间冷回热循环发动机回热器结构设计与工艺研究

吴正洪，马 健，黄祖耀，王荣宝，陈吉铖，娄德仓

(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回热器结构设计与工艺研究

吴正洪1，马 健1，黄祖耀2，王荣宝2，陈吉铖1，娄德仓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)

介绍了一种基于间冷回热航空发动机特点的回热器结构设计方案和工艺实现方法。根据回热器在间冷回热发动机中的使用环境和使用要求，结合U形管式回热器的结构特点及管式换热器的理论计算结果，设计了一种U形管回热器结构方案。同时，针对目前国内的工艺制造水平，简述了该方案加工制造中的关键工艺及解决措施，为U形管式回热器的加工制造提供了一个工艺参考。

航空发动机；间冷回热循环；U形管式回热器；分流器；收集器；工艺制造

1 引言

间冷回热涡扇发动机是一种新型节能环保航空发动机，通过在传统涡扇发动机热循环基础上增加间冷和回热过程，可使得发动机拥有更低的耗油率[1]。回热器是间冷回热涡扇发动机的一个主要特征部件，工作在超过900 K的高温核心流中，其性能将直接影响发动机的性能，其设计技术是间冷回热涡扇发动机的一个关键技术。

近年，国外针对回热器设计开展了大量的理论和试验研究。MTU公司利用航空发动机先进排气回热器技术(AEROHEX)计划中发明的型面管式回热器技术，设计了一款结构紧凑和耐大温度梯度的回热器[2]。该回热器具有高传热效率和低气动压力损失的优点，并在试验中证实了该结构能够在高热能和高机械载荷下工作。国内对于间冷回热涡扇发动机的研究起步较晚，目前还停留在概念追踪和总体方案初步研究方面，对于回热器部件的研究并未深入开展，特别是回热器的设计及校核方面缺乏相关设计和工程验证研究。

中国航发四川燃气涡轮研究院于国内率先开展间冷回热循环发动机的研究，并通过设计、优化完成了回热器结构设计及模型试验件的加工制造。本文基于回热器模型试验件结构设计和试制过程，总结和梳理出一套回热器结构设计和工艺实现方案，其研究成果对高效、低压损、高紧凑度、可实现的回热器结构设计具有重要的参考意义。

2 回热器结构设计要求

航空发动机用回热器工作在涡轮出口高温排气环境下，放置在发动机喷管内部，将压气机出口气流引至回热器加热后再返回至燃烧室进口(图1)[3]。因此，回热器设计应满足以下要求：

(1) 在给定工作条件(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)回热器热端和冷端压力损失尽可能小，保证发动机性能；

(3)满足喷管等尺寸和总体质量要求；

(4)与涡轮和喷管等耦合分析，保证各部件性能；

(5)高温下工作安全可靠；

(6)保证制造工艺、耐腐蚀等要求。

结合以上要求，根据换热器计算流程编制计算程序，计算确定换热器的冷热侧换热表面积、换热器总体积以及冷热两侧的气流流动损失等参数。本方案采用U形管回热器结构，同时对U型管回热器的管截面形状、管排数、管间距、椭圆度、壁厚等进行设计分析，最终选择椭圆形管作为换热器的基本管形，采用5-4-5型叉排管束布局。

3 结构设计

根据设计要求，结合U型管式回热器的结构强度限制，以及国内实际加工制造水平，对回热器结构进行详细设计。图2显示了回热器工作原理：冷气从集气管一端进气，在集气管内被分配到各个椭圆管束内，在集气管另一端内汇集排出；燃气从椭圆管外侧与管内冷气发生热交换。根据工作原理，将回热器分解为分流器、收集器、U形管排、加强装置等结构。由于回热器长期工作在高温环境，设计时应尽量选用焊接或螺栓连接等成熟可靠工艺。同时，考虑到回热器在发动机上按不同角度安装，且安装结构简单、装拆方便等要求，回热器设计有可进行角度调整的安装结构。

3.1 分流器

初始方案中，回热器进口冷气通道被设计成光滑圆管，无导流措施。但通过Fluent软件分析发现，该方案中冷却流量分配不均衡，这将导致换热不均匀，进而使整个回热器的换热效率降低。存在此现象的原因是进出口压力一定时，管内气流大部分从靠近出口的基本管束流出，使得靠近进口的基本管束流量偏小。为此，拟采取三种改进方案，其共同点是在主管内设置导流措施，分别是导流片、水平套管及扩张型套管。通过对回热器流场三维数值模拟分析[4]，得出以下结论：

(1)初始设计方案中，回热器基本管束内的流量分布不均匀，容易导致回热器回热效率降低，不能满足设计要求。

(2)在回热器主流管束内增加导流片，可有效均衡回热器基本管束内的流量分布，但导流片的固定安装困难，增加了加工制造的难度。

(3)在回热器主流管束内增加水平套管，虽然易于固定安装、加工制造简单，但计算结果显示，此方案中气流的流量分布也不均匀，不适合采用。

(4)结合安装导流片和水平套管的结构形式，在回热器主流管束内增加扩张管，既可充分利用前两个方案的优势，又可有效减小加工制造难度。计算结果显示，此方案的流量分布均匀。

根据评估结果，最终采用扩张式分流器方案，其结构见图3。分流器为圆形扩张管结构，采用圆管冲压或机械加工制造。扩张段处设计有四处凸台，通过与回热器冷气主流道小间隙配合来确保分流器安装定心。凸台周边设计有气流通道，计算表明该设计更能确保冷气来流的速度、压力以及流量均匀分配到各椭圆管束中。为便于安装，分流器采用可拆卸式结构。前段设计有阶梯形定位销孔，安装时分流器通过进气口插入，与收集器上的定位孔对正后采用螺栓阶梯销固定。另外，收集器和螺栓阶梯销均设计有锁丝孔，通过锁丝将螺栓阶梯销锁紧，同时在螺栓阶梯销上涂抹螺纹胶确保密封有效。

3.2 收集器

收集器是支撑椭圆管束等部件的承力结构。根据回热器结构设计要求，收集器设计时主要考虑以下因素：

(1) 椭圆管束安装在收集器上，其安装面至少需加工5 000多个椭圆孔，且椭圆孔间距需保证在3～5 mm内，加工精度高、周期长；

(2) 椭圆管束通过焊接方式固定在收集器上，其焊接零件多，焊点数达到5 000以上，焊接空间非常狭小(管束间距3～5 mm)，且焊接后不允许出现泄漏，焊接工艺复杂；

(3) 收集器是回热器的承力支撑结构，设计时需考虑在发动机上的安装及调节等要求。

针对以上因素，收集器采用分体设计，其结构如图4所示。收集器由集气框架、密封铜垫、安装板及螺栓螺母组成，安装板上的椭圆孔采用机械或冲孔方式加工，集气框架和密封铜垫采用机械加工，各零件加工难度较小。

考虑椭圆管束焊接困难，收集器采用分体设计后，其椭圆管束的焊接过程为：先将椭圆管排焊接在椭圆孔安装板上，焊接位置在孔板内侧，焊接方式、焊接工艺以及焊接工装设计相对简单，也便于对未焊接好的管束进行补焊；同时将焊接好的椭圆管排和孔板通过螺栓安装在承力框架上，并通过铜垫和高温胶形式对回热器结构进行密封，如图5所示。

分体设计的收集器，不仅解决了零件的加工和焊接难题，也便于工作中出现管束漏气时的修复。但是分体设计也存在以下问题：

(1)回热器连接螺栓数量、规格是否满足密封要求。设计时为追求质量指标往往忽略连接件的密封问题，考虑到密封性，回热器设计时将M6连接螺栓调整为M8连接螺栓(图6)。

(2)中间排连接螺栓扳拧空间问题。根据回热器空间结构(图7)，回热器中间排螺栓存在扳拧空间不足问题。为此，设计时要求先将已焊接U型管的安装板通过螺栓连接在安装框架上，然后进行密封性检查，合格后再安装并点焊加强板，从而确保安装中间排螺栓时没有加强板的干涉，增加了中间排螺栓的扳拧空间。

(3)回热器密封问题。为确保回热器密封可靠，除采用密封铜垫进行密封外，还在安装板所有密封位置涂抹高温密封胶，在安装销螺纹处涂抹螺纹密封胶(图8)。

3.3 椭圆管束

椭圆管束为长轴内直径a、短轴内直径b构成的椭圆形管，采用5-4-5型叉排管束布局，管束横向间距为S1/b，流向间距为S2/a，设计结构如图9所示。椭圆管束采用圆管拉制的方法制造。为控制管束间的排列间距，采用可靠整体工装弯制校型椭圆管排，确保间距尺寸满足设计要求。

4 主要零件选材

根据设计参数，回热器热端进口最高温度达970 K，巡航时最高温度为847 K。为此，回热器选用GH4169镍基高温合金，该合金在526～973 K范围内具有良好的综合性能，923 K以下的屈服强度居变形高温合金首位，具有良好的抗疲劳、抗氧化及耐辐射性能。

5 强度分析

根据强度设计要求，采用有限元软件ANSYS对回热器进行了强度、位移及刚度分析。表1为回热器工作条件，图10为强度计算结果。由图分析可知：U形管排受力均匀，变形对称，管排间不会发生干涉；螺栓安装边密封性储备系数大于1.0，螺栓屈服强度储备满足设计要求；螺母螺纹牙弯曲储备大于1.5，剪切储备大于2.5，均满足设计要求；U形管排静强度满足设计要求。

表1 回热器工作参数Table 1 The working parameters of the recuperator

6 关键工艺

椭圆管束焊接是回热器试制中的关键工艺。通过采用缩比试件进行焊接工艺摸索，发现相对于真空钎焊等其他焊接工艺，手工钎焊能很好地控制管束的焊接质量、结构尺寸和焊接变形，还可对不合格焊缝进行补焊，满足回热器焊接工艺要求，所以回热器采用手工钎焊进行试制。管束焊接过程中存在焊缝漏气等问题，需要对不合格焊缝进行补焊。由于补焊会影响其他焊接位置，所以焊接时存在密封性检查+补焊不断交替的过程。为达到焊接要求，设计了焊接检查工装。将装配好椭圆管的安装板放置在工装上，安装板和焊接检查工装通过螺栓和密封垫进行固定和密封。焊接检查工装上设计有打压检查进气口，按图11所示对椭圆管排和安装板进行焊接。焊接完成后在检查工装进气口处充入压力0.3 MPa空气，同时关闭出气口处的出气活门；再采用肥皂水对焊接部位进行密封性检查，对出现漏气的焊缝进行补焊，直至焊缝密封性检查符合设计要求。最后，按图纸要求装配回热器，并进行最终检查验收，完成回热器制造。图12为回热器实物图。

7 结束语

根据间冷回热循环发动机的特点，结合国内工艺水平，本文阐述的回热器结构设计和制造工艺，为U形管回热器的设计提供了一种可行的方案，也为回热器的加工制造提供了一种参考。目前本方案已进行了换热性能的考核验证。由于回热器的结构设计还欠缺足够的设计和使用经验，同时存在安装困难、质量过大等问题，在完成回热器样机验证后，还需不断优化改进结构和工艺方案，最终实现工程验证。

[1]王占学，龚 昊，刘增文，等.间冷回热航空发动机技术发展趋势分析[J].航空发动机，2013，39(6)：13—18.

[2]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.

[3]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.

[4]周 雷，娄德仓，郭 文，等.间冷回热循环发动机回热器套管结构优化[J].燃气涡轮试验与研究，2016，29(1)：53—60.

[5]Rolt A M，Baker N J.Intercooled turbofan engine design and technology research in the EU F,ramework 6 NEWAC programme[R].ISABE 2009-1278，2009.

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

吴正洪(1986-)，男，贵州遵义人，工程师，主要从事航空发动机总体结构设计与技术研究。