庞红丽，潘 亮，胡坚勇



冷氦换热器传热设计及试验研究

庞红丽，潘 亮，胡坚勇

（北京航天动力研究所，北京，100076）

为满足某火箭二级发动机氧贮箱增压需求，在二级发动机上设计了一种蛇形管式冷氦换热器，并对其进行传热论证。在发动机试验时搭建了一套冷氦试验系统，对冷氦换热器的性能进行试验验证，验证后修正了换热器传热系数。结果表明：冷氦换热器传热计算合理，修正后的蛇形管长度与试验基本一致。

火箭发动机；换热器；蛇形管；传热系数

0 引 言

目前，运载火箭氢氧发动机氧贮箱均通过高温燃气加热氦气或氧进行氧贮箱增压。新一代运载火箭二级氧贮箱也采用氦气增压方案，但其二级氢氧发动机是闭式膨胀循环[1]，与以往的燃气发生器循环发动机相比，发动机内没有高温燃气，只能采用相对温度较高的氢气给冷氦加热，其设计方案及换热能力能否满足增压需求，需经过试验验证。

1 冷氦换热器传热设计论证

1.1 冷氦换热器设计参数

二级发动机冷氦换热器设计参数如表1所示。

表1 冷氦换热器的设计参数

Tab.1 Design Parameters of Cold helium Heat Exchanger

换热器内部工作介质氦气换热器外部工作介质氢气 氦气入口温度/K25氢气温度/K213 氦气出口温度/K85氢气流量/（kg·s-1）2.15

续表1

换热器内部工作介质氦气换热器外部工作介质氢气 氦气出口压力/MPa0.4氢气压力/MPa5.5 氦气额定流量/（g·s-1）qm

1.2 冷氦换热器设计方案

冷氦换气器的结构如图1所示。

图1 冷氦换热器

冷氦换热器采用蛇形管方案，换热器内蛇形管流路采用逆流的方式，即氦气进入蛇形管，顺着蛇形管逆流而上，与壳体内的氢气充分换热后，给氧贮箱进行增压。

1.3 冷氦换热器传热设计计算[2]

在冷氦换热器的设计计算中，换热设计计算为核心部分。冷氦换热器换热的核心元件为蛇形管，如何获得蛇形管的规格及长度是换热器的设计目标。

将蛇形管取一小段（＝1 mm）来进行分析，如图2所示。

图2 冷氦换热器传热模型

Δ—蛇形管单位长度；i—蛇形管内径；0—蛇形管外径

冷氦换热器换热的形式有：氢气侧的强迫对流换热、导管的热传导以及氦气侧的强迫对流换热。

a）氢气侧换热[3]。

b）导管壁面的导热[4]。

c）氦气侧换热。

式中为氦气侧换热系数；为蛇形管内表面积。

将式（1）~（6）联立可得：

1.3.1 氢气侧换热系数

换热器内氢的温度为210 K远超过了33 K（氢的沸点），氢气面的换热为强迫对流换热。

冷氦换热器蛇形管为顺排（见图1），采用式（9）作为氢气侧换热系数的经验公式：

1.3.2 氦气面换热系数[5]

氦在蛇形管内为强迫对流换热，氦在平滑管中流动的换热系数为

式中为蛇形管螺旋半径；为蛇形管螺旋直径。

冷氦换热器蛇形管内氦气侧的换热系数为

1.4 蛇形管长度设计计算

根据式（1）～（13），进行蛇形管长度设计计算，将蛇形管分为若干段，逐段计算出各段的蛇形管温升，当出口温度大于85 K时，将各段蛇形管长度相加即可获得换热器的蛇形管长度。

1.5 传热系数修正

在进行冷氦换热器的传热计算中，氢气侧及氦气侧均选用经验公式。在实际工程应用中，传热系数与经验公式计算出的传热系数有一定的差异，为了减少该差异量，需要对其传热系数进行修正，以便获得与冷氦换热器换热相对应的传热系数值，该修正值称为传热修正系数。

1.6 设计计算结果

表2 蛇形管的计算结果

Tab.2 Calculation Result of Snake Tube

序号修正系数修正后的蛇形管长度/mm C＇C 13.810.97L均值L 221.21.016L 31.51.41.048L

2 冷氦换热器性能试验[7]

为了获得冷氦换热器真实的换热性能，在二级发动机地面试验时搭建一套冷氦试验系统，使进入发动机的氦气达到要求的约25 K。

2.1 冷氦试验系统[8]

冷氦换热器试验系统原理如图3所示。

图3 冷氦换热试验系统原理图

氦气瓶气源约18 MPa，通过常温减压器对氦气进行减压，进入液氮冷却器和液氢冷却器对氦气进行降温，使进入发动机换热器的氦气温度保持在25 K左右。

在常温氦气路设置了3路孔板，通过开关常温电磁阀1、2、3，进行氦气流量的控制，使一次试验能尽可能多地考核冷氦换热器多种流量工况的性能。本次试验考核了5种工况，如表3所示，其中额定工况在试验后期再次进行了1次试验，主要目的为考核额定工况的参数重复性。

在冷氦换热器出口设置3路排气，两路由低温气控阀控制，一路常开，常开路通过孔板自身憋压，试车时根据冷氦换热器出口压力6控制低温气控阀的关闭，使出口压力6维持在总体需求的0.4 MPa左右。

表3 试验流程

Tab.3 Testing Flow

试验顺序常温电磁阀动作流量g/s绝对动作时间/s（发动机点火为0s） 1同时打开电磁阀1、2、31.82qm-130 2同时打开电磁阀2、31.45qm80 3同时打开电磁阀1、3qm160 4打开电磁阀30.73qm240 5打开电磁阀10.36qm320

续表3

试验顺序常温电磁阀动作流量g/s绝对动作时间/s（发动机点火为0s） 6同时打开电磁阀1、3qm400

2.2 冷氦换热器试验数据分析

冷氦换热器试验配套的蛇形管规格为8×0.5 mm，长度为1.01。试验相关数据如表4、图4所示，各种流量工况下均达到了热平衡。

表4 冷氦换热器试验数据

Tab.4 Testing Data of Cold Helium Heat Exchanger

序号测点名称各流量工况平均值 40～70s100～150s190～230s280～310s360～390s460～490s 1氦流量/(g·s-1)1.67qm1.36qm1.04qm0.70qm0.36qm1.03qm 2换热器入口压力P3/MPa1.421.230.980.790.461 3换热器入口温度T4/K28.0429.0530.935.2546.2130.5 4换热器出口温度T5/K74.278.8487.83101.95127.5988.56 5换热器出口压力P6/MPa0.510.440.350.490.280.38

2.2.1 氦气预冷

冷氦换热器试验搭载发动机热试车，所以在发动机启动前，需保证冷氦系统具备试验条件，主要是保证氦气在进入发动机软管入口温度3能达到约25 K。

为保证冷氦具备试验条件，需对冷氦系统管路提前预冷，消除管路初始热容。冷氦系统从发动机启动前约130 s开始预冷，预冷90 s后，换热器入口温度4基本达到平衡，至发动机点火时刻，换热器入口温度4为27.5 K，如图5所示，与要求的25 K有2.5 K的偏差，基本能满足冷氦换热器试验要求。

图5 冷氦换热器入口温度

2.2.2 压力损失

冷氦换热器压力损失为换热器入口压力3减去换热器出口压力6，各流量下压力损失如表5所示，冷氦换热器在额定流量工况时，氦换热器的压力损失约为0.63 MPa。

表5 冷氦换热器压力损失

Tab.5 Pressure Loss of Cold Helium Heat Exchanger

参数性能平均值 40～70s100～150s190～230s280～310s360～390s460～490s 压力损失ΔP/MPa0.910.790.630.30.180.62

2.2.3 温度启动加速性

温度启动加速性是指从启动至额定温度90％的时间，冷氦换热器出口温度5启动曲线如图6所示，启动至平稳段温度74.2 K的90%需要的时间为1.5 s，与发动机室压c的启动加速性基本同步。

图6 冷氦换热器出口温度

2.3 氦换热器换热系数的修正

1.6节中的氢气侧传热修正系数＇及氦气侧传热修正系数是依据以往换热器设计经验而取。冷氦换热器试验结果可对冷氦换热器蛇形管两侧的经验公式进行试验修正，以下几组修正系数均适合冷氦换热器试验参数，如表6所示。

表6 换热器修正系数

Tab.6 Heat Exchanger Correction Factor

序号流量工况 1.82qm1.45qmqm0.73qm0.36qm C＇CC＇CC＇CC＇CC＇C 12.612.412.412.412.41 22.31.121.121.11.91.11.61.1 31.81.41.61.41.51.41.31.41.11.3

根据冷氦换热器试验数据，1.04m和1.03m流量工况，与额定流量工况m最接近，因此换热修正系数的额定流量工况可信度较高，其他工况下修正系数相对误差较大。以额定流量m工况下的3组修正系数作为冷氦换热器的修正系数，以便得到较为准确的蛇形管长度。

2.4 蛇形管长度修正

根据冷氦换热器试验修正后的换热系数，对蛇形管长度设计参数进行修正，当氦气流量为m，入口温度为25 K，出口温度为85 K，m流量工况对应的3组换热修正系数修正后的蛇形管长度如表7所示。

表7 修正后的蛇形管长度

Tab.7 Revised Length of Snake Tube

序号修正系数修正后的蛇形管长度 C＇Ｃ 12.411.018L均值1.013L 221.11.016L 31.51.41.004L

由表7可知，蛇形管的长度在1.004～1.018之间，平均值为1.013，与冷氦换热器试验配套的蛇形管长度1.01基本一致，认为冷氦换热器试验基本考核了额定工况下的性能试验，也可确定冷氦换热器的传热计算准确有效。

3 结 论

a）冷氦换热器的性能试验一次考核了5种流量工况下换热器的性能，试验结果表明冷氦换热器设计方案可行、传热论证合理，并根据试验结果对换热器的传热系数进行了修正，修正后的蛇形管长度为1.013，与试验配套蛇形管长度基本一致；

b）新一代运载火箭已完成二级动力系统试车及首飞，二级发动机冷氦换热器性能与设计参数协调一致，性能满足氧贮箱增压要求。

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Heat Transfer Design and Experimental Study of Cold Delium Heat Exchanger

Pang Hong-li, Pan Liang, Hu Jian-yong

(Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing, 100076)

In order to meet a rocket’s second stage engine oxygen tank pressurization requirements, a cold helium heat exchanger of coiled pipe has been designed on the second stage engine, and heat transfer is demonstrated for it. A set of the cold helium test system is constructed during the engine test and the cold helium heat transfer performance is tested. After the test, coefficient of heat transfer is corrected. It verified that the cold helium heat transfer calculation is reasonable and the corrected length of the coiled pipe is consistent with the test.

Rocket engine;Heat exchanger; Coiled pipe; Coefficient of heat transfer

1004-7182(2018)01-0054-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20180111

V43

A

2016-06-22；

2017-12-07

庞红丽（1982-），女，高级工程师，主要研究方向为液体火箭发动机总装设计