航空發動機“空-空-油”螺旋套管換熱器夾層傳熱數值模擬

蒙建成，劉少北，鮑澤威，黃衛星

（四川大學化學工程學院，成都 610065）

航空發動機是飛機的“心臟”，對航空工業具有重大意義。而航空發動機的運行與流體的流動、傳熱以及燃料燃燒等密切相關，因此，在一定程度上可以將其視作一個小型的“化工廠”。

渦輪葉片是航空發動機的核心部件，提高渦輪葉片的耐熱性是目前航空發動機性能提升的關鍵點之一。Bruening 和Chang[1]提出，通過外涵道空氣或者航空煤油RP3 作為冷卻介質，降低空氣（該空氣用于冷卻渦輪葉片）的溫度，從而提高渦輪葉片的冷卻效率，該技術被稱為CCA（Cooled Cooling Air）技術。要實現CCA 技術，換熱器是至關重要的一環。

本文在CCA 技術的基礎上，提出一種全新的航空發動機CCA 換熱器——“空-空-油”螺旋套管換熱器。該換熱器與傳統CCA 換熱器最大的不同是采用了雙冷源的冷卻結構：需冷卻的空氣走夾層，航空煤油RP3 走螺旋內管，外涵空氣在換熱器外，如圖1 所示。雙冷源同時冷卻空氣，冷卻效率高，同時，RP3 也得到了預熱，使其在燃燒室內燃燒更加充分。除此之外，空氣可在螺旋結構內產生二次流，換熱效率得到提高，而螺旋管結構本身緊湊、承壓抗熱沖擊性能好，因此，“空-空-油”螺旋套管換熱器應用在渦輪葉片冷卻上是極具前景的。

相較于螺旋管及螺旋管外的流動與傳熱問題，螺旋夾層研究較少。本文將以某實際工況為例，研究螺旋套管換熱器的夾層內的流體在外涵道的流動與傳熱特性的實際情況。

1 物理模型與數值模擬方法

1.1 物理模型與網格劃分

采用Solidworks 建立幾何模型，如圖2 所示，其中D 為螺旋直徑，P 為螺距，do為夾層外徑，di為夾層內徑，t 為內管厚度，實體部分為流均域?！?br>