弓形折流板與盤環折流板對管殼式熱交換器特性的影響研究

胡悅 HU Yue；楊家旺 YANG Jia-wang；覃經文 QIN Jing-wen；秦海洋 QIN Hai-yang；閆周易 YAN Zhou-yi

（①中國航發湖南動力機械研究所，株洲 412002；②新鄉航空工業（集團）有限公司，新鄉 453049）

0 引言

目前航空發動機上常用的管殼式熱交換器屬于小型管殼式熱交換器[1]，在結構設計上主要包括殼側結構設計和管側結構設計，例如某型燃油-滑油熱交換器、某型燃油-液壓油散熱器和某型飛機交流發電機燃滑油散熱器等，受限于發動機和飛機對熱沉的使用，該類熱交換器通常使用燃油做為熱沉冷卻其它介質，鑒于燃油的工作壓力較高，同時為了有利于散熱性能提高，燃油通常在管內流動，其它介質在殼側流動，而發動機上燃油流量通常較大（飛行包線內個別低流量點不予討論），其它介質的流量較小，這就造成管側Re 數和換熱系數較大，而殼側的Re 數和換熱系數較小[2]。通過計算、仿真和試驗等經驗總結可知，目前影響該類熱交換器性能的主要因素就在于殼側流動不充分、換熱系數小，通過改變折流板結構對殼側結構設計進行調整，增加該側的換熱系數是提升該類散熱器散熱性能的有效途徑[3]。

弓形折流板是指將折流板切除一定弦高，以一定距離對頭布置在殼側內[4]。盤環折流板是指將折流板中心切除一定直徑圓孔的環式折流板，配合將外環切除一定直徑外環的盤式折流板，以一定距離布置在殼側內[5]。

1 技術分析

1.1 應用分析

弓形折流板和盤環折流板管殼式熱交換器在管殼式熱交換器領域早有應用[6]。通過改變折流板形狀增加殼側換熱系數的方法也較多，例如螺旋折流板、折流棒等，鑒于上述結構在小型密集型散熱管布置工藝不成熟（或者說目前發動機和飛機應用較少）本文不予討論，但是近幾年對于盤環式折流板應用較多，例如某型飛機交流發電機燃滑油散熱器、某型燃滑油散熱器以及最新研制的某型主/輔助燃滑油散熱器等，通過計算分析和實際使用總結了一定的經驗。

資料文獻以及教科書對于盤環式管殼式熱交換器均有一定的介紹，但是對其實際使用以及在使用過程中出現的問題和優點未做詳細的評述，本文根據實際設計、計算和試驗經驗，針對兩類熱交換器進行特性分析。

管殼式熱交換器的芯體主要由散熱管、隔板和端板組成，目前主要通過釬焊和脹接加工而成，為了保證釬焊質量和脹接質量，通常端板圓環外圍會留有一定的距離（約2mm）無法布置散熱管，如果采用傳統的裝配方式，加上端板自身厚度（至少3mm）形成的環狀帶，則會形成約5mm厚的環狀帶沒有布置散熱管，其與殼體裝配后會形成較大面積的空腔，流體流動時會選擇阻力最小的流道流動，而此時形成的空腔由于沒有障礙物流阻最小，部分流體會沿著殼體與芯體形成的空腔成環狀流動，由于部分流體沒有橫列散熱管束，造成散熱性能下降。

上述結構帶來的問題可以通過改變一定的結構設計進行彌補，例如讓端板和殼體同直徑采用盲裝散熱管的辦法，使散熱管更貼近殼體從而減小空腔的體積，但是不能有效地解決流體分布不均勻的問題，另外由于該類結構在裝配時需要盲裝，裝配工藝性較差、效率不高，同時由于殼體需要一起隨爐釬焊，對殼體的材料成分有一定的限制，并且釬焊后殼體整體退火，使得殼體強度有所下降。

1.2 流場分析

對于弓形折流板，當大部分流體從一個折流板沿空腔環流到下個折流板后會沿著環腔折流到下一個折流板弦高時，會繼續沿著環腔流走，這樣會造成散熱性能下降更多。通過流體仿真可以看出，該類型的折流板流線分布較為集中不利于流體的均勻分布，通過速度場分布可以看出（如圖1 所示），流體在橫掠管束時流速較低，而在空腔部位沿散熱管方向流速較高，不利于換熱。

圖1 弓形折流板速度分布圖

對于盤環折流板，當大部分流體從一個環式折流板沿空腔環流到下個折流板后必須要橫掠管束才能穿過下一個環式折流板，由于理論上圓周到圓心的流阻相同，這樣流體分布就很均勻，并且由于強制橫掠管束時，密集散熱管間隙小，流體速度明顯提高，有利于換熱。通過流體仿真可以看出（如圖2 所示），該類型的折流板流線分布較為均勻，有利于流體的均勻分布，通過速度場分布可以看出，流體在橫掠管束時流速較高，有利于換熱。

圖2 盤環折流板速度分布圖

對于熱交換器，除了換熱指標，必然會伴隨有流阻的要求，而對于兩種結構的管殼式熱交換器在流阻方面的影響也不相同。

對于弓形折流板，由于流體可以沿環形空腔流動，其流阻相對較小，而盤環式折流板由于強制橫掠管束效果較好，其流阻相對較大。

2 結構設計分析

兩種折流板形式的熱交換器對產品性能的影響各有不同，同樣，在結構設計上也存在不同的影響，由此會對產品的耐機械強度和性能造成一定影響。

對于弓形折流板，由于切除了一定的弦高，這就會造成切除位置的散熱管約束距離過大，造成散熱管不穩定，在振動時容易造成隔板切割散熱管發生故障，這也是該類熱交換器振動時芯體發生故障的大部分模式；但是該類芯體由于弦高切除規則，不影響散熱管的排布，可以在端板可布置的空間內全部布置散熱管，因此布置散熱管數量相對較多，有利于散熱面積的增加，有利于換熱。

對于盤環折流板，通常環式折流板的中心孔不布置散熱管，盤式折流板環外由于切割造成折流板外圓孔不規則不能布置散熱管，在相同直徑內散熱管布置數量相對較少，散熱面積受到一定影響；為了解決該問題，我們通過在殼體上形成流道（外廓尺寸允許時）使得環式隔板和盤式隔板外徑相同，這就彌補了散熱管數量不足的問題（中心孔管數量相對較少，不足以造成明顯影響）。同時，該結構使得所有的散熱管均受到均勻約束，芯體受到殼體內徑的均勻約束相對穩定，在振動時不容易造成因剛度不足形成的隔板切割散熱管而發生故障。

3 案例分析

由于資源的限制，國內對于弓形折流板和盤環式折流板相同條件下的特性對比研究較少，本文基于某型燃滑油散熱器的研制，對兩種結構的熱交換器進行了試驗對比。該型燃滑油散熱器用于冷卻發動機滑油系統的循環滑油，散熱器帶有滑油感溫感壓活門。當滑油溫度高于控制值或者散熱器流阻大于要求值時，滑油直接通過活門旁通散熱芯體，不滯留，不增壓，保證散熱器安全。

以地面常溫常壓狀態進行散熱特性試驗要求如下：滑油入口溫度：（120±2）℃；入口壓力：（0.5±0.05）MPa；燃油入口溫度：（60±2）℃；入口壓力：（5±0.05）MPa；滑油流量：（11.8±0.5）L/min；燃油流量：（10.95±0.2）L/min；滑油散熱量不低于7.5kW。

3.1 結構對比

對該型產品先后進行了兩輪設計，第一輪是弓形折流板結構，第二輪是盤環折流板結構。兩種不同結構形成的主要影響性能的物理參數如表1，由表1 可以看出盤環結構的散熱管有效長度、數量和有效傳熱面積均小于弓形折流板結構。

表1 兩種結構的物理參數 單位：mm

3.2 試驗對比

對兩種不同結構的散熱器進行了散熱性能和阻力特性試驗，散熱性能隨滑油溫度變化的試驗結果曲線見圖3，滑油側阻力特性隨滑油溫度變化的試驗結果曲線見圖4。

圖3 不同結構下散熱量隨滑油溫度變化曲線

圖4 不同結構下阻力特性隨滑油溫度變化曲線

通過以上數據對比可以看出，盤環式折流板結構在散熱性能提升方面優于弓形折流板式結構，而在阻力損失方面又高于后者，與之前的理論分析結論相同。

4 結論

通過以上的理論分析和試驗對比可以得出以下結論：①相同條件下，盤環折流板更有利于管殼式熱交換器的性能提升，但也會帶來一定的阻力損失；②在安裝尺寸限制相對寬松的情況下，選擇盤環折流板管殼式熱交換器時可考慮將流道布置在殼體上，這樣更有利于散熱性能和抗振動的提升。