1次表面換熱器在艦船燃?xì)廨啓C間冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

曹 輝 ，劉蔭澤，董 威

（1.海軍駐上海江南造船（集團）有限責(zé)任公司軍事代表室，上海201913；2.上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海200240）

1次表面換熱器在艦船燃?xì)廨啓C間冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

曹 輝1，劉蔭澤2，董 威2

（1.海軍駐上海江南造船（集團）有限責(zé)任公司軍事代表室，上海201913；2.上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海200240）

1次表面換熱器憑借其高效緊湊的換熱特點特別適用于艦船燃?xì)廨啓C的間冷系統(tǒng)中。為其在燃?xì)廨啓C間冷系統(tǒng)的應(yīng)用提供設(shè)計指導(dǎo)，在保證間冷系統(tǒng)性能要求的前提下減小間冷器的尺寸和體積，開展液-氣1次表面換熱器的換熱性能和壓降研究。針對艦船燃?xì)廨啓C設(shè)計點間冷器的典型熱力參數(shù)和布置特點，設(shè)計了滿足間冷系統(tǒng)性能要求的間冷器模塊，給出并分析了所設(shè)計的間冷器在不同冷卻淡水溫度和流量下的換熱器性能。結(jié)果表明：在燃?xì)廨啓C非設(shè)計工況下間冷器的氣側(cè)出口溫度和壓降會隨著燃?xì)廨啓C負(fù)荷的下降呈近似線性下降，在燃?xì)廨啓C低負(fù)荷時需注意氣體中水冷凝問題。

1次表面換熱器；間冷系統(tǒng)；艦船燃?xì)廨啓C；緊湊換熱器

0 引言

近年來，大中型水面戰(zhàn)艦趨向于采用燃?xì)廨啓C和柴油機及其聯(lián)合動力裝置，艦船燃?xì)廨啓C能夠顯著提升艦船的動力性能，燃?xì)廨啓C在艦船的應(yīng)用前景非常廣闊[1-2]。燃?xì)廨啓C間冷回?zé)嵫h(huán)不僅在設(shè)計工況下熱效率高、功率大，而且克服了簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C在低工況下經(jīng)濟性變差的弱點[3-4]。在間冷回?zé)嵫h(huán)中，間冷器位于低壓壓氣機和高壓壓氣機之間，是間冷回?zé)嵫h(huán)的重要部件，利用間冷器降低低壓壓氣機出口氣流的溫度，可以提高燃?xì)廨啓C的效率和輸出功率。艦船燃?xì)廨啓C間冷器由于受安裝空間的限制，對其緊湊性提出了很高要求，同時在設(shè)計時還要重點關(guān)注間冷器在內(nèi)的整個流道的壓降和間冷器的換熱效率[5-6]。

1次表面換熱器（Primary Surface Heat Ex-changer,PSHE）是1種高效的緊湊換熱器，在燃?xì)廨啓C動力領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。由于其冷熱介質(zhì)的熱量傳遞完全通過1次表面完成，避免了由于2次表面引起的換熱效率的下降，因此1次表面換熱器比目前常用的板翅式換熱器更為緊湊。板翅式換熱器用于間冷器的設(shè)計研究在國內(nèi)已經(jīng)逐漸趨于成熟[7-8]，當(dāng)前研究主要集中于各種耐海水腐蝕材料在板翅式換熱器的制造加工上；1次表面換熱器在國外燃?xì)廨啓C系統(tǒng)應(yīng)用中積累了一定經(jīng)驗，其制造技術(shù)不斷提升[9]。Utrianen和Sunden等[10-11]比較了多種1次表面結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)CC型表面換熱器的換熱性能更為優(yōu)異，且更易于加工制造。對于1次表面換熱器流動換熱的特點和細(xì)節(jié)的研究工作也越來越多，但國內(nèi)對其實際應(yīng)用還很少，目前多集中于該換熱器的設(shè)計和內(nèi)部流動換熱，以及通道內(nèi)流動特點的數(shù)值模擬研究。劉振宇等[12]根據(jù)1次表面換熱器的結(jié)構(gòu)特點和流動傳熱規(guī)律，應(yīng)用優(yōu)化理論建立其多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；程惠爾等[13]對拋物線、橢圓和正弦波3種波紋通道的1次表面換熱器熱性能進(jìn)行了對比分析計算，3種波形中正弦波通道相對具有較高的傳熱效率和可接受的壓降損失，但是影響換熱器性能的主要因素不是幾何形狀而是幾何尺寸；Ma Ting等[14]發(fā)現(xiàn)換熱器內(nèi)部的溫度分布非常不均勻，主流方向的熱傳導(dǎo)對換熱性能的影響較大；Du等[15]對CW型通道換熱器進(jìn)行了數(shù)值研究，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。

1次表面換熱器高緊湊度的特點決定了其在燃?xì)廨啓C系統(tǒng)中將會有廣泛的應(yīng)用前景。為了開展1次表面換熱器在燃?xì)廨啓C間冷系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，針對艦船燃?xì)廨啓C間冷器的流動換熱要求以及其典型布置形式，本文提出滿足間冷系統(tǒng)性能要求的間冷器模塊設(shè)計，分析其在不同工況下的換熱性能和壓力損失特點，以期能夠為1次表面換熱器在燃?xì)廨啓C間冷系統(tǒng)中的應(yīng)用提供設(shè)計參考。

1 1次表面間冷器流動換熱分析方法

間冷器的布置有機外布置和機內(nèi)布置2種，間冷器的結(jié)構(gòu)形式由其安裝位置所決定。WR-21燃?xì)廨啓C間冷器直接布置在燃?xì)廨啓C的流道上，采用了機內(nèi)環(huán)形布置形式，如圖1所示。WR-21燃?xì)廨啓C間冷器為銅-鎳合金材質(zhì)的釬焊板翅式換熱器，位于低壓壓氣機和高壓壓氣機之間的環(huán)形通道中，由5個獨立模塊的板翅式逆流換熱器、換熱器殼體以及相關(guān)的冷卻液進(jìn)口、口管和閥門組成。

考慮到間冷器的位置以及環(huán)形布置方式，借鑒WR-21燃?xì)廨啓C間冷器的模塊結(jié)構(gòu)形式，將間冷器設(shè)計成10個模塊，便于間冷器的拆裝維護(hù)。10個間冷器模塊組成了1個整體的燃?xì)廨啓C間冷器，環(huán)形間冷器布置的截面如圖2所示。單個模塊3個方向的外形參數(shù)不是相互獨立的，間冷器長度L1和寬度L2與間冷器流道內(nèi)徑r和流道外徑R的大小相關(guān)聯(lián)；軸向厚度L3由板間距、隔板厚度、側(cè)板厚度、冷熱側(cè)層數(shù)等多個變量決定，同時還要受到間冷器軸向尺寸本身的制約。L1和L2與r和R的關(guān)系為[8]

以傳熱單元數(shù)法（η-NTU）為基礎(chǔ)，結(jié)合1次表面換熱器的結(jié)構(gòu)特點，建立了1次表面換熱器的設(shè)計及熱力性能分析方法。在分析中，阻力系數(shù)f在高、低雷諾數(shù)下分別由Darcy和Reid公式給出；努賽爾數(shù)（Nu）在高、低雷諾數(shù)流動下分別由Dittus-Boelter方程和Reid公式給出。

式中：當(dāng)流體被加熱時，n=0.4；流體被冷卻時，n=0.3。

Dittus公式的試驗驗證范圍為104≤Re≤1.25×105

式中：103≤Re≤104。

在上面熱力計算和流動阻力計算的基礎(chǔ)上，編制了1次表面換熱器的設(shè)計軟件，1次表面換熱器的設(shè)計及熱力性能分析流程如圖3所示。

所設(shè)計的1次表面間冷器參照WR-21燃?xì)廨啓C間冷器的結(jié)構(gòu)形式，氣流參數(shù)也以WR-21燃?xì)廨啓C間冷器作為參照條件進(jìn)行1次表面換熱器在燃?xì)廨啓C間冷系統(tǒng)的應(yīng)用研究。在設(shè)計中取r=630 mm，R=1100 mm，軸向尺寸最大為405 mm。間冷器氣側(cè)進(jìn)口溫度為707℃，10個模塊總的氣體流量為75 kg/s，淡水進(jìn)口溫度為561℃，10個模塊總的淡水流量為100 kg/s。

壓降和效率是間冷器在設(shè)計時著重考慮的2個性能參數(shù)。間冷器的壓降必須盡可能小，以免對耗油率產(chǎn)生不利影響；間冷器的換熱能力必須盡可能大，以便在規(guī)定的通道和空間內(nèi)盡可能多地提取熱量，從而提高高壓壓氣機的進(jìn)氣流量和效率。所設(shè)計的1次表面換熱器芯體為橢圓弧形波紋，2條相鄰圓弧的長半軸和短半軸分別為a和b。為了使熱氣和冷氣兩側(cè)的表面?zhèn)鳠岷蛪航蹬浜虾侠?，在設(shè)計中根據(jù)設(shè)計點的冷熱側(cè)流體流動參數(shù)和換熱器安裝空間結(jié)構(gòu)，給出的1次表面芯體波紋具體參數(shù)見表1。板片波紋曲線ABC和CDE在交點C處的斜率相同，同時，換熱器波紋板輪廓曲線如圖4所示。

表1 冷熱芯體主要幾何參數(shù)

2 淡水溫度和流量對間冷器性能的影響

燃?xì)廨啓C間冷器設(shè)計中關(guān)心的是間冷器的氣側(cè)溫度和壓力變化。流過間冷器的淡水流量會對間冷器的出口溫度產(chǎn)生影響，當(dāng)?shù)髁吭龃髸r，間冷器的氣側(cè)溫度會下降，但是淡水流量過大會使得淡水壓降增加，從而增加淡水供應(yīng)系統(tǒng)的體積和運行費用。對于間冷器這種氣液換熱系統(tǒng)來說，氣側(cè)對流換熱系數(shù)要比液側(cè)小得多，從提高換熱效率的角度來看應(yīng)該重點關(guān)注氣側(cè)的換熱系數(shù)的提高。在所設(shè)計的1次表面換熱器尺寸參數(shù)不變的前提下，改變淡水流量分析1次表面間冷器氣側(cè)出口溫度和壓力的變化從而分析淡水流量對間冷器性能的影響。淡水流量對1次表面換熱器氣側(cè)出口溫度和壓降的影響如圖5所示。從圖中可見，1次表面間冷器氣側(cè)出口溫度隨著淡水流量的增加，開始下降很快，但當(dāng)?shù)髁恐饾u增加時，1次表面間冷器氣側(cè)出口溫度下降趨于平緩。由于淡水流量增加所帶來的液側(cè)阻力損失對燃?xì)廨啓C總體性能沒有太大影響，因而可以采用增加淡水流量來降低1次表面間冷器的氣側(cè)出口溫度。熱側(cè)氣體壓降的變化也有同樣趨勢，壓降的變化主要由于氣體溫度變化帶來氣體的密度變化而引起的，但總體來說，氣側(cè)壓降的變化不大。

艦船間冷系統(tǒng)的淡水溫度會由于航行區(qū)域海水溫度的變化而變化，在所設(shè)計的換熱器尺寸參數(shù)不變的前提下，通過改變淡水進(jìn)入間冷器的溫度來研究淡水溫度變化對1次表面間冷器氣側(cè)出口溫度和壓力的影響。淡水進(jìn)口溫度對1次表面換熱器氣側(cè)出口溫度和壓降的影響如圖6所示。從圖中可見，1次表面間冷器氣側(cè)出口溫度隨著淡水溫度的增加而線性增加。間冷器氣側(cè)出口溫度直接影響燃?xì)廨啓C的性能，而淡水溫度對間冷器氣側(cè)出口溫度的影響很大，因而應(yīng)該特別關(guān)注由于艦船航行海域海水溫度不同而引起的淡水進(jìn)口溫度變化對燃?xì)廨啓C性能造成的影響。熱側(cè)氣體壓降的變化也同樣呈現(xiàn)隨淡水進(jìn)口溫度的線性變化，壓降的變化也是由于氣體溫度變化引起密度變化而引起的，但壓降的絕對數(shù)值并不大。

3 非設(shè)計工況下間冷器的性能

在所設(shè)計的1次表面間冷器結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和淡水流動參數(shù)給定的情況下，根據(jù)典型艦船燃?xì)廨啓C非設(shè)計工況參數(shù)，計算分析了1次表面間冷器氣側(cè)出口溫度和壓降的變化情況。艦船燃?xì)廨啓C在非設(shè)計工況所對應(yīng)的1次表面間冷器10個模塊的氣側(cè)進(jìn)口的總流量、溫度和壓力變化如圖7所示。從圖中可見，在燃?xì)廨啓C非設(shè)計工況下，間冷器進(jìn)口的流量、溫度和壓力變化很大，從而對間冷器的換熱和壓降性能產(chǎn)生很大影響。

在非設(shè)計工況下1次表面間冷器氣側(cè)出口溫度和壓降的變化如圖8所示。從圖中可見，1次表面間冷器的氣側(cè)出口溫度和壓降會隨著燃?xì)廨啓C負(fù)荷的下降而下降。這里分析假定淡水的進(jìn)口溫度和流量都不隨燃?xì)廨啓C的負(fù)荷變化而變化，在實際燃?xì)廨啓C運行中，間冷器淡水進(jìn)口的溫度受到燃?xì)廨啓C負(fù)荷的變化影響，需要與間冷系統(tǒng)的機外換熱器聯(lián)立進(jìn)行分析。在燃?xì)廨啓C低負(fù)荷運行時，由于間冷器出口溫度的下降可能使氣體中的水冷凝，這是在燃?xì)廨啓C間冷系統(tǒng)設(shè)計中需要注意的問題。

4 結(jié)束語

針對艦船燃?xì)廨啓C間冷器的布置特點，開展了1次表面換熱器在艦船燃?xì)廨啓C間冷系統(tǒng)中應(yīng)用研究。在1次表面換熱器換熱和流阻計算方法分析的基礎(chǔ)上，編制了1次表面間冷換熱器的設(shè)計開發(fā)程序，并應(yīng)用該程序進(jìn)行了1次表面間冷器設(shè)計。給出了所設(shè)計的換熱器在不同冷卻淡水溫度和流量下的性能，分析了其在艦船燃?xì)廨啓C非設(shè)計工況下性能變化，分析結(jié)果可為1次表面換熱器在艦船燃?xì)廨啓C間冷系統(tǒng)上的應(yīng)用提供有益的參考。

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Application of Primary Surface Heat Exchanger in Intercooler System of Marine Gas Turbine

CAO Hui1，LIU Yin-ze2，DONG Wei2
（1.The Navy Station in Shanghai Jiangnan Shipyard （Group） Company Limited,Shanghai 201913,China;2.School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China）

The primary surface heat exchanger takes such high efficiency and compactness that is extremely suitable for intercooler system of marine gas turbine.In order to guide the whole design for the application in intercooler system of marine gas turbine,the size and volume of intercooler was reduced on condition that the performance requirements of the intercooler system was guaranteed,and the investigation of heat transfer performance and pressure drop of liquid-gas primary surface heat exchanger was performed.According to the performance requirements and the layout characteristics of intercooler of the marine gas turbine,the intercooler module was designed,and the performance of the primary surface heat exchanger at different temperatures and mass flow rates of inlet water was come to results.The results show that the outlet temperature and pressure drop of air side decrease linearly with decreasing of gas turbine load and the vapor condensation should be considered in gas turbine running at low load.

primary surface heat exchanger;intercooler system;marine gas turbine;compact heat exchanger

V 231.1

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.03.008

2017-01-25 基金項目：先進(jìn)航空發(fā)動機協(xié)同創(chuàng)新計劃資助

曹輝（1979），男，從事艦船燃?xì)廨啓C監(jiān)造及高效緊湊換熱器研究工作；E-mail:470613836@qq.com。

曹輝，劉蔭澤，董威.1次表面換熱器在艦載燃?xì)廨啓C間冷系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].航空發(fā)動機，2016，43（3）：38-42.CAO Hui,LIU Yinze,DONG Wei.Application ofprimaryheat exchanger in intercooler systemfor marine gas turbine[J].Aeroengine，2016，43（3）：38-42.

（編輯：張寶玲）