間冷回熱循環(huán)發(fā)動機間冷器流動換熱性能試驗

周 雷，方弘毅，朱曉華，陳吉鋮，婁德倉，郭 文

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

間冷回熱循環(huán)發(fā)動機間冷器流動換熱性能試驗

周 雷，方弘毅，朱曉華，陳吉鋮，婁德倉，郭 文

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

試驗獲取了各個狀態(tài)下間冷器試驗件冷氣、熱氣通道進出口氣流的總溫、總壓等參數(shù)，進而獲得間冷器的流動阻力特性和換熱特性。評估了間冷器流動換熱性能，并與理論計算結(jié)果進行對比分析。結(jié)果顯示：熱氣通道流體壓力損失系數(shù)理論計算值與試驗值吻合良好；冷氣通道壓力損失系數(shù)隨冷氣雷諾數(shù)的增加逐漸降低，理論計算值低于試驗值；隨著冷氣流量的增大，間冷器換熱效率先降低，當間冷器冷氣通道流量大于熱氣通道流量時，換熱效率開始逐漸升高；換熱效率理論設(shè)計值與試驗值誤差較小，換熱效率隨著熱氣冷氣溫比的增大先略有升高，隨后基本保持不變。

航空發(fā)動機；間冷回熱循環(huán)；間冷器；CC型換熱器；交錯角；損失系數(shù)

1 引言

間冷器、回熱器已廣泛用于地面燃機發(fā)電以提高熱效率，但由于其尺寸和質(zhì)量方面的困難未能在航空發(fā)動機中采用。然而將其應用于航空發(fā)動機可顯著降低耗油率和污染物排放，因此國外很早就開展了對間冷回熱循環(huán)的研究，且涉及的內(nèi)容很廣泛，其中針對間冷器的研究主要集中在CC型換熱器方面。如Ciofalo等[1]通過實驗與數(shù)值模擬方法研究了交錯式波紋通道，特別是典型的板翅式換熱器在過渡態(tài)和穩(wěn)態(tài)的湍流條件。Kwan等[2]試驗研究了間冷回熱循環(huán)發(fā)動機間冷器的換熱性能，發(fā)現(xiàn)隨著直流速度與錯流速度之比的增大，間冷器矩陣進口角度60°時間冷器性能顯著升高；雷諾數(shù)增大將導致?lián)Q熱器兩側(cè)的努賽爾數(shù)增大。Kwan等[3]還對間冷器的空氣動力學損失機理進行了研究，揭示了間冷器不同安裝位置對壓力損失的影響。Blomerius等[4]采用數(shù)值模擬方法，研究了波紋板交錯角為45°時，CC型原表面換熱器通道內(nèi)壓力損失和換熱系數(shù)隨相對節(jié)距、雷諾數(shù)的變化。Stasiek等[5]采用致熱液晶方法對CC型原表面換熱器進行試驗研究，探討了不同幾何模型和雷諾數(shù)對換熱系數(shù)和壓力損失的影響。國內(nèi)多家研究機構(gòu)也高度關(guān)注CC型換熱器，但研究多集中在數(shù)值計算方面。陰繼翔等[6]對具有正弦波形通道交叉排列的原表面換熱器多通道流動與換熱特性進行了數(shù)值模擬，探究了上下波紋板交錯角、相對節(jié)距和雷諾數(shù)的影響。朱曉華等[7]通過數(shù)值模擬研究了CC型原表面通道內(nèi)三維流動及換熱特性，探究了上下波紋板交錯角及雷諾數(shù)對流動損失的影響。

中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院針對間冷器設(shè)計也開展了大量工作，相關(guān)課題組完成了CC型波紋板芯體間冷器設(shè)計、試驗件加工及試驗研究。本文介紹了間冷器的設(shè)計方案，結(jié)合換熱器試驗設(shè)備制定了間冷器試驗方案，并通過試驗獲取的參數(shù)最終確定了間冷器的流動阻力特性和換熱特性，同時與理論計算值進行了對比分析，所得結(jié)果可為間冷器設(shè)計提供參考。

2 間冷器設(shè)計

間冷器采用CC型波紋板表面作為換熱器芯體。冷熱流體采用交叉流方式，即兩股流體所面臨的波紋角度不同。為保證兩側(cè)流體的損失特性及尺寸的匹配，兩股流體通道的波紋夾角應盡可能相同，即如果一側(cè)夾角為45°，另一側(cè)則為135°。因此，工程設(shè)計時間冷器兩側(cè)流體的波紋角度均為90°，如圖1所示，θ為兩側(cè)波紋夾角。

根據(jù)換熱器尺寸設(shè)計分析流程編制程序，計算確定了換熱器冷、熱側(cè)所需換熱表面積、換熱器總體積以及冷、熱兩側(cè)的氣流流動損失等參數(shù)。圖2為間冷器模塊尺寸示意圖，熱端氣流經(jīng)過間冷器上下兩端進氣和出氣，用封頭與外涵道的冷氣形成叉流通道。

間冷器連接方式參照R-R公司的管道連接形式，采用C型和S型彎管連接。為避免增壓級和高壓壓氣機之間距離太大和間冷器位置過于靠后，間冷器熱氣從下面進氣，上面集氣后回流至高壓壓氣機。這種布局方式，兩個管道有交叉，如圖3所示。圖4給出了間冷器在發(fā)動機中的布局。間冷器與增壓級和高壓壓氣機連接時，為避免氣流損失過大，需將間冷器向后布置，留有一定距離。間冷器長600 mm，已超過壓氣機長度，因此模塊尾部半徑位置相對于前緣略有抬高。

3 間冷器試驗方案

3.1 試驗原理及設(shè)備

由于間冷器的試驗狀態(tài)達不到發(fā)動機真實的設(shè)計狀態(tài)，需根據(jù)相似原理確定試驗狀態(tài)參數(shù)。用試驗狀態(tài)模擬發(fā)動機狀態(tài)的理論基礎(chǔ)是保證兩個狀態(tài)相似，相似條件是幾何相似、運動相似、動力相似以及熱相似。換熱器試驗中主要無量綱參數(shù)包括：雷諾數(shù)(Re)、馬赫數(shù)(Ma)、溫度比(τ)和壓比(π)。根據(jù)流體力學和傳熱學相關(guān)理論，在低馬赫數(shù)(Ma＜0.3)和邊界層型流動中，可忽略馬赫數(shù)、壓比對流阻和傳熱的影響，因此試驗模擬中只需保證雷諾數(shù)和溫度比相等。

試驗供氣系統(tǒng)如圖5所示，主要包括閘閥、調(diào)節(jié)閥、空氣濾、膨脹節(jié)、方形補償器、加溫器及聲速噴嘴等。試驗冷氣和熱氣分別經(jīng)過不同供氣管路進入間冷器的冷氣通道和熱氣通道，經(jīng)流動換熱后排入大氣。根據(jù)試驗流量范圍，熱氣和冷氣管路分別選用不同喉部直徑的標準聲速噴嘴進行流量測量。

3.2 試驗段和試驗件設(shè)計

采用直通道間冷器試驗件進行試驗。如圖6所示，試驗件包括冷氣通道(試驗段Ⅱ)和熱氣通道(試驗段Ⅰ)，每個通道氣流在進入間冷器芯體前均通過整流孔板進行整流。冷氣/熱氣通道流阻特性試驗時，試驗段Ⅰ和試驗段Ⅱ只供常溫空氣；換熱特性試驗時，試驗段Ⅰ供熱空氣，試驗段Ⅱ供常溫空氣。兩個試驗段排出的氣體，通過與試驗段連接的外部管道直接排入大氣。為保證試驗件上游流場的均勻性，在熱氣通道和冷氣通道擴散段下游分別安裝了整流孔板。在整流孔板上游和試驗件上、下游3個截面，分別布置1支7點梳狀總溫總壓探針，并在對應截面布置靜壓孔，測量熱氣總溫、總壓、靜壓參數(shù)。

間冷器模型試驗件芯體單元由呈90°交錯角的波紋板交錯疊加而成，從而在波紋板間形成了大量的斷續(xù)相連的交錯形通道。受加工材料和工藝的限制，試驗件芯體為波紋形式波紋板，見圖7。此外，設(shè)計要保證波紋板兩側(cè)通道相互獨立，以確保參與換熱的兩股流體不會泄漏和彼此摻混。試驗件采用不銹鋼材料制作，其設(shè)計參數(shù)見表1。試驗件緊湊度為1 200 m2/m3，滿足間冷回熱循環(huán)發(fā)動機間冷器高緊湊性的要求。

表1 間冷器試驗件設(shè)計參數(shù)Table 1 The design parameters of test geometry for intercooler

4 試驗結(jié)果分析

4.1 間冷器性能理論計算

間冷器性能包括流阻和換熱兩方面的性能，根據(jù)文獻[7]確定回熱器流阻和換熱計算理論公式。

(1) 流阻計算

間冷器內(nèi)任一側(cè)的壓力損失Δp，由入口處突然收縮造成的壓力損失Δp1-2、殼體內(nèi)傳熱的流動壓降Δp2-3以及出口處流道突然擴張導致的壓力升高Δp3-4三部分組成(圖8)。

基于圖8的模型，間冷器的總壓降為：

根據(jù)文獻[2]，CC型間冷器交錯角90°壓力損失系數(shù)的經(jīng)驗公式為：

(2) 傳熱計算

間冷器的傳熱計算采用校核計算，即對已經(jīng)選定換熱面積等參數(shù)的換熱器，在非設(shè)計工況下核算其換熱性能。

換熱器效率ε定義為實際傳熱量與最大可能傳熱量之比，可表示為：

式中：分母為冷、熱流體在混合氣中可能發(fā)生的最大溫度差值，而分子則為冷流體或熱流體在換熱器中的實際溫度差值中的大者。

傳熱單元數(shù)NTU是換熱器的總熱導KA與流體中較小的熱容率C ＝min(即(qmc)min)的比值，表明了換熱器無量綱的換熱能力。定義如下：

對于其他比較復雜的流動形式，ε的計算公式可參閱文獻[2]。為了便于工程計算，這些ε的經(jīng)驗公式已被繪成線算圖備查。NTU值較低時ε值通常也很低，隨著NTU值的增加ε值也增加，極限情況下趨近于最大值。

4.2 冷熱通道流阻試驗

熱氣通道試驗時封閉冷端，熱端進口溫度為常溫，進口壓力小于0.5 MPa，進口流量0.1～0.8 kg/s。圖9為冷態(tài)下熱氣通道壓力損失系數(shù)隨熱氣雷諾數(shù)的變化。從圖中可看出，隨著熱氣雷諾數(shù)的增加，熱氣壓力損失系數(shù)逐漸降低；但當雷諾數(shù)超過12 000時，壓力損失系數(shù)有所回升。壓力損失系數(shù)理論計算值與試驗值趨勢一致，最大誤差為12%；當雷諾數(shù)低于12 000時理論計算值低于試驗值，雷諾數(shù)高于12 000時反之。擬合熱氣側(cè)壓力損失系數(shù)，可得到熱氣側(cè)壓力損失系數(shù)與雷諾數(shù)的經(jīng)驗公式：

冷氣通道試驗時封閉熱端，冷端進口溫度為常溫，進口壓力小于0.5 MPa，進口流量0.2～1.0 kg/s。圖10為冷氣通道壓力損失系數(shù)隨冷氣雷諾數(shù)的變化。從圖中可看出，隨著冷氣雷諾數(shù)的增加，冷氣壓力損失系數(shù)逐漸降低；壓力損失系數(shù)理論計算值與試驗值趨勢一致，理論計算值低于試驗值，且隨著雷諾數(shù)的增大理論設(shè)計值與試驗值的誤差逐漸增大，最高達21.1%。其原因可能是間冷器芯體冷氣側(cè)的氣密性以及加工后實際結(jié)構(gòu)與設(shè)計結(jié)構(gòu)有偏差。擬合冷氣側(cè)壓力損失系數(shù)，可得到冷氣側(cè)壓力損失系數(shù)與雷諾數(shù)的經(jīng)驗公式：

圖11為單位長度下冷氣側(cè)與熱氣側(cè)流體的壓力損失系數(shù)比較。由圖可知，冷氣側(cè)單位長度下壓力損失系數(shù)隨雷諾數(shù)的增大而減小，熱氣側(cè)單位長度壓力損失系數(shù)明顯大于冷氣側(cè)。其原因是熱氣側(cè)通道長度比冷氣側(cè)的大，且熱氣側(cè)通道截面積比冷氣側(cè)的小。

圖12為試驗所得冷熱兩側(cè)流體的損失系數(shù)與文獻[3]試驗數(shù)據(jù)的對比(文獻中所涉及的試驗其冷熱兩側(cè)的試驗結(jié)構(gòu)和試驗條件相同)。由圖可知，熱側(cè)流體的損失系數(shù)更接近文獻數(shù)據(jù)，兩者最大誤差為10%左右，冷側(cè)流體損失系數(shù)偏大。其原因可能是本次試驗冷氣側(cè)流體通道過短所致。

因試驗不能直觀觀測間冷器通道內(nèi)流場分布，為此對90°交錯角的CC型波紋板進行了數(shù)值計算。計算域(圖13)包括進口、出口及壁面。

圖14給出了CC型波紋板通道內(nèi)與Y軸垂直中截面處靜壓分布，可看出沿流向方向壓力損失比較明顯。圖15為波紋板通道內(nèi)與X軸垂直中截面處速度分布，可明顯觀察到速度分離，這是由于波紋通道內(nèi)流體旋渦運動所致。

4.3 間冷器換熱特性試驗

換熱特性試驗主要包括改變冷氣流量及熱氣與冷氣溫比，研究兩者對間冷器換熱特性的影響。

改變冷氣流量試驗中設(shè)置進口熱氣總溫440.5 K，冷氣為常溫，固定熱氣進口流量0.389 kg/s。通過改變冷氣質(zhì)量流量調(diào)節(jié)熱氣與冷氣流量比例，研究熱氣與冷氣流量比對回熱器換熱效率的影響，圖16為試驗結(jié)果?？梢姡S著冷氣流量的增大，間冷器換熱效率先降低，當間冷器冷氣側(cè)流量大于熱氣側(cè)時，換熱效率開始逐漸升高，理論設(shè)計值與試驗值趨勢一致且較為接近，最大誤差僅為7.1%。

熱氣與冷氣溫比對換熱特性影響試驗中，熱氣進口流量為0.389 kg/s，冷氣流量為0.421 kg/s，冷氣進口為常溫。通過改變熱氣進口溫度，調(diào)節(jié)熱氣冷氣溫比，共8組比例。圖17為熱氣與冷氣溫比對換熱效率的影響。從圖中可看出，換熱效率隨著熱氣與冷氣溫比的增大先略有升高，隨后基本保持不變；理論設(shè)計值與試驗值趨勢一致，熱氣與冷氣溫比愈大，冷氣換熱效果越好；換熱效率理論設(shè)計值為0.62，試驗換熱效率為0.61，最大誤差僅為1.6%，理論設(shè)計值與試驗值吻合良好。

4.4 發(fā)動機狀態(tài)間冷器性能擬合

根據(jù)間冷回熱循環(huán)發(fā)動機巡航狀態(tài)非設(shè)計點參數(shù)，可確定間冷器的進口性能參數(shù)，如表2非設(shè)計點的間冷器進口參數(shù)值所示。表中工況2、3、4、5分別代表起飛狀態(tài)、熱天起飛狀態(tài)、最大連續(xù)狀態(tài)和爬升狀態(tài)。

表2 非設(shè)計點間冷器的性能Table 2 Performance of intercooler at off-design points

根據(jù)試驗結(jié)果得到間冷器壓力損失系數(shù)關(guān)系式，及換熱效率與流量、溫比的關(guān)系曲線圖后，可在此基礎(chǔ)上擬合發(fā)動機狀態(tài)間冷器的性能參數(shù)。依據(jù)上述工況間冷器進口性能參數(shù)試驗結(jié)果，通過擬合公式和雷諾數(shù)之比與換熱效率曲線圖(圖18)插值，得到了間冷器出口性能參數(shù)，并與非設(shè)計點間冷器性能計算結(jié)果進行比較，結(jié)果如表3所示?？梢姡涸囼災M熱端壓力損失與理論計算結(jié)果吻合度很高，冷端壓力損失在2、3工況下偏差最大，但也在8%以內(nèi)，4、5工況下基本相等；間冷度在2、3、4工況下均與理論計算結(jié)果相差無幾，最大誤差僅1.6%。

表3 間冷器試驗值與理論設(shè)計值比較Table 3 Comparison between tests results and theoretical results

5 結(jié)論

本文完成了間冷器流動換熱性能試驗數(shù)據(jù)的整理及與理論設(shè)計值的對比分析。通過分析間冷器冷熱態(tài)流阻、換熱性能數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：

(1)熱氣通道壓力損失系數(shù)隨熱氣雷諾數(shù)的增加逐漸降低，但當雷諾數(shù)超過12 000時壓力損失系數(shù)有所回升，與理論設(shè)計值之間最大誤差為12%。

(2)冷氣通道壓力損失系數(shù)隨冷氣雷諾數(shù)的增加逐漸降低；壓力損失系數(shù)理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果趨勢一致，理論計算值低于試驗值。

(3)冷氣側(cè)單位長度下壓力損失系數(shù)都隨雷諾數(shù)的增大而減小，熱氣側(cè)單位壓力損失系數(shù)明顯大于冷氣側(cè)。

(4)隨著冷氣流量的增大，間冷器換熱效率先降低，當間冷器冷氣側(cè)流量大于熱氣側(cè)時，換熱效率開始逐漸升高，理論設(shè)計值與試驗值較為接近，最大誤差為7.1%。

(5)換熱效率隨著熱氣冷氣溫比的增大略有升高，最大誤差僅為1.6%；理論設(shè)計點間冷度為0.62，試驗結(jié)果為0.61，根據(jù)試驗結(jié)果擬合出的非設(shè)計點工況間冷度也與理論工況基本相等。

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Heat transfer perform ance of intercooler for an intercooled and recuperated cycle engine

ZHOU Lei，F(xiàn)ANG Hong-yi，ZHU Xiao-hua，CHEN Ji-chen，LOU De-cang，GUO Wen
(AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

The states of intercooler inlet and outlet air condition for cold and hot sides,including total tem?perature、total pressure were obtained through experiment to get the intercooler flow resistance and heat transfer characteristics.The heat transfer performance was evaluated and compared with theoretical calcula?tion results.It shows that hot side loss coefficient of theoretical calculation results are in good agreement with test results;the cold side loss coefficient gradually decreases with the increase of Reynolds number, and the theoretical calculation value is lower than the tests value.W ith the increase of mass flow in cold side,the heat transfer efficiency of intercooler reduces firstly,when the mass flow of cold side is more than that of hot side,the heat transfer efficiency begins to rise.The error between the theoretical valve and tests value is small,and the heat transfer efficiency slightly increases with the ratio of hot and cold air tempera?ture increase,then the efficiency basically remains unchanged.

aero-engine；intercooled and recuperated cycle；intercooler；cross-corrugated heat exchanger；corrugation angle；loss coefficient

V236

：A

：1672-2620(2017)02-0011-06

2017-01-24；

：2017-04-14

周 雷(1989-)，男，苗族，貴州遵義人，助理工程師，碩士，主要從事熱分析及空天動力研究。