張 勤，劉玉芳

（中航商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，上海 201241）

滑油散熱器的動態(tài)特性分析

張 勤，劉玉芳

（中航商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，上海 201241）

建立了由燃油滑油散熱器和空氣滑油散熱器組成的散熱器網(wǎng)絡(luò)，并建立了板翅式換熱器動態(tài)數(shù)學(xué)模型。通過燃油流量與滑油溫度的階躍變化，模擬了過渡過程中溫度場的動態(tài)響應(yīng)，揭示了滑油溫度在過渡過程中的變化特征。設(shè)計了三股流換熱器，將燃油、滑油、空氣置于同一個換熱器中進(jìn)行熱量交換，對三股流換熱器的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了分析。同時分析了流體組織與通道排列對多股流換熱器效能的影響。結(jié)果表明：三股流換熱器具有較高的換熱效率和較短的過渡時間；采用冷熱流體逆流布置和通道對稱排列能降低滑油出口溫度。

滑油冷卻系統(tǒng)；換熱器；動態(tài)特性

0 引言

換熱器是現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)的一個重要構(gòu)件。滑油在對發(fā)動機(jī)各轉(zhuǎn)動機(jī)械的軸承和傳動齒輪的嚙合進(jìn)行潤滑的同時，吸收了大量摩擦產(chǎn)生的熱量及高溫部件的熱量，為了保證供至潤滑和冷卻部位的滑油溫度適宜，在系統(tǒng)中一般設(shè)置燃油滑油散熱器。同時采用空氣滑油散熱器，可以進(jìn)一步提高滑油系統(tǒng)散熱能力。

散熱器性能一般采用實驗、解析解或者數(shù)值模擬的方式來進(jìn)行預(yù)測。文獻(xiàn)[1]結(jié)合少量試驗數(shù)據(jù)，推導(dǎo)滑油散熱器的NTU計算公式。文獻(xiàn)[2]根據(jù)燃油滑油散熱器實驗，繪制了性能曲線簇。

根據(jù)飛機(jī)的運行特性，在飛行線內(nèi)，環(huán)境條件和工作狀態(tài)是在不斷改變的，從而散熱器經(jīng)常處于一種動態(tài)過渡過程。緊湊式換熱器(如板式、板翅式和管翅式)的使用，更是加劇了系統(tǒng)的延遲時間。文獻(xiàn)[3]采用Laplace變換建立動態(tài)函數(shù)，獲得了入口溫度階躍情況下的動態(tài)溫度響應(yīng)曲線。

目前，不少學(xué)者對于換熱器的動態(tài)特性進(jìn)行了分析[4-6]，但針對航空發(fā)動機(jī)滑油散熱器的并不多。對于由燃油滑油散熱器和空氣滑油散熱器形成的換熱器網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)特性研究更是少見報道，并且缺乏動態(tài)設(shè)計方法，動態(tài)運行性能無法在滑油系統(tǒng)的設(shè)計過程中得以體現(xiàn)。

鑒于此，本文應(yīng)用數(shù)值方法模擬了一個三股流體(滑油、燃油、空氣)、二個板翅式散熱器組成的換熱器網(wǎng)絡(luò)。通過分析流量、溫度變遷后網(wǎng)絡(luò)出口參數(shù)響應(yīng)，對其散熱器動態(tài)特性進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了三股流板翅式換熱器，并對其動態(tài)特性進(jìn)行了比較分析。

1 物理數(shù)學(xué)模型

1.1 散熱器網(wǎng)絡(luò)模型

散熱器一般安裝于供油管路上，滑油經(jīng)供油泵增壓后，通過供油濾清器清除雜質(zhì)后，流過燃油滑油散熱器，在燃油散熱器換熱能力不足的情況下，設(shè)置空氣滑油散熱器。從散熱器流出溫度適宜的滑油，供至各個滑油噴嘴。

文中對滑油散熱系統(tǒng)進(jìn)行了簡化，建立了由燃油滑油散熱器與空氣滑油散熱器組成的二股流換熱器網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。同時假設(shè)運行過程中燃油旁通閥門與滑油旁通閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)，燃油與滑油均全流量進(jìn)入散熱器。在網(wǎng)絡(luò)中，滑油流出燃油滑油散熱器后，假設(shè)滑油管路無熱交換，直接進(jìn)入空氣滑油散熱器，即空氣滑油散熱器入口滑油溫度與燃油滑油散熱器出口滑油溫度相同。

考慮到航空發(fā)動機(jī)的散熱器尺寸小、質(zhì)量輕、散熱量高的要求，散熱器均采用板翅式換熱器。

圖1 發(fā)動機(jī)滑油散熱器網(wǎng)絡(luò)

1.2 板翅式換熱器數(shù)學(xué)模型

平行流板翅式換熱器結(jié)構(gòu)如圖2所示。取i通道沿軸向長度為Δz的微元建立能量方程如式(1)所示[7]。

圖2 板翅式換熱器模型

通道流體能量平衡方程：

翅片能量平衡方程：

隔板能量平衡方程：

2 動態(tài)過程分析

作為具有容量滯后及純滯后設(shè)備，換熱器入口參數(shù)變化后，這種變化不能立刻在出口參數(shù)發(fā)生響應(yīng)。換熱器在達(dá)到新的平衡前，會處于長期的動態(tài)過渡過程。這種動態(tài)的特性與換熱器結(jié)構(gòu)和工況變化相關(guān)。本文依據(jù)發(fā)動機(jī)的工況變化情況，對換熱器的溫度和流量進(jìn)行階躍變化，分析換熱器的出口參數(shù)響應(yīng)及內(nèi)部溫度場變化情況。

2.1 二股流散熱器網(wǎng)絡(luò)

散熱器網(wǎng)絡(luò)由燃油滑油散熱器與空氣滑油散熱器組成，考慮到兩個散熱器之間流動的順序性，可以先對燃油滑油散熱器進(jìn)行計算，然后以滑油出口溫度響應(yīng)作為空氣滑油散熱器的入口溫度條件。

首先以燃油滑油散熱器為例，分析換熱器中容積滯后與純滯后對換熱器動態(tài)特性的影響。燃油滑油散熱器設(shè)計為10通道的板翅式換熱器，換熱器采用逆流布置，用+1與-1分別表示不同的流向。用A與B分別表示燃油與滑油。文中滑油采用BP Turbine oil 2197，燃油采用3號噴氣燃料。換熱器的通道排列方式為ABABAABABA，換熱芯體長度和寬度分別為32cm和8cm，材質(zhì)為鋁合金。工況參數(shù)和換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 燃油滑油流換熱器工況和結(jié)構(gòu)參數(shù)

模擬飛機(jī)起飛階段的滑油散熱器網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變化情況。該階段燃油流量上升，滑油入口溫度提高。階躍響應(yīng)是評價系統(tǒng)動態(tài)性能的典型方法，因此，進(jìn)口流量或溫度變化采用階躍變化，即初始時刻入口流量直接達(dá)到另一穩(wěn)定值。滑油系統(tǒng)中，滑油管路較長，發(fā)動機(jī)工況改變后，無法在滑油溫度上立刻響應(yīng)。因此，滑油入口溫度設(shè)置有20s的純滯后，即滑油入口溫度在燃油流量階躍后20s發(fā)生階躍變化。

在起始時刻，流體 A流量正階躍至 0.9kg/s，20s時刻，滑油入口溫度正階躍至130℃。換熱器出口響應(yīng)如圖3所示。

圖3 燃油滑油散熱器出口溫度響應(yīng)

在τ=0時刻，流體A流量上升，根據(jù)流體的不可壓縮性，流量變化立刻傳遞到整個通道，通道的換熱系數(shù)提高。由于采用逆流布置方式，流體B的出口在就τ=0時刻就受到了影響，發(fā)生了響應(yīng)。而流體A存在純滯后，入口溫度的改變無法立刻傳遞到通道出口。因此，其通道出口溫度無法產(chǎn)生瞬間變化。

20s時刻，在流體B溫度發(fā)生正階躍后，換熱器存在容積效應(yīng)，流體B出口溫度并沒有立刻上升，反而由于流體A熱容流率的增加，溫度持續(xù)下降。250s左右，溫度發(fā)生逆轉(zhuǎn)，溫度迅速上升，之后逐步穩(wěn)定在92.0℃。采用逆流布置的關(guān)系，流體 A出口溫度在流體B入口階躍變化時，略有提升，然后持續(xù)降低。

將圖3中滑油出口溫度作為空氣滑油散熱器入口條件。設(shè)計空氣滑油散熱器芯體長度和寬度分別為30cm和 16cm，翅片結(jié)構(gòu)與燃油滑油散熱器一致。通道排列方式為CBCBCCBCBC，其中C表示空氣，空氣流量設(shè)置為0.2kg/s，計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 空氣滑油散熱器出口溫度響應(yīng)

220s之前，雖然滑油入口溫度在緩慢下降，但由于換熱器的容積效應(yīng)，滑油出口溫度基本不變。220s之后，出口溫度才發(fā)生響應(yīng)。在計算時間內(nèi)，溫度緩慢降低，流體B的入口溫度階躍未來得及在空氣滑油散熱器出口形成明顯響應(yīng)。

假設(shè)燃油流量發(fā)生負(fù)階躍，從 0.5kg/s階躍至0.1kg/s，20s時刻滑油溫度從130℃負(fù)階躍至90℃，對燃油滑油散熱器的過渡過程進(jìn)行計算，計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 燃油滑油散熱器出口溫度響應(yīng)

在流量負(fù)階躍初期，隨著流體A熱容流率的降低，換熱器內(nèi)溫度場發(fā)生變遷。流體B的出口溫度瞬時提高。在換熱器容積效應(yīng)及流動純滯后的作用下，流體B的溫度負(fù)階躍未能在出口造成明顯響應(yīng)。

230s后，流體B出口才對入口的溫度階躍產(chǎn)生響應(yīng)，出口溫度急劇降低，形成一溫度拐點。換熱器設(shè)計時，應(yīng)考慮到這種響應(yīng)的滯后性，在燃油流量減小時，避免滑油溫度持續(xù)上升帶來的滑油超溫。

2.2 三股流換熱器

滑油系統(tǒng)采用由兩個換熱器組成的網(wǎng)絡(luò)，占用空間多，質(zhì)量大。設(shè)計三股流板翅式換熱器，將燃油、滑油與空氣置于同一換熱芯體內(nèi)進(jìn)行熱量交換。

三股換熱器與兩股流換熱器的最大差異在于間隔通道的流體也能進(jìn)行能量的傳輸與交換。設(shè)計的三股流換熱器芯體長度和寬度分別為40cm和20cm，翅片結(jié)構(gòu)與兩股流散熱器相同。采用10個換熱通道，排列方式為CABACCABCC，流體組織采用混合流方式。傳統(tǒng)兩股流換熱器設(shè)計中，為了提高換熱溫差，一般采用冷熱流體逆流布置的形式。本文中的熱流體為B，冷流體為A與C，設(shè)計流體A、C正向流動，而流體B負(fù)向流動。將該換熱器簡稱為三股流換熱器I。

三股流換熱器I入口參數(shù)如表2所示。流體A的流量在初始時刻從0.1kg/s正階躍至0.9kg/s，流體B的溫度在 20s時刻從 90℃正階躍至 130℃。三股流換熱器I的出口溫度響應(yīng)如圖6所示。

表2 三股流換熱器I工況參數(shù)

圖6 三股流換熱器I出口溫度響應(yīng)

流體A與流體B之間為逆流布置，且通道相鄰，流體A流量的正階躍，瞬時造成了流體B出口溫度響應(yīng)。在換熱器容積效應(yīng)及流動純滯后的綜合作用下，流體 B出口溫度先降低后增加，最后逐步穩(wěn)定在82.7℃。相較于兩股流換熱器，由于所有流體在同一換熱芯體中換熱，無兩個換熱器串聯(lián)布置帶來的純滯后效應(yīng)，因此三股流換熱器的動態(tài)過渡時間更短。

三股流換熱器中，流體的換熱主要依靠相鄰?fù)ǖ?，CA之間順流布置，而CB之間逆流布置，在流體B溫度發(fā)生溫度正階躍時，流體C瞬時發(fā)生響應(yīng)，溫度略有提升，但由于流體A熱容流率的上升，流體C出口溫度逐漸降低。

在三股流換熱器I的基礎(chǔ)上，將流體C的流動方向顛倒，形成三股流換熱器II，對該換熱器進(jìn)行計算，計算結(jié)果如圖7所示。

AC通道相鄰，且為逆流布置，流體C的出口受流體A入口低溫的影響，溫度較三股流換熱器I低。而流體B的動態(tài)響應(yīng)曲線趨勢類似，最終穩(wěn)定于84.5℃，略高于三股流換熱器I。這是由于冷熱流體未完全實現(xiàn)逆流布置，導(dǎo)致?lián)Q熱器的換熱效率較低。

圖7 三股流換熱器II出口溫度響應(yīng)

通道排列順序?qū)Q熱器的換熱性能也具有重要影響，在三股流換熱器II的基礎(chǔ)上，將通道排列順序改為CABACCABAC，稱為換熱器III。流體A流量正階躍，流體B溫度正階躍，出口溫度動態(tài)響應(yīng)過程見圖8。響應(yīng)曲線趨勢與三股流換熱器II類似。但最終溫度為82.1℃，在設(shè)計的3個三股流換熱器中最低。

圖8 三股流換熱器III出口溫度響應(yīng)

對三股流換熱III進(jìn)行流量和溫度負(fù)階躍計算，流體A流量從0.5kg/s負(fù)階躍至0.1kg/s，20s時刻流體B溫度從130℃負(fù)階躍至90℃，出口溫度響應(yīng)曲線如圖9所示。

同時受到流體A、C的牽制，流體B的溫度增量相較于燃油滑油散熱器更小(三股流換熱器III中流體B溫度增量最高為8℃，燃油滑油散熱器中為13℃)。因此，滑油在三股流換熱器過渡過程中發(fā)生超溫風(fēng)險的概率更低。

圖9 三股流換熱器III出口溫度響應(yīng)

2.3 過渡過程翅片溫度分布

三股流板翅式換熱器通道中的翅片在其頂部和底部分別與上、下兩個隔板接觸，翅片與隔板間的傳熱通過導(dǎo)熱的方式來進(jìn)行，而翅片與流體的傳熱通過對流來實現(xiàn)，翅片溫度分布直接反映了換熱器內(nèi)溫度分布。

取三股換熱器II與III芯體中間高度方向翅片溫度進(jìn)行分析，分別如圖10、11所示。

圖10 三股流換熱器II過渡過程翅片溫度變化

在換熱器從初始工況過渡到另一個工況的過程中，換熱器內(nèi)部原有的穩(wěn)定熱平衡體系被打破，通過內(nèi)部三股流體之間的換熱，重新達(dá)到一個新的平衡體系，在兩個平衡體系變遷的過程中，翅片溫度也發(fā)生緩慢變化。

三股流換熱器II通道采用非對稱排列，因此翅片溫度分布也并不對稱，通道9、10與其他通道的溫差較大。三股流換熱器III的通道采用了對稱布置，因此通道之間的溫差場比較均勻，該換熱器換熱效率高，這也是三股流換熱器III流體B最終出口溫度最低的原因。

圖11 三股流換熱器III過渡過程翅片溫度變化

3 結(jié)論

建立了滑油散熱器網(wǎng)絡(luò)模型，并設(shè)計了三股流換熱器，從分析散熱器網(wǎng)絡(luò)與三股流換熱器的動態(tài)過渡過程入手，研究了滑油散熱器動態(tài)特性，得到了如下結(jié)論：

1）散熱器網(wǎng)絡(luò)在過渡過程中，流量階躍與溫度階躍導(dǎo)致滑油出口溫度發(fā)生動態(tài)遷移，在燃油流量發(fā)生負(fù)階躍時，滑油出口溫度升高，容易超溫。

2）三股流換熱器能達(dá)到與散熱器網(wǎng)絡(luò)同樣的冷卻效果，且動態(tài)過渡時間比散熱器網(wǎng)絡(luò)短。

3）冷熱流體逆流布置、通道對稱排列能提高三股流換熱器的換熱效率。

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中遠(yuǎn)關(guān)西涂料金山新廠建成開業(yè)

2015年6月30日上午，中遠(yuǎn)關(guān)西涂料(上海)有限公司(以下簡稱中遠(yuǎn)關(guān)西金山新廠)開業(yè)典禮暨客戶答謝會在廠區(qū)隆重舉行。中遠(yuǎn)香港集團(tuán)張良總裁，吳樹雄副總裁、徐政軍副總裁，關(guān)西涂料株式會社石野博社長，金山區(qū)經(jīng)委王明法主任，金山第二工業(yè)區(qū)發(fā)展公司孫莉軍總經(jīng)理，客戶代表、供應(yīng)商代表及公司領(lǐng)導(dǎo)班子、員工代表等近200人出席了開業(yè)慶典。

中遠(yuǎn)關(guān)西金山新廠位于上海市金山區(qū)第二工業(yè)園區(qū)，投資總額近5億元人民幣，占地90余畝，設(shè)計年產(chǎn)能力7.5萬噸。從2011年立項到建成開業(yè)，新廠建設(shè)者克服諸多困難，堅持文明、安全施工。工程質(zhì)量、工程進(jìn)度及工程管理得到股東及監(jiān)管部門的充分肯定，更成為金山第二工業(yè)園區(qū)的標(biāo)桿工程之一。金山新廠從設(shè)計到施工，堅持高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)要求，環(huán)保設(shè)備、節(jié)能措施、工藝流程均具有前瞻性，確保了生產(chǎn)運營過程中的合法合規(guī)、綠色高效。

中遠(yuǎn)關(guān)西金山新廠建成，進(jìn)一步鞏固了中遠(yuǎn)關(guān)西環(huán)渤海、長三角、珠三角的區(qū)位優(yōu)勢，擴(kuò)大的產(chǎn)能為公司的長遠(yuǎn)發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。展望未來，中遠(yuǎn)關(guān)西將以金山新廠投產(chǎn)為契機(jī)，進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，改善工藝水平，提升技術(shù)含量，為廣大用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的綠色環(huán)保產(chǎn)品。

Dynamic Characteristic Analysis of Lubricating Oil Radiator

ZHANG Qin,LIU Yu-fang
(AVIC Commercial Aircraft Engine Co.,Ltd.,Shanghai 201108,China)

Radiator network consisting of the fuel oil radiator and the air lubricating oil cooler is established.The dynamic mathematical model of plate fin heat exchanger is set up.Through the step change of the fuel flow and the oil temperature,dynamic response of temperature field during the transition process is simulated.Variation characteristics of lubricating oil temperature during the transition process are revealed.Three-flow heat exchanger is designed.The fuel,lubricating oil and air transfer are placed in the same heat exchanger.The dynamic response of three-flow heat exchanger is analyzed.At the same time,the influences of fluid arrangement and passage arrangement on the multi-flow heat exchanger efficiency are also analyzed.The results show that three-flow heat exchanger has higher heat transfer efficiency and short transition time.Using countercurrent arrangement of hot and cold fluid and the channel symmetrical arrangement can reduce lubricating oil outlet temperature.

lubricating oil cooling system; heat exchanger; dynamic characteristic

TK124

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.04.009

張勤（1982-），男，博士，主要研究方向為航空發(fā)動機(jī)空氣系統(tǒng)設(shè)計，過程系統(tǒng)優(yōu)化，強(qiáng)化傳熱等。