吳正洪，馬 健，黃祖耀，王榮寶，陳吉鋮，婁德倉(cāng)

(1.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500；2.寧波科達(dá)制動(dòng)器制造有限公司，浙江寧波315191)

間冷回?zé)嵫h(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝研究

吳正洪1，馬 健1，黃祖耀2，王榮寶2，陳吉鋮1，婁德倉(cāng)1

(1.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500；2.寧波科達(dá)制動(dòng)器制造有限公司，浙江寧波315191)

介紹了一種基于間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)的回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和工藝實(shí)現(xiàn)方法。根據(jù)回?zé)崞髟陂g冷回?zé)岚l(fā)動(dòng)機(jī)中的使用環(huán)境和使用要求，結(jié)合U形管式回?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)及管式換熱器的理論計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)了一種U形管回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)方案。同時(shí)，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)的工藝制造水平，簡(jiǎn)述了該方案加工制造中的關(guān)鍵工藝及解決措施，為U形管式回?zé)崞鞯募庸ぶ圃焯峁┝艘粋€(gè)工藝參考。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；間冷回?zé)嵫h(huán)；U形管式回?zé)崞鳎环至髌?；收集器；工藝制?/p>

1 引言

間冷回?zé)釡u扇發(fā)動(dòng)機(jī)是一種新型節(jié)能環(huán)保航空發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)在傳統(tǒng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)熱循環(huán)基礎(chǔ)上增加間冷和回?zé)徇^(guò)程，可使得發(fā)動(dòng)機(jī)擁有更低的耗油率[1]?；?zé)崞魇情g冷回?zé)釡u扇發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)主要特征部件，工作在超過(guò)900 K的高溫核心流中，其性能將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，其設(shè)計(jì)技術(shù)是間冷回?zé)釡u扇發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

近年，國(guó)外針對(duì)回?zé)崞髟O(shè)計(jì)開(kāi)展了大量的理論和試驗(yàn)研究。MTU公司利用航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)排氣回?zé)崞骷夹g(shù)(AEROHEX)計(jì)劃中發(fā)明的型面管式回?zé)崞骷夹g(shù)，設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)緊湊和耐大溫度梯度的回?zé)崞鱗2]。該回?zé)崞骶哂懈邆鳠嵝屎偷蜌鈩?dòng)壓力損失的優(yōu)點(diǎn)，并在試驗(yàn)中證實(shí)了該結(jié)構(gòu)能夠在高熱能和高機(jī)械載荷下工作。國(guó)內(nèi)對(duì)于間冷回?zé)釡u扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研究起步較晚，目前還停留在概念追蹤和總體方案初步研究方面，對(duì)于回?zé)崞鞑考难芯坎⑽瓷钊腴_(kāi)展，特別是回?zé)崞鞯脑O(shè)計(jì)及校核方面缺乏相關(guān)設(shè)計(jì)和工程驗(yàn)證研究。

中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院于國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展間冷回?zé)嵫h(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，并通過(guò)設(shè)計(jì)、優(yōu)化完成了回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及模型試驗(yàn)件的加工制造。本文基于回?zé)崞髂Ｐ驮囼?yàn)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和試制過(guò)程，總結(jié)和梳理出一套回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝實(shí)現(xiàn)方案，其研究成果對(duì)高效、低壓損、高緊湊度、可實(shí)現(xiàn)的回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。

2 回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

航空發(fā)動(dòng)機(jī)用回?zé)崞鞴ぷ髟跍u輪出口高溫排氣環(huán)境下，放置在發(fā)動(dòng)機(jī)噴管內(nèi)部，將壓氣機(jī)出口氣流引至回?zé)崞骷訜岷笤俜祷刂寥紵疫M(jìn)口(圖1)[3]。因此，回?zé)崞髟O(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：

(1) 在給定工作條件(流體流量、進(jìn)口溫度等)下，達(dá)到要求的傳熱量和流體出口溫度；

(2)回?zé)崞鳠岫撕屠涠藟毫p失盡可能小，保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能；

(3)滿(mǎn)足噴管等尺寸和總體質(zhì)量要求；

(4)與渦輪和噴管等耦合分析，保證各部件性能；

(5)高溫下工作安全可靠；

(6)保證制造工藝、耐腐蝕等要求。

結(jié)合以上要求，根據(jù)換熱器計(jì)算流程編制計(jì)算程序，計(jì)算確定換熱器的冷熱側(cè)換熱表面積、換熱器總體積以及冷熱兩側(cè)的氣流流動(dòng)損失等參數(shù)。本方案采用U形管回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)U型管回?zé)崞鞯墓芙孛嫘螤?、管排?shù)、管間距、橢圓度、壁厚等進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，最終選擇橢圓形管作為換熱器的基本管形，采用5-4-5型叉排管束布局。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合U型管式回?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度限制，以及國(guó)內(nèi)實(shí)際加工制造水平，對(duì)回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。圖2顯示了回?zé)崞鞴ぷ髟恚豪錃鈴募瘹夤芤欢诉M(jìn)氣，在集氣管內(nèi)被分配到各個(gè)橢圓管束內(nèi)，在集氣管另一端內(nèi)匯集排出；燃?xì)鈴臋E圓管外側(cè)與管內(nèi)冷氣發(fā)生熱交換。根據(jù)工作原理，將回?zé)崞鞣纸鉃榉至髌?、收集器、U形管排、加強(qiáng)裝置等結(jié)構(gòu)。由于回?zé)崞鏖L(zhǎng)期工作在高溫環(huán)境，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選用焊接或螺栓連接等成熟可靠工藝。同時(shí)，考慮到回?zé)崞髟诎l(fā)動(dòng)機(jī)上按不同角度安裝，且安裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝拆方便等要求，回?zé)崞髟O(shè)計(jì)有可進(jìn)行角度調(diào)整的安裝結(jié)構(gòu)。

3.1 分流器

初始方案中，回?zé)崞鬟M(jìn)口冷氣通道被設(shè)計(jì)成光滑圓管，無(wú)導(dǎo)流措施。但通過(guò)Fluent軟件分析發(fā)現(xiàn)，該方案中冷卻流量分配不均衡，這將導(dǎo)致?lián)Q熱不均勻，進(jìn)而使整個(gè)回?zé)崞鞯膿Q熱效率降低。存在此現(xiàn)象的原因是進(jìn)出口壓力一定時(shí)，管內(nèi)氣流大部分從靠近出口的基本管束流出，使得靠近進(jìn)口的基本管束流量偏小。為此，擬采取三種改進(jìn)方案，其共同點(diǎn)是在主管內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流措施，分別是導(dǎo)流片、水平套管及擴(kuò)張型套管。通過(guò)對(duì)回?zé)崞髁鲌?chǎng)三維數(shù)值模擬分析[4]，得出以下結(jié)論：

(1)初始設(shè)計(jì)方案中，回?zé)崞骰竟苁鴥?nèi)的流量分布不均勻，容易導(dǎo)致回?zé)崞骰責(zé)嵝式档?，不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(2)在回?zé)崞髦髁鞴苁鴥?nèi)增加導(dǎo)流片，可有效均衡回?zé)崞骰竟苁鴥?nèi)的流量分布，但導(dǎo)流片的固定安裝困難，增加了加工制造的難度。

(3)在回?zé)崞髦髁鞴苁鴥?nèi)增加水平套管，雖然易于固定安裝、加工制造簡(jiǎn)單，但計(jì)算結(jié)果顯示，此方案中氣流的流量分布也不均勻，不適合采用。

(4)結(jié)合安裝導(dǎo)流片和水平套管的結(jié)構(gòu)形式，在回?zé)崞髦髁鞴苁鴥?nèi)增加擴(kuò)張管，既可充分利用前兩個(gè)方案的優(yōu)勢(shì)，又可有效減小加工制造難度。計(jì)算結(jié)果顯示，此方案的流量分布均勻。

根據(jù)評(píng)估結(jié)果，最終采用擴(kuò)張式分流器方案，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。分流器為圓形擴(kuò)張管結(jié)構(gòu)，采用圓管沖壓或機(jī)械加工制造。擴(kuò)張段處設(shè)計(jì)有四處凸臺(tái)，通過(guò)與回?zé)崞骼錃庵髁鞯佬￠g隙配合來(lái)確保分流器安裝定心。凸臺(tái)周邊設(shè)計(jì)有氣流通道，計(jì)算表明該設(shè)計(jì)更能確保冷氣來(lái)流的速度、壓力以及流量均勻分配到各橢圓管束中。為便于安裝，分流器采用可拆卸式結(jié)構(gòu)。前段設(shè)計(jì)有階梯形定位銷(xiāo)孔，安裝時(shí)分流器通過(guò)進(jìn)氣口插入，與收集器上的定位孔對(duì)正后采用螺栓階梯銷(xiāo)固定。另外，收集器和螺栓階梯銷(xiāo)均設(shè)計(jì)有鎖絲孔，通過(guò)鎖絲將螺栓階梯銷(xiāo)鎖緊，同時(shí)在螺栓階梯銷(xiāo)上涂抹螺紋膠確保密封有效。

3.2 收集器

收集器是支撐橢圓管束等部件的承力結(jié)構(gòu)。根據(jù)回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，收集器設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下因素：

(1) 橢圓管束安裝在收集器上，其安裝面至少需加工5 000多個(gè)橢圓孔，且橢圓孔間距需保證在3～5 mm內(nèi)，加工精度高、周期長(zhǎng)；

(2) 橢圓管束通過(guò)焊接方式固定在收集器上，其焊接零件多，焊點(diǎn)數(shù)達(dá)到5 000以上，焊接空間非常狹小(管束間距3～5 mm)，且焊接后不允許出現(xiàn)泄漏，焊接工藝復(fù)雜；

(3) 收集器是回?zé)崞鞯某辛χ谓Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮在發(fā)動(dòng)機(jī)上的安裝及調(diào)節(jié)等要求。

針對(duì)以上因素，收集器采用分體設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。收集器由集氣框架、密封銅墊、安裝板及螺栓螺母組成，安裝板上的橢圓孔采用機(jī)械或沖孔方式加工，集氣框架和密封銅墊采用機(jī)械加工，各零件加工難度較小。

考慮橢圓管束焊接困難，收集器采用分體設(shè)計(jì)后，其橢圓管束的焊接過(guò)程為：先將橢圓管排焊接在橢圓孔安裝板上，焊接位置在孔板內(nèi)側(cè)，焊接方式、焊接工藝以及焊接工裝設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，也便于對(duì)未焊接好的管束進(jìn)行補(bǔ)焊；同時(shí)將焊接好的橢圓管排和孔板通過(guò)螺栓安裝在承力框架上，并通過(guò)銅墊和高溫膠形式對(duì)回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)進(jìn)行密封，如圖5所示。

分體設(shè)計(jì)的收集器，不僅解決了零件的加工和焊接難題，也便于工作中出現(xiàn)管束漏氣時(shí)的修復(fù)。但是分體設(shè)計(jì)也存在以下問(wèn)題：

(1)回?zé)崞鬟B接螺栓數(shù)量、規(guī)格是否滿(mǎn)足密封要求。設(shè)計(jì)時(shí)為追求質(zhì)量指標(biāo)往往忽略連接件的密封問(wèn)題，考慮到密封性，回?zé)崞髟O(shè)計(jì)時(shí)將M6連接螺栓調(diào)整為M8連接螺栓(圖6)。

(2)中間排連接螺栓扳擰空間問(wèn)題。根據(jù)回?zé)崞骺臻g結(jié)構(gòu)(圖7)，回?zé)崞髦虚g排螺栓存在扳擰空間不足問(wèn)題。為此，設(shè)計(jì)時(shí)要求先將已焊接U型管的安裝板通過(guò)螺栓連接在安裝框架上，然后進(jìn)行密封性檢查，合格后再安裝并點(diǎn)焊加強(qiáng)板，從而確保安裝中間排螺栓時(shí)沒(méi)有加強(qiáng)板的干涉，增加了中間排螺栓的扳擰空間。

(3)回?zé)崞髅芊鈫?wèn)題。為確保回?zé)崞髅芊饪煽?，除采用密封銅墊進(jìn)行密封外，還在安裝板所有密封位置涂抹高溫密封膠，在安裝銷(xiāo)螺紋處涂抹螺紋密封膠(圖8)。

3.3 橢圓管束

橢圓管束為長(zhǎng)軸內(nèi)直徑a、短軸內(nèi)直徑b構(gòu)成的橢圓形管，采用5-4-5型叉排管束布局，管束橫向間距為S1/b，流向間距為S2/a，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖9所示。橢圓管束采用圓管拉制的方法制造。為控制管束間的排列間距，采用可靠整體工裝彎制校型橢圓管排，確保間距尺寸滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 主要零件選材

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，回?zé)崞鳠岫诉M(jìn)口最高溫度達(dá)970 K，巡航時(shí)最高溫度為847 K。為此，回?zé)崞鬟x用GH4169鎳基高溫合金，該合金在526～973 K范圍內(nèi)具有良好的綜合性能，923 K以下的屈服強(qiáng)度居變形高溫合金首位，具有良好的抗疲勞、抗氧化及耐輻射性能。

5 強(qiáng)度分析

根據(jù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，采用有限元軟件ANSYS對(duì)回?zé)崞鬟M(jìn)行了強(qiáng)度、位移及剛度分析。表1為回?zé)崞鞴ぷ鳁l件，圖10為強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。由圖分析可知：U形管排受力均勻，變形對(duì)稱(chēng)，管排間不會(huì)發(fā)生干涉；螺栓安裝邊密封性?xún)?chǔ)備系數(shù)大于1.0，螺栓屈服強(qiáng)度儲(chǔ)備滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；螺母螺紋牙彎曲儲(chǔ)備大于1.5，剪切儲(chǔ)備大于2.5，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；U形管排靜強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表1 回?zé)崞鞴ぷ鲄?shù)Table 1 The working parameters of the recuperator

6 關(guān)鍵工藝

橢圓管束焊接是回?zé)崞髟囍浦械年P(guān)鍵工藝。通過(guò)采用縮比試件進(jìn)行焊接工藝摸索，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于真空釬焊等其他焊接工藝，手工釬焊能很好地控制管束的焊接質(zhì)量、結(jié)構(gòu)尺寸和焊接變形，還可對(duì)不合格焊縫進(jìn)行補(bǔ)焊，滿(mǎn)足回?zé)崞骱附庸に囈?，所以回?zé)崞鞑捎檬止もF焊進(jìn)行試制。管束焊接過(guò)程中存在焊縫漏氣等問(wèn)題，需要對(duì)不合格焊縫進(jìn)行補(bǔ)焊。由于補(bǔ)焊會(huì)影響其他焊接位置，所以焊接時(shí)存在密封性檢查+補(bǔ)焊不斷交替的過(guò)程。為達(dá)到焊接要求，設(shè)計(jì)了焊接檢查工裝。將裝配好橢圓管的安裝板放置在工裝上，安裝板和焊接檢查工裝通過(guò)螺栓和密封墊進(jìn)行固定和密封。焊接檢查工裝上設(shè)計(jì)有打壓檢查進(jìn)氣口，按圖11所示對(duì)橢圓管排和安裝板進(jìn)行焊接。焊接完成后在檢查工裝進(jìn)氣口處充入壓力0.3 MPa空氣，同時(shí)關(guān)閉出氣口處的出氣活門(mén)；再采用肥皂水對(duì)焊接部位進(jìn)行密封性檢查，對(duì)出現(xiàn)漏氣的焊縫進(jìn)行補(bǔ)焊，直至焊縫密封性檢查符合設(shè)計(jì)要求。最后，按圖紙要求裝配回?zé)崞鳎⑦M(jìn)行最終檢查驗(yàn)收，完成回?zé)崞髦圃?。圖12為回?zé)崞鲗?shí)物圖。

7 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)間冷回?zé)嵫h(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)工藝水平，本文闡述的回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝，為U形管回?zé)崞鞯脑O(shè)計(jì)提供了一種可行的方案，也為回?zé)崞鞯募庸ぶ圃焯峁┝艘环N參考。目前本方案已進(jìn)行了換熱性能的考核驗(yàn)證。由于回?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還欠缺足夠的設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)存在安裝困難、質(zhì)量過(guò)大等問(wèn)題，在完成回?zé)崞鳂訖C(jī)驗(yàn)證后，還需不斷優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)和工藝方案，最終實(shí)現(xiàn)工程驗(yàn)證。

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The structure design and m anu facturing study of a tube recuperator of the intercooled and recuperated aero-engine

WU Zheng-hong1，MA Jian1，HUANG Zu-yao2，WANG Rong-bao2，CHEN Ji-cheng1，LOU De-cang1
(1.AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China；2.NingBo KEDA Brake Manufacture Co.Ltd.，Ningbo 315191，China)

The structure design and manufacturing process of a recuperator of an intercooled and recuperated aero-engine was introduced.A U-type tube recuperator structure was designed based on the working environ?ment and operation requirements,along with U-type tube recuperator characteristics and theoretical calcula?tion results.Considering current manufacturing level in China,critical process and solution measures were presented which can be provided as a process reference for U type tube recuperator manufacturing.

aero-engine；intercooled and recuperated cycle；U-type tube recuperator；honeycomb duct；gas collection device；processing manufacturing

V236

：A

：1672-2620(2017)02-0005-06

2016-12-03；

：2017-04-11

吳正洪(1986-)，男，貴州遵義人，工程師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與技術(shù)研究。