高 鵬 ，董 威

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

艦船燃?xì)廨啓C(jī)間冷系統(tǒng)流動(dòng)參數(shù)優(yōu)化分析

高 鵬 ，董 威

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

在傳統(tǒng)換熱器的設(shè)計(jì)理論和方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了燃?xì)廨啓C(jī)間冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。使用V B程序語言和V S平臺開發(fā)了輔助間冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序，利用該程序進(jìn)行了某參數(shù)條件下燃?xì)廨啓C(jī)間冷系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)，并分析了不同液側(cè)進(jìn)口參數(shù)對間冷系統(tǒng)性能的影響。分析結(jié)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(tǒng)性能，但流量不是越大越好，應(yīng)根據(jù)條件合理選擇流量；海水溫度對間冷系統(tǒng)效率的影響很顯著，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)要加以考慮。

間冷系統(tǒng)；艦船燃?xì)廨啓C(jī)；板翅式換熱器；板式換熱器；流動(dòng)參數(shù);優(yōu)化分析

0 引言

與簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)相比，間冷回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)：在設(shè)計(jì)工況下，功率更大、熱效率更高，從而在典型的運(yùn)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(huán)經(jīng)濟(jì)性很差的缺點(diǎn)；在運(yùn)行時(shí)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?zé)嵫h(huán)成為近期燃?xì)廨啓C(jī)研究熱點(diǎn)。隨著技術(shù)的成熟，間冷回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)與柴油機(jī)組成大中型水面戰(zhàn)艦的聯(lián)合動(dòng)力裝置，明顯提高了戰(zhàn)艦的動(dòng)力性能，應(yīng)用前景十分廣闊[3]。由于間冷系統(tǒng)所處的位置，間冷循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)間冷系統(tǒng)要盡量緊湊，加之機(jī)上間冷器流道復(fù)雜，因此，開展機(jī)上間冷器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析非常重要。

中國燃?xì)廨啓C(jī)間冷技術(shù)的發(fā)展起步較晚，尚未形成1套完整理論。蘇明等人對間冷回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)板翅式回?zé)崞鞯男阅軈?shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了分析[4]。董威、文超柱等人對間冷器傳熱與流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值分析[5-6]。可以說，國內(nèi)有關(guān)燃?xì)廨啓C(jī)間冷回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)的研究仍在不斷進(jìn)行中。因此，開展艦船燃?xì)廨啓C(jī)間冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 間冷系統(tǒng)概述

間冷系統(tǒng)（如圖1所示）是間冷回?zé)嵫h(huán)中的重要部件[7]，位于燃?xì)廨啓C(jī)低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)之間，通過降低進(jìn)入高壓壓氣機(jī)氣流的溫度，以減少高壓壓氣機(jī)的壓縮耗功，增加高壓壓氣機(jī)的進(jìn)氣流量，提高燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率以及與回?zé)崞骱蛣?dòng)力渦輪共同降低燃?xì)廨啓C(jī)的耗油率。

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

燃?xì)廨啓C(jī)間冷器的設(shè)計(jì)要著重考慮2個(gè)性能參數(shù)：（1）通過進(jìn)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(jī)增加了額外負(fù)擔(dān)，從而會增加耗油率，因此，所有間冷器段的壓降應(yīng)盡可能小。而換熱器的換熱能力必須盡可能地大，使得在規(guī)定的最小壓降的通道和空間內(nèi)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(jìn)入高壓壓氣機(jī)。因此，在設(shè)計(jì)中要協(xié)調(diào)好這2個(gè)性能參數(shù)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

板翅式換熱器具有較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(shè)計(jì)的機(jī)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(jìn)口空氣來自低壓壓氣機(jī)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

板式換熱器波紋板片的交叉相疊大大加強(qiáng)了流體的擾動(dòng)，且清洗、檢修方便，因此本文所設(shè)計(jì)的機(jī)外液液換熱器采用波紋型板式換熱器。

為了方便機(jī)上間冷器的安裝維護(hù)，借鑒WR-21燃?xì)廨啓C(jī)間冷器的結(jié)構(gòu)形式，將機(jī)上間冷器設(shè)計(jì)成10個(gè)模塊[8]，每個(gè)模塊能獨(dú)立拆卸維護(hù)，所有模塊組成1個(gè)整體燃?xì)廨啓C(jī)間冷器。為了接近環(huán)形，間冷器的基本模塊可按多邊形布置，在2個(gè)基本模塊中間的楔形通道布置乙二醇水溶液的進(jìn)、出口管路，在每個(gè)楔形通道里只需要布置進(jìn)口接管或者出口接管。

3 程序編制

利用傳統(tǒng)的計(jì)算步驟對換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)效率很低，準(zhǔn)確度也較差，所以通過編制熱力學(xué)計(jì)算程序來完成艦船燃?xì)廨啓C(jī)間冷器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

間冷系統(tǒng)在給出低壓壓氣機(jī)出口溫度、壓力、流量和海水溫度、流量的條件下，首先，假設(shè)循環(huán)進(jìn)入機(jī)上間冷器的乙二醇水溶液的溫度，然后，通過進(jìn)行機(jī)上的板翅式換熱器和機(jī)外的板式換熱器的性能計(jì)算反復(fù)迭代，從而得到高壓壓氣機(jī)進(jìn)口氣體的溫度和壓力。

間冷系統(tǒng)程序流程如圖3所示。

由于流動(dòng)形式不同，機(jī)上循環(huán)中板翅式換熱器的努塞爾數(shù)（Nu）和摩擦因子的計(jì)算公式也不一樣。

（1）充分發(fā)展層流時(shí)，不同翅片幾何結(jié)構(gòu)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(guān)。通過查找有關(guān)數(shù)據(jù)[9-10]，擬合了層流時(shí)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(shí)采用Gnielinsk推薦的關(guān)系式

機(jī)外循環(huán)中的板式換熱器的Nu和歐拉數(shù)Eu分別為

4 性能分析

在計(jì)算中,以某型中等功率燃?xì)廨啓C(jī)中壓壓氣機(jī)出口和高壓壓氣機(jī)進(jìn)口的參數(shù)條件作為設(shè)計(jì)點(diǎn)，中壓壓氣機(jī)出口溫度為434K，壓力為350kPa，流量為75kg/s，針對機(jī)上間冷器的設(shè)計(jì)要求，高壓壓氣機(jī)的進(jìn)口溫度不超過328K，壓力損失不超過3%。通過該程序進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，并考慮實(shí)際加工條件以及受間冷器尺寸的限制，得到間冷系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸，機(jī)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(cè)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(cè)板厚度為2mm。機(jī)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(yīng)于此設(shè)計(jì)點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的機(jī)上間冷器的效率為0.74，壓力損失為2.5%，符合設(shè)計(jì)要求。

在結(jié)構(gòu)尺寸確定的情況下，液側(cè)流體的進(jìn)口參數(shù)對機(jī)上間冷器的性能也有明顯影響。在海水進(jìn)口溫度為286 K，流量為200kg/s時(shí)，不同流量乙二醇水溶液（體積分?jǐn)?shù)為50%）對氣側(cè)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?jǐn)?shù)為50%）流量為100kg/s，海水進(jìn)口溫度為286 K時(shí)，不同海水流量對氣側(cè)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?jǐn)?shù)為50%）流量為100kg/s，海水流量為200kg/s時(shí)，不同海水溫度對機(jī)上間冷器效率、氣側(cè)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(cè)的壓力損失和氣側(cè)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(cè)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(jù)條件選擇1個(gè)合理流量。

從圖6、7中可見，隨著海水流量的增加，氣側(cè)壓力損失率逐漸減小，但變化不大，而氣側(cè)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(jìn)口溫度和中間冷卻介質(zhì)乙二醇水溶液的流量已經(jīng)確定的條件下，海水流量對氣側(cè)壓力損失影響不大，對中間冷卻介質(zhì)乙二醇水溶液的溫度影響很大，從而影響到氣側(cè)出口溫度。

從圖8～10中可見，當(dāng)海水溫度由0℃升高到40℃時(shí)，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(cè)出口溫度影響相當(dāng)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(yōu)化設(shè)計(jì)的一部分；海水溫度對機(jī)上間冷系統(tǒng)的影響很顯著，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要詳細(xì)考慮海水溫度在可能變化范圍內(nèi)對間冷系統(tǒng)的影響。

5 結(jié)論

結(jié)合間冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，完成了間冷系統(tǒng)中機(jī)上間冷器和機(jī)外換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用VB程序語言，通過VS平臺，開發(fā)了間冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)程序，可以很好地完成燃?xì)廨啓C(jī)間冷系統(tǒng)的熱力設(shè)計(jì)與校核計(jì)算，具有較為友好的輸入輸出界面。利用該程序，在結(jié)構(gòu)尺寸確定的前提下，改變液側(cè)介質(zhì)的進(jìn)口參數(shù)，分析這些參數(shù)對間冷系統(tǒng)性能的影響，得到以下結(jié)論：

（1）隨著乙二醇水溶液流量的增大，機(jī)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(tǒng)乙二醇內(nèi)循環(huán)中的流道管路設(shè)計(jì)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(cè)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(dá)到預(yù)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(jī)上間冷器效率、氣側(cè)壓力損失以及氣側(cè)出口溫度的影響呈線性關(guān)系，其中對氣側(cè)出口溫度的影響最明顯，因此，海水溫度隨季節(jié)交替發(fā)生很大變化時(shí)，對氣側(cè)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(tǒng)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(dāng)海水溫度隨季節(jié)交替發(fā)生很大變化時(shí)，僅改變海水流量不一定能滿足要求，需要同時(shí)改變中間冷卻介質(zhì)乙二醇水溶液的流量。

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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?yàn)榕灤細(xì)廨啓C(jī)間冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與換熱性能分析。