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1、管壳式燃滑油散热器换热特性计算方法及试验验证谷俊【摘 要】管壳式燃滑油散热器换热特性直接影响航空发动机滑油系统的散热冷却 能力,对滑油系统的热平衡建立至关重要.为了更准确地进行滑油系统热分析计算,优 化滑油系统设计,必须掌握更为精确的燃滑油散热器换热特性的计算方法.在对散热 器壳程的复杂流动进行分析的基础上，分别采用Kern法、Bell-Delaware法和分段 模拟法计算换热特性,并通过试验结果验证计算准确度,经对比表明,将壳程换热按流 动特性进行分段模拟计算的方法具有更高的准确度,满足滑油系统设计需要.期刊名称】航空发动机年(卷),期】2013(039)001【总页数】5页(P65-69)
2、 【关键词】 燃滑油散热器;换热特性;滑油系统;壳程;航空发动机【作 者】 谷俊【作者单位】 中航工业沈阳发动机设计研究所,沈阳 110015【正文语种】 中 文0 引言 管壳式燃滑油热交换器在航空发动机上的应用非常普遍，无论是军、民用发动机(如CFM56系列发动机)都采用这种结构简单可靠的装置，为滑油系统提供冷却或为燃油提供加温需求。燃滑油散热器换热特性的初步计算是滑油系统热分析及循 环量设计的关键环节，换热性能决定了滑油系统在包线范围内的热负荷耐受能力。 因此，掌握管壳式燃滑油散热器的换热特性计算方法对于滑油系统设计尤为重要。 管壳式燃滑油热交换器的管内流动形式简单，采用经典管内流动和换热
3、计算方法即 可达到足够精度，而管外壳程的流动复杂，需要考虑的结构因素较多，换热特性计 算均为试验拟合出的经验方法，目前常用的壳程换热计算方法主要有2种：kern 法及Bell-Delaware法1，本文在此基础上提出了 1种按流动特性分段计算壳程 换热的方法。本文通过以上 3 种壳程换热计算方法对某型燃滑油散热器进行了换热特性的计算， 并与2009 2010年所做的数次航空燃滑油散热器换热特性试验进行对比验证， 得到具有足够精度的换热特性计算方法，应用于航空发动机润滑系统的热分析计算 中。1 原始数据及参数 某型燃滑油散热器的结构如图1所示。散热器为典型的管壳式结构，内部管程流 过燃油RP-3
4、为冷却介质，壳程通4050型滑油为被冷却介质。散热芯体的直径为 94 mm ，管程数为5 ，壳程数为6 ，采用圆缺型折流板，缺口面积约20% ，散热 管为915根02 mmx0.2 mm的不锈钢管，长度为200 mm，采用蜂窝式排列， 管中心距为3 mm。图1某型燃滑油散热器结构2 计算方法和步骤 为对比散热器散热性能，需要计算并绘制不同燃油流量下的散热器散热量变化曲线， 即换热特性曲线。为与试验数据进行对比，计算采用的散热器进口燃、滑油温度和 流量均与试验参数保持一致。根据稳态传热公式，燃、滑油之间换热量应为式中：Q为换热量；K为总换热系数；A为换热面积；Atm为换热的2种流体之 间的平均温
5、差。该散热器采用冷热逆流，燃油流量远大于滑油，因此较小的进口温差为滑油出口温度和燃油进口温度之差At1=Th,O-Tc,j而较大的温差为滑油进口和燃油出口温度 之差M2二Th,O-Tc,j。由文献2可知，当两侧的进口温差，采用算术平均温差即 可达到足够精度，因此该散热器计算的Atm采用算术平均温差式中：Ft为温差修正系数，查图求取，此处Ft二1。由放热和吸热的热量守恒可知式中：me为冷却介质质量流量；Cp,c为冷却介质定压比热容；Tc,o为冷却介质 出口温度；Tc,i为冷却介质进口温度；mh为被冷却介质质量流量；Cp,h为被冷 却介质定压比热容；ne为热损失系数，通常取nc = 0.97 0.
6、98。当 K、A、Cp,c、Cp,h、me、mh、nc、Th,i、Tc,i 已知时，联立式(1)(3) 组成方程组可求得换热量Q。该方程组中除K和A外的其他参数与散热器结构无 关，只与进口条件有关。因此，求得K值是计算散热器换热量的关键。根据散热器结构可知，该散热器为管壳式换热器，散热管是冷热流体交换的界面， 其内为冷流体，其外为热流体，在不考虑辐射换热的前提下，该处的热传递路线如 下：热流体与散热管外壁之间产生对流换热，散热管外壁与内壁之间产生热传导， 散热管内壁与冷流体之间产生对流换热，因此根据对流换热和热传导的稳态传热公 式可求得以管外侧面积为基准的换热系数K式中：do为散热管外径；di
7、为散热管内表面换热面积；入w为散热管材料的导热 系数；ro,ri分别为管外壁、内壁污垢热阻；aO、ai分别为壳程、管程对流换热 系数。由于散热器内流动的复杂性，对于管内对流换热系数(又称管程换热系数)和管外 对流换热系数(又称壳程换热系数)有很多基于传热学理论和试验所得的计算方法。 计算前首先确定冷热流体的物性，冷却流体为RP-3燃油，热流体为4050滑油， 二者物性3-4如下：RP-3 燃油：密度 p=0.7796-0.7606x( t-20 )x10-3，比热容 Cp=Cp(01+at),导热系数)4/3入20,黏度 lg lg (v+0.73 ) =8.908-3.8265lg T。40
8、50 滑油：p=0.9729-0.000035t , Cp=1.76+0.0031t，入=0.1591-0.000134t , ln ln(v+0.6)=21.52-3.54ln T。由上述试验公式可知，物性随介质温度的变化而改变，对于温度变化的流体，工程 上取其平均温度为定性温度进行计算。在计算中以试验数据来确定燃油和滑油的定 性温度：燃油定性温度为90工，滑油定性温度为125工。通过以上公式并查取手 册3-4中相关数据，计算得出：RP-3燃油在90C下的物性为：4050滑油在125C下的物性为：2.1 管程对流换热系数计算计算管内换热系数ai,根据文献5，对于Re 10000的湍流，管内对
9、流换热系数根据(Sieder-Tate )实验关联式6计算式中：pi为按流体均温为定性温度的动力黏度；pw为按散热管内壁温为定性温度 的动力黏度。2.2 壳程换热系数壳程的流动非常复杂，特别是在折流板存在的情况下，因此对于壳程换热系数的计 算方法均为经验公式，主要采用 kern 法2和 Bell-Delaware 法1,7。2.2.1 Kern 法式中：pi为壳程传热系数；pw为管外液体热传导率；de为特征管径尺寸。式中：Pt为管中心距；dO为管外径。从以上公式可见，kern法计算过程相对简单，将壳程流动简化为1种管外横流的 换热。2.2.2 Bell-Delaware 法Bell-Delaw
10、are法根据实际的流动形式，对壳程流动的横流区、折流板、侧泄分别 进行考虑，由试验得到不同结构对理想传热系数的校正因子，具体计算过程如下。2.2.2.1 理想壳程传热系数根据Bell-Delaware法，理想传热系数公式为式中：Gs为壳程横流质量流速，根据文献1,7中数据，Ji由Bell-Delaware管束 布置和节距典型曲线近似求得，对于本结构散热器约为0.0204，而无量纲数(Os) n=2.2.2.2 已知条件及辅助计算根据Bell-Delaware法，为计算换热系数的修正因子，首先针对该结构散热器结 构和流动参数进行如下计算。(1) 折流板缺口计算。折流板切口与壳体内径，形成夹角(2
11、 )壳程横流面积 Sm二LbcLbb+nx( Ltp-d )=26.5x7.5+30x( 3- 2)=993.75 mm2。(3)折流板缺口区流通截面根据布管图计算含管子的缺口区所占截面分率以及纯横流面积Fc=1-2Fw=61% ; 由管所占缺口区面积d2=499.5 mm2 ；通过折流板缺口区的净流通面积(顺管路 方向)Sw二Swg-Swt=1169.3 mm2。( 4 )缺口区当量水力直径4.2 mm。(5 )流动方向有效横流管排数Ntcc=17和缺口区管排数Ntcw=8。(6 )管束与壳体间的C流路和F流路的面积参数Sb=Lbc ( DS-Dotl)=26.9x (98-90.5)=19
12、8.75 mm2，Fsbp=Sb/Sm=20.3%。(7) 每块折流板与壳体间的泄漏面积(E流路)(8 )管子与折流板孔间隙(A流路)Nt( 1-FW ) =314 mm2。 (9)计算壳程横流速度2.2.2.3 壳程传热修正因子考虑结构上的折流板、旁路、泄漏等因素,Bell-Delaware法对理想的壳程横流管束传热系数通过每一路的修正因子加以修正，故壳程传热系数(1)弓形折流板缺口修正因子Jc=0.55+0.72Fc=0.989。(2 )折流板泄漏效应传热修正因子Jl=0.44 ( 1-rs )+Jl=0.44x( 1-0.06 ) +10.44 ( 1-0.06 )e-2.2x0.336
13、=0.6936。(3 )管束旁路传热修正因子Jb二exp-CbhFsbp1- ( 2rss )1/3,根据流动类 型选择Cbh的经验值，对于Re 100的情况为1.35 , rss=Nss/Ntcc，由于该散 热器无旁路密封挡板所以为 0，Jb=e-1.35x0.203=0.76。(4 )层流下逆向温差修正因子Jr在Re 100时才考虑，而对于该散热器不适用， 可不考虑。(5)进、出口处非等跨传热修正JS表示换热器进、出口跨长与中间跨距有区别 时的修正。，其中Lbo分别为进、出口跨距。对于绝对等跨Js=1,对于该散热器Li二Lo=33/26.5 = 1.25，非等跨程度不高，Js=0.95。2
14、.2.3 分段法计算壳程换热系数根据文献8，壳程的流动可以分解为如图2所示的各条支流，在不考虑泄漏、旁 路等因素的情况下，壳程理想流路分为2部分B、F和C流动，B、F部分是在折 流板缺口区，近似为顺管路方向的管外对流，C部分在折流板中间区近似于管外纯 横流，在这2部分流动的基础上加以修正系数，可以得到较满意的结果，因此下 文对壳程分段进行了传热系数的计算得到理想壳程传热系数。根据文献9，流经管排的纯横流传热系数为在缺口区将流动看成管外顺流，传热系数按非圆形截面的管内流动换热计算 根据管路布置可知，代入流动修正、泄漏、旁路流及非等跨修正因子可得壳程换热 系数为2.3散热器的总换热系数K 由以上推
15、算计算出管壳程的传热系数，其中管程换热计算均采用式（5），而对于 较复杂的壳程流动采用了 3种计算方法，根据式（4 ）分别计算其总换热系数K。2.4 散热器的换热特性 为对比计算和试验的结果，采用了与试验条件相同的进口条件进行散热器的换热特 性计算（滑油进口温度140工，燃油进口温度80。0,该散热器基于换热管外侧 的总换热面积0.91094 m2，由于试验过程散热器有保温措施，因此计算中不考虑 壳程与外界环境换热，联立式（1）（3）,计算Q值及换热特性n二，并绘制 换热特性随燃油流量的变化曲线。3 3种计算结果与试验数据的对比3.1 燃滑油散热器的性能试验在2009 2010年，在动力传输航空科技重点实验室的A611试验台上进行了 3套该型散热器的换热特性试验。散热器放置在保温箱中，有单独的滑油和燃油循环 系统保证燃滑油的循环供应，并通过加温、冷却和温控系统保持散热器进口燃滑油温度的稳定。试验过程中采用4050滑油，流量稳定在50 L/min，进口温度为 140C;采用RP-3燃油，流量在1000 7000 L/h范围内可调，进口温度保持在 80C。进行了不同燃油流量下的换热特性试验，并绘制试验曲线，试验现场照片 如图3所示。图3 试验现场3.2 计算与试验结果对比 根据以上介绍的3种壳程换热系数计算方法，分别进行某型燃滑油散热器在不同 燃油流量下的
