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(guān)鍵設(shè)備，其技術(shù)難點在于：換熱器流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，缺乏成熟設(shè)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(yīng)用。
中科院工程熱物理所傳熱中心在研究所創(chuàng)新引導(dǎo)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(shè)計、高精度加工和寬板幅焊接等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，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(shè)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(shè)計參數(shù)間的最佳組合，從而獲得Pareto最優(yōu)設(shè)計方案。針對微小通道換熱器復(fù)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(dǎo)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(shè)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(shè)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(guān)專家領(lǐng)導(dǎo)到測試現(xiàn)場指導(dǎo)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(shè)計目標和實際要求。測試結(jié)果和設(shè)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(shè)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(shè)計思路，通過對實驗樣機的優(yōu)化改進和放大，結(jié)合當(dāng)前加工焊接等工藝，完成了新型高效全尺寸原型機的設(shè)計、加工和制造，突破了寬幅板材流道設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、精密加工、無釬料焊接等關(guān)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(guān)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(shè)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(guān)單位領(lǐng)導(dǎo)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(guān)鍵作用，具有廣闊的應(yīng)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(guān)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(guān)，克服了通道形式、結(jié)構(gòu)設(shè)計、芯體優(yōu)化、整體成型等一系列從設(shè)計到優(yōu)化、從理論到工藝的技術(shù)難關(guān)，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(shè)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(guān)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）
