航空發動機試車臺空氣霧化加濕系統設計與研究

何鵬, 田駿丹, 田震, 袁先圣

(中國航發湖南動力機械研究所, 株洲 412000)

在航空發動機檢驗試車時,通常需要將非標準大氣條件下的測量值換算成標準大氣條件下的性能值,從而對發動機性能進行評判。根據相似原理換算時一般假設發動機進口為完全干燥的空氣,實際上空氣中總含有不同含量的水蒸氣,而經驗表明當大氣中含濕量達到一定值時,由于進入發動機內的空氣熱物理性質發生較大變化進而影響了發動機的性能。因此常常出現夏天試車不合格的同一臺發動機,到了冬天試車性能就合格了;在干燥地區試車合格的發動機,在濕度較大地區試車時性能卻不合格了,從而影響了對發動機性能的準確評價[1]。

中外學者針對大氣濕度對航空發動機性能的影響開展了大量的研究。Samules等[2]對發動機性能采用相似分析法進行濕度修正;Fishbeyn等[3]則采用多項式擬合法進行濕度修正;張俊杰[4]對比分析了相似分析和多項式擬合兩種濕度修正算法的差異,得出了發動機濕度修正系數可用含濕量的線性函數表示的結論;黃浩等[5]提出一種基于神經網絡的渦軸發動機性能參數換算方法;武繼超等[6]研究了進氣濕度對氣體熱力學性質和部件特性相似規律的影響。可見,研究大氣濕度和發動機性能的影響關系有著非常重要的意義。但均未對設計加濕系統對航空發動機進口空氣進行加濕試驗研究。

為此,現對航空發動機試車臺空氣加濕系統工作原理和霧化加濕方法進行分析,重點研究霧化水滴直徑、加濕水流量、空氣溫度對空氣相對濕度的影響因素,完成航空發動機進氣加濕系統噴嘴選型和噴嘴布局,并在中國航發湖南動力機械研究所(簡稱“中國航發動研所”)航空發動機的整機試車臺進行了應用。

1 加濕原理和方法

空氣加濕常用的有等溫加濕方法和等晗加濕方法。等溫加濕方法利用電蒸汽鍋爐提供蒸汽源,經過干蒸汽加濕器處理后向空氣中提供完全干燥的水蒸氣,直接增加空氣中的水蒸氣含量改變空氣的相對濕度;等晗加濕方法采用高壓微霧加濕器或二元霧化噴嘴向空氣中噴射細微的液滴,細微的液滴在空氣中吸收熱量、汽化、蒸發,變成水蒸氣從而改變空氣的相對濕度[7-10]。

航空發動機試車臺最大空氣流量25 kg/s,進口溫度范圍-40～40 ℃,發動機進口空氣由試車臺氣源系統連續供給。大氣經過氣源系統壓縮機組壓縮、干燥、降溫處理后空氣中的水分含量極低,可近似認為相對濕度為0。25 kg/s空氣流量下,不同進氣溫度時空氣達到完全飽和時需要的加濕水流量如表1所示[11]。

表1 不同溫度下空氣完全飽和加濕水流量Table 1 Liquid content of saturated vapor at different air temperature

由表1可知,空氣溫度為40 ℃時,25 kg/s空氣流量下達到100%相對濕度時需要的加濕水流量為4 069 kg/h(1 130 g/s)。若采用蒸汽加濕方法,蒸汽鍋爐體積龐大,需要的電功率較大(接近3 000 kW),運行成本較高,因此中國航發動研所航空發動機試車臺采用霧化加濕方法對進口空氣進行加濕。

霧化加濕方法選用二元霧化噴嘴進行加濕,二元霧化噴嘴布置在發動機進口上游管道,距離發動機進口約為10 m。噴嘴將純水或軟化水霧化成細微的液滴后與管道內的空氣進行摻混,由于空氣相對濕度接近于0,液滴發生傳質過程,蒸發成水蒸氣最終與空氣一起被發動機吸入。因此在10 m的位移內,液滴需要充分蒸發成水蒸氣。液滴直徑越小,相同加濕水流量的條件下加濕得越快,但需要的二噴嘴數量越多,成本越高,安裝空間越大;反之,則需要的噴嘴數量越少。因此,研究液滴噴出后的運動過程以及傳質蒸發過程對于二元霧化噴嘴的選型和加濕系統的設計具有非常重要的意義。

2 霧化加濕計算方法

將液滴視為連續流體,采用歐拉方法描述氣液兩相耦合流動過程,為獲得簡化物理模型,對氣液兩相進行以下假設[12-14]。

(1)氣相為理想氣體,遵循理想氣體法則。

(2)液滴為球形,且由于液滴直徑較小,不考慮液滴之間相互作用。

(3)霧化的液滴初始直徑均勻一致。

(4)液滴內溫度均勻分布且忽略重力效應。

2.1 液滴運動計算方法

由牛頓第二定律,在直角坐標系中,水滴運動方程為

(1)

式(1)中:md為水滴質量;ad為水滴加速度;ρd為水滴密度;Ad為水滴迎風面積;Cd為水滴所受阻力;va為氣流速度;vd為水滴速度。

定義相對雷諾數Re,表達式為

(2)

式(2)中:d為水滴直徑;μ為空氣動力黏度。

阻力系數可根據Re進行計算,公式為

(3)

式(1)為常微分方程,可采用一階歐拉法對其進行數值積分求解。

2.2 液滴傳質計算方法

液滴傳質量計算公式[15]為

dm/dt=hmA(ρs-ρ)

(4)

式(4)中:dm/dt為單位時間內傳質量;hm為傳質系數;A液滴表面積;ρs為空氣中飽和水蒸氣密度;ρ為空氣中水蒸氣密度。

而傳質系數hm的計算公式[16]為

(5)

(6)

式中:Sh舍伍德數;Dv為水和空氣二元擴散系數;舍伍德數Sh計算公式為Sc施密特數。

3 計算結果分析

根據霧化加濕計算方法可知,影響空氣相對濕度的主要因素包括液滴速度、液滴直徑、水流量、空氣溫度、空氣速度(空氣流速為2.5 m/s)等。由于影響因素較多,選擇空氣溫度0 ℃、液滴速度5 m/s、液滴直徑30 μm、水流量336.9 kg/h(0 ℃飽和水蒸氣含量)作為基準研究不同參數對空氣相對濕度的影響因素。

3.1 液滴運動分析

不同水壓和氣壓條件下二元霧化噴嘴噴出的液滴初始速度也不同,假設液滴噴出后均為水平直線運動,選擇0.5、5、10、20 m/s4種不同初始速度進行了對比研究,4種不同初始速度下液滴速度與位移變化關系如圖1所示。

圖1 不同初速度下液滴速度隨位移變化曲線Fig.1 Droplet speed with displacement curves of different initial speed

由圖1可知,無論噴出時的初始速度如何,液滴噴出后即在極短的位移內(不到0.04 m)即被加速或減速至與空氣相同的速度。因此,液滴噴出后運動4 s達到發動機進口處,對發動機進口處的空氣濕度影響可忽略不計。

3.2 液滴傳質分析

3.2.1 液滴直徑影響分析

細微的液滴自二元霧化噴嘴噴出后,根據傳質計算公式[式(4)]可知,在相同的水流量條件下,液滴直徑越小,則霧化的液滴數量越多,累積表面積越大,則單位時間內的傳質量越大,空氣中的濕度增加得越快。理想情況下,二元霧化噴嘴噴出的水流量等于該溫度下空氣達到完全飽和時需要的水蒸氣含量,液滴在到達發動機進口處完成蒸發,避免多余的液滴殘留和累計,如0 ℃時噴嘴的水流量即按336.9 kg/h控制。

常用的二元霧化噴嘴噴出的液滴直徑可以控制在100 μm以內,在該范圍內選擇10、30、50、70、90 μm5種不同直徑液滴下空氣相對濕度與液滴位移的關系。不同液滴直徑下空氣相對濕度隨液滴位移的變化曲線以及液滴直徑變化曲線如圖2、圖3所示。

圖2 不同液滴直徑下空氣相對濕度隨位移變化曲線Fig.2 Relative humidity with displacement curves of different droplet diameter

圖3 液滴直徑隨位移變化曲線Fig.3 Curve of displacement variation with droplet diameters

由圖2、圖3可知,液滴直徑直接影響了空氣的加濕速度,10 μm的液滴噴出與空氣摻混運動0.68 m后直徑縮小為4.6 μm,空氣濕度即達到90%,運動1.0 m即可認為液滴完全蒸發,空氣濕度接近100%,而90 μm的液滴噴出與空氣摻混運動10 m后直徑縮小為74 μm,空氣濕度44%。空氣溫度0 ℃時,在水流量為飽和水蒸氣含量的條件下,30 μm直徑以下的液滴運動10 m后基本完全蒸發,而30 μm以上的液滴運動10 m只完成部分蒸發未達到空氣充分加濕的要求。

不同溫度下噴出飽和水蒸氣含量的液滴,空氣相對濕度達到95%時允許的最大液滴直徑如表2所示。

表2 95%空氣相對濕度最大液滴直徑Table 2 Maximum droplet diameter of 95% relative humidity

進一步分析可知,空氣溫度與允許的最大液滴直徑關系式為

Ta=0.018 1d2+1.351 3d+31

(7)

式(7)中:Ta為空氣溫度;d為液滴直徑。

3.2.2 水含量影響分析

隨著溫度的降低,空氣中的飽和水蒸氣含量越低,液滴的蒸發也越慢,達到完全蒸發時液滴的直徑也越小,空氣溫度低于-30 ℃,最大液滴直徑不超過10 μm,超出了二元霧化噴嘴的實際能力。因此低溫環境時,只能通過噴出過盈的液滴從而提高空氣的相對濕度。空氣溫度-10 ℃時,假設液滴直徑最大為55 μm,選擇飽和水蒸氣含量2、4、6、8、10 g/m35種不同液滴含量進行對比研究。不同液滴含量下空氣濕度與液滴位移變化曲線如圖4所示。

圖4 不同液滴含量下相對濕度隨位移變化曲線Fig.4 Relative humidity with displacement curves of different droplet content

由圖4可知,2 g/m3液滴含量時,發動機進口處空氣相對濕度為46.8%,隨著液滴含量的逐漸增加,空氣相對濕度也逐漸上升,但上升趨勢逐漸變緩,10 g/m3液滴含量時,發動機進口處空氣相對濕度達到95%以上,接近完全飽和,滿足使用要求。

4 加濕系統設計

根據計算結果分析,結合現有二元霧化噴嘴的實際性能,中國航發動研所航空發動機試車臺供氣加濕系統最終確定的設計指標如下:空氣流量:25 kg/s,空氣溫度:-40～40 ℃,液滴直徑:≤50 μm,最大加濕量:4 000 kg/h。

選擇斯普瑞公司B1/4J-SS+SU22型二元霧化噴嘴,該型噴嘴噴射角度20°,液滴直徑為10～50 μm,水流量為2.3～150 L/h,可以通過調節水壓和氣壓的相對值改變霧化的液滴直徑。不同空氣溫度下液滴直徑噴嘴參數選擇如表3所示。

表3 不同溫度空氣加濕參數Table 3 Humidification parameter of different air temperature

由表3可知,除-40 ℃和-30 ℃空氣溫度條件下,液滴直徑為9.6 μm,超過該溫度下允許的最大液滴直徑,因此需噴入過盈的水流量外增加濕度,其余狀態點均小于允許的最大液滴直徑,噴入飽和水蒸氣流量即可滿足要求。-40 ℃和-30 ℃需要的噴嘴數為16個,其余狀態點噴嘴數均在28個左右。為保留一定的裕量,最終加濕系統設計的噴嘴數量確定為32個,噴嘴在噴霧段內的布局如圖5所示。

圖5 噴霧段內噴嘴布局圖Fig.5 Layout of nozzles in spray section

噴霧段內徑1.2 m,共布置7排噴嘴,噴嘴間距為160 mm,-40 ℃和-30 ℃時開啟第2、4、6排共16個噴嘴進行加濕,其余狀態開啟第2～6排共28個噴嘴進行加濕。不同溫度下最終空氣相對濕度與位移變化曲線如圖6所示。

圖6 不同溫度下空氣相對濕度隨位移變化曲線Fig.6 Relative humidity with displacement curves of different air temperature

由圖6可知,在表3二元霧化噴嘴噴射參數條件下,所有空氣溫度時3 m位移均可達到80%以上濕度,6 m位移可達到90%以上濕度,在10 m位移發動機進口處可接近100%相對濕度,滿足航空發動機進口空氣加濕的要求。

5 結論

分析了空氣加濕原理和方法,采用了基于歐拉法的氣液兩相流動計算方法,研究了液滴參數對空氣濕度的影響,完成了某試車臺進氣加濕系統噴嘴選型和布局設計,并得出了如下結論。

(1)空氣相對濕度受液滴初始速度影響較小,液滴自噴嘴噴出后在極短的位移內即加速或減速至空氣的速度。

(2)空氣相對濕度受液滴直徑影響較大,在飽和水蒸氣加濕流量條件下,空氣溫度與液滴最大允許直徑呈拋物線關系。

(3)低溫環境時,可以通過噴射過盈的液滴含量達到增加空氣濕度的目的。

(4)28個SU22型二元霧化噴嘴可以滿足25 kg/s空氣流量加濕需求,通過開啟不同數量的噴嘴實現不同溫度進口空氣的加濕功能。