U型管式回熱器設計與流動換熱性能試驗研究

童傳琛，方弘毅，康 涌，吳正洪，趙旺東，婁德倉，周 雷

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

U型管式回熱器設計與流動換熱性能試驗研究

童傳琛，方弘毅，康 涌，吳正洪，趙旺東，婁德倉，周 雷

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

在參考國內外文獻資料基礎上，利用FORTRAN語言編寫回熱器流動換熱計算程序，完成回熱器流阻和換熱特性計算。根據計算結果，設計、加工了U型管式回熱器試驗件。試驗研究了燃氣冷氣流量比、溫比、回熱器與燃氣流向夾角以及回熱器套管等參數對回熱器流阻換熱特性的影響，并將試驗結果與計算結果進行對比分析，驗證校核了回熱器數值計算方法的有效性。研究表明，溫比對回熱器的換熱效率影響較小，流量比和回熱器與燃氣流向夾角對流阻和換熱效率影響很大。

航空發動機；間冷回熱循環；回熱器；流阻換熱特性試驗；流量比；溫比；導流結構

1 引言

間冷回熱渦扇發動機是一種新型節能環保航空發動機，通過在原熱循環的基礎上增加間冷過程和回熱過程，使得發動機擁有更低的燃油消耗率。與常規渦扇發動機相比，間冷回熱渦扇發動機增加了間冷器和回熱器，且這兩個部件的性能對整個發動機的性能影響很大，因此間冷器和回熱器的設計成為間冷回熱渦扇發動機研制的關鍵技術之一。

國外對間冷回熱技術開展了大量的研究工作。德國MTU公司利用在航空發動機先進排氣回熱器技術(AEROHEX)計劃中發明的型面管式回熱器技術，設計了一款結構緊湊和耐大溫度梯度的換熱器[1]，并進行了部件的試驗驗證。Micheli等[2]為了優化50 kW微型輪機中CC型回熱器設計，開展了多目標優化方法的研究，其優化目標旨在熱傳輸面積的最大化和負載損耗的最小化。國內Liang等[3]采用遺傳算法優化了100 kW級微型渦輪機中CC型表面回熱器的幾何參數，表明相對于已分析的其他類型表面，CC型表面具有更好的性能。龔昊等[4]通過發展間冷回熱航空發動機性能模擬方法，研究了間冷回熱發動機高度速度特性和節流特性。但國內的研究多集中在間冷回熱熱力循環和間冷回熱渦扇發動機總體性能方面[5]，對于兩個換熱部件的研究并未深入開展，特別是在間冷器和回熱器的設計及校核方面缺乏相關試驗研究。

中國航發四川燃氣渦輪研究院于國內率先開展間冷回熱循環發動機原理樣機研制，并完成了回熱器結構設計和模型試驗件的加工制造。本文基于設計的回熱器模型試驗件，開展了流阻、換熱性能方面的試驗研究，并與設計結果進行對比分析。通過試驗研究，初步掌握了溫比、流量比、燃氣與回熱器夾角以及套管對回熱器性能的影響規律，校核和完善了回熱器設計方法，為間冷回熱循環發動機的研制奠定了基礎。

2 回熱器結構模型

設計的回熱器為U型管式結構，如圖1所示。芯體管束采用橢圓管式結構，燃氣從管束外側通過，冷氣經集氣管后分配到管束內，并與外側燃氣發生熱交換。為提高冷氣在橢圓管內分配的均勻度，集氣管內部增加了套管，見圖2。回熱器幾何尺寸參數見表1。

表1 回熱器結構參數 mmTable 1 Structure parameters of the recuperator

3 回熱器流動傳熱設計

回熱器的流阻性能(燃氣側和冷氣側)和換熱性能是回熱器的重要性能指標。本文根據文獻資料，利用FORTRAN語言編制了U型管式回熱器流阻和換熱性能設計程序，完成回熱器流阻和傳熱性能的計算分析。計算時，忽略安裝接頭部分的影響。計算中，定性溫度取流體平均溫度，特征尺寸D ＝h取當量直徑。

式中：a、b分別代表橢圓的長軸和短軸。

3.1 回熱器流阻計算

[6]中的工程計算方法完成燃氣側和冷氣側流阻計算。

3.1.1 冷氣側

冷氣側壓力損失包括進出口損失、沿程摩擦損失、轉彎損失三部分，計算時假設冷氣在各小橢圓管內分配均勻。

U型管內部沿程摩擦損失：

式中：L為管長；C ＝f為冷氣摩擦損失系數，且

其中：Re ＝c為冷氣雷諾數，且

進出口損失是由于冷氣在集氣管內分配到各小橢圓管內，以及冷氣由小橢圓管匯集到集氣管出口時產生的壓力損失。從入口管分流到傳熱管的壓力損失與從傳熱管合流到出口管的壓力損失之和等于速度的2倍。

流體通過彎頭轉彎引起的壓降，采用《航空發動機設計手冊》[7]中公式計算。轉彎損失：

故總壓損失計算式為：

總壓力損失系數：

3.1.2 燃氣側

橢圓管束外部管束的流阻損失采用Metzger關系式[6]計算：

式中：C ＝fg為流動阻力系數，Re ＝g為燃氣雷諾數，N ＝p為管排數。

3.2 回熱器傳熱計算

3.2.1 冷氣側

冷氣側流動的對流換熱采用下式計算：

式中：Pr為冷氣普朗特數。

3.2.2 燃氣側

在燃氣側外掠管束流動中，外部的流動換熱采用茹卡烏斯卡斯關系式計算——該關系式適用于較大Pr數變化范圍的外掠管束換熱。

對于管排數大于16的管束型回熱器，外部的換熱可采用下式計算：

對于管排數小于16的管束流動換熱，需要考慮修正系數。修正系數一般按照文獻[6]選取。

根據計算得到的傳熱系數，采用效能-傳熱單元數法(ε-NTU法)完成回熱器換熱效率計算。回熱器的效率ε定義為實際傳熱量與最大可能傳熱量之比：

式中：分母為冷、熱流體在混合氣中可能發生的最大溫度差值，分子為冷流體或熱流體在回熱器中的實際溫度差值中的大者。

傳熱單元數NTU為回熱器的總熱導KA與流體中較小的熱容率C ＝min的比值，表明了回熱器無量綱的換熱能力。

對于其他比較復雜的流動型式，ε計算公式可參閱文獻[7]。在低NTU值下，ε值通常都很低；隨著NTU值的增加，ε值也增加，極限情況下趨近于最大值。

4 試驗件及試驗設備

4.1 回熱器模型試驗件

回熱器模型試驗件(圖3)管束的長度、大小、厚度均與原型保持一致，僅管排數減少。試驗件采用不銹鋼材料，U型管由圓形管彎折，橢圓成型后經釬焊到回熱器集氣管上完成模型試驗件的加工。

4.2 試驗設備及測試系統

回熱器試驗在中國航發四川燃氣渦輪研究院綜合換熱試驗臺上完成。該設備主流供氣最高溫度700 K，最大供氣流量2.0 kg/s，最大冷氣流量8.0 kg/s。試驗臺系統由氣源(常溫供氣)、閘閥、調節閥、空氣濾、膨脹節、方形補償器、電加溫器以及聲速噴嘴等組成，如圖4所示。

測試參數主要包括燃氣進出口總溫、總壓；冷氣進出口總溫、總壓；燃氣、冷氣質量流量。其中燃氣總溫總壓采用6支點總溫總壓復合探針測量，冷氣總溫總壓采用3支點總溫總壓復合探針測量，流量采用聲速噴嘴測量。壓力測試精度為±0.3%，溫度測試精度為±1%，流量測試精度為±1%。測點位置如圖5所示。

5 試驗結果及分析

基于上述試驗平臺，對回熱器冷氣側和燃氣側的流阻特性、換熱特性進行試驗研究，研究了燃氣冷氣流量比、溫比，回熱器結構形式(帶導流與不帶導流)，回熱器與燃氣流向安裝角度對回熱器換熱效率的影響。

5.1 回熱器流阻特性試驗

回熱器豎直布置在燃氣通道內，與燃氣主流呈90°夾角，分別測試不同流量下冷氣側(管內)和燃氣側(管外)的進出口壓力損失。

圖6是冷氣進口溫度為常溫下，冷氣側壓力損失系數隨冷氣雷諾數的變化。可看出隨著冷氣雷諾數的增加，冷氣側壓力損失系數逐漸降低；有套管的回熱器冷氣壓力損失系數比無套管的高。壓力損失系數計算結果與試驗結果趨勢一致，但計算值普遍高于試驗值，最大誤差為15.4%。

圖7是燃氣側壓力損失系數隨燃氣雷諾數變化的計算值與試驗值比較。可看出隨著燃氣雷諾數的增大，燃氣側壓力損失系數呈現遞減趨勢，計算結果與試驗結果趨勢一致；燃氣壓力損失系數計算值略高于試驗值，最大誤差為12.1%。

從以上結果看出，無論是冷氣側還是燃氣側，壓力損失計算值與試驗測試值都存在一定誤差。主要原因為：

(1) 加工精度的限制。試驗件實際結構尺寸與設計值存在差異，回熱器管束橫向間距不夠均勻，造成局部氣流損失偏離計算值。

(2) 計算方法本身精度有限。計算采用的經驗公式假設流量在各小橢圓管內均勻分配，而實際并非如此。特別是冷氣在集氣管和小橢圓管之間的分配與匯合，流動復雜，損失公式很難描述，需要進一步修正計算方法。

(3) 燃氣壓力損失計算時，未考慮回熱器試驗件與試驗通道縫隙對流阻的影響。

5.2 回熱器換熱特性試驗

按照回熱器進氣參數的不同，換熱特性試驗分為流量比試驗與溫比試驗。根據回熱器與燃氣流向夾角的不同，分為10°、20°、30°、90°四種試驗狀態。按照結構的差別分為帶套管和無套管兩種結構。

5.2.1 流量比換熱試驗

進口燃氣總溫為420 K，冷氣為常溫，固定燃氣進口質量流量為0.97 kg/s。通過改變冷氣質量流量，研究燃氣冷氣流量比對回熱器換熱效率的影響。

圖8顯示了換熱效率隨流量比的變化。可看出，隨著燃氣冷氣流量比的增加，換熱效率先降低后增加，最后趨于一個穩定值。設計點(流量比為1.05，燃氣流量0.97 kg/s，冷氣流量0.92 kg/s)時，回熱器換熱效率為0.635。回熱器與燃氣的夾角對換熱效率也有明顯影響，同一流量比下夾角越小(最小10°)換熱效率越低，夾角越大(最大90°)換熱效率越高。

相同試驗工況下，與無套管結構的回熱器相比，有套管結構的回熱器的換熱效率略高。燃氣冷氣流量比低于1.2時，換熱效率計算值(90°夾角)低于試驗值；流量比高于1.2時，計算值與試驗值比較接近。計算值與試驗值最大誤差為6.7%，總體看二者比較吻合。

5.2.2 溫比換熱試驗

進口燃氣質量流量為0.97 kg/s，冷氣質量流量為0.92 kg/s，燃氣冷氣質量流量比保持不變。固定進口冷氣為常溫不變，通過改變燃氣進口溫度，研究不同燃氣冷氣溫比下回熱器換熱效率的變化。

圖9示出了燃氣冷氣溫比對換熱效率的影響。可看出，隨著燃氣溫度的升高，燃氣冷氣溫比增大，換熱效率逐漸增大，但增加幅度很小；有套管的回熱器的換熱效率略高于無套管的。計算結果與試驗結果在數值上和趨勢上都比較吻合，最大誤差不超過5%。其他參數保持不變時，回熱器與燃氣的夾角越大換熱效率越高。

6 結論

通過試驗和數值計算完成了對U型管式回熱器的流阻和換熱特性的研究，研究結果對于空氣-空氣回熱器的設計以及性能分析具有借鑒意義。研究得出以下結論：

(1)U型管式回熱器，冷氣壓力損失系數隨著冷氣雷諾數的增大而降低，計算結果與試驗測試結果變化趨勢一致；帶套管結構的冷氣損失系數比不帶套管結構的高。燃氣側壓力損失系數隨著燃氣雷諾數的增大逐漸降低，計算值與試驗值基本一致。

(2)燃氣冷氣流量比對回熱器性能的影響較大，隨著流量比的增大換熱效率先降低然后迅速增大，并最終趨于一定值。燃氣冷氣溫比對換熱效率的影響較小，隨著溫比的增加回熱器換熱效率不斷增大，但增加幅度不大。

(3)套管對回熱器性能有一定影響。帶套管的回熱器的換熱效率要比不帶套管的高，但套管會引起冷氣側流阻增大。

(4)回熱器與燃氣流向夾角對換熱效率影響較大，回熱器豎直方向與來流90°時換熱效率最大。

(5) 在進口燃氣質量流量為0.97 kg/s，冷氣質量流量為0.92 kg/s狀態時，回熱器換熱效率為0.635。

參考文獻：

[1]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.

[2]Micheli D，Pediroda V，Pieri S.Multi-objective optimiza?tion of a m icroturbine compact recuperator[R].ASME GT2007-27763，2007.

[3]Liang H X，Xie G N，Zeng M，et al.Genetic algorithm opti?mization for primary surfaces recuperator of microturbine [R].ASME GT2006-90366，2006.

[4]龔 昊，王占學，康 涌，等.間冷回熱航空發動機性能計算與分析[J].航空動力學報，2014，29(6)：1453—1461.

[5]李剛團，黃 鶯，龔 昊.大涵道比間冷回熱渦扇發動機總體方案研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2016，29(1)：1—9.

[6]凱斯W M.緊湊式熱交換器[M].北京：科學出版社，1997.

[7]航空發動機手冊總編委會.航空發動機設計手冊：第16冊—空氣系統與傳熱分析[K].北京：航空工業出版社，2001.

Design and experim ent study of the flow and heat transfer perform ance of U-shaped recuperator

TONG Chuan-chen，FANG Hong-yi，KANG Yong，WU Zheng-hong，ZHAO Wang-dong，LOU De-cang，ZHOU Lei
(AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

Based on the relative references from home and abroad,the flow and heat transfer computation program of a recuperator for aero-engine applications was compiled by FORTRAN to calculate the flow re?sistance and heat transfer characteristics.According to the results,the U-shaped recuperator model for ex?periment was designed and constructed.The impact of gas/air mass flow ratio,inlet temperature ratio of gas and air,attack angle of gas,and guide vane on the performance of the recuperator was studied through ex?periments.Experimental results were compared with the numerical results and the methodology of calcula?tion was verified.The results show that temperature ratio has less influence on the heat transfer efficiency of the recuperator than that of mass flow ratio and attack angle.

aero-engine；intercooled and recuperated cycle；recuperative heat exchanger；flow resistance and heat transfer experiment；mass flow ratio；temperature ratio；guide vane

V236

：A

：1672-2620(2017)02-0017-05

2017-01-24；

：2017-04-21

童傳琛(1987-)，男，河南太康人，工程師，碩士，主要從事航空發動機冷卻設計及熱分析。