舰船燃气轮机间冷系统流动参数优化分析

高 鹏 ，董 威

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

舰船燃气轮机间冷系统流动参数优化分析

高 鹏 ，董 威

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

在传统换热器的设计理论和方法的基础上，进行了燃气轮机间冷系统的优化设计。使用V B程序语言和V S平台开发了辅助间冷系统设计程序，利用该程序进行了某参数条件下燃气轮机间冷系统的初步设计，并分析了不同液侧进口参数对间冷系统性能的影响。分析结果表明:乙二醇水溶液流量和海水流量的增加都可以提高间冷系统性能，但流量不是越大越好，应根据条件合理选择流量；海水温度对间冷系统效率的影响很显著，优化设计时要加以考虑。

间冷系统；舰船燃气轮机；板翅式换热器；板式换热器；流动参数;优化分析

0 引言

与简单循环燃气轮机相比，间冷回热循环燃气轮机有很多优点：在设计工况下，功率更大、热效率更高，从而在典型的运行工况下可以减少25%甚至更多的耗油量；在低工况下，克服了简单循环经济性很差的缺点；在运行时可靠性更高、噪声更低，而且排气的红外辐射更少[1-2]。因此，间冷回热循环成为近期燃气轮机研究热点。随着技术的成熟，间冷回热循环燃气轮机与柴油机组成大中型水面战舰的联合动力装置，明显提高了战舰的动力性能，应用前景十分广阔[3]。由于间冷系统所处的位置，间冷循环燃气轮机间冷系统要尽量紧凑，加之机上间冷器流道复杂，因此，开展机上间冷器的结构优化设计分析非常重要。

中国燃气轮机间冷技术的发展起步较晚，尚未形成1套完整理论。苏明等人对间冷回热燃气轮机板翅式回热器的性能参数和结构参数的优化技术进行了分析[4]。董威、文超柱等人对间冷器传热与流动进行了数值分析[5-6]。可以说，国内有关燃气轮机间冷回热循环系统的研究仍在不断进行中。因此，开展舰船燃气轮机间冷系统设计和优化研究具有现实意义。

1 间冷系统概述

间冷系统（如图1所示）是间冷回热循环中的重要部件[7]，位于燃气轮机低压压气机和高压压气机之间，通过降低进入高压压气机气流的温度，以减少高压压气机的压缩耗功，增加高压压气机的进气流量，提高燃气轮机的输出功率以及与回热器和动力涡轮共同降低燃气轮机的耗油率。

舰船燃气轮机间冷系统由机上间冷器组件和机外海水换热器组件组成，通过机上气液换热器从低压压气机的出口空气中提取热量，由乙二醇水溶液（EG）将热量带到机外EG-海水换热器中，最终由机外换热器中的海水将这些热量排入大海。

燃气轮机间冷器的设计要着重考虑2个性能参数：（1）通过进气通道、换热器和出口通道的压降；（2）换热器的效率。由于通过换热器的压降给高压压气机增加了额外负担，从而会增加耗油率，因此，所有间冷器段的压降应尽可能小。而换热器的换热能力必须尽可能地大，使得在规定的最小压降的通道和空间内尽可能多地交换热量，从空气中吸取的热量越多，空气温度就越低，允许更多空气进入高压压气机。因此，在设计中要协调好这2个性能参数。

2 结构设计方案

板翅式换热器具有较好的结构强度和较简单的加工工艺，而且换热效率高，空间安排较紧凑，因此，本文设计的机上间冷换热器采用叉流式板翅式换热器。另外，间冷换热器的进口空气来自低压压气机出口，压力比较高，为此，本文采用平直翅片，翅片形状定为矩形，其板束基本结构如图2所示。

板式换热器波纹板片的交叉相叠大大加强了流体的扰动，且清洗、检修方便，因此本文所设计的机外液液换热器采用波纹型板式换热器。

为了方便机上间冷器的安装维护，借鉴WR-21燃气轮机间冷器的结构形式，将机上间冷器设计成10个模块[8]，每个模块能独立拆卸维护，所有模块组成1个整体燃气轮机间冷器。为了接近环形，间冷器的基本模块可按多边形布置，在2个基本模块中间的楔形通道布置乙二醇水溶液的进、出口管路，在每个楔形通道里只需要布置进口接管或者出口接管。

3 程序编制

利用传统的计算步骤对换热器进行设计，设计效率很低，准确度也较差，所以通过编制热力学计算程序来完成舰船燃气轮机间冷器系统设计。

间冷系统在给出低压压气机出口温度、压力、流量和海水温度、流量的条件下，首先，假设循环进入机上间冷器的乙二醇水溶液的温度，然后，通过进行机上的板翅式换热器和机外的板式换热器的性能计算反复迭代，从而得到高压压气机进口气体的温度和压力。

间冷系统程序流程如图3所示。

由于流动形式不同，机上循环中板翅式换热器的努塞尔数（Nu）和摩擦因子的计算公式也不一样。

（1）充分发展层流时，不同翅片几何结构的Nu和f不同，但是只与通道的几何形状和热边界条件有关。通过查找有关数据[9-10]，拟合了层流时横壁温条件下的Nu以及f随截面尺寸的变化，得到最后的拟合公式

式中：a、b分别为翅片通道的横截面尺寸。

（2）紊流时采用Gnielinsk推荐的关系式

机外循环中的板式换热器的Nu和欧拉数Eu分别为

4 性能分析

在计算中,以某型中等功率燃气轮机中压压气机出口和高压压气机进口的参数条件作为设计点，中压压气机出口温度为434K，压力为350kPa，流量为75kg/s，针对机上间冷器的设计要求，高压压气机的进口温度不超过328K，压力损失不超过3%。通过该程序进行设计分析，并考虑实际加工条件以及受间冷器尺寸的限制，得到间冷系统的内部结构尺寸，机上间冷器选用耐腐蚀的铜镍合金的叉流板翅式换热器，两侧翅片间距均为1.4mm，厚度均为0.12mm，冷热板间距分别为3、5mm，隔板厚度为0.5mm，侧板厚度为2mm。机外换热器选用耐腐蚀的钛板波纹板式换热器，板间距为4mm，厚0.8mm，板有效宽度为1500mm，单板面积为0.94m2。

对应于此设计点，所设计的机上间冷器的效率为0.74，压力损失为2.5%，符合设计要求。

在结构尺寸确定的情况下，液侧流体的进口参数对机上间冷器的性能也有明显影响。在海水进口温度为286 K，流量为200kg/s时，不同流量乙二醇水溶液（体积分数为50%）对气侧压力损失率和出口温度的影响分别如图4、5所示；在乙二醇水溶液（体积分数为50%）流量为100kg/s，海水进口温度为286 K时，不同海水流量对气侧压力损失率和出口温度的影响分别如图6、7所示；在乙二醇水溶液（体积分数为50%）流量为100kg/s，海水流量为200kg/s时，不同海水温度对机上间冷器效率、气侧压力损失率和出口温度的影响分别如图8～10所示。

从图4、5中可见，增加乙二醇水溶液的流量可以降低气侧的压力损失和气侧出口温度，但是随着乙二醇水溶液流量的增大，效果越来越不明显，加上大流量对液侧液体流道布置的要求很高，所以乙二醇的流量不是越大越好，要根据条件选择1个合理流量。

从图6、7中可见，随着海水流量的增加，气侧压力损失率逐渐减小，但变化不大，而气侧出口温度明显降低，两种变化趋势随海水流量的增加都趋于平缓。表明在海水进口温度和中间冷却介质乙二醇水溶液的流量已经确定的条件下，海水流量对气侧压力损失影响不大，对中间冷却介质乙二醇水溶液的温度影响很大，从而影响到气侧出口温度。

从图8～10中可见，当海水温度由0℃升高到40℃时，间冷器的效率和压力损失率分别改变了0.908%和0.132%，变化不大，而对气侧出口温度影响相当明显。

综上分析，确定合理的乙二醇水溶液流量和海水流量也是优化设计的一部分；海水温度对机上间冷系统的影响很显著，进行优化设计时，要详细考虑海水温度在可能变化范围内对间冷系统的影响。

5 结论

结合间冷系统的结构特点和设计要求，完成了间冷系统中机上间冷器和机外换热器的结构设计。利用VB程序语言，通过VS平台，开发了间冷系统的设计程序，可以很好地完成燃气轮机间冷系统的热力设计与校核计算，具有较为友好的输入输出界面。利用该程序，在结构尺寸确定的前提下，改变液侧介质的进口参数，分析这些参数对间冷系统性能的影响，得到以下结论：

（1）随着乙二醇水溶液流量的增大，机上间冷器的效率增加趋于缓慢，压力损失改善不大，但流量的增大会给间冷系统乙二醇内循环中的流道管路设计带来很大困难，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确定的前提下，海水流量对压力损失影响不大，而对气侧出口温度影响很大，2种变化趋势随着海水流量的增大越来越不明显，因此，通过合理控制海水流量可以达到预期的换热效果。

（3）在乙二醇水溶液流量确定的前提下，海水温度对机上间冷器效率、气侧压力损失以及气侧出口温度的影响呈线性关系，其中对气侧出口温度的影响最明显，因此，海水温度随季节交替发生很大变化时，对气侧出口温度的影响很大。

（4）对比海水流量和海水温度对间冷系统性能的影响可知，海水温度的影响比海水流量的影响大，所以当海水温度随季节交替发生很大变化时，仅改变海水流量不一定能满足要求，需要同时改变中间冷却介质乙二醇水溶液的流量。

[1]梁春华.间冷回热循环舰船用燃气轮机WR-21的技术特点[J].航空发动机，2006，33（1）：55-58.

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[3]张方伟，张会生，苏明.中冷回热循环燃气轮机技术[J].船舶工程，2004，26（2）：7-9.

[4]金晓航，刘永文，苏明.带中间冷却和回热的燃气轮机动态性能的研究[J].动力工程，2006，26（3）：326-328.

[5]董威，文超柱，郑培英.船用燃气轮机间冷器流路的数值计算分析[J].航空动力学报，2010，25（3）：636-640.

[6]文超柱，董威.舰载燃气轮机间冷器传热与流动的数值模拟[J].航空动力学报，2010，25（3）：654-658.

[7]Lieutenant Steven.Integration of the WR-21intercooled recuperated gas turbine intothe royal navytype 45destroyer[R].ASME 2001-GT-0531.

[8]文超柱.舰载燃气轮机间冷器的设计与研究[D].上海：上海交通大学，2009.

[9]杨强生，浦保荣.高等传热学[M].上海：上海交通大学出版社，2001.

[10]余建祖.换热器原理与设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

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

高鹏（1985），男，硕士，研究方向为舰船燃气轮机间冷系统的优化设计与换热性能分析。