艦船燃氣輪機間冷器優化設計與性能分析

董 威，高 鵬，鄭培英，楊芳菲

（1.上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240；2.中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

0 引言

間冷循環或間冷回熱循環燃氣輪機相對于普通燃氣輪機設計工況熱效率提高，功率比提高25%，油耗降低30%～40%，而且克服了在低工況下經濟性變差的弱點，因而已經成為艦船燃氣輪機的發展趨勢[1-2]。

間冷器性能的好壞對間冷回熱循環燃氣輪機總體性能的影響至關重要。而板翅式換熱器由于具有較好的結構強度、相對簡單的結構形式和非常高的換熱效率，近幾十年來發展迅速[3]，已經成為艦船燃氣輪機間冷器和回熱器的首選換熱器形式[4]。

本文采用緊湊換熱器小通道內的流動換熱經驗公式對矩形平直翅片式間冷器的流動換熱性能進行結構參數優化分析，結合中等功率艦船燃氣輪機的結構特點和性能要求，提出了合理的間冷器設計分析方法，針對所設計的間冷器開展了冷卻介質流動參數和燃氣輪機不同工作狀態下間冷器性能分析。

1 間冷器設計與性能分析

本文重點研究矩形平直翅片式間冷器。在間冷器設計時，著重考慮2個性能參數：間冷器的壓降和溫降。間冷器的壓降必須盡可能地小，因為其最終會對燃氣輪機耗油率產生不利影響；間冷器的換熱能力必須盡可能大，以在規定的最小壓降的通道和空間內盡可能多地提取熱量，從而提高高壓壓氣機效率。從間冷器的設計角度來看，在限定尺寸范圍內壓降和溫降是相互矛盾的，因此，必須對間冷器的結構參數和流動參數進行優化設計，從而提高間冷器綜合流動換熱性能，以滿足艦船燃氣輪機的結構和總體設計性能的需要。間冷器內部冷熱介質流道內的流動換熱可以采用CFD計算分析，得到冷熱介質詳細的流動換熱過程，為間冷器的結構參數設計提供合理的優化改進方向[5]。

本研究的間冷器的結構形式由其安裝位置所決定，一般來說，間冷器的布置有機外布置和機內布置2種。對于艦船燃氣輪機而言，由于其結構尺寸的要求，間冷器的布置往往采用機內布置。典型的機內布置形式如WR-21燃氣輪機間冷器的環形布置[6-7]，低壓壓氣機出口氣流先經過擴壓流道減速，然后以適當速度進入間冷換熱器，經過間冷器后的氣流通過收縮通道后加速流入高壓壓氣機，間冷系統的流路如圖1所示。該布置形式有利于簡化整個間冷流路的結構設計，同時有利于減少間冷流路的壓降損失，提高高壓壓氣機進口氣流的流場品質。本文采用有利于艦船燃氣輪機安裝維護的間冷器多模塊設計方案。

垂直于燃氣輪機軸線的整個間冷器截面如圖2所示。沿周向布置了10個間冷模塊，每2個模塊為2組，每組可以單獨拆卸進行維護，冷卻介質從中間流入，從模塊的兩側流出，與熱氣形成叉逆流的換熱形式。每個間冷模塊3個方向的外形參數不是相互獨立的，間冷器氣體流動長度L1和寬度L2與間冷模塊的安裝位置(即距離燃氣輪機軸線的內徑r和外徑R的大小)相關聯，如下式所示；軸向厚度L3受到燃氣輪機軸向尺寸本身的制約。

為盡量減少熱氣側的流動壓降，同時簡化加工工藝，間冷器的冷熱介質兩側都采用平直翅片，考慮到間冷器內部小通道的流動傳熱CFD計算所耗資源十分巨大，借助緊湊式換熱器的效率—傳熱單元數設計方法對所設計的間冷器流動傳熱性能進行計算分析，設計及性能分析流程如圖3所示。冷熱兩側流動的摩擦因子f和努塞爾數Nu計算為

式中：Re、Pr、μ、gm、de分別為介質的雷諾數、普朗特數、黏性系數、質量流速和當量直徑。

冷熱介質的平均溫度考慮了介質沿程的溫度變化情況，物性參數的計算由內置數據庫插值得到[8]。

以中等功率燃氣輪機的參數條件對所設計的間冷器流動換熱性能進行了分析，設計參數取燃氣輪機在ISO標準狀態下工作時，間冷器熱側氣體進口溫度為161℃，壓力為0.35 MPa，流量為75 kg/s，冷卻介質采用淡水，流量為90 kg/s，溫度為20℃。設計約束條件為：限制間冷器流道最大外徑R=1025 mm，厚度亦即軸向尺寸最大為360 mm。在結構尺寸限制范圍內對間冷器參數進行設計優化，間冷器材質選用銅鎳合金材料。

在目前可行的銅鎳合金板翅加工條件下，通過對板間距、翅片間距和厚度等參數的影響分析確定間冷器的板片和翅片的結構參數[9]。燃氣輪機在ISO標準狀態下工作時，間冷器效率不低于0.8，氣體壓降不大于3%的情況下，間冷器內部結構參數見表1。

表1 間冷器內部結構參數 mm

為了在燃氣輪機高度、軸向限制尺寸范圍內優化間冷器的總體結構尺寸，在間冷器處于外徑極限尺寸條件下，改變所在位置的內徑大小，在其他參數如板間距、翅片間距等都不變的情況下，得到了間冷器氣側總壓恢復系數和出口溫度變化曲線，如圖4、5所示。綜合考慮間冷器氣側出口溫度和總壓恢復系數對燃氣輪機總體性能的影響，從而確定間冷器的結構尺寸。

2 淡水參數對間冷器性能的影響

艦船燃氣輪機間冷器設計中所關心的參數主要是流過間冷器的氣體溫降和壓降，在間冷器結構尺寸限定的情況下，可以通過增加流過間冷器的淡水流量來降低氣體出口溫度。板翅式間冷器傳熱過程總熱阻1/(KA)為

式中：η0為換熱表面效率；α為對流換熱系數；A為傳熱面積；下標1、2分別代表氣側和液側。

對于氣液換熱來說，氣側對流換熱系數要比液側的小得多，從提高換熱效率的角度來看，應該重點關注氣側換熱系數的增大。但艦船燃氣輪機間冷器的尺寸受限程度很大，同時氣側壓降如果過大對燃氣輪機總體性能的影響有可能超過氣體溫度降低所帶來的效益提升。因此，在有限壓降和尺寸限制提升氣側換熱效果的前提條件下，可以通過增大液側換熱系數來提高間冷器的換熱性能。液側換熱效果會隨著液側流量的增大而逐漸提高，但其趨勢會逐漸減緩；同時隨著液側流量的增大，間冷系統液側管路尺寸都將增大。因此，確定合理的液側流量也是間冷器整體優化的1個方面。

以1組滿足設計要求的間冷器尺寸L1=300 mm、L2=430 mm、L3=360 mm為例，分析液側流量的變化對間冷器效率的影響,間冷器效率隨液側流量變化的關系曲線如圖6所示。從圖中可見，隨著液側流量的增加，間冷器效率開始提高的速度非常快，但是當液側流量增加到一定程度后繼續增加，間冷器效率的提高趨于平緩。經綜合考慮，本文研究的中等功率燃氣輪機間冷器液側流量選為90～100 kg/s。

3 非設計工況下間冷器的性能

艦船燃氣輪機的總體性能既要求其設計點性能好，也要求在非設計點工作時同樣能滿足性能要求。分析艦船燃氣輪機非設計點總體性能時需要給出間冷器在相應工作參數下的換熱性能和壓力恢復系數的變化。在上述間冷器結構尺寸和液側流動參數給定的情況下，根據燃氣輪機非設計工況所給出的流動參數條件，針對上文所選定的間冷器結構參數和尺寸，計算分析了間冷器的效率和壓力恢復系數的變化情況。燃氣輪機在非設計工況下的間冷器氣側進口流動參數的變化如圖7所示；在非設計工況下的間冷器的效率和總壓恢復系數的變化如圖8、9所示。

4 結論

本文借助板翅式換熱器內部流動通道的換熱和壓降計算方法，針對艦船燃氣輪機低壓壓氣機和高壓壓氣機流道的結構特點，設計了合理的間冷器結構形式，并研究了間冷器的結構參數變化對間冷器性能的影響。文中給出的間冷器結構形式考慮了艦船燃氣輪機的流道形式，對開展艦船燃氣輪機間冷器設計與優化提供了有益參考。從間冷器效率隨液側流量變化的分析可知，間冷器效率隨著液側流量的增加而逐漸提高。液側流量較低時，間冷器效率隨著液側流量增大而提高得很快，但是當液側流量增加到一定程度后繼續增加，間冷器效率的提高趨于平緩。考慮到由于液側流量增大所帶來的液側阻力損失對燃氣輪機總體性能沒有影響，可以通過增加液側流量來提高間冷器的效率，但在確定間冷器液側流量時應該考慮過大的液側流量使間冷器效率提高趨緩，也使得間冷器液側管路布置困難，需合理確定間冷器的液側流量。在燃氣輪機非設計工況下，流量成為影響間冷器性能的主要因素，因此，在燃氣輪機部分負荷時，間冷器的效率和總壓恢復系數都有所增加，所以在設計間冷器時只需針對設計點工況優化設計，同時給出非設計點間冷器的性能參數，以便于燃氣輪機總體性能計算分析。

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