冷氦換熱器傳熱設計及試驗研究

龐紅麗，潘 亮，胡堅勇

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冷氦換熱器傳熱設計及試驗研究

龐紅麗，潘 亮，胡堅勇

（北京航天動力研究所，北京，100076）

為滿足某火箭二級發動機氧貯箱增壓需求，在二級發動機上設計了一種蛇形管式冷氦換熱器，并對其進行傳熱論證。在發動機試驗時搭建了一套冷氦試驗系統，對冷氦換熱器的性能進行試驗驗證，驗證后修正了換熱器傳熱系數。結果表明：冷氦換熱器傳熱計算合理，修正后的蛇形管長度與試驗基本一致。

火箭發動機；換熱器；蛇形管；傳熱系數

0 引 言

目前，運載火箭氫氧發動機氧貯箱均通過高溫燃氣加熱氦氣或氧進行氧貯箱增壓。新一代運載火箭二級氧貯箱也采用氦氣增壓方案，但其二級氫氧發動機是閉式膨脹循環[1]，與以往的燃氣發生器循環發動機相比，發動機內沒有高溫燃氣，只能采用相對溫度較高的氫氣給冷氦加熱，其設計方案及換熱能力能否滿足增壓需求，需經過試驗驗證。

1 冷氦換熱器傳熱設計論證

1.1 冷氦換熱器設計參數

二級發動機冷氦換熱器設計參數如表1所示。

表1 冷氦換熱器的設計參數

Tab.1 Design Parameters of Cold helium Heat Exchanger

換熱器內部工作介質氦氣換熱器外部工作介質氫氣 氦氣入口溫度/K25氫氣溫度/K213 氦氣出口溫度/K85氫氣流量/（kg·s-1）2.15

續表1

換熱器內部工作介質氦氣換熱器外部工作介質氫氣 氦氣出口壓力/MPa0.4氫氣壓力/MPa5.5 氦氣額定流量/（g·s-1）qm

1.2 冷氦換熱器設計方案

冷氦換氣器的結構如圖1所示。

圖1 冷氦換熱器

冷氦換熱器采用蛇形管方案，換熱器內蛇形管流路采用逆流的方式，即氦氣進入蛇形管，順著蛇形管逆流而上，與殼體內的氫氣充分換熱后，給氧貯箱進行增壓。

1.3 冷氦換熱器傳熱設計計算[2]

在冷氦換熱器的設計計算中，換熱設計計算為核心部分。冷氦換熱器換熱的核心元件為蛇形管，如何獲得蛇形管的規格及長度是換熱器的設計目標。

將蛇形管取一小段（＝1 mm）來進行分析，如圖2所示。

圖2 冷氦換熱器傳熱模型

Δ—蛇形管單位長度；i—蛇形管內徑；0—蛇形管外徑

冷氦換熱器換熱的形式有：氫氣側的強迫對流換熱、導管的熱傳導以及氦氣側的強迫對流換熱。

a）氫氣側換熱[3]。

b）導管壁面的導熱[4]。

c）氦氣側換熱。

式中為氦氣側換熱系數；為蛇形管內表面積。

將式（1）~（6）聯立可得：

1.3.1 氫氣側換熱系數

換熱器內氫的溫度為210 K遠超過了33 K（氫的沸點），氫氣面的換熱為強迫對流換熱。

冷氦換熱器蛇形管為順排（見圖1），采用式（9）作為氫氣側換熱系數的經驗公式：

1.3.2 氦氣面換熱系數[5]

氦在蛇形管內為強迫對流換熱，氦在平滑管中流動的換熱系數為

式中為蛇形管螺旋半徑；為蛇形管螺旋直徑。

冷氦換熱器蛇形管內氦氣側的換熱系數為

1.4 蛇形管長度設計計算

根據式（1）～（13），進行蛇形管長度設計計算，將蛇形管分為若干段，逐段計算出各段的蛇形管溫升，當出口溫度大于85 K時，將各段蛇形管長度相加即可獲得換熱器的蛇形管長度。

1.5 傳熱系數修正

在進行冷氦換熱器的傳熱計算中，氫氣側及氦氣側均選用經驗公式。在實際工程應用中，傳熱系數與經驗公式計算出的傳熱系數有一定的差異，為了減少該差異量，需要對其傳熱系數進行修正，以便獲得與冷氦換熱器換熱相對應的傳熱系數值，該修正值稱為傳熱修正系數。

1.6 設計計算結果

表2 蛇形管的計算結果

Tab.2 Calculation Result of Snake Tube

序號修正系數修正后的蛇形管長度/mm C＇C 13.810.97L均值L 221.21.016L 31.51.41.048L

2 冷氦換熱器性能試驗[7]

為了獲得冷氦換熱器真實的換熱性能，在二級發動機地面試驗時搭建一套冷氦試驗系統，使進入發動機的氦氣達到要求的約25 K。

2.1 冷氦試驗系統[8]

冷氦換熱器試驗系統原理如圖3所示。

圖3 冷氦換熱試驗系統原理圖

氦氣瓶氣源約18 MPa，通過常溫減壓器對氦氣進行減壓，進入液氮冷卻器和液氫冷卻器對氦氣進行降溫，使進入發動機換熱器的氦氣溫度保持在25 K左右。

在常溫氦氣路設置了3路孔板，通過開關常溫電磁閥1、2、3，進行氦氣流量的控制，使一次試驗能盡可能多地考核冷氦換熱器多種流量工況的性能。本次試驗考核了5種工況，如表3所示，其中額定工況在試驗后期再次進行了1次試驗，主要目的為考核額定工況的參數重復性。

在冷氦換熱器出口設置3路排氣，兩路由低溫氣控閥控制，一路常開，常開路通過孔板自身憋壓，試車時根據冷氦換熱器出口壓力6控制低溫氣控閥的關閉，使出口壓力6維持在總體需求的0.4 MPa左右。

表3 試驗流程

Tab.3 Testing Flow

試驗順序常溫電磁閥動作流量g/s絕對動作時間/s（發動機點火為0s） 1同時打開電磁閥1、2、31.82qm-130 2同時打開電磁閥2、31.45qm80 3同時打開電磁閥1、3qm160 4打開電磁閥30.73qm240 5打開電磁閥10.36qm320

續表3

試驗順序常溫電磁閥動作流量g/s絕對動作時間/s（發動機點火為0s） 6同時打開電磁閥1、3qm400

2.2 冷氦換熱器試驗數據分析

冷氦換熱器試驗配套的蛇形管規格為8×0.5 mm，長度為1.01。試驗相關數據如表4、圖4所示，各種流量工況下均達到了熱平衡。

表4 冷氦換熱器試驗數據

Tab.4 Testing Data of Cold Helium Heat Exchanger

序號測點名稱各流量工況平均值 40～70s100～150s190～230s280～310s360～390s460～490s 1氦流量/(g·s-1)1.67qm1.36qm1.04qm0.70qm0.36qm1.03qm 2換熱器入口壓力P3/MPa1.421.230.980.790.461 3換熱器入口溫度T4/K28.0429.0530.935.2546.2130.5 4換熱器出口溫度T5/K74.278.8487.83101.95127.5988.56 5換熱器出口壓力P6/MPa0.510.440.350.490.280.38

2.2.1 氦氣預冷

冷氦換熱器試驗搭載發動機熱試車，所以在發動機啟動前，需保證冷氦系統具備試驗條件，主要是保證氦氣在進入發動機軟管入口溫度3能達到約25 K。

為保證冷氦具備試驗條件，需對冷氦系統管路提前預冷，消除管路初始熱容。冷氦系統從發動機啟動前約130 s開始預冷，預冷90 s后，換熱器入口溫度4基本達到平衡，至發動機點火時刻，換熱器入口溫度4為27.5 K，如圖5所示，與要求的25 K有2.5 K的偏差，基本能滿足冷氦換熱器試驗要求。

圖5 冷氦換熱器入口溫度

2.2.2 壓力損失

冷氦換熱器壓力損失為換熱器入口壓力3減去換熱器出口壓力6，各流量下壓力損失如表5所示，冷氦換熱器在額定流量工況時，氦換熱器的壓力損失約為0.63 MPa。

表5 冷氦換熱器壓力損失

Tab.5 Pressure Loss of Cold Helium Heat Exchanger

參數性能平均值 40～70s100～150s190～230s280～310s360～390s460～490s 壓力損失ΔP/MPa0.910.790.630.30.180.62

2.2.3 溫度啟動加速性

溫度啟動加速性是指從啟動至額定溫度90％的時間，冷氦換熱器出口溫度5啟動曲線如圖6所示，啟動至平穩段溫度74.2 K的90%需要的時間為1.5 s，與發動機室壓c的啟動加速性基本同步。

圖6 冷氦換熱器出口溫度

2.3 氦換熱器換熱系數的修正

1.6節中的氫氣側傳熱修正系數＇及氦氣側傳熱修正系數是依據以往換熱器設計經驗而取。冷氦換熱器試驗結果可對冷氦換熱器蛇形管兩側的經驗公式進行試驗修正，以下幾組修正系數均適合冷氦換熱器試驗參數，如表6所示。

表6 換熱器修正系數

Tab.6 Heat Exchanger Correction Factor

序號流量工況 1.82qm1.45qmqm0.73qm0.36qm C＇CC＇CC＇CC＇CC＇C 12.612.412.412.412.41 22.31.121.121.11.91.11.61.1 31.81.41.61.41.51.41.31.41.11.3

根據冷氦換熱器試驗數據，1.04m和1.03m流量工況，與額定流量工況m最接近，因此換熱修正系數的額定流量工況可信度較高，其他工況下修正系數相對誤差較大。以額定流量m工況下的3組修正系數作為冷氦換熱器的修正系數，以便得到較為準確的蛇形管長度。

2.4 蛇形管長度修正

根據冷氦換熱器試驗修正后的換熱系數，對蛇形管長度設計參數進行修正，當氦氣流量為m，入口溫度為25 K，出口溫度為85 K，m流量工況對應的3組換熱修正系數修正后的蛇形管長度如表7所示。

表7 修正后的蛇形管長度

Tab.7 Revised Length of Snake Tube

序號修正系數修正后的蛇形管長度 C＇Ｃ 12.411.018L均值1.013L 221.11.016L 31.51.41.004L

由表7可知，蛇形管的長度在1.004～1.018之間，平均值為1.013，與冷氦換熱器試驗配套的蛇形管長度1.01基本一致，認為冷氦換熱器試驗基本考核了額定工況下的性能試驗，也可確定冷氦換熱器的傳熱計算準確有效。

3 結 論

a）冷氦換熱器的性能試驗一次考核了5種流量工況下換熱器的性能，試驗結果表明冷氦換熱器設計方案可行、傳熱論證合理，并根據試驗結果對換熱器的傳熱系數進行了修正，修正后的蛇形管長度為1.013，與試驗配套蛇形管長度基本一致；

b）新一代運載火箭已完成二級動力系統試車及首飛，二級發動機冷氦換熱器性能與設計參數協調一致，性能滿足氧貯箱增壓要求。

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Heat Transfer Design and Experimental Study of Cold Delium Heat Exchanger

Pang Hong-li, Pan Liang, Hu Jian-yong

(Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing, 100076)

In order to meet a rocket’s second stage engine oxygen tank pressurization requirements, a cold helium heat exchanger of coiled pipe has been designed on the second stage engine, and heat transfer is demonstrated for it. A set of the cold helium test system is constructed during the engine test and the cold helium heat transfer performance is tested. After the test, coefficient of heat transfer is corrected. It verified that the cold helium heat transfer calculation is reasonable and the corrected length of the coiled pipe is consistent with the test.

Rocket engine;Heat exchanger; Coiled pipe; Coefficient of heat transfer

1004-7182(2018)01-0054-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20180111

V43

A

2016-06-22；

2017-12-07

龐紅麗（1982-），女，高級工程師，主要研究方向為液體火箭發動機總裝設計