間冷回熱循環發動機回熱器套管結構優化

周　雷，婁德倉，郭　文，童傳琛（中國燃氣渦輪研究院，成都610500）

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間冷回熱循環發動機回熱器套管結構優化

周雷，婁德倉，郭文，童傳琛
（中國燃氣渦輪研究院，成都610500）

摘要：以減小回熱器管束內流量分配不均勻度和套管質量為目的，利用Isight集成CFD建模和仿真流程，優化間冷回熱循環發動機回熱器套管結構尺寸，同時還分析了單個及多個套管結構對回熱器流量均勻度的影響。結果表明，單套管長度為135 mm時，回熱器內不均勻度最低，為0.274 22；兩套管結構套管長度分別為75 mm和203 mm時，不均勻度最低；三套管結構套管長度分別為23 mm、121 mm和78 mm時，不均勻度最低。前端套管對回熱器不均勻度的影響最大，回熱器中套管數目越多其不均勻度越大。

關鍵詞：航空發動機；間冷回熱循環；回熱器；Isight算法；不均勻度；結構優化

structure optimization

1　引言

由于環境及經濟成本的問題，未來航空發動機設計中除考慮傳統發動機的一些重要因素（如性能、安全性、可靠性等）外，還必須充分考慮發動機的經濟可承受性、成本、價格及環境友好性。在此背景下，人們提出了間冷回熱循環發動機概念，它可滿足未來推進裝置對成本、環境和燃料高效利用的要求。

間冷回熱循環發動機是在常規燃氣渦輪發動機的高壓和低壓壓氣機之間增加一臺中間冷卻器，在排氣系統中增加一臺回熱器而構成的新型燃氣渦輪發動機。回熱器的目的是利用發動機渦輪出口的高溫氣體提高燃燒室進口氣流熱能，從而減少燃油消耗。

國外對間冷回熱循環的研究起步較早，所涉及的內容也很廣泛。首先，針對間冷回熱循環發動機排放與經濟性的研究，Rüd等［1］以長航程、低油耗為目標對發動機進行了優化設計，給出了經優化的帶一個間冷器和一個排氣回熱器的三軸齒輪風扇發動機構型和熱力參數，并估算了換熱器質量和發動機排放。Wilfert等［2］提出的新型航空發動機核心機概念（NEWAC）在歐洲綜合計劃中得到發展，計劃驗證的新技術可使CO2、NOX分別減排6%和16%以上。Colmenares等［3］針對短程民機用間冷回熱渦扇發動機進行了初步參數研究，并與2000年某大涵道比渦扇發動機的性能參數進行了對比，發現回熱發動機在總壓比值較低時油耗較低；帶增壓級的間冷發動機可極大地減少NOX排放，但同時CO2的排放量增加了。與其他常規發動機循環相比，中等總壓比值時間冷回熱循環的熱效率更高，同時也可減少NOX的形成及核心機的質量。Gronstedt等［4］對間冷發動機性能進行了多學科分析和優化，并與采用代表性技術、將于2020年服役的常規發動機進行對比，發現耗油率可降低4.3%。按照相關的約束如壓氣機出口溫度、渦輪進口溫度、渦輪葉片溫度和壓氣機出口葉片高度等，對數值模擬結果進行分析，表明將可變低壓渦輪與分排可變面積噴管和間冷器結合使用，可進一步降低燃油消耗5.5%。McDonald等［5］歸納了間冷回熱循環一些可能的應用，闡述了各種不同帶熱交換循環的燃氣渦輪發動機設計體系的特點和可能的性能改善，以及這些發動機在服役前需要解決的問題。da Cunha等［6］研究了間冷和回熱位置對發動機功率輸出的影響，與簡單循環進行了比較，結果顯示燃氣渦輪的間冷和回熱兩種技術方案都非常有前途。也列出了間冷和回熱方案開發中的一些困難，如間冷技術導致壓氣機喘振風險增大，指出間冷技術在高壓比循環條件下可大大提高循環效率。在回熱器研究方面，Sch?nenborn等［7］介紹了MTU公司設計的回熱器，并通過計算方法進行傳熱和應力分析，預測了回熱器的可靠性，通過聯合分析證明了該回熱器潛在的長壽命。

目前，國內多家研究機構在高度關注間冷回熱循環這一新概念動力技術。中國燃氣渦輪研究院在這方面也開展了大量工作，其中相關課題組根據間冷回熱循環發動機的總體設計要求、渦輪及噴管的氣動結構參數，結合換熱器的設計方法，經過多輪優化，完成了回熱器的初步方案設計。設計了一款U型管式回熱器，并利用Isight優化平臺對其結構進行了優化。同時，通過對安裝回熱器后噴管內壓力損失，流場結構進行CFD計算研究，為回熱器在噴管內安裝布局提供了理論支持，并提出了優化改進方案。本文在上述研究的基礎上，分析不同套管結構對回熱器內流量分布的影響，以找出最佳結構；同時在不影響回熱器流量均勻度的情況下，盡量減輕回熱器質量。

2　回熱器套管結構

圖1為中國燃氣渦輪研究院設計的U型管式回熱器單元體模塊。兩根主管道負責供氣和出氣，壓氣機出口冷氣從進氣管兩端進氣，經U型管分配后匯入出氣管，從兩端經引氣管道引入燃燒室。數值模擬發現，回熱器U型管束內的流量分配不均（圖2）。為此，需分析不同長度和套管個數對回熱器內流量分布的影響，找出流量均勻度最高情況下回熱器套管的結構；在不影響回熱器流量均勻度的情況下，盡量減輕回熱器質量。得到的最佳改進方案見圖3。在回熱器主流管束內增加套管結構，套管形狀如喇叭，套管前端結構為水平圓管，后段為一定曲率半徑的傾斜管，這種結構形式能有效減小回熱器內的流量不均勻度。

圖1　回熱器設計模塊Fig.1 Design model of recuperator

圖2　回熱器管束速度云圖Fig.2 The Velocity contour of recuperator

圖3　回熱器套管結構Fig.3 The structure of guide vane

3　回熱器套管結構優化設計

采用Isight優化平臺的套管尺寸優化流程見圖4。首先，在UG中進行回熱器模型建模，將模型導入Gambit中進行套管參數化建模；隨后進行網格拓撲劃分并生成Fluent前處理文件，在Fluent中進行回熱器流場數值模擬，得到結果文件后經過作者編譯的程序Jisuan計算出流場的流量不均勻度S。

圖4　套管結構優化流程Fig.4 Optimization process of guide vane

式中：N為換熱器總管束，m˙i為每根管束中的流量，m˙i，ideal為換熱器總流量平均值。為計算方便，計算時取套管長度的負值D為輸入參數，L = -D。取S作為Isight輸出參數。

圖5為優化設計流程圖，設計變量為D，采用在多島遺傳算法（MIGA）的基礎上嵌入RBF近似模型，以加快優化算法的尋優速度。同時，優化過程中，需不停調試優化算法與設計變量的敏感度，才能達到多目標同時優化的目的。得到最終解后，還應考慮設計中存在的不確定性和工程應用中的可靠性與穩定性，不斷修正初始設計方案，從而得到最終設計方案。

在Isight優化流程中，首先進行Gambit參數化建模，D由小至大逐漸增大，回熱器進出口處于同一平面，如圖6所示。圖中，D1、D2、D3分別表示3個不同長度的套管變量。

隨后，利用Fluent中的耦合求解器，對回熱器內部流動進行三維數值模擬。計算條件為：主流進口采用壓力進口邊界條件，主流出口采用壓力出口邊界條件，模型中對稱中截面采用對稱邊界條件，其余均為壁面邊界條件。主流流體設為理想氣體，采用標準兩方程k -ε湍流模型，近壁面采用標準壁面函數處理，動力粘性系數定義為隨溫度變化的函數。進口邊界初始壓力為1 174.0 kPa，溫度為280 K；出口邊界壓力為1 143.0 kPa。

圖5　采用多島遺傳算法的優化算法Fig.5 The MIGA optimization algorithm

圖6　 Gambit參數化建模Fig.6 Gambit parametric modeling

4　優化結果分析

圖7從上到下依次為1～3個套管結構優化后的擬合優度R2值。如圖所示，流量不均勻度的R2都非常接近1。根據近似模型的R2分析可知，當R2＞0.9時近似模型計算結果基本正確。本文的計算結果都大于0.9，故結果可靠性與正確性非常高。

圖7　擬合優度R2值Fig.7 R2response fit

圖8為單套管不均勻度隨套管長度的變化。由計算可知，D=-132 mm時回熱器的不均勻度達到最小值，約為0.274；而流量則在D=-149 mm時達到最大值，為0.801 36 kg/s。隨著套管長度的減小，流量呈先減小后增大的趨勢。原因是隨著套管長度的逐漸減小氣流沿程損失增大，但流量降低到一定程度時套管長度不再成為氣流沿程損失的主要因素，所以流量開始逐漸回升。

圖8　單套管不均勻度隨D的變化Fig.8 Non-uniformity vs. D of single guide vane structure

雙套管結構的優化結果如圖9、圖10所示。圖9中，不均勻度隨兩根套管長度的變化較為復雜，深藍色區域表示此處不均勻度最小，此區域分別對應D1=-70～-90、D2=-190～-204和D1=-70～-90、D2=-90～-150的區間。當D1一定時，隨著D2的減小，S呈先增大后減小的趨勢；而當D2一定時，隨著D1的減小，S呈先減小后增大的趨勢。

圖10　流量隨D1和D2變化的等值線圖Fig.10 Mass flow rate vs. D1and D2

圖10中，流量峰值出現在D1=-20～-70、D2=-40 ～-80的區間內，最大值為0.809 38 kg/s；低谷出現在D1=0～-20、D2=-190～-200的區間內，最小值為0.793 70 kg/s。

三套管結構優化設計結果如圖11～圖13所示。可見，當D3為常數，D1增大、D2減小時，S隨之減小；當D2為常數、D1一定時，D3增大則S隨之增大；當D1為常數、D2一定時，D3增大則S也隨之增大。

三套管結構長度變化對回熱器流量的影響如圖14～圖16所示。當D3一定，D1、D2同時增大時，流量隨之增大；當D2一定、D1減小時，D3增大則流量隨之增大；當D1一定、D3處于0～-40區間時，流量最大值出現在D2最小和最大值附近。

表1為不同套管結構優化前后結果對比。可見，單套管長度L=135.367 mm時不均勻度最低，相比L=149 mm時長度減少9.1%，即減輕了回熱器質量，不均勻度降低0.2%；雙套管長度分別在75 mm 和203 mm時不均勻度最低；三套管長度分別在23mm、121 mm和78 mm時不均勻度最低，且回熱器流量變化不大，影響較小。

圖16　 D2、D3對流量影響的等值線圖Fig.16 The response of mass flow rate vs. D2and D3

表1　不同套管結構優化前后結果對比Table 1 Results comparison of different guide vane structures before and after optimization

圖17和圖18分別顯示了單套管優化前后回熱器中流體速度分布，優化前L=149 mm，優化后長度減少了13.633 mm。在回熱器流場前端優化前后的流體速度分布基本相同，但隨著流程的增加，優化后的回熱器中流體速度分布更加均勻，速度更大。

圖19為從單套管到三套管的不同優化設計時，不均勻度的數值計算結果比較。可見，回熱器套管數目并不是越多不均勻度越小，恰恰相反，單套管回熱器不均勻度最低。因為套管增多，回熱器內的流動愈加復雜，前端的套管流量容易泄露至后段，導致流量分配不均勻；且套管增多導致回熱器內流阻增大，回熱器進出口總流量會相應減少。

圖17　優化前單套管回熱器流場速度分布Fig.17 The recuperator flow field velocity distribution for single guide vane structure before optimization

圖18　優化后單套管回熱器流場速度分布Fig.18 The recuperator flow field velocity distribution for single guide vane structure after optimization

圖19　三種套管結構優化結果比較Fig.19 Comparison of three types of guide vane structures

5　結論

（1）相比調用真實模型直接進行優化，采用RBF近似模型對優化問題進行擬合求解，擬合優度較高，耗時大大縮短，提高了優化設計效率。

（2）通過多島遺傳算法對加裝套管的回熱器模型進行優化求解，得到L=135.367 mm時，不均勻度最低為0.274 22，相比L=149 mm，長度減少9.1%（即減輕了回熱器質量），不均勻度降低0.2%，總流量為0.799 92 kg/s減少0.2%。

（3）兩套管結構長度分別在75 mm和203 mm時不均勻度最低；三套管結構長度分別在23 mm、121 mm和78 mm時不均勻度最低；前端套管對回熱器不均勻度影響最大。

（4）回熱器中套管數目越多，不均勻度越大。

參考文獻：

［1］Rüd K，Boggia S. Intercooled recuperated gas turbine engine concept［R］. AIAA 2005-4192，2005.

［2］Wilfert G，Sieber J，Rolt A，et al. New environmental friendly aero engine core concepts［R］. ISABE 2007 -1120，2007.

［3］Colmenares F，Pascovici D，Ogaji S，et al. A preliminary parametric study for geared，intercooled and/or recuperated turbofan for short range civil aircrafts［R］. ASME GT2007-27234，2007.

［4］Gronstedt T，Kyprianidis K. Optimizing the operation of the intercooled turbofan engine［R］. ASME GT2010-22519，2010.

［5］McDonald C F，Rodgers C. Heat-exchanged propulsion gas turbines: a candidate for future lower SFC and reduced emission military and civil aeroengines［R］. ASME GT2009-59156，2009.

［6］da Cunha M A，de Franca Mendes Carneiro H F，Travieso L E，et al. An insight on intercooling and reheat gas turbine cycle［C］//. Proceeding of the Institution of Mechanical Engineers Part A. 1998.

［7］Sch?nenborn H，Ebert E，Simon B，et al. Thermomechanical design of a heat exchanger for a recuperative aero engine［R］. ASME GT2004-53696，2004.

Structural optimization on recuperator guide vane of
intercooled recuperated aero-engine

ZHOU lei，LOU De-cang，GUO Wen，TONG Chuan-chen
（China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China）

Abstract：In order to reduce the mass flow non-uniformity and the weight of guide vane in recuperator，CFD modeling and simulation integrated by Isight was used to optimize the size of recuperator guide vane of intercooled recuperated aero-engine（IRA），and the influence of single and multiple guide vane structure on mass flow non-uniformity was analyzed at the same time. The results show that when the length equals to 135 mm，the mass flow non-uniformity of single guide vane structure is the least；that’s the same for the double guide vane structure with 75 mm and 203 mm long and the three guide vane structure with 23 mm，121 mm and 78 mm long. The optimization results show that the front guide vane of recuperator has most influence on mass flow non-uniformity. The more guide vanes in recuperator，the worse non-uniformity will be.

Key words：are-engine；intercooled recuperated cycle；recuperator；Isight algorithm；non-uniformity；

中圖分類號：V236

文獻標識碼：A

文章編號：1672-2620（2016）01-0053-06

收稿日期：2016-01-11；修回日期：2016-01-27

作者簡介：周雷（1989-），男，貴州遵義人，苗族，助理工程師，碩士，主要從事熱分析及空天動力研究工作。