摘要：在传统换热器的设计理论和方法的基础上，进行了燃气轮机间冷系统的优化设计。使用 VB程序语言和 VS平台开发了辅助间冷系统设计程序，利用该程序进行了某参数条件下燃气轮机间冷系统的初步设计，并分析了不同液侧进口参数对间冷系统性能的影响。
引言
间冷循环或间冷回热循环燃气轮机相对于普通燃气轮机设计工况热效率提高，功率比提高25%，油耗降低 30%～40%，而且克服了在低工况下经济性变差的弱点，因而已经成为舰船燃气轮机的发展趋势。间冷器性能的好坏对间冷回热循环燃气轮机总体性能的影响至关重要。而板翅式换热器由于具有较好的结构强度、相对简单的结构形式和非常高的换热效率，近几十年来发展迅速，已经成为舰船燃气轮机间冷器和回热器的首选换热器形式。
1.间冷系统概述
间冷系统（如图 1 所示）是间冷回热循环中的重要部件，位于燃气轮机低压压气机和高压压气机之间，通过降低进入高压压气机气流的温度，以减少高压压气机的压缩耗功，增加高压压气机的进气流量，提高燃气轮机的输出功率以及与回热器和动力涡轮共同降低燃气轮机的耗油率。
图1 燃气轮机间冷系统循环
舰船燃气轮机间冷系统由机上间冷器组件和机外海水换热器组件组成，通过机上气液换热器从低压压气机的出口空气中提取热量，由乙二醇水溶液（EG）将热量带到机外 EG- 海水换热器中，最终由机外换热器中的海水将这些热量排入大海。燃气轮机间冷器的设计要着重考虑 2 个性能参数：（1）通过进气通道、换热器和出口通道的压降；（2）换热器的效率。由于通过换热器的压降给高压压气机增加了额外负担，从而会增加耗油率，因此，所有间冷器段的压降应尽可能小。而换热器的换热能力必须尽可能地大，使得在规定的最小压降的通道和空间内尽可能多地交换热量，从空气中吸取的热量越多，空气温度就越低，允许更多空气进入高压压气机。因此，在设计中要协调好这 2 个性能参数。
2.淡水参数对间冷器性能的影响
舰船燃气轮机间冷器设计中所关心的参数主要是流过间冷器的气体温降和压降，在间冷器结构尺寸限定的情况下，可以通过增加流过间冷器的淡水流量来降低气体出口温度。板翅式间冷器传热过程总热阻1/（KA）为
式中：η 0 为换热表面效率；α 为对流换热系数；A为传热面积；下标 1、2 分别代表气侧和液侧。对于气液换热来说，气侧对流换热系数要比液侧的小得多，从提高换热效率的角度来看，应该重点关注气侧换热系数的增大。但舰船燃气轮机间冷器的尺寸受限程度很大，同时气侧压降如果过大对燃气轮机总体性能的影响有可能超过气体温度降低所带来的效益提升。因此，在有限压降和尺寸限制提升气侧换热效果的前提条件下，可以通过增大液侧换热系数来提高间冷器的换热性能。液侧换热效果会随着液侧流量的增大而逐渐提高，但其趋势会逐渐减缓；同时随着液侧流量的增大，间冷系统液侧管路尺寸都将增大。因此，确定合理的液侧流量也是间冷器整体优化的 1 个方面。
以 1 组满足设计要求的间冷器尺寸 L 1 =300 mm、L 2 =430 mm、L 3 =360 mm为例，分析液侧流量的变化对间冷器效率的影响，间冷器效率随液侧流量变化的关系曲线如图 2所示。从图中可见，随着液侧流量的增加，间冷器效率开始提高的速度非常快，但是当液侧流量增加到一定程度后继续增加，间冷器效率的提高趋于平缓。经综合考虑，本文研究的中等
功率燃气轮机间冷器液侧流量选为 90～100 kg/s。
图2 液侧流量对间冷器效率的影响
3.非设计工况下间冷器的性能
舰船燃气轮机的总体性能既要求其设计点性能好，也要求在非设计点工作时同样能满足性能要求。分析舰船燃气轮机非设计点总体性能时需要给出间冷器在相应工作参数下的换热性能和压力恢复系数的变化。在上述间冷器结构尺寸和液侧流动参数给定的情况下，根据燃气轮机非设计工况所给出的流动参数条件，针对上文所选定的间冷器结构参数和尺寸，计算分析了间冷器的效率和压力恢复系数的变化情况。燃气轮机在非设计工况下的间冷器气侧进口流动参数的变化如图 3所示；在非设计工况下的间冷器的效率和总压恢复系数。
图3 非设计工况气侧流动参数
4.结束语
从间冷器效率随液侧流量变化的分析可知，间冷器效率随着液侧流量的增加而逐渐提高。液侧流量较低时，间冷器效率随着液侧流量增大而提高得很快，但是当液侧流量增加到一定程度后继续增加，间冷器效率的提高趋于平缓。考虑到由于液侧流量增大所带来的液侧阻力损失对燃气轮机总体性能没有影响，可以通过增加液侧流量来提高间冷器的效率，但在确定间冷器液侧流量时应该考虑过大的液侧流量使间冷器效率提高趋缓，也使得间冷器液侧管路布置困难，需合理确定间冷器的液侧流量。在燃气轮机非设计工况下，流量成为影响间冷器性能的主要因素，因此，在燃气轮机部分负荷时，间冷器的效率和总压恢复系数都有所增加，所以在设计间冷器时只需针对设计点工况优化设计，同时给出非设计点间冷器的性能参数，以便于燃气轮机总体性能计算分析。
参考文献：
[1]梁春华.间冷回热循环舰船用燃气轮机 WR- 21 的技术特点[J]．航空发动机，2016，33（1）：55- 58．
[2]张方伟，张会生，苏明.中冷回热循环燃气轮机技术[J].船舶工程，2014（2）：7- 9.
论文作者:李喆,刘艳辉
论文发表刊物:《基层建设》2018年第17期
论文发表时间:2018/7/25
标签：燃气轮机论文; 流量论文; 效率论文; 工况论文; 舰船论文; 换热论文; 性能论文; 《基层建设》2018年第17期论文;