳玉潔，等.歐盟間冷回熱循環燃氣渦輪發動機發展綜述[J].燃氣渦輪試驗與研究，2016，29 (1)：10—13.

[2]高海紅，王巍巍，李剛團，等.俄羅斯間冷回熱循環技術研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2016，29(1)：14—20.

[3]Gronstedt T，Kyprianidis K.Op tim izing the operation of the intercooled turbofan engine[R].ASME GT2010-22519，2010.

[4]W ilfert G，Sieber J，Rolt A，et al.New environmental friendly aero engine core concepts[R].ISABE 2007-1120，2007.

[5]龔 昊，王占學，周 莉，等.間冷回熱渦扇發動機的初步分析[J].工程熱物理學報，2014，35(4)：659—662.

[6]Schonenborn H，Ebert E，Simon B，et al.Thermomechani?cal design of a heat exchanger for a recuperative aero en?gine[R].ASME GT2004-53696，2004.

[7]朱曉華，婁德倉，童傳琛.CC型原表面換熱器通道內流動與換熱特性的數值研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2016，29(1)：36—40.

Structural design and technical study for intercooler of intercooled and recuperated aero-engine

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

To support the research of intercooled and recuperated aero-engine,the intercooler of CC type cross corrugated plate was designed based on the analysis result of Realizable k-εturbulence model.Con?sidering aspects of aerodynam ics,structure,heat transfer,strength and technology,the main structure char?acteristic and the design scheme were determined.The intercooler was manufactured after the detailed and feasible process flow was made with manufacturer.The result of theoretical calculation was confirmed in ac?cordance with that of the experiment,indicating that the intercooler with CC type cross corrugated plate per?formed well in heat exchange,providing reference for design and manufacture of aero-engine intercooler.

aero-engine；intercooled and recuperated cycle；intercooler；heat-exchanger core；CC type cross corrugated plate；structure characteristic；process flow；experiment verification

V236

：A

：1672-2620(2017)02-0001-04

2017-01-24；

：2017-04-07

陳吉鋮(1986-)，男，山東威海人，工程師，主要從事航空發動機總體結構設計。