空氣濕度對壓氣機(jī)性能的影響

吳文彭，胡勝波，王歡樂，程國強(qiáng)，王建，李建華

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

空氣濕度對壓氣機(jī)性能的影響

吳文彭，胡勝波，王歡樂，程國強(qiáng)，王建，李建華

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

文章通過分析濕度對濕空氣物性的改變，研究了空氣濕度對壓氣機(jī)試驗(yàn)的流量測量、折算轉(zhuǎn)速、折算流量、多變效率以及等熵效率等性能的影響。與公開文獻(xiàn)資料的壓氣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，文章計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果較為接近，證明了其具備工程應(yīng)用的可靠性，有益于提高壓氣機(jī)試驗(yàn)分析的準(zhǔn)確性。

壓氣機(jī)，空氣濕度，性能

1 背景

在開展某型號壓氣機(jī)試驗(yàn)過程中，當(dāng)大氣環(huán)境為雨后濕度較大時(shí)，發(fā)現(xiàn)在線分析系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果與濕度較低的干燥大氣環(huán)境相比有所偏移，且防喘抽氣能夠觀察到明顯的白色水霧。因此，在試驗(yàn)結(jié)果的后處理分析時(shí)，必須進(jìn)行濕度修正。

研究表明，濕空氣對壓氣機(jī)性能影響的原因是水蒸汽對分子量（即氣體常數(shù)）的影響以及對比熱比的影響。壓氣機(jī)試驗(yàn)時(shí)，通常測量其運(yùn)行環(huán)境空氣濕度，但相對濕度會隨著氣流的加速而增大，并且可能發(fā)生凝結(jié)。由于凝結(jié)可能損壞葉片而對壓氣機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此，需要避免凝結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生。

因此，需要開展研究，以分析濕度對壓氣機(jī)性能的影響，同時(shí)能夠在壓氣機(jī)試驗(yàn)以及以后的運(yùn)行過程中，避免濕空氣凝結(jié)的發(fā)生。

2 濕空氣特性參數(shù)計(jì)算

2.1 氣體常數(shù)

濕空氣的氣體常數(shù)計(jì)算公式[1]如式（1）所示:

式（1）中:war為絕對濕度（水與干空氣的質(zhì)量之比），Rair=287.05 J/（kg·K），RWV=461.52 J/（kg·K）。

2.2 定壓比熱

水蒸汽與干空氣的定壓比熱都主要由溫度決定（NIST RefProp[2]的數(shù)據(jù)顯示壓力對水蒸汽有較小的影響，此處不加以考慮）。從參考文獻(xiàn)[3]的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可得到計(jì)算濕空氣定壓比熱的8次多項(xiàng)式，見式（2）:

式（2）中:

Cpair=∑ai（T/1 000）i，ΔCpWV=∑bi（T/1 000）i，ai和bi隨i變化的值如表1所示。

表1 計(jì)算定壓比熱的多項(xiàng)式系數(shù)

隨之，可計(jì)算得到定容比熱Cv=Cp-R；比熱比γ=Cp/（Cp-R）。

2.3 濕度對空氣參數(shù)的影響

通過第2.2章節(jié)可以計(jì)算出濕度對空氣參數(shù)的影響，圖1、圖2顯示了在溫度200 K～1 000 K范圍內(nèi)，定壓比熱Cp和比熱比γ隨濕度的變化（1%～4%）。結(jié)果與參考文獻(xiàn)[2]較為相符。

圖1 空氣濕度對定壓比熱的影響

從圖1中可以看出，在一定溫度下，Cp隨濕度增加而增大；不同溫度下，Cp隨濕度的變化幅值大致相同；相同濕度下，Cp隨溫度的提高而增大。

圖2 空氣濕度對比熱比的影響

從圖2可以看出，在一定溫度下，γ隨濕度增加而減小；不同溫度下，γ隨濕度的變化幅值大致相同；相同濕度下，γ隨溫度的提高而減小。

2.4 絕對濕度計(jì)算

氣體常數(shù)、定壓比熱的計(jì)算需要使用絕對濕度，但測量的濕度通常是相對濕度，因此需要通過相對濕度、大氣溫度、大氣壓力計(jì)算空氣的絕對濕度。

相對濕度計(jì)算公式見式（3）:

式（3）中:PsWV是濕空氣中水蒸汽的分壓力，Pssat是相同溫度下的水蒸汽的凝結(jié)壓力。通過對參考文獻(xiàn)[4]中提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算，可得到不同溫度條件下的水蒸汽凝結(jié)壓力Pssat，如圖3所示，進(jìn)而計(jì)算出空氣分壓力以及絕對濕度，見式（4）、式（5）。

圖3 不同溫度下的水蒸汽凝結(jié)壓力

3 空氣濕度對壓氣機(jī)性能的典型影響

大氣濕度改變了空氣的物性，從而影響了壓氣機(jī)試驗(yàn)時(shí)測量的流量、折算轉(zhuǎn)速以及效率水平。同時(shí)，隨著氣流加速，濕空氣可能飽和而發(fā)生凝結(jié)，需要預(yù)測并避免。

3.1 壓氣機(jī)試驗(yàn)時(shí)相對濕度的變化

[1]中所述，空氣濕度受到水蒸汽凝結(jié)壓力的限制，而水蒸汽的凝結(jié)壓力又主要取決于大氣溫度。如果空氣中的水蒸汽分壓力超過了凝結(jié)壓力，將發(fā)生水蒸汽凝結(jié)。通過公式（3）～（5），設(shè)置相對濕度RH=1，可計(jì)算得到任何大氣溫度與壓力下的平衡空氣的最大絕對濕度（war）。

當(dāng)濕空氣在壓氣機(jī)上游加速時(shí)，總溫總壓保持不變，但靜壓與靜溫減小，水蒸汽的靜溫與靜壓也相應(yīng)地減小:靜溫等同于濕空氣的靜溫；而靜壓與濕空氣靜壓的比值不變，因?yàn)榻^對濕度未變。但是，由于凝結(jié)壓力減少的速度快于分壓力，所以相對濕度增加。如果相對濕度達(dá)到1，氣流達(dá)到飽和，進(jìn)一步加速將會發(fā)生凝結(jié)。大氣的相對濕度與達(dá)到飽和所需馬赫數(shù)（大氣壓力為101.3 kPa，幾乎與大氣壓力無關(guān)）之間的關(guān)系如圖4所示。例如，大氣溫度為0℃，相對濕度為50%時(shí)，當(dāng)加速到馬赫數(shù)為0.45，達(dá)到飽和狀態(tài)。需要注意的是，圖4中對凝結(jié)的預(yù)測略微理想化，實(shí)際上凝結(jié)出現(xiàn)在稍高的馬赫數(shù)狀態(tài)（超飽和狀態(tài)）。

圖4 不同溫度空氣濕度與達(dá)到飽和的馬赫數(shù)關(guān)系

3.2 對流量測量的影響

壓氣機(jī)試驗(yàn)時(shí)流量的計(jì)算通常使用一維測量參數(shù):總溫（Tt）、總壓（Pt）、靜壓（Ps）、流量管喉部面積（A），以及二維修正系數(shù):流量管喉部面積的流量系數(shù)（Cd）計(jì)算得到。計(jì)算公式見式（6）:

其中:馬赫數(shù)可由公式（7）計(jì)算得到:

由公式可知，流量的計(jì)算將受到因空氣濕度而變化的R和γ值的影響。

如果不考慮空氣濕度的影響，而假設(shè)為干空氣γ=1.4，則流量計(jì)算結(jié)果會出現(xiàn)偏差。不同馬赫數(shù)下忽略濕度時(shí)的流量計(jì)算誤差如圖5所示。

圖5 不同馬赫數(shù)下忽略濕度時(shí)的流量計(jì)算誤差

3.3 對折算參數(shù)的影響

因濕度而變化的氣體常數(shù)（R）以及比熱比（γ）會影響壓氣機(jī)的折算參數(shù)。

保證相似性（折算轉(zhuǎn)速相同）的情況下，考慮空氣濕度與假設(shè)為干空氣時(shí)的機(jī)械轉(zhuǎn)速的比值如圖6所示。可以看出，濕空氣條件下需要略高的機(jī)械轉(zhuǎn)速，因?yàn)闈窨諝庀碌囊羲俦雀煽諝庀碌囊羲俅蟆?/p>

圖6 濕度對折算轉(zhuǎn)速的影響

空氣濕度對折算流量的影響如圖7所示。

圖7 濕度對折算流量的影響

與假設(shè)干空氣時(shí)相比，考慮濕度時(shí)計(jì)算的折算流量值有所增加，幾乎抵消了濕度對流量測量的誤差（見3.2章節(jié)）。

3.4 對壓氣機(jī)效率的影響

壓氣機(jī)的效率由壓氣機(jī)進(jìn)、排氣的總溫總壓計(jì)算得到。假設(shè)ISA進(jìn)氣條件，同時(shí)設(shè)定出氣溫度為干空氣多變效率90%時(shí)的溫度，計(jì)算了一系列壓比和絕對濕度條件下，濕度對效率的影響。

使用濕空氣特性計(jì)算的多變效率與干空氣的差異如圖8所示。

圖8 濕度對多變效率的影響

可以看出，使用干空氣特性計(jì)算多變效率水平偏高。對效率的影響在數(shù)值上略小于絕對濕度的1/4:例如，絕對濕度為1%時(shí)，如果使用干空氣特性計(jì)算，效率偏高0.25%。空氣濕度對等熵效率的影響如圖9所示，與多變效率類似，但不完全等同。

圖9 濕度對等熵效率的影響

4 結(jié)論

本文研究了空氣濕度對壓氣機(jī)性能的影響。

參考文獻(xiàn)[1]提供的濕空氣特性，可替代干空氣特性用于現(xiàn)有的壓氣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析。此方法可用于預(yù)估凝結(jié)的發(fā)生，但應(yīng)該避免凝結(jié)的發(fā)生，因?yàn)槟Y(jié)對壓氣機(jī)的性能具有重大的影響，且難以評估。

通過假設(shè)分別使用干空氣和濕空氣特性計(jì)算典型試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較，分析了空氣濕度對壓氣機(jī)性能的影響。絕對濕度是關(guān)鍵參數(shù)。在ISA條件下，絕對濕度小于1%，盡管相對濕度能夠達(dá)到100%，但在高溫下絕對濕度會更高。典型地，當(dāng)絕對濕度為1%時(shí)，與干空氣相比，計(jì)算流量減小0.3%、多變效率減小0.25%。此外，相比干空氣條件，當(dāng)空氣絕對濕度為1%時(shí)，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速需要增加0.25%。

參考文獻(xiàn)

[1]Keith,R.G.&J.Bird,etc.Recommended Practices for the Assessment of the Effects of Atmospheric Water Ingestion on the Performance and Operability of Gas Turbine Engines[R]. Canada：Canada Communication Group,1995：pp.69-71.

[2]Eric,W.L.&L.Huber,etc.NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties-REFPROP[Z].America：U. S.Department of Commerce,2013：pp.10-12.

[3]Fielding,D&Topps J.E.C.Thermodynamic Data for the CalculationofGasTurbinePerformance[R].London：Her Majesty's Stationary Office,1959：pp.17-20.

[4]Kaye,G.W.C&T.H.Laby.Tables of Physical and Chemical Constants and Some Mathematical Functions[M].America：Kessinger,1959：pp.116-125.

Effect of Air Humidity on Compressor Performance

Wu Wenpeng，Hu Shengbo，Wang Huanle，Cheng Guoqiang，Wang Jian，Li Jianhua

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

The effects of air humidity on flow measurement,corrected speed,corrected flow,polytropic and isentropic efficiency of the compressor test are investigated by analyzing the effect of humidity on the properties of moist air.The calculation results of this paper are close to the compressor test data in published literatures,which prove the reliability of the engineering application.The methods benefit the accuracy of the compressor experimental research.

compressor,air humidity,performance

TK474

A

1674-9987（2017）02-0004-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.02.002

四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（計(jì)劃編號:2016GZ0001）

吳文彭（1985-），男，碩士研究生在讀，工程師，2006年本科畢業(yè)于清華大學(xué)熱能專業(yè)，現(xiàn)在東方汽輪機(jī)有限公司從事壓氣機(jī)氣動設(shè)計(jì)工作。