陳吉鋮，馬 健，黃祖耀，王榮寶，吳正洪

(1.中國航發(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)間冷器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝研究

陳吉鋮1，馬 健1，黃祖耀2，王榮寶2，吳正洪1

(1.中國航發(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)

為支持間冷回?zé)嵫h(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究，根據(jù)Realizable k-ε湍流模型分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了CC型交叉波紋板式間冷器。綜合考慮氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、傳熱、強(qiáng)度、工藝等因素，確定了間冷器的主要結(jié)構(gòu)特征，擬定了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。并與加工單位制定了詳細(xì)可行的工藝流程，完成了間冷器加工。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合，CC型交叉波紋板式間冷器換熱性能良好?？蔀楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)用間冷器設(shè)計(jì)加工提供參考。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；間冷回?zé)嵫h(huán)；間冷器；換熱芯體；CC型交叉波紋板；結(jié)構(gòu)特征；工藝方案；試驗(yàn)驗(yàn)證

1 引言

燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)參數(shù)和部件效率經(jīng)過不斷改進(jìn)已趨近極限，為更有效利用能源，國外研究人員在上世紀(jì)40年代就著手研究了一種新型結(jié)構(gòu)的熱力循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)——間冷回?zé)嵫h(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。1943年，德國首先提出熱交換航空發(fā)動(dòng)機(jī)概念，并研制了一臺低總壓比回?zé)嵫h(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)；隨后英國也開始研究帶回?zé)崞鞑考暮娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)。90年代中后期，由英、美聯(lián)合研制的間冷回?zé)嵫h(huán)WR-21艦船燃?xì)廨啓C(jī)成功投入使用[1]。90年代后期，俄羅斯研制的外涵回?zé)崾饺細(xì)廨啓C(jī)在工程上具有較高的應(yīng)用價(jià)值[2]。進(jìn)入21世紀(jì)后，歐洲多國持續(xù)對間冷回?zé)峤Y(jié)構(gòu)展開研究。其中Gronstedt、W ilfert等對間冷回?zé)岚l(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行的分析和優(yōu)化表明：間冷回?zé)岚l(fā)動(dòng)機(jī)耗油率相比常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)約降低4.3%[3]，CO2、NOX排放量分別降低6%和16%[4]，降耗與減排效果顯著。

相較于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，間冷回?zé)釡u扇發(fā)動(dòng)機(jī)[5]中間冷器的引入，對原空氣流路產(chǎn)生一定程度的堵塞，進(jìn)而對發(fā)動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生有害影響。為此，在有限體積內(nèi)做出結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、換熱效率高、穩(wěn)定可靠的間冷器尤為重要。間冷器效率高低主要取決于換熱芯體效率，國內(nèi)外學(xué)者研發(fā)了板翅式和原表面型等換熱器芯體，近期又提出了具有高緊湊度、高換熱效率的交叉波紋面型換熱器CC型和CU型。本文介紹了一種CC型間冷器的設(shè)計(jì)和工藝，詳述了該間冷器換熱芯體的結(jié)構(gòu)、選材和關(guān)鍵工藝，并對其進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，以期為間冷回?zé)嵫h(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)研究提供支持。

2 間冷器工作原理

間冷器環(huán)向布置在間冷回?zé)岚l(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)外壁面，結(jié)構(gòu)見圖1。間冷器模塊在發(fā)動(dòng)機(jī)外涵內(nèi)以V型布局，熱氣通道側(cè)帶有進(jìn)、出氣封頭結(jié)構(gòu)(圖2)。工作時(shí)熱氣進(jìn)入進(jìn)氣封頭經(jīng)過間冷器進(jìn)行熱交換，出氣封頭降低溫度后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)主流路；冷氣自V型缺口流經(jīng)間冷器進(jìn)行熱交換，升溫后在發(fā)動(dòng)機(jī)噴口處進(jìn)行混合，為發(fā)動(dòng)機(jī)做功。

作為增壓級和高壓壓氣機(jī)之間的熱交換器，間冷器工作性能的優(yōu)劣將影響整個(gè)系統(tǒng)性能。若間冷器氣動(dòng)損失過大或熱交換效果較差等，將降低熱機(jī)效率。為確保熱力循環(huán)系統(tǒng)有較高的效率，間冷器設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：

(1)在給定的工作條件(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)流體壓降小，以減少運(yùn)行的能量消耗；

(3)滿足外形尺寸和質(zhì)量要求；

(4)安全可靠，滿足最高工作壓力、溫度以及防腐、防漏、工作壽命等方面的要求；

(5)制造工藝切實(shí)可行，選材合理且材料來源有保證。

3 間冷器換熱芯體設(shè)計(jì)及分析

參考MTU公司設(shè)計(jì)的換熱器[6]構(gòu)型，經(jīng)大量分析計(jì)算，最終將間冷器換熱芯體確定為一種90°皺起角的CC板換熱芯體[7]。該換熱芯體具有熱交換效率高、工作穩(wěn)定、氣流損失小等優(yōu)點(diǎn)。CC型間冷器換熱芯體由兩種波紋方向交錯(cuò)成90°薄波紋板組成，見圖3。波紋板斷面為正弦曲線，見圖4。兩種波紋板將換熱空間分割成冷氣通道與熱氣通道，以盡量增加冷、熱氣換熱面積，提高換熱效率；波紋板依次交替重疊(圖5)組合形成換熱芯體。氣流流經(jīng)波紋板換熱情況如圖6所示，冷、熱氣流從兩個(gè)方向進(jìn)入換熱芯體，流入由波紋板組成的交錯(cuò)通道，氣流行走路徑長、換熱面積大，便于進(jìn)行熱交換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)間冷器換熱功能。但實(shí)際加工時(shí)，不可能每片波紋板的波峰、波谷均達(dá)到理論高度，且波紋板單純疊加很容易因零件翹曲、變形、加工不到位等因素引起波紋板間存在縫隙，氣流短路，影響熱交換效率。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮在波紋板組裝時(shí)施加徑向貼合應(yīng)力，保證兩片波紋板波峰、波谷都能貼合上；對于換熱芯體高度較高、波紋板自重較大的間冷器換熱芯體，還應(yīng)設(shè)置分層板分擔(dān)壓力，避免最下部分波紋板因累積重力，受到過大載荷將波紋板壓裂。

搭建間冷器換熱芯體構(gòu)件模型，三維仿真冷、熱氣流通過換熱芯體后空氣流路走向，并分析波紋板溫度場分布。圖7為單片波紋板溫度場分布?？紤]溫度場分布、氣流沖擊、熱變形、施加貼合應(yīng)力等因素，利用波紋板ANSA分網(wǎng)模型(圖8)進(jìn)行強(qiáng)度評估，得出工作狀態(tài)下徑向位移分布、試驗(yàn)狀態(tài)下波紋板的等效應(yīng)力分布、波紋板的第一主應(yīng)力分布等，各項(xiàng)強(qiáng)度水平均滿足設(shè)計(jì)要求。

4 間冷器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)要求，間冷器每兩組換熱芯體呈V字型分布。采用商業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，方程離散采用二階迎風(fēng)格式，流動(dòng)和溫度采用分離求解器，考慮空氣的可壓縮性和物性隨溫度的變化，湍流模型選取Realizable k-ε模型。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，確定V字型張開角及間冷器迎風(fēng)角[7]。換熱芯體采用框架式承力結(jié)構(gòu)固定，承力框架合理布置密封結(jié)構(gòu)，以保證氣密性良好。由于熱氣進(jìn)氣封頭氣流路徑較長，因此采用分流格柵均勻分配氣流，保證間冷器換熱效率最大化。間冷器V字型單元結(jié)構(gòu)見圖9。

4.2 材料選取

間冷器換熱芯體波紋板既要保證換熱效率高，又要滿足強(qiáng)度方面要求，加工材料的選取尤為重要。為使間冷器換熱芯體質(zhì)量盡量輕、換熱效率高，波紋板厚度定為0.15 mm。波紋板厚度小，彎折相對曲率較大，對材料自身及工藝方法要求極高。結(jié)合加工廠材料使用經(jīng)驗(yàn)，初步選定一種航空不銹鋼材料的鋼箔作為加工原材料。為增加材料延展性，最終定制了一種專用不銹鋼。該不銹鋼適當(dāng)增加了銅元素含量，削弱了部分剛度特性，增加了延展性，便于波紋板的加工制造。

4.3 關(guān)鍵工藝

間冷器的框架和連接結(jié)構(gòu)均可采用傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝完成加工、制造，但其中的換熱芯體由于所采用的波紋板厚度薄、層數(shù)多、控制因素繁瑣導(dǎo)致工藝實(shí)現(xiàn)性差，其關(guān)鍵工藝主要有波紋板壓制和換熱芯體組裝。

4.3.1 波紋板壓制

(1) 模具修正

波紋板加工采用模具沖壓工藝。批量沖壓不銹鋼箔，待零件時(shí)效后，測量并統(tǒng)計(jì)出波紋板回彈變形量。根據(jù)沖壓零件回彈量修配模具，新模具連續(xù)沖壓10片不銹鋼箔，零件時(shí)效后，波紋板處于尺寸公差范圍內(nèi)，模具合格。最后進(jìn)行模具固化處理。

(2) 波紋板沖壓

為保證壓制過程中鋼箔受力均勻，采用油壓機(jī)作為沖壓動(dòng)力。波紋板壓制分為預(yù)壓制、正式壓制兩個(gè)步驟。預(yù)壓制是將不銹鋼箔固定在油壓機(jī)上，控制壓力使鋼箔緩慢變形尺寸至70%～80%。將壓制后的鋼箔取出，放置在真空爐中加溫至1 000℃，進(jìn)行材料光亮熱處理，進(jìn)一步增加材料韌性。將熱處理后的鋼箔邊緣用油壓機(jī)固定好，進(jìn)行正式壓制。正式壓制時(shí)，控制油壓緩慢將鋼箔沖壓至目標(biāo)尺寸，維持5 min，正式壓制完成。

(3) 波紋板翻邊

波紋板沖壓完成后，裁剪余料，使用專用工裝翻折安裝邊。波紋板一側(cè)采用豎直翻邊的形式，另一側(cè)采用彎折翻邊形式，見圖10。

4.3.2 換熱芯體組裝

(1) 波紋板組裝

波紋板完成翻折后，兩側(cè)翻邊按圖11所示貼合，并涂抹高溫密封膠。涂抹完成后，將小單元體放置工裝內(nèi)限位，并給與貼合壓力，保證組合后寬度、高度尺寸不變，直至密封膠凝固，單片波紋板組合成小單元體組件。單元體組件穩(wěn)定后，放置在單元體打壓工裝內(nèi)進(jìn)行打壓，檢查氣密性，不允許有泄漏。

(2) 換熱芯體封裝

每兩組小單元體分別粘接，凝固后進(jìn)一步組裝，組裝過程中用工裝限制每組小單元體尺寸，便于最終組裝。間冷器換熱芯體要求有良好的換熱功能，但不允許冷氣、熱氣互相摻混，波紋板組合后轉(zhuǎn)角處要設(shè)置密封片、避免漏氣。波紋板小單元體之間涂抹高溫密封膠后，連同換熱芯體框架上、下底板一同放置在限位工裝內(nèi)，并施加貼合應(yīng)力將波紋板壓縮到預(yù)定高度，波紋板轉(zhuǎn)角處貼合密封片，再將框架側(cè)棱與密封片粘接好，拼接順序見圖12。點(diǎn)焊固定好框架底板與側(cè)棱的相對位置，放置在限位工裝內(nèi)等待高溫密封膠凝固。凝固完成后，進(jìn)行換熱芯體框架焊接并打磨。

將波紋板組合成換熱芯體組件封裝在換熱芯體框架的過程中，不得將波紋板4個(gè)方向都與棱邊抵死，應(yīng)在熱變形影響最大方向預(yù)留膨脹間隙，避免波紋板在工作過程中因熱變形無法釋放而對換熱芯體自身產(chǎn)生損傷，從而影響部件性能。

(3) 換熱芯體打壓

將間冷器換熱芯體裝進(jìn)用于檢驗(yàn)密封性的專用框架，形成間冷器打壓組件。再將該組件放進(jìn)打壓設(shè)備，檢驗(yàn)氣密性，保證在1.5倍工作壓力條件下冷、熱氣通道分別暢通，且冷氣、熱氣不互竄。氣密性檢查過程中將間冷器打壓組件沉入水中，熱氣通道輸入打壓氣體，保持壓力5 min，冷氣通道無氣泡冒出，證明間冷器密封可靠。

5 間冷器試驗(yàn)驗(yàn)證

按發(fā)動(dòng)機(jī)典型工況下間冷器冷氣進(jìn)口與熱氣進(jìn)口氣體壓力、溫度、速度等氣體特性對試驗(yàn)件供氣，分別測量進(jìn)、出口氣體特性，對測量結(jié)果進(jìn)行分析、整理得到試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明：試驗(yàn)?zāi)M熱端壓力損失與理論計(jì)算結(jié)果吻合度很高，冷端壓力損失隨冷氣雷諾數(shù)的改變而改變，冷端壓力損失最大值也在試驗(yàn)可接受范圍內(nèi)，間冷度不低于理論計(jì)算水平，在某些試驗(yàn)工況下高于理論計(jì)算結(jié)果，即換熱效果更優(yōu)。由此可知，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合良好，間冷器設(shè)計(jì)合理，加工及檢驗(yàn)過程可靠。

6 結(jié)束語

通過研究國外間冷器技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，參考國內(nèi)多種換熱器的加工、制造工藝，經(jīng)過整理、改進(jìn)形成一種適合航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的間冷器設(shè)計(jì)、加工方案。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，依照該方案加工的間冷器換熱性能較好、流阻損失較小，為間冷器及類似換熱器的設(shè)計(jì)、加工提供了一種參考。目前，間冷器應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，國內(nèi)尚處于摸索階段，存在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相對繁瑣，加工周期較長，部分工藝較為依賴人工操作，不利于批量生產(chǎn)等缺點(diǎn)。因此，還需要不斷深入研究，改善方案，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高間冷器效率。

[1]沈 虹，周 軍，陳玉潔，等.歐盟間冷回?zé)嵫h(huán)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展綜述[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2016，29 (1)：10—13.

[2]高海紅，王巍巍，李剛團(tuán)，等.俄羅斯間冷回?zé)嵫h(huán)技術(shù)研究[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2016，29(1)：14—20.

[3]Gronstedt T，Kyprianidis K.Op tim izing the operation of the intercooled turbofan engine[R].ASME GT2010-22519，2010.

[4]W ilfert G，Sieber J，Rolt A，et al.New environmental friendly aero engine core concepts[R].ISABE 2007-1120，2007.

[5]龔 昊，王占學(xué)，周 莉，等.間冷回?zé)釡u扇發(fā)動(dòng)機(jī)的初步分析[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2014，35(4)：659—662.

[6]Schonenborn H，Ebert E，Simon B，et al.Thermomechani?cal design of a heat exchanger for a recuperative aero en?gine[R].ASME GT2004-53696，2004.

[7]朱曉華，婁德倉，童傳琛.CC型原表面換熱器通道內(nèi)流動(dòng)與換熱特性的數(shù)值研究[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2016，29(1)：36—40.

Structural design and technical study for intercooler of intercooled and recuperated aero-engine

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

To support the research of intercooled and recuperated aero-engine,the intercooler of CC type cross corrugated plate was designed based on the analysis result of Realizable k-εturbulence model.Con?sidering aspects of aerodynam ics,structure,heat transfer,strength and technology,the main structure char?acteristic and the design scheme were determined.The intercooler was manufactured after the detailed and feasible process flow was made with manufacturer.The result of theoretical calculation was confirmed in ac?cordance with that of the experiment,indicating that the intercooler with CC type cross corrugated plate per?formed well in heat exchange,providing reference for design and manufacture of aero-engine intercooler.

aero-engine；intercooled and recuperated cycle；intercooler；heat-exchanger core；CC type cross corrugated plate；structure characteristic；process flow；experiment verification

V236

：A

：1672-2620(2017)02-0001-04

2017-01-24；

：2017-04-07

陳吉鋮(1986-)，男，山東威海人，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)。