艦船燃氣輪機間冷系統流動參數優化分析

高 鵬 ，董 威

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

艦船燃氣輪機間冷系統流動參數優化分析

高 鵬 ，董 威

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

在傳統換熱器的設計理論和方法的基礎上，進行了燃氣輪機間冷系統的優化設計。使用V B程序語言和V S平臺開發了輔助間冷系統設計程序，利用該程序進行了某參數條件下燃氣輪機間冷系統的初步設計，并分析了不同液側進口參數對間冷系統性能的影響。分析結果表明:乙二醇水溶液流量和海水流量的增加都可以提高間冷系統性能，但流量不是越大越好，應根據條件合理選擇流量；海水溫度對間冷系統效率的影響很顯著，優化設計時要加以考慮。

間冷系統；艦船燃氣輪機；板翅式換熱器；板式換熱器；流動參數;優化分析

0 引言

與簡單循環燃氣輪機相比，間冷回熱循環燃氣輪機有很多優點：在設計工況下，功率更大、熱效率更高，從而在典型的運行工況下可以減少25%甚至更多的耗油量；在低工況下，克服了簡單循環經濟性很差的缺點；在運行時可靠性更高、噪聲更低，而且排氣的紅外輻射更少[1-2]。因此，間冷回熱循環成為近期燃氣輪機研究熱點。隨著技術的成熟，間冷回熱循環燃氣輪機與柴油機組成大中型水面戰艦的聯合動力裝置，明顯提高了戰艦的動力性能，應用前景十分廣闊[3]。由于間冷系統所處的位置，間冷循環燃氣輪機間冷系統要盡量緊湊，加之機上間冷器流道復雜，因此，開展機上間冷器的結構優化設計分析非常重要。

中國燃氣輪機間冷技術的發展起步較晚，尚未形成1套完整理論。蘇明等人對間冷回熱燃氣輪機板翅式回熱器的性能參數和結構參數的優化技術進行了分析[4]。董威、文超柱等人對間冷器傳熱與流動進行了數值分析[5-6]。可以說，國內有關燃氣輪機間冷回熱循環系統的研究仍在不斷進行中。因此，開展艦船燃氣輪機間冷系統設計和優化研究具有現實意義。

1 間冷系統概述

間冷系統（如圖1所示）是間冷回熱循環中的重要部件[7]，位于燃氣輪機低壓壓氣機和高壓壓氣機之間，通過降低進入高壓壓氣機氣流的溫度，以減少高壓壓氣機的壓縮耗功，增加高壓壓氣機的進氣流量，提高燃氣輪機的輸出功率以及與回熱器和動力渦輪共同降低燃氣輪機的耗油率。

艦船燃氣輪機間冷系統由機上間冷器組件和機外海水換熱器組件組成，通過機上氣液換熱器從低壓壓氣機的出口空氣中提取熱量，由乙二醇水溶液（EG）將熱量帶到機外EG-海水換熱器中，最終由機外換熱器中的海水將這些熱量排入大海。

燃氣輪機間冷器的設計要著重考慮2個性能參數：（1）通過進氣通道、換熱器和出口通道的壓降；（2）換熱器的效率。由于通過換熱器的壓降給高壓壓氣機增加了額外負擔，從而會增加耗油率，因此，所有間冷器段的壓降應盡可能小。而換熱器的換熱能力必須盡可能地大，使得在規定的最小壓降的通道和空間內盡可能多地交換熱量，從空氣中吸取的熱量越多，空氣溫度就越低，允許更多空氣進入高壓壓氣機。因此，在設計中要協調好這2個性能參數。

2 結構設計方案

板翅式換熱器具有較好的結構強度和較簡單的加工工藝，而且換熱效率高，空間安排較緊湊，因此，本文設計的機上間冷換熱器采用叉流式板翅式換熱器。另外，間冷換熱器的進口空氣來自低壓壓氣機出口，壓力比較高，為此，本文采用平直翅片，翅片形狀定為矩形，其板束基本結構如圖2所示。

板式換熱器波紋板片的交叉相疊大大加強了流體的擾動，且清洗、檢修方便，因此本文所設計的機外液液換熱器采用波紋型板式換熱器。

為了方便機上間冷器的安裝維護，借鑒WR-21燃氣輪機間冷器的結構形式，將機上間冷器設計成10個模塊[8]，每個模塊能獨立拆卸維護，所有模塊組成1個整體燃氣輪機間冷器。為了接近環形，間冷器的基本模塊可按多邊形布置，在2個基本模塊中間的楔形通道布置乙二醇水溶液的進、出口管路，在每個楔形通道里只需要布置進口接管或者出口接管。

3 程序編制

利用傳統的計算步驟對換熱器進行設計，設計效率很低，準確度也較差，所以通過編制熱力學計算程序來完成艦船燃氣輪機間冷器系統設計。

間冷系統在給出低壓壓氣機出口溫度、壓力、流量和海水溫度、流量的條件下，首先，假設循環進入機上間冷器的乙二醇水溶液的溫度，然后，通過進行機上的板翅式換熱器和機外的板式換熱器的性能計算反復迭代，從而得到高壓壓氣機進口氣體的溫度和壓力。

間冷系統程序流程如圖3所示。

由于流動形式不同，機上循環中板翅式換熱器的努塞爾數（Nu）和摩擦因子的計算公式也不一樣。

（1）充分發展層流時，不同翅片幾何結構的Nu和f不同，但是只與通道的幾何形狀和熱邊界條件有關。通過查找有關數據[9-10]，擬合了層流時橫壁溫條件下的Nu以及f隨截面尺寸的變化，得到最后的擬合公式

式中：a、b分別為翅片通道的橫截面尺寸。

（2）紊流時采用Gnielinsk推薦的關系式

機外循環中的板式換熱器的Nu和歐拉數Eu分別為

4 性能分析

在計算中,以某型中等功率燃氣輪機中壓壓氣機出口和高壓壓氣機進口的參數條件作為設計點，中壓壓氣機出口溫度為434K，壓力為350kPa，流量為75kg/s，針對機上間冷器的設計要求，高壓壓氣機的進口溫度不超過328K，壓力損失不超過3%。通過該程序進行設計分析，并考慮實際加工條件以及受間冷器尺寸的限制，得到間冷系統的內部結構尺寸，機上間冷器選用耐腐蝕的銅鎳合金的叉流板翅式換熱器，兩側翅片間距均為1.4mm，厚度均為0.12mm，冷熱板間距分別為3、5mm，隔板厚度為0.5mm，側板厚度為2mm。機外換熱器選用耐腐蝕的鈦板波紋板式換熱器，板間距為4mm，厚0.8mm，板有效寬度為1500mm，單板面積為0.94m2。

對應于此設計點，所設計的機上間冷器的效率為0.74，壓力損失為2.5%，符合設計要求。

在結構尺寸確定的情況下，液側流體的進口參數對機上間冷器的性能也有明顯影響。在海水進口溫度為286 K，流量為200kg/s時，不同流量乙二醇水溶液（體積分數為50%）對氣側壓力損失率和出口溫度的影響分別如圖4、5所示；在乙二醇水溶液（體積分數為50%）流量為100kg/s，海水進口溫度為286 K時，不同海水流量對氣側壓力損失率和出口溫度的影響分別如圖6、7所示；在乙二醇水溶液（體積分數為50%）流量為100kg/s，海水流量為200kg/s時，不同海水溫度對機上間冷器效率、氣側壓力損失率和出口溫度的影響分別如圖8～10所示。

從圖4、5中可見，增加乙二醇水溶液的流量可以降低氣側的壓力損失和氣側出口溫度，但是隨著乙二醇水溶液流量的增大，效果越來越不明顯，加上大流量對液側液體流道布置的要求很高，所以乙二醇的流量不是越大越好，要根據條件選擇1個合理流量。

從圖6、7中可見，隨著海水流量的增加，氣側壓力損失率逐漸減小，但變化不大，而氣側出口溫度明顯降低，兩種變化趨勢隨海水流量的增加都趨于平緩。表明在海水進口溫度和中間冷卻介質乙二醇水溶液的流量已經確定的條件下，海水流量對氣側壓力損失影響不大，對中間冷卻介質乙二醇水溶液的溫度影響很大，從而影響到氣側出口溫度。

從圖8～10中可見，當海水溫度由0℃升高到40℃時，間冷器的效率和壓力損失率分別改變了0.908%和0.132%，變化不大，而對氣側出口溫度影響相當明顯。

綜上分析，確定合理的乙二醇水溶液流量和海水流量也是優化設計的一部分；海水溫度對機上間冷系統的影響很顯著，進行優化設計時，要詳細考慮海水溫度在可能變化范圍內對間冷系統的影響。

5 結論

結合間冷系統的結構特點和設計要求，完成了間冷系統中機上間冷器和機外換熱器的結構設計。利用VB程序語言，通過VS平臺，開發了間冷系統的設計程序，可以很好地完成燃氣輪機間冷系統的熱力設計與校核計算，具有較為友好的輸入輸出界面。利用該程序，在結構尺寸確定的前提下，改變液側介質的進口參數，分析這些參數對間冷系統性能的影響，得到以下結論：

（1）隨著乙二醇水溶液流量的增大，機上間冷器的效率增加趨于緩慢，壓力損失改善不大，但流量的增大會給間冷系統乙二醇內循環中的流道管路設計帶來很大困難，所以乙二醇水溶液的流量不是越大越好。

（2）在乙二醇水溶液流量確定的前提下，海水流量對壓力損失影響不大，而對氣側出口溫度影響很大，2種變化趨勢隨著海水流量的增大越來越不明顯，因此，通過合理控制海水流量可以達到預期的換熱效果。

（3）在乙二醇水溶液流量確定的前提下，海水溫度對機上間冷器效率、氣側壓力損失以及氣側出口溫度的影響呈線性關系，其中對氣側出口溫度的影響最明顯，因此，海水溫度隨季節交替發生很大變化時，對氣側出口溫度的影響很大。

（4）對比海水流量和海水溫度對間冷系統性能的影響可知，海水溫度的影響比海水流量的影響大，所以當海水溫度隨季節交替發生很大變化時，僅改變海水流量不一定能滿足要求，需要同時改變中間冷卻介質乙二醇水溶液的流量。

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[3]張方偉，張會生，蘇明.中冷回熱循環燃氣輪機技術[J].船舶工程，2004，26（2）：7-9.

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[5]董威，文超柱，鄭培英.船用燃氣輪機間冷器流路的數值計算分析[J].航空動力學報，2010，25（3）：636-640.

[6]文超柱，董威.艦載燃氣輪機間冷器傳熱與流動的數值模擬[J].航空動力學報，2010，25（3）：654-658.

[7]Lieutenant Steven.Integration of the WR-21intercooled recuperated gas turbine intothe royal navytype 45destroyer[R].ASME 2001-GT-0531.

[8]文超柱.艦載燃氣輪機間冷器的設計與研究[D].上海：上海交通大學，2009.

[9]楊強生，浦保榮.高等傳熱學[M].上海：上海交通大學出版社，2001.

[10]余建祖.換熱器原理與設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

Optimal Analysis of Flow Parameters for Marine Gas Turbine Intercooler

GAO Peng,DONG Wei
（School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China）

On the base of design theory and method of traditional heat exchanger,the optimal design of gas turbine intercooler was conducted.The program assisting the design of intercooler was developed using Visual Basic and Visual Studio.This program was used for the primary design of gas turbine intercooler under some parameters,and the influence of different liquid inlet parameters on the performance of intercooler had been studied.The results indicate that the increase of glycol water flow and seawater flow can improve the performance of intercooler,but the performance isn't better as the flow of glycol water and seawater is larger.The rational flow rates should be chosen according to flow conditions.The influence of seawater inlet temperature on intercooler efficiency is significant and need to be considered in the optimal design.

intercooler;marine gas turbine;plate-fin heat exchanger;plate heat exchanger;flow parameter;optimal analysis

高鵬（1985），男，碩士，研究方向為艦船燃氣輪機間冷系統的優化設計與換熱性能分析。