U型管式回热器设计与流动换热性能试验研究

童传琛，方弘毅，康 涌，吴正洪，赵旺东，娄德仓，周 雷

(中国航发四川燃气涡轮研究院，成都610500)

U型管式回热器设计与流动换热性能试验研究

童传琛，方弘毅，康 涌，吴正洪，赵旺东，娄德仓，周 雷

(中国航发四川燃气涡轮研究院，成都610500)

在参考国内外文献资料基础上，利用FORTRAN语言编写回热器流动换热计算程序，完成回热器流阻和换热特性计算。根据计算结果，设计、加工了U型管式回热器试验件。试验研究了燃气冷气流量比、温比、回热器与燃气流向夹角以及回热器套管等参数对回热器流阻换热特性的影响，并将试验结果与计算结果进行对比分析，验证校核了回热器数值计算方法的有效性。研究表明，温比对回热器的换热效率影响较小，流量比和回热器与燃气流向夹角对流阻和换热效率影响很大。

航空发动机；间冷回热循环；回热器；流阻换热特性试验；流量比；温比；导流结构

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，通过在原热循环的基础上增加间冷过程和回热过程，使得发动机拥有更低的燃油消耗率。与常规涡扇发动机相比，间冷回热涡扇发动机增加了间冷器和回热器，且这两个部件的性能对整个发动机的性能影响很大，因此间冷器和回热器的设计成为间冷回热涡扇发动机研制的关键技术之一。

国外对间冷回热技术开展了大量的研究工作。德国MTU公司利用在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换热器[1]，并进行了部件的试验验证。Micheli等[2]为了优化50 kW微型轮机中CC型回热器设计，开展了多目标优化方法的研究，其优化目标旨在热传输面积的最大化和负载损耗的最小化。国内Liang等[3]采用遗传算法优化了100 kW级微型涡轮机中CC型表面回热器的几何参数，表明相对于已分析的其他类型表面，CC型表面具有更好的性能。龚昊等[4]通过发展间冷回热航空发动机性能模拟方法，研究了间冷回热发动机高度速度特性和节流特性。但国内的研究多集中在间冷回热热力循环和间冷回热涡扇发动机总体性能方面[5]，对于两个换热部件的研究并未深入开展，特别是在间冷器和回热器的设计及校核方面缺乏相关试验研究。

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原理样机研制，并完成了回热器结构设计和模型试验件的加工制造。本文基于设计的回热器模型试验件，开展了流阻、换热性能方面的试验研究，并与设计结果进行对比分析。通过试验研究，初步掌握了温比、流量比、燃气与回热器夹角以及套管对回热器性能的影响规律，校核和完善了回热器设计方法，为间冷回热循环发动机的研制奠定了基础。

2 回热器结构模型

设计的回热器为U型管式结构，如图1所示。芯体管束采用椭圆管式结构，燃气从管束外侧通过，冷气经集气管后分配到管束内，并与外侧燃气发生热交换。为提高冷气在椭圆管内分配的均匀度，集气管内部增加了套管，见图2。回热器几何尺寸参数见表1。

表1 回热器结构参数 mmTable 1 Structure parameters of the recuperator

3 回热器流动传热设计

回热器的流阻性能(燃气侧和冷气侧)和换热性能是回热器的重要性能指标。本文根据文献资料，利用FORTRAN语言编制了U型管式回热器流阻和换热性能设计程序，完成回热器流阻和传热性能的计算分析。计算时，忽略安装接头部分的影响。计算中，定性温度取流体平均温度，特征尺寸D ＝h取当量直径。

式中：a、b分别代表椭圆的长轴和短轴。

3.1 回热器流阻计算

[6]中的工程计算方法完成燃气侧和冷气侧流阻计算。

3.1.1 冷气侧

冷气侧压力损失包括进出口损失、沿程摩擦损失、转弯损失三部分，计算时假设冷气在各小椭圆管内分配均匀。

U型管内部沿程摩擦损失：

式中：L为管长；C ＝f为冷气摩擦损失系数，且

其中：Re ＝c为冷气雷诺数，且

进出口损失是由于冷气在集气管内分配到各小椭圆管内，以及冷气由小椭圆管汇集到集气管出口时产生的压力损失。从入口管分流到传热管的压力损失与从传热管合流到出口管的压力损失之和等于速度的2倍。

流体通过弯头转弯引起的压降，采用《航空发动机设计手册》[7]中公式计算。转弯损失：

故总压损失计算式为：

总压力损失系数：

3.1.2 燃气侧

椭圆管束外部管束的流阻损失采用Metzger关系式[6]计算：

式中：C ＝fg为流动阻力系数，Re ＝g为燃气雷诺数，N ＝p为管排数。

3.2 回热器传热计算

3.2.1 冷气侧

冷气侧流动的对流换热采用下式计算：

式中：Pr为冷气普朗特数。

3.2.2 燃气侧

在燃气侧外掠管束流动中，外部的流动换热采用茹卡乌斯卡斯关系式计算——该关系式适用于较大Pr数变化范围的外掠管束换热。

对于管排数大于16的管束型回热器，外部的换热可采用下式计算：

对于管排数小于16的管束流动换热，需要考虑修正系数。修正系数一般按照文献[6]选取。

根据计算得到的传热系数，采用效能-传热单元数法(ε-NTU法)完成回热器换热效率计算。回热器的效率ε定义为实际传热量与最大可能传热量之比：

式中：分母为冷、热流体在混合气中可能发生的最大温度差值，分子为冷流体或热流体在回热器中的实际温度差值中的大者。

传热单元数NTU为回热器的总热导KA与流体中较小的热容率C ＝min的比值，表明了回热器无量纲的换热能力。

对于其他比较复杂的流动型式，ε计算公式可参阅文献[7]。在低NTU值下，ε值通常都很低；随着NTU值的增加，ε值也增加，极限情况下趋近于最大值。

4 试验件及试验设备

4.1 回热器模型试验件

回热器模型试验件(图3)管束的长度、大小、厚度均与原型保持一致，仅管排数减少。试验件采用不锈钢材料，U型管由圆形管弯折，椭圆成型后经钎焊到回热器集气管上完成模型试验件的加工。

4.2 试验设备及测试系统

回热器试验在中国航发四川燃气涡轮研究院综合换热试验台上完成。该设备主流供气最高温度700 K，最大供气流量2.0 kg/s，最大冷气流量8.0 kg/s。试验台系统由气源(常温供气)、闸阀、调节阀、空气滤、膨胀节、方形补偿器、电加温器以及声速喷嘴等组成，如图4所示。

测试参数主要包括燃气进出口总温、总压；冷气进出口总温、总压；燃气、冷气质量流量。其中燃气总温总压采用6支点总温总压复合探针测量，冷气总温总压采用3支点总温总压复合探针测量，流量采用声速喷嘴测量。压力测试精度为±0.3%，温度测试精度为±1%，流量测试精度为±1%。测点位置如图5所示。

5 试验结果及分析

基于上述试验平台，对回热器冷气侧和燃气侧的流阻特性、换热特性进行试验研究，研究了燃气冷气流量比、温比，回热器结构形式(带导流与不带导流)，回热器与燃气流向安装角度对回热器换热效率的影响。

5.1 回热器流阻特性试验

回热器竖直布置在燃气通道内，与燃气主流呈90°夹角，分别测试不同流量下冷气侧(管内)和燃气侧(管外)的进出口压力损失。

图6是冷气进口温度为常温下，冷气侧压力损失系数随冷气雷诺数的变化。可看出随着冷气雷诺数的增加，冷气侧压力损失系数逐渐降低；有套管的回热器冷气压力损失系数比无套管的高。压力损失系数计算结果与试验结果趋势一致，但计算值普遍高于试验值，最大误差为15.4%。

图7是燃气侧压力损失系数随燃气雷诺数变化的计算值与试验值比较。可看出随着燃气雷诺数的增大，燃气侧压力损失系数呈现递减趋势，计算结果与试验结果趋势一致；燃气压力损失系数计算值略高于试验值，最大误差为12.1%。

从以上结果看出，无论是冷气侧还是燃气侧，压力损失计算值与试验测试值都存在一定误差。主要原因为：

(1) 加工精度的限制。试验件实际结构尺寸与设计值存在差异，回热器管束横向间距不够均匀，造成局部气流损失偏离计算值。

(2) 计算方法本身精度有限。计算采用的经验公式假设流量在各小椭圆管内均匀分配，而实际并非如此。特别是冷气在集气管和小椭圆管之间的分配与汇合，流动复杂，损失公式很难描述，需要进一步修正计算方法。

(3) 燃气压力损失计算时，未考虑回热器试验件与试验通道缝隙对流阻的影响。

5.2 回热器换热特性试验

按照回热器进气参数的不同，换热特性试验分为流量比试验与温比试验。根据回热器与燃气流向夹角的不同，分为10°、20°、30°、90°四种试验状态。按照结构的差别分为带套管和无套管两种结构。

5.2.1 流量比换热试验

进口燃气总温为420 K，冷气为常温，固定燃气进口质量流量为0.97 kg/s。通过改变冷气质量流量，研究燃气冷气流量比对回热器换热效率的影响。

图8显示了换热效率随流量比的变化。可看出，随着燃气冷气流量比的增加，换热效率先降低后增加，最后趋于一个稳定值。设计点(流量比为1.05，燃气流量0.97 kg/s，冷气流量0.92 kg/s)时，回热器换热效率为0.635。回热器与燃气的夹角对换热效率也有明显影响，同一流量比下夹角越小(最小10°)换热效率越低，夹角越大(最大90°)换热效率越高。

相同试验工况下，与无套管结构的回热器相比，有套管结构的回热器的换热效率略高。燃气冷气流量比低于1.2时，换热效率计算值(90°夹角)低于试验值；流量比高于1.2时，计算值与试验值比较接近。计算值与试验值最大误差为6.7%，总体看二者比较吻合。

5.2.2 温比换热试验

进口燃气质量流量为0.97 kg/s，冷气质量流量为0.92 kg/s，燃气冷气质量流量比保持不变。固定进口冷气为常温不变，通过改变燃气进口温度，研究不同燃气冷气温比下回热器换热效率的变化。

图9示出了燃气冷气温比对换热效率的影响。可看出，随着燃气温度的升高，燃气冷气温比增大，换热效率逐渐增大，但增加幅度很小；有套管的回热器的换热效率略高于无套管的。计算结果与试验结果在数值上和趋势上都比较吻合，最大误差不超过5%。其他参数保持不变时，回热器与燃气的夹角越大换热效率越高。

6 结论

通过试验和数值计算完成了对U型管式回热器的流阻和换热特性的研究，研究结果对于空气-空气回热器的设计以及性能分析具有借鉴意义。研究得出以下结论：

(1)U型管式回热器，冷气压力损失系数随着冷气雷诺数的增大而降低，计算结果与试验测试结果变化趋势一致；带套管结构的冷气损失系数比不带套管结构的高。燃气侧压力损失系数随着燃气雷诺数的增大逐渐降低，计算值与试验值基本一致。

(2)燃气冷气流量比对回热器性能的影响较大，随着流量比的增大换热效率先降低然后迅速增大，并最终趋于一定值。燃气冷气温比对换热效率的影响较小，随着温比的增加回热器换热效率不断增大，但增加幅度不大。

(3)套管对回热器性能有一定影响。带套管的回热器的换热效率要比不带套管的高，但套管会引起冷气侧流阻增大。

(4)回热器与燃气流向夹角对换热效率影响较大，回热器竖直方向与来流90°时换热效率最大。

(5) 在进口燃气质量流量为0.97 kg/s，冷气质量流量为0.92 kg/s状态时，回热器换热效率为0.635。

参考文献：

[1]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.

[2]Micheli D，Pediroda V，Pieri S.Multi-objective optimiza⁃tion of a m icroturbine compact recuperator[R].ASME GT2007-27763，2007.

[3]Liang H X，Xie G N，Zeng M，et al.Genetic algorithm opti⁃mization for primary surfaces recuperator of microturbine [R].ASME GT2006-90366，2006.

[4]龚 昊，王占学，康 涌，等.间冷回热航空发动机性能计算与分析[J].航空动力学报，2014，29(6)：1453—1461.

[5]李刚团，黄 莺，龚 昊.大涵道比间冷回热涡扇发动机总体方案研究[J].燃气涡轮试验与研究，2016，29(1)：1—9.

[6]凯斯W M.紧凑式热交换器[M].北京：科学出版社，1997.

[7]航空发动机手册总编委会.航空发动机设计手册：第16册—空气系统与传热分析[K].北京：航空工业出版社，2001.

Design and experim ent study of the flow and heat transfer perform ance of U-shaped recuperator

TONG Chuan-chen，FANG Hong-yi，KANG Yong，WU Zheng-hong，ZHAO Wang-dong，LOU De-cang，ZHOU Lei
(AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

Based on the relative references from home and abroad,the flow and heat transfer computation program of a recuperator for aero-engine applications was compiled by FORTRAN to calculate the flow re⁃sistance and heat transfer characteristics.According to the results,the U-shaped recuperator model for ex⁃periment was designed and constructed.The impact of gas/air mass flow ratio,inlet temperature ratio of gas and air,attack angle of gas,and guide vane on the performance of the recuperator was studied through ex⁃periments.Experimental results were compared with the numerical results and the methodology of calcula⁃tion was verified.The results show that temperature ratio has less influence on the heat transfer efficiency of the recuperator than that of mass flow ratio and attack angle.

aero-engine；intercooled and recuperated cycle；recuperative heat exchanger；flow resistance and heat transfer experiment；mass flow ratio；temperature ratio；guide vane

V236

：A

：1672-2620(2017)02-0017-05

2017-01-24；

：2017-04-21

童传琛(1987-)，男，河南太康人，工程师，硕士，主要从事航空发动机冷却设计及热分析。