间冷回热循环发动机间冷器结构设计与工艺研究

陈吉铖，马 健，黄祖耀，王荣宝，吴正洪

(1.中国航发四川燃气涡轮研究院，成都610500；2.宁波科达制动器制造有限公司，浙江宁波315191)

间冷回热循环发动机间冷器结构设计与工艺研究

陈吉铖1，马 健1，黄祖耀2，王荣宝2，吴正洪1

(1.中国航发四川燃气涡轮研究院，成都610500；2.宁波科达制动器制造有限公司，浙江宁波315191)

为支持间冷回热循环发动机技术研究，根据Realizable k-ε湍流模型分析结果，设计了CC型交叉波纹板式间冷器。综合考虑气动、结构、传热、强度、工艺等因素，确定了间冷器的主要结构特征，拟定了结构设计方案。并与加工单位制定了详细可行的工艺流程，完成了间冷器加工。经试验验证，理论计算结果与试验结果吻合，CC型交叉波纹板式间冷器换热性能良好。可为航空发动机用间冷器设计加工提供参考。

航空发动机；间冷回热循环；间冷器；换热芯体；CC型交叉波纹板；结构特征；工艺方案；试验验证

1 引言

燃气轮机热力循环参数和部件效率经过不断改进已趋近极限，为更有效利用能源，国外研究人员在上世纪40年代就着手研究了一种新型结构的热力循环燃气轮机——间冷回热循环发动机。1943年，德国首先提出热交换航空发动机概念，并研制了一台低总压比回热循环发动机；随后英国也开始研究带回热器部件的航空发动机。90年代中后期，由英、美联合研制的间冷回热循环WR-21舰船燃气轮机成功投入使用[1]。90年代后期，俄罗斯研制的外涵回热式燃气轮机在工程上具有较高的应用价值[2]。进入21世纪后，欧洲多国持续对间冷回热结构展开研究。其中Gronstedt、W ilfert等对间冷回热发动机性能进行的分析和优化表明：间冷回热发动机耗油率相比常规发动机约降低4.3%[3]，CO2、NOX排放量分别降低6%和16%[4]，降耗与减排效果显著。

相较于传统发动机，间冷回热涡扇发动机[5]中间冷器的引入，对原空气流路产生一定程度的堵塞，进而对发动机性能产生有害影响。为此，在有限体积内做出结构紧凑、质量轻、换热效率高、稳定可靠的间冷器尤为重要。间冷器效率高低主要取决于换热芯体效率，国内外学者研发了板翅式和原表面型等换热器芯体，近期又提出了具有高紧凑度、高换热效率的交叉波纹面型换热器CC型和CU型。本文介绍了一种CC型间冷器的设计和工艺，详述了该间冷器换热芯体的结构、选材和关键工艺，并对其进行了试验验证，以期为间冷回热循环发动机研究提供支持。

2 间冷器工作原理

间冷器环向布置在间冷回热发动机核心机外壁面，结构见图1。间冷器模块在发动机外涵内以V型布局，热气通道侧带有进、出气封头结构(图2)。工作时热气进入进气封头经过间冷器进行热交换，出气封头降低温度后进入发动机主流路；冷气自V型缺口流经间冷器进行热交换，升温后在发动机喷口处进行混合，为发动机做功。

作为增压级和高压压气机之间的热交换器，间冷器工作性能的优劣将影响整个系统性能。若间冷器气动损失过大或热交换效果较差等，将降低热机效率。为确保热力循环系统有较高的效率，间冷器设计应遵循以下原则：

(1)在给定的工作条件(流体流量、进口温度等)下，达到要求的传热量和流体出口温度；

(2)流体压降小，以减少运行的能量消耗；

(3)满足外形尺寸和质量要求；

(4)安全可靠，满足最高工作压力、温度以及防腐、防漏、工作寿命等方面的要求；

(5)制造工艺切实可行，选材合理且材料来源有保证。

3 间冷器换热芯体设计及分析

参考MTU公司设计的换热器[6]构型，经大量分析计算，最终将间冷器换热芯体确定为一种90°皱起角的CC板换热芯体[7]。该换热芯体具有热交换效率高、工作稳定、气流损失小等优点。CC型间冷器换热芯体由两种波纹方向交错成90°薄波纹板组成，见图3。波纹板断面为正弦曲线，见图4。两种波纹板将换热空间分割成冷气通道与热气通道，以尽量增加冷、热气换热面积，提高换热效率；波纹板依次交替重叠(图5)组合形成换热芯体。气流流经波纹板换热情况如图6所示，冷、热气流从两个方向进入换热芯体，流入由波纹板组成的交错通道，气流行走路径长、换热面积大，便于进行热交换，进而实现间冷器换热功能。但实际加工时，不可能每片波纹板的波峰、波谷均达到理论高度，且波纹板单纯叠加很容易因零件翘曲、变形、加工不到位等因素引起波纹板间存在缝隙，气流短路，影响热交换效率。因此，设计时应该考虑在波纹板组装时施加径向贴合应力，保证两片波纹板波峰、波谷都能贴合上；对于换热芯体高度较高、波纹板自重较大的间冷器换热芯体，还应设置分层板分担压力，避免最下部分波纹板因累积重力，受到过大载荷将波纹板压裂。

搭建间冷器换热芯体构件模型，三维仿真冷、热气流通过换热芯体后空气流路走向，并分析波纹板温度场分布。图7为单片波纹板温度场分布。考虑温度场分布、气流冲击、热变形、施加贴合应力等因素，利用波纹板ANSA分网模型(图8)进行强度评估，得出工作状态下径向位移分布、试验状态下波纹板的等效应力分布、波纹板的第一主应力分布等，各项强度水平均满足设计要求。

4 间冷器结构设计及工艺

4.1 结构设计

根据设计及试验要求，间冷器每两组换热芯体呈V字型分布。采用商业软件进行数值计算，方程离散采用二阶迎风格式，流动和温度采用分离求解器，考虑空气的可压缩性和物性随温度的变化，湍流模型选取Realizable k-ε模型。根据计算结果，确定V字型张开角及间冷器迎风角[7]。换热芯体采用框架式承力结构固定，承力框架合理布置密封结构，以保证气密性良好。由于热气进气封头气流路径较长，因此采用分流格栅均匀分配气流，保证间冷器换热效率最大化。间冷器V字型单元结构见图9。

4.2 材料选取

间冷器换热芯体波纹板既要保证换热效率高，又要满足强度方面要求，加工材料的选取尤为重要。为使间冷器换热芯体质量尽量轻、换热效率高，波纹板厚度定为0.15 mm。波纹板厚度小，弯折相对曲率较大，对材料自身及工艺方法要求极高。结合加工厂材料使用经验，初步选定一种航空不锈钢材料的钢箔作为加工原材料。为增加材料延展性，最终定制了一种专用不锈钢。该不锈钢适当增加了铜元素含量，削弱了部分刚度特性，增加了延展性，便于波纹板的加工制造。

4.3 关键工艺

间冷器的框架和连接结构均可采用传统机械加工工艺完成加工、制造，但其中的换热芯体由于所采用的波纹板厚度薄、层数多、控制因素繁琐导致工艺实现性差，其关键工艺主要有波纹板压制和换热芯体组装。

4.3.1 波纹板压制

(1) 模具修正

波纹板加工采用模具冲压工艺。批量冲压不锈钢箔，待零件时效后，测量并统计出波纹板回弹变形量。根据冲压零件回弹量修配模具，新模具连续冲压10片不锈钢箔，零件时效后，波纹板处于尺寸公差范围内，模具合格。最后进行模具固化处理。

(2) 波纹板冲压

为保证压制过程中钢箔受力均匀，采用油压机作为冲压动力。波纹板压制分为预压制、正式压制两个步骤。预压制是将不锈钢箔固定在油压机上，控制压力使钢箔缓慢变形尺寸至70%～80%。将压制后的钢箔取出，放置在真空炉中加温至1 000℃，进行材料光亮热处理，进一步增加材料韧性。将热处理后的钢箔边缘用油压机固定好，进行正式压制。正式压制时，控制油压缓慢将钢箔冲压至目标尺寸，维持5 min，正式压制完成。

(3) 波纹板翻边

波纹板冲压完成后，裁剪余料，使用专用工装翻折安装边。波纹板一侧采用竖直翻边的形式，另一侧采用弯折翻边形式，见图10。

4.3.2 换热芯体组装

(1) 波纹板组装

波纹板完成翻折后，两侧翻边按图11所示贴合，并涂抹高温密封胶。涂抹完成后，将小单元体放置工装内限位，并给与贴合压力，保证组合后宽度、高度尺寸不变，直至密封胶凝固，单片波纹板组合成小单元体组件。单元体组件稳定后，放置在单元体打压工装内进行打压，检查气密性，不允许有泄漏。

(2) 换热芯体封装

每两组小单元体分别粘接，凝固后进一步组装，组装过程中用工装限制每组小单元体尺寸，便于最终组装。间冷器换热芯体要求有良好的换热功能，但不允许冷气、热气互相掺混，波纹板组合后转角处要设置密封片、避免漏气。波纹板小单元体之间涂抹高温密封胶后，连同换热芯体框架上、下底板一同放置在限位工装内，并施加贴合应力将波纹板压缩到预定高度，波纹板转角处贴合密封片，再将框架侧棱与密封片粘接好，拼接顺序见图12。点焊固定好框架底板与侧棱的相对位置，放置在限位工装内等待高温密封胶凝固。凝固完成后，进行换热芯体框架焊接并打磨。

将波纹板组合成换热芯体组件封装在换热芯体框架的过程中，不得将波纹板4个方向都与棱边抵死，应在热变形影响最大方向预留膨胀间隙，避免波纹板在工作过程中因热变形无法释放而对换热芯体自身产生损伤，从而影响部件性能。

(3) 换热芯体打压

将间冷器换热芯体装进用于检验密封性的专用框架，形成间冷器打压组件。再将该组件放进打压设备，检验气密性，保证在1.5倍工作压力条件下冷、热气通道分别畅通，且冷气、热气不互窜。气密性检查过程中将间冷器打压组件沉入水中，热气通道输入打压气体，保持压力5 min，冷气通道无气泡冒出，证明间冷器密封可靠。

5 间冷器试验验证

按发动机典型工况下间冷器冷气进口与热气进口气体压力、温度、速度等气体特性对试验件供气，分别测量进、出口气体特性，对测量结果进行分析、整理得到试验结果。试验结果表明：试验模拟热端压力损失与理论计算结果吻合度很高，冷端压力损失随冷气雷诺数的改变而改变，冷端压力损失最大值也在试验可接受范围内，间冷度不低于理论计算水平，在某些试验工况下高于理论计算结果，即换热效果更优。由此可知，试验结果与理论计算结果吻合良好，间冷器设计合理，加工及检验过程可靠。

6 结束语

通过研究国外间冷器技术相关文献资料，参考国内多种换热器的加工、制造工艺，经过整理、改进形成一种适合航空发动机结构特点的间冷器设计、加工方案。经试验验证，依照该方案加工的间冷器换热性能较好、流阻损失较小，为间冷器及类似换热器的设计、加工提供了一种参考。目前，间冷器应用于航空发动机领域，国内尚处于摸索阶段，存在设计结构相对繁琐，加工周期较长，部分工艺较为依赖人工操作，不利于批量生产等缺点。因此，还需要不断深入研究，改善方案，优化结构，提高间冷器效率。

[1]沈 虹，周 军，陈玉洁，等.欧盟间冷回热循环燃气涡轮发动机发展综述[J].燃气涡轮试验与研究，2016，29 (1)：10—13.

[2]高海红，王巍巍，李刚团，等.俄罗斯间冷回热循环技术研究[J].燃气涡轮试验与研究，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]龚 昊，王占学，周 莉，等.间冷回热涡扇发动机的初步分析[J].工程热物理学报，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]朱晓华，娄德仓，童传琛.CC型原表面换热器通道内流动与换热特性的数值研究[J].燃气涡轮试验与研究，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

陈吉铖(1986-)，男，山东威海人，工程师，主要从事航空发动机总体结构设计。