某航空发动机进气降温设备设计研究

熊荆江+邹植伟+杨飞+张浙波

摘 要：根据某航空发动机试验中低温进气实际需求，须在发动机进气道前增加一套进气降温设备。文章通过提出进气降温设备的设计要求、解决方案，并依据热力计算分析，以及设计选型来验证了设计方案的可行性。通过设计研究，得到该降温设备的设计关键之处，为后续项目实施提供了技术支持和参考。

关键词：航空发动机；进气；降温设备；设计研究

中图分类号：V26 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）23-0111-02

航空发动机在进行台架试验时，常常需录取发动机在地面静止标准大气条件下（大气压力101325Pa、大气温度15℃）的性能参数。但在地面台架进行试验时，发动机进气温度条件由当地大气温度决定，很少有时间满足15℃的要求，特别是南方地区，处于亚热带，大半年时间气温超过15℃。这种情况，发动机性能参数比较一般采用换算到地面标准大气条件下进行比较，然而换算存在一定的误差，发动机性能比较不准确。为了满足某地面试车台可在夏天大气条件下，进行地面标准大气温度的性能试验，需对试验台发动机进气系统进行改造，设计增加一套进气降温设备，将发动机进气温度从35℃降到15℃。

1 进气降温设备设计方案

1.1 进气降温设备设计要求

空气流量：4kg/s；最大空气湿度：90%；降温能力：20℃（从35℃到15℃）；设备流阻：≤200Pa；温度控制精度：稳态±1℃。

1.2 设计方案

为了保证发动机进气系统流道内清洁干净，本次降温采用间接换热形式。让发动机进气气流通过表面式热交换器（筒称表冷器）以达到换热降温的效果。

进气降温设备设计为两个模块，一个模块包括冷水箱、表冷器、冷水循環泵和调节阀等，表冷器置于冷水箱上部，冷水箱底座做有可移动脚轮；另一个模块为螺杆式冷水机组，主要包括蒸发器、冷凝器、压缩机、过滤桶、膨胀阀、冷冻水泵以及电空箱集成于一体；机组底部做有可移动脚轮。冷水机组的循环冷却水使用试验台已有的冷却水。

进气降温设备布置简图见图1。

2 热力计算分析

将4kg/s的发动机进气流量从35℃降温到15℃，需要考虑发动机进气湿度条件。由湿温图可知，湿空气冷却过程中，其相对湿度是增加的，当冷却到露点温度时，会有冷凝水析出，空气保持饱和状态，空气中含湿量d下降。

由饱和水蒸汽表查得35℃时饱和蒸汽压力ps=0.05628bar，相对湿度为90%时空气的含湿量为：

式中：d1-大气35℃，湿度90%含湿量，g/kg；φ-相对湿度；p-大气压力，bar；ps-饱和蒸汽压力，bar。

按照公式（1）计算出，35℃大气温度90%相对湿度条件下的含湿量为33.2g/kg。

根据焓值计算公式：

H2=ha+0.001dhv=1.005t+0.001d（2501+1.86t）（2）

式中：ha-单位干空气的焓，kJ/kg；hv-单位水蒸气的焓，kJ/kg；t-空气温度，℃。

按公式（2）计算出：大气温度35℃、相对湿度90%条件下的焓H1=120.4kJ/kg；大气温度15℃饱和空气含湿量（d2）为10.6g/kg，其焓H2=41.9kJ/kg。

发动机进气冷却放热量表示为：

Q=maq=ma（H2-H1）（3）

式中：Q-发动机进气放热量，kJ/s；ma-发动机进气质量流量，kg/s；q-单位空气的放热量，kJ/kg；H1-35℃温度下的空气的焓，kJ/kg；H2-15℃温度下的空气的焓，kJ/kg。

按公式（3）计算可得，将4kg/s的发动机进气流量从35℃降温到15℃，总放热量Q=314kJ/s。考虑到设备散热，换热效率影响等因素，表冷器总换热量需考虑一定的余量，总换热量Q=314×1.2=376.8kJ/s，即376.8kW。

进气降温设备使用中最大冷凝水量：

Gw=ma（d1-d2）=4×（33.2-10.6）=90.4g/s

即325.44kg/h。

3 进气降温设备设计选型

为了满足以上换热量要求，冷水机组的压缩机、蒸发器、表冷器的设计换热量均需大于376.8kW。设计选型见表1。

3.1 冷水机组

冷水机组选用常用的半密闭螺杆式冷水机组KRS-445W，其主要技术参数见表2。

冷水机组综合了很多其他产品的特点，采用汉钟公司生产的先进半封闭螺杆压缩机，辅之以高效率的换热器，采用微电脑控制器，使机组具有外观紧凑，布局合理，使用维护方便等特点。只要接上冷却水管路和所要求的供电电源，即可投入运行，开始制冷水，为保温水箱提供冷冻水。

机组以氯化钙水溶液作为冷却介质，名义工况：冷却循环水进水温度30℃，出水温度为35℃；冷冻水出水温度为-10℃，进水温度为-5℃。

3.2 表冷器设计选型

为了在发动机进气道前面有限空间内布置表冷器，且要求进气阻力不大于200Pa的要求，设计表冷器需要考虑增加换热效率，且减少管道的阻塞率。表冷器设计采用不锈钢管翅式，管翅式换热通风面积大，管道和翅片面积占比小，所以具有风阻小的特点，特别适合进气降温设备要求流阻低的特点。表冷器管道设计为蛇形管道，内部带螺旋沟槽，保证冷水在管道内换热充分。

表冷器以冷水作为冷却介质来换热冷却发动机进气，名义工况：发动机进气温度35℃，换热冷却后温度为15℃；进表冷器冷水温度为5℃，出水温度为20℃。经计算表明，表冷器规格为1300×1200×6R，发动机最大4kg/s（14400m3/h）流量下，表冷器流阻为161Pa，满足要求。

表冷器设计得充分考虑冷凝水排放问题，以免有液态水进气发动机，影响发动机正常工作。

3.3 控制系统设计

控制系统主要进行冷水机组的制水过程控制和发动机进气温度调节控制，两套控制逻辑均独立执行。制冷水过程控制主要通过调节压缩机功率、膨胀阀等实现保温水箱内的冷水温度恒定；发动机进气温度控制主要通过变频调节冷水循环泵转速和冷水旁通阀流量来控制表冷器换热量，从而达到控制发动机进气温度的目的。

进气降温设备的控制系统由上位机、PLC数据采集和控制模块、传感器、电动执行机构、电气控制系统、交换机、本地触摸屏等控制硬、软件组成。控制系统具有本地和远程控制功能。

整套设备的安全保护功能设置完备、合理。系统设置水箱液位报警及保护、高低压保护、冷冻冷却水流量保护、过流、过载、缺相、欠过压、相序保护等，从而确保机组运行安全。

4 结束语

为了满足某航空发动机低温进气条件试验需要，设计了一套发动机进气降温设备方案，依据热力计算分析，以及设计选型分析，表明该设备可满足该发动机低温进气试验要求。

研究表明，进气降温设备设计时，表冷器要重点考虑冷凝水排放问题，以防大量液体水进气发动机，影响发动机工作；另外，为了保证发动机进气温度控制精度，对进入表冷器的冷水流量调节控制非常关键。

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