大氣濕度對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車性能的影響

張赟，林學(xué)森，李本威，王永華，孫濤

（海軍航空工程學(xué)院飛行器工程系，山東煙臺(tái)264001）

大氣濕度對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車性能的影響

張赟，林學(xué)森，李本威，王永華，孫濤

（海軍航空工程學(xué)院飛行器工程系，山東煙臺(tái)264001）

針對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)夏季工廠試車性能普遍不合格現(xiàn)象，通過研究大氣濕度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣和燃?xì)鉄崃?shù)的作用，證明大氣濕度變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和工作特性有一定影響。利用相似第一定理，分析并計(jì)算了非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車時(shí)性能換算參數(shù)的濕度修正情況，結(jié)合計(jì)算機(jī)編程得出不同濕度條件下各換算參數(shù)的濕度修正系數(shù)。工廠試車驗(yàn)證表明，加入濕度修正方案后，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀況的評(píng)定更加客觀，更能反映發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)性能狀態(tài)。

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)；地面試車；濕度；性能；換算參數(shù)；濕度修正系數(shù)

1　引言

在零件尺寸、部件性能及裝配公差等都合格的情況下，某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在工廠地面試車時(shí)性能常達(dá)不到出廠驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。尤其在夏季，該型發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)功率偏低現(xiàn)象普遍，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)出廠造成較大困擾。此時(shí)，按照工廠相關(guān)技術(shù)流程，通常采用試湊燃?xì)鉁u輪導(dǎo)向器和自由渦輪導(dǎo)向器喉道面積的方法，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行調(diào)整。但這一過程需多次分解、裝配發(fā)動(dòng)機(jī)，消耗大量人力、物力，延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)交付時(shí)間；且在調(diào)整前后試車大氣溫度相近、濕度相差較大時(shí)，調(diào)整后的發(fā)動(dòng)機(jī)換算指標(biāo)往往偏離預(yù)期值較大。

GJB359-1987［1］中給出了渦噴、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)濕度修正規(guī)范，表明大氣濕度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣路熱力參數(shù)會(huì)產(chǎn)生一定影響，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能與干空氣狀態(tài)時(shí)有所偏差。為此，研究人員開展了大量的研究。如唐奇等［2］利用相似原理推導(dǎo)出了渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)換算推力的濕度修正系數(shù)，范強(qiáng)等［3］也利用相似原理得出了大氣濕度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)換算轉(zhuǎn)速的影響關(guān)系。但該型發(fā)動(dòng)機(jī)的試車大綱在將非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)測(cè)量值換算為標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，假定發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口空氣干燥，未考慮大氣濕度變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。因此，定量探究大氣濕度對(duì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車性能的影響，對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估該型發(fā)動(dòng)機(jī)的性能非常重要。

2　大氣濕度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣路熱物理性質(zhì)的影響

由于水蒸氣的氣體常數(shù)為461.5 J/（kg·K），大于干空氣的氣體常數(shù)287.0 J/（kg·K）［4］，所以隨著空氣中含濕量的增加，一方面濕空氣的比熱容相應(yīng)增大，發(fā)動(dòng)機(jī)給定工作狀態(tài)下的排氣速度和單位推力增加，使得發(fā)動(dòng)機(jī)推力（功率）增大；但另一方面，隨著空氣中含濕量的增加，空氣中助燃?xì)怏w比重下降，可等效為發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量減小，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)推力（功率）減小。后者起主導(dǎo)作用，因此隨著空氣中含濕量的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)推力（功率）減小［5］。此外，因濕空氣的氣體常數(shù)大于干空氣的氣體常數(shù)，所以濕空氣中聲速也較高，在壓氣機(jī)和渦輪相似工作情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡轉(zhuǎn)速也增大。同樣，由于濕空氣的熱容量較大，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗量和耗油率都增加。

2.1發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣濕度的表示方法

我國(guó)幅員遼闊，各地區(qū)濕度差異較大。整體上，東南地區(qū)濕度大，西北地區(qū)濕度小；夏季濕度較冬季的大。圖1為通過GTS1型數(shù)字探空儀采集的5城市近五年溫度換算得出的月平均濕度值。可見，就相對(duì)濕度φ而言，青島、哈爾濱、常州的月平均差異不大；但由于各城市月平均氣溫相差較大，其空氣中的水蒸氣含量有一定差別。因此，選用含濕量d表示發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣濕度更準(zhǔn)確。

圖1　5城市大氣濕度月平均走勢(shì)圖Fig.1　Charts of monthly mean atmospheric humidity in 5 cities

φ和d的關(guān)系為：

式中：ρs、ps分別為一定溫度下水蒸氣的密度和水蒸氣在濕空氣中的分壓，ρsmax、psmax分別為一定溫度下飽和濕空氣中水蒸氣的密度和分壓，ms為濕空氣中水蒸氣的質(zhì)量，mk為干空氣的質(zhì)量，p0為試車環(huán)境中大氣壓力。

2.2濕度對(duì)進(jìn)氣熱物理性質(zhì)的影響

濕空氣的氣體常數(shù)Rh、比定壓熱容Cph、質(zhì)量定壓熱容γh分別為：

式中：Rk、Rs分別為干空氣和水蒸氣的氣體常數(shù)，Cpk、Cps分別為干空氣與水蒸氣的定壓比熱。由文獻(xiàn)［4］可知，Rk=287.0 J/（kg·K），Rs=461.5 J/（kg·K），干空氣、水蒸氣的比定壓熱容和質(zhì)量定壓熱容隨溫度變化，通常比定壓熱容可由溫度的高階多項(xiàng)式表示，其關(guān)系式參見文獻(xiàn)［4］。

2.3濕度對(duì)燃?xì)鉄崃?shù)的影響

與濕空氣的氣體常數(shù)、比定壓熱容、質(zhì)量定壓熱容相似，濕燃?xì)獾臍怏w常數(shù)Rgh、比定壓熱容Cpgh、質(zhì)量定壓熱容γgh的計(jì)算方法為：

式中：Rg為燃?xì)獾臍怏w常數(shù)，Cpg為燃?xì)獾谋榷▔簾崛荨?/p>

3　大氣濕度對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)換算參數(shù)的影響

換算參數(shù)的濕度修正系數(shù)定義為，干空氣條件下（即d=0）發(fā)動(dòng)機(jī)換算參數(shù)值與濕空氣條件下相應(yīng)換算值的比值。由發(fā)動(dòng)機(jī)相似工作狀態(tài)的定義可知，發(fā)動(dòng)機(jī)各界面上馬赫數(shù)和部件效率不變，各對(duì)應(yīng)界面上同名物理量的比值保持不變，即相似參數(shù)不變［5］。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在相似工作狀態(tài)時(shí)，由于進(jìn)氣濕度的變化空氣的熱物理性質(zhì)不同，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)絕對(duì)值變化，但其相似參數(shù)仍近似保持不變［6］。因此，只要求出不同進(jìn)氣環(huán)境下各相似參數(shù)值的比值，就可得出相應(yīng)的濕度修正系數(shù)。

3.1濕度修正方法［7-8］

濕度修正方法主要有周期試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析法、高空臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)分析法、變比熱的熱力循環(huán)計(jì)算法、相似分析法等4種方法。周期試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析法針對(duì)性強(qiáng)，結(jié)果有代表性，但周期長(zhǎng)、花費(fèi)大，且在自然條件下難以將濕度和溫度的影響分開。高空臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)分析法可分別研究溫度或濕度的影響，但對(duì)試驗(yàn)設(shè)備要求很高，費(fèi)用昂貴，除專門的濕度研究試驗(yàn)外，一般不采用這種方法來確定發(fā)動(dòng)機(jī)的濕度修正系數(shù)。變比熱的熱力循環(huán)計(jì)算法通過考慮干、濕空氣為工質(zhì)的不同熱物理性質(zhì)的變化，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行熱力和特性的計(jì)算，所得結(jié)果較為準(zhǔn)確，還可修正氣路內(nèi)壓強(qiáng)和溫度參數(shù)，但計(jì)算量大，且要求獲得該型發(fā)動(dòng)機(jī)可靠的各部件特性線。相似分析法通用性強(qiáng)、應(yīng)用普遍、簡(jiǎn)便易行，精度基本能滿足工程要求，但不足之處在于不能像變比熱的熱力循環(huán)方法一樣修正發(fā)動(dòng)機(jī)氣路中壓力、溫度等性能參數(shù)。

通過對(duì)4種濕度修正方法的比較，從該型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)工廠試車實(shí)際出發(fā)，并結(jié)合現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)模型，決定采用相似分析法與變比熱的熱力循環(huán)計(jì)算相結(jié)合的方法，確定該型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)各換算參數(shù)的濕度修正系數(shù)。

3.2渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)換算參數(shù)濕度修正系數(shù)求解

（1）換算轉(zhuǎn)速的濕度修正系數(shù)CHng.c

該型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是軸流式壓氣機(jī)，由軸流壓氣機(jī)某直徑為D對(duì)應(yīng)截面的轉(zhuǎn)子葉尖處圓周速度的馬赫數(shù)相等，即，可得：

（2）換算進(jìn)氣流量的濕度修正系數(shù)CHqma.c

由軸流壓氣機(jī)某直徑為D對(duì)應(yīng)截面的進(jìn)口氣流軸向速度的馬赫數(shù)相等，即，及與Maa是線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，可得：

（3）換算燃油流量的濕度修正系數(shù)CHqmf.c

該型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的簡(jiǎn)化能量平衡方程可表示為:

燃油低熱值Hu為常數(shù)，燃燒效率ηb也近似為常數(shù)，分別為燃燒室進(jìn)口和出口的總溫。可得：

（4）換算燃?xì)饬髁康臐穸刃拚禂?shù)CHqmg.c

與換算進(jìn)氣流量的濕度修正系數(shù)求法相似，取自由渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)口氣流軸向速度的馬赫數(shù)相等，即，加之與Maa有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，即，求得：

（5）輸出軸換算功率的濕度修正系數(shù)CHPsd.c

由輸出軸功率的表達(dá)式

可得：

（6）燃?xì)鉁u輪進(jìn)口（出口）換算溫度的濕度修正系數(shù)CHT4t.c

由相似準(zhǔn)則可知：

3.3發(fā)動(dòng)機(jī)換算參數(shù)的濕度修正

4　濕度修正曲線的繪制

由GJB359-1987［1］和《工程熱力學(xué)》［9］中濕空氣、濕燃?xì)獾臒崃τ?jì)算，可得出T0=288.15 K、p0=101 325 Pa條件下濕空氣的熱力參數(shù)和設(shè)計(jì)點(diǎn)狀態(tài)下不同濕度濕燃?xì)獾臒崃π再|(zhì)。通過計(jì)算機(jī)編程即可求出該型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)各換算參數(shù)在不同濕度下的濕度修正系數(shù)，由此繪制成的曲線見圖2。可見，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著空氣中含濕量的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的換算進(jìn)氣流量增大，而發(fā)動(dòng)機(jī)的換算轉(zhuǎn)速和換算功率逐漸下降。由于相似原因，燃?xì)鉁u輪前溫度與動(dòng)力渦輪前溫度不隨空氣中含濕量的增大而變化。此外，由于換算燃油流量的變化趨勢(shì)和幅度與換算功率的基本一致，誤差小于1%，因此其濕度修正系數(shù)曲線用換算功率的濕度修正曲線代表。

圖2　不同含濕量下的濕度修正系數(shù)Fig.2 The humidity correction coefficient under different moisture content conditions

因該型發(fā)動(dòng)機(jī)工廠試車時(shí)，常面臨一次試車性能不合格問題。此時(shí)，通常采用試湊渦輪導(dǎo)向器面積和徑向擴(kuò)壓器機(jī)械組合喉道面積等方法進(jìn)行調(diào)節(jié)。而調(diào)節(jié)后試車時(shí)，如果與調(diào)節(jié)前試車大氣環(huán)境溫度相近、濕度相差較大，特別是濕度遠(yuǎn)大于第一次試車時(shí)，往往會(huì)造成燃?xì)鉁u輪前溫度能達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，但發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率遠(yuǎn)小于調(diào)節(jié)預(yù)期值。鑒于該型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)測(cè)量記錄的環(huán)境參數(shù)為溫度和相對(duì)濕度，不能直接讀取環(huán)境大氣空氣含濕量，為更直觀表示發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率與環(huán)境溫度和相對(duì)濕度的關(guān)系，通過Matlab編程繪制可視化的換算功率與環(huán)境溫度和大氣相對(duì)濕度的濕度修正系數(shù)圖，見圖3。工程人員僅需將此圖按比例放大，即可快速查出發(fā)動(dòng)機(jī)換算功率的濕度修正系數(shù)。同理，也可繪制換算空氣流量與換算轉(zhuǎn)速的濕度修正系數(shù)圖。

圖3　已知溫度和相對(duì)濕度時(shí)的換算功率濕度修正系數(shù)Fig.3 The power conversion humidity correction coefficient with known temperature and relative humidity

5　試驗(yàn)結(jié)果與分析

為說明大氣濕度對(duì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)工廠試車的影響，選該型發(fā)動(dòng)機(jī)A號(hào)機(jī)最大連續(xù)狀態(tài)進(jìn)行兩次試驗(yàn)。每次試驗(yàn)前，僅對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行清洗，其他部件特性與試車臺(tái)架設(shè)備均保持不變。表1為A號(hào)機(jī)兩次試車部分結(jié)果。其中，序號(hào)1、2為第一次試車結(jié)果，序號(hào)3為第二次試車結(jié)果；燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速、燃?xì)鉁u輪前溫度、軸功率、耗油率參數(shù)均以地面試車最低保證標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)歸一化得到，增壓比和換算空氣流量以發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)數(shù)值為基準(zhǔn)歸一化得出。

由第一次試車結(jié)果可得出，未加入濕度修正時(shí)，當(dāng)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定值，雖然燃?xì)鉁u輪前溫度和耗油率值均達(dá)標(biāo)，但發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸功率偏小；加入濕度修正后，當(dāng)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定值，燃?xì)鉁u輪前溫度、耗油率和軸功率均達(dá)到驗(yàn)收值。第二次試車時(shí)，雖然環(huán)境溫度較高，但空氣含濕量較第一次試車時(shí)低；未加入濕度修正時(shí)，當(dāng)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定值，燃?xì)鉁u輪前溫度、耗油率、軸功率均達(dá)到驗(yàn)收合格值。兩次試車說明，A號(hào)機(jī)在性能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)出廠驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的情況下，由于大氣濕度高、試車程序未加入濕度修正，導(dǎo)致功率偏低。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)換算空氣流量的原始值與濕度修正值的對(duì)比趨勢(shì)可得出，在壓氣機(jī)壓比不變的情況下，加入濕度修正后的換算空氣流量更大，這反映在工廠試車的發(fā)動(dòng)機(jī)性能圖表中如圖4所示。

工廠試車時(shí)，通常根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能點(diǎn)能否進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)性能圖表中的三角區(qū)，來判斷其整機(jī)性能是否合格。由圖4可看出，濕度修正后，發(fā)動(dòng)機(jī)性能點(diǎn)右移，表示發(fā)動(dòng)機(jī)性能趨于穩(wěn)定。當(dāng)空氣含濕量高時(shí)，如果修正前發(fā)動(dòng)機(jī)性能點(diǎn)在三角區(qū)外靠近三角區(qū)邊界，濕度修正后發(fā)動(dòng)機(jī)性能點(diǎn)落入三角區(qū)的可能性較大，即發(fā)動(dòng)機(jī)性能合格可能性大。

圖4　發(fā)動(dòng)機(jī)性能圖表對(duì)比值Fig.4 Values comparison in engine performance chart

6　結(jié)論

（1）通過對(duì)某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)使用有代表性的5個(gè)城市全年大氣濕度變化的研究，并結(jié)合進(jìn)氣濕度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣熱物理性質(zhì)的影響，證明了對(duì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行濕度修正的必要性。

（2）參照GJB359-1987，利用相似分析法，給出了換算轉(zhuǎn)速、換算進(jìn)氣流量、換算輸出軸功率、換算耗油率和換算渦輪前溫度等換算參數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，得到了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)各換算參數(shù)的濕度修正系數(shù)曲線。

（3）工廠試車驗(yàn)證表明，由于試車大綱未給出該型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的濕度修正系數(shù)，導(dǎo)致在高濕情況下該發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試車時(shí)輸出軸功率偏低，而進(jìn)行濕度修正后，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸功率達(dá)到規(guī)定值，準(zhǔn)確的反映出發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)性能狀態(tài)。

［1］GJB 359-1987，渦噴、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)性能的濕度修正規(guī)范［S］.

［2］唐奇，甘在游，呂升林，等.某型發(fā)動(dòng)機(jī)換算推力的濕度修正［J］.燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2008，21（1）：51—53.

［3］范強(qiáng)，張金鋒.大氣濕度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)換算轉(zhuǎn)速的影響［J］.燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2002，15（2）：17—19.

［4］Sonntag R E，Gordon C B，Wylen J V.Fundamentals of thermodynamics［M］.New York：John Wiley&Sons Inc.，2003.

［5］廉筱純，吳虎.航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

［6］鐘詩(shī)勝，崔智全，王體春，等.基于偏差值的航空發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化修正模型［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2012，27（11）：2592—2597.

［7］駱廣琦，桑增產(chǎn).航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

［8］Bird J，Grabe W.Humidity effects on gas turbine performance［R］.ASME 91-GT-329，1991.

［9］沈維道，童鈞耕.工程熱力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2007.

Effects of atmospheric humidity on turboshaft engine performance in ground test

ZHANG Yun，LIN Xue-sen，LI Ben-wei，WANG Yong-hua，SUN Tao
（Department of Airborne Vehicle Engineering，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China）

A type of turboshaft engine performance test is often unqualified especially in summer.Through studying the influence of atmospheric humidity on properties of gas,it was proved that the change of atmospheric humidity had some impacts on the performance and working properties of engine.By means of the similarity theorem,the correction factors of the engine off-design performance parameters in ground test were calculated and analyzed.And the humidity correction coefficient under different humidity conditions could be obtained by computer programming.By the examination of commissioning in the factory,it is proved that after adding humidity correction scheme,engine health assessment became more objective,and the engine performance can be presented more authentically.

turboshaft engine；ground test；humidity；performance；corrected parameters；humidity correction coefficient

V231.1+1；V263.4

A

1672-2620（2016）03-0011-05

2015-08-11；

2016-06-01

張赟（1983-），男，江西吉安人，講師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試與故障診斷。