我國大中型間冷燃氣輪機關鍵技術研究取得進展

間冷燃氣輪機循環系統，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，是燃機發展的重要方向。間冷器作為間冷循環燃機系統的關鍵設備，其技術難點在於：換熱器流道結構複雜，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，間冷器一直是多年來難以克服的技術瓶頸，制約著我國先進燃機系統的發展和應用。

中國科學院工程熱物理研究所傳熱中心在研究所創新引導基金項目「燃機新型高效緊湊式間冷器研發」的支持下，開展了大中型燃機間冷器高效低阻傳熱機理、結構完整性設計、高精度加工和寬板幅焊接等關鍵技術攻關，先後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，基於傳熱強化理論的最新成果結合研究團隊提出的「耦合分布、協同優化」的換熱器設計思想，發展了新型氣液兩則流道局部和結構形式。基於多目標多參數協同優化思想，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的板厚、肋高、通道寬和通道數量等多個設計參數間的最佳組合，從而獲得Pareto最優設計方案。針對微小通道換熱器複雜結構形式和通道布局，基於多尺度耦合模擬技術結合周期性條件開展了大規模跨尺度高精度數值模擬研究，用於指導新型換熱結構的開發和優化定型；針對大寬幅大流量下流量分布不均的問題，基於熱質傳遞理論開展入口區域流量分布均勻性研究，提出了多邊形換熱結構流體入口區域通道分布新形式，有效提高了流量分布的均勻性。由於惡劣工作環境以及燃機啟停等運行條件，使間冷器常處於非滿負荷設計工況條件下運行，研究團體建立了多變數非線性間冷模塊動態優化模型，用於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的影響。研究團隊先後多次在研究所廊坊研發中心開展了全溫全壓間冷器實驗縮比樣機的測試驗證，並邀請有關專家到測試現場指導和審核，測試結果顯示樣機冷熱流體兩側的換熱性能、壓力損失等各項指標均優於原設計目標和實際要求。測試結果和設計計算結果以及模擬結果對比顯示，熱負荷平均誤差在2%以內，寬板幅出口截面溫度和壓力不均勻度小於1.5%，證實了研究團隊開發的換熱器設計方法和大規模跨尺度數值模擬技術的準確性和可靠性。

研究團隊基於「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化改進和放大，結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、加工和製造，突破了寬幅板材流道設計、結構優化、精密加工、無釺料焊接等關鍵技術，能夠滿足惡劣工作環境下高強度、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台完成了全溫全壓全工況下性能測試，各項指標均達到或優於原設計和實際要求，與現有間冷器產品相比在綜合性能和加工工藝等方面均具有明顯的技術優勢，並得到有關單位領導專家的高度認可。

間冷系統能夠有效提高燃機效率、降低燃油消耗，在間冷燃機系統中起關鍵作用，具有廣闊的應用前景。相比世界先進的間冷燃機技術，國內燃機技術水平尚有一定差距，其中間冷器正是制約間冷燃機系統發展的關鍵技術瓶頸之一。工程熱物理所傳熱中心間冷器研發團隊，經過一年半的技術攻關，克服了通道形式、結構設計、芯體優化、整體成型等一系列從設計到優化、從理論到工藝的技術難關，形成了具有自主知識產權的新型高效低阻緊湊式間冷器設計方法和優化思想，並在通道布局、結構創新、加工焊接工藝等方面形成了多項國家發明專利。工程熱物理所全溫全壓全尺寸新型高效間冷模塊的研發成功，將我國大中型燃氣輪機中間冷卻技術提升到一個新的高度，填補了國內相關技術空白，有助於我國先進燃機技術早日趕超世界先進水平。

圖1 熱負荷與參數分布協同角的關係（郭江峰等，Int. J. Heat Mass Transfer，2018）

圖2 新型換熱通道結構傳熱機理分析（崔欣瑩，郭江峰等, Int. J. Heat Mass Transfer, 2018）

來源：中國科學院工程熱物理研究所

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！