間冷燃氣輪機循環(huán)系統(tǒng)，通過間冷器大幅降低進入高壓壓氣機氣流的溫度，減少高壓壓氣機的壓縮耗功，從而提高燃機的輸出功率，是燃機發(fā)展的重要方向。間冷器作為間冷循環(huán)燃機系統(tǒng)的關鍵設備，其技術(shù)難點在于：換熱器流道結(jié)構(gòu)復雜，缺乏成熟設計方法；對換熱效率和緊湊度要求極高，同時又要求阻力損失極低；對換熱器加工工藝精確度和可靠性要求高。特別是對體積、重量、熱負荷、功耗、耐蝕性等有苛刻要求的間冷燃機系統(tǒng)，間冷器一直是多年來難以克服的技術(shù)瓶頸，制約著我國先進燃機系統(tǒng)的發(fā)展和應用。
中科院工程熱物理所傳熱中心在研究所創(chuàng)新引導基金項目“燃機新型高效緊湊式間冷器研發(fā)”的支持下，開展了大中型燃機間冷器高效低阻傳熱機理、結(jié)構(gòu)完整性設計、高精度加工和寬板幅焊接等關鍵技術(shù)攻關，先后取得了一系列重要成果。針對大中型燃機對間冷器高效、低阻、高緊湊性的要求，基于傳熱強化理論的最新成果結(jié)合研究團隊提出的“耦合分布、協(xié)同優(yōu)化”的換熱器設計思想，發(fā)展了新型氣液兩則流道局部和結(jié)構(gòu)形式。
基于多目標多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化思想，在體積、重量、壓損等嚴格限制條件下，尋求綜合換熱性能最優(yōu)的板厚、肋高、通道寬和通道數(shù)量等多個設計參數(shù)間的最佳組合，從而獲得Pareto最優(yōu)設計方案。針對微小通道換熱器復雜結(jié)構(gòu)形式和通道布局，基于多尺度耦合模擬技術(shù)結(jié)合周期性條件開展了大規(guī)模跨尺度高精度數(shù)值仿真研究，用于指導新型換熱結(jié)構(gòu)的開發(fā)和優(yōu)化定型；針對大寬幅大流量下流量分布不均的問題，基于熱質(zhì)傳遞理論開展入口區(qū)域流量分布均勻性研究，提出了多邊形換熱結(jié)構(gòu)流體入口區(qū)域通道分布新形式，有效提高了流量分布的均勻性。由于惡劣工作環(huán)境以及燃機啟停等運行條件，使間冷器常處于非滿負荷設計工況條件下運行，研究團體建立了多變量非線性間冷模塊動態(tài)優(yōu)化模型，用于研究各種惡劣條件非設計工況下間冷器性能及對燃機系統(tǒng)的影響。研究團隊先后多次在研究所廊坊研發(fā)中心開展了全溫全壓間冷器實驗縮比樣機的測試驗證，并邀請有關專家領導到測試現(xiàn)場指導和審核，測試結(jié)果顯示樣機冷熱流體兩側(cè)的換熱性能、壓力損失等各項指標均優(yōu)于原設計目標和實際要求。測試結(jié)果和設計計算結(jié)果以及仿真結(jié)果對比顯示，熱負荷平均誤差在2%以內(nèi)，寬板幅出口截面溫度和壓力不均勻度小于1.5%，證實了研究團隊開發(fā)的換熱器設計方法和大規(guī)模跨尺度數(shù)值仿真技術(shù)的準確性和可靠性。
研究團隊基于“通道-芯體-整體”的由局部到整體換熱器設計思路，通過對實驗樣機的優(yōu)化改進和放大，結(jié)合當前加工焊接等工藝，完成了新型高效全尺寸原型機的設計、加工和制造，突破了寬幅板材流道設計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、精密加工、無釬料焊接等關鍵技術(shù)，能夠滿足惡劣工作環(huán)境下高強度、耐腐蝕等嚴酷要求。近日，研究所加工的新型高效全尺寸間冷器原型機在相關單位測試平臺完成了全溫全壓全工況下性能測試，各項指標均達到或優(yōu)于原設計和實際要求，與現(xiàn)有間冷器產(chǎn)品相比在綜合性能和加工工藝等方面均具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，并得到有關單位領導專家的高度認可。
間冷系統(tǒng)能夠有效提高燃機效率、降低燃油消耗，在間冷燃機系統(tǒng)中起關鍵作用，具有廣闊的應用前景。相比世界先進的間冷燃機技術(shù)，國內(nèi)燃機技術(shù)水平尚有一定差距，其中間冷器正是制約間冷燃機系統(tǒng)發(fā)展的關鍵技術(shù)瓶頸之一。中科院工程熱物理所傳熱中心間冷器研發(fā)團隊，經(jīng)過一年半的技術(shù)攻關，克服了通道形式、結(jié)構(gòu)設計、芯體優(yōu)化、整體成型等一系列從設計到優(yōu)化、從理論到工藝的技術(shù)難關，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型高效低阻緊湊式間冷器設計方法和優(yōu)化思想，并在通道布局、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、加工焊接工藝等方面形成了多項國家發(fā)明專利。中科院工程熱物理所全溫全壓全尺寸新型高效間冷模塊的研發(fā)成功，將我國大中型燃氣輪機中間冷卻技術(shù)提升到一個新的高度，填補了國內(nèi)相關技術(shù)空白，有助于我國先進燃機技術(shù)早日趕超世界先進水平。
圖2 新型換熱通道結(jié)構(gòu)傳熱機理分析（崔欣瑩，郭江峰等, 《Int. J. Heat Mass Transfer》, 2018）
