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264001）

大氣濕度對渦軸發(fā)動機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264001）

針對渦軸發(fā)動機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發(fā)動機進氣和燃氣熱力參數(shù)的作用，證明大氣濕度變化對發(fā)動機性能和工作特性有一定影響。利用相似第一定理，分析并計算了非標準狀態(tài)下，發(fā)動機地面試車時性能換算參數(shù)的濕度修正情況，結(jié)合計算機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)。工廠試車驗證表明，加入濕度修正方案后，對發(fā)動機健康狀況的評定更加客觀，更能反映發(fā)動機的真實性能狀態(tài)。

渦軸發(fā)動機；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)動機在工廠地面試車時性能常達不到出廠驗收標準。尤其在夏季，該型發(fā)動機試車時功率偏低現(xiàn)象普遍，對發(fā)動機出廠造成較大困擾。此時，按照工廠相關(guān)技術(shù)流程，通常采用試湊燃氣渦輪導(dǎo)向器和自由渦輪導(dǎo)向器喉道面積的方法，對發(fā)動機性能進行調(diào)整。但這一過程需多次分解、裝配發(fā)動機，消耗大量人力、物力，延長了發(fā)動機交付時間；且在調(diào)整前后試車大氣溫度相近、濕度相差較大時，調(diào)整后的發(fā)動機換算指標往往偏離預(yù)期值較大。

GJB359-1987［1］中給出了渦噴、渦扇發(fā)動機濕度修正規(guī)范，表明大氣濕度對發(fā)動機氣路熱力參數(shù)會產(chǎn)生一定影響，從而導(dǎo)致發(fā)動機性能與干空氣狀態(tài)時有所偏差。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)動機換算推力的濕度修正系數(shù)，范強等［3］也利用相似原理得出了大氣濕度對發(fā)動機換算轉(zhuǎn)速的影響關(guān)系。但該型發(fā)動機的試車大綱在將非標準狀態(tài)測量值換算為標準值時，假定發(fā)動機的進口空氣干燥，未考慮大氣濕度變化對發(fā)動機性能的影響。因此，定量探究大氣濕度對該型發(fā)動機地面試車性能的影響，對準確評估該型發(fā)動機的性能非常重要。

2　大氣濕度對發(fā)動機氣路熱物理性質(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)動機給定工作狀態(tài)下的排氣速度和單位推力增加，使得發(fā)動機推力（功率）增大；但另一方面，隨著空氣中含濕量的增加，空氣中助燃氣體比重下降，可等效為發(fā)動機的空氣流量減小，導(dǎo)致發(fā)動機推力（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)動機推力（功率）減?。?］。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，在壓氣機和渦輪相似工作情況下，發(fā)動機的平衡轉(zhuǎn)速也增大。同樣，由于濕空氣的熱容量較大，發(fā)動機的燃油消耗量和耗油率都增加。

2.1發(fā)動機進氣濕度的表示方法

我國幅員遼闊，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?。幌募緷穸容^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)動機進氣濕度更準確。

圖1　5城市大氣濕度月平均走勢圖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濕度對進氣熱物理性質(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［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式表示，其關(guān)系式參見文獻［4］。

2.3濕度對燃氣熱力參數(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，濕燃氣的氣體常數(shù)Rgh、比定壓熱容Cpgh、質(zhì)量定壓熱容γgh的計算方法為：

式中：Rg為燃氣的氣體常數(shù)，Cpg為燃氣的比定壓熱容。

3　大氣濕度對渦軸發(fā)動機換算參數(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)動機換算參數(shù)值與濕空氣條件下相應(yīng)換算值的比值。由發(fā)動機相似工作狀態(tài)的定義可知，發(fā)動機各界面上馬赫數(shù)和部件效率不變，各對應(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］。當發(fā)動機在相似工作狀態(tài)時，由于進氣濕度的變化空氣的熱物理性質(zhì)不同，使得發(fā)動機的性能參數(shù)絕對值變化，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統(tǒng)計分析法、高空臺架對比試驗分析法、變比熱的熱力循環(huán)計算法、相似分析法等4種方法。周期試驗統(tǒng)計分析法針對性強，結(jié)果有代表性，但周期長、花費大，且在自然條件下難以將濕度和溫度的影響分開。高空臺架對比試驗分析法可分別研究溫度或濕度的影響，但對試驗設(shè)備要求很高，費用昂貴，除專門的濕度研究試驗外，一般不采用這種方法來確定發(fā)動機的濕度修正系數(shù)。變比熱的熱力循環(huán)計算法通過考慮干、濕空氣為工質(zhì)的不同熱物理性質(zhì)的變化，對發(fā)動機進行熱力和特性的計算，所得結(jié)果較為準確，還可修正氣路內(nèi)壓強和溫度參數(shù)，但計算量大，且要求獲得該型發(fā)動機可靠的各部件特性線。相似分析法通用性強、應(yīng)用普遍、簡便易行，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)動機氣路中壓力、溫度等性能參數(shù)。

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

3.2渦軸發(fā)動機換算參數(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)動機采用的是軸流式壓氣機，由軸流壓氣機某直徑為D對應(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）換算進氣流量的濕度修正系數(shù)CHqma.c

由軸流壓氣機某直徑為D對應(yīng)截面的進口氣流軸向速度的馬赫數(shù)相等，即，及與Maa是線性對應(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)動機燃燒室的簡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)，分別為燃燒室進口和出口的總溫?？傻茫?/p>

（4）換算燃氣流量的濕度修正系數(shù)CHqmg.c

與換算進氣流量的濕度修正系數(shù)求法相似，取自由渦輪轉(zhuǎn)子進口氣流軸向速度的馬赫數(shù)相等，即，加之與Maa有單值對應(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式

可得：

（6）燃氣渦輪進口（出口）換算溫度的濕度修正系數(shù)CHT4t.c

由相似準則可知：

3.3發(fā)動機換算參數(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、濕燃氣的熱力計算，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)計點狀態(tài)下不同濕度濕燃氣的熱力性質(zhì)。通過計算機編程即可求出該型渦軸發(fā)動機各換算參數(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，當發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速不變時，隨著空氣中含濕量的增加，發(fā)動機的換算進氣流量增大，而發(fā)動機的換算轉(zhuǎn)速和換算功率逐漸下降。由于相似原因，燃氣渦輪前溫度與動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)動機工廠試車時，常面臨一次試車性能不合格問題。此時，通常采用試湊渦輪導(dǎo)向器面積和徑向擴壓器機械組合喉道面積等方法進行調(diào)節(jié)。而調(diào)節(jié)后試車時，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，特別是濕度遠大于第一次試車時，往往會造成燃氣渦輪前溫度能達到預(yù)期標準，但發(fā)動機輸出功率遠小于調(diào)節(jié)預(yù)期值。鑒于該型渦軸發(fā)動機試車臺測量記錄的環(huán)境參數(shù)為溫度和相對濕度，不能直接讀取環(huán)境大氣空氣含濕量，為更直觀表示發(fā)動機輸出功率與環(huán)境溫度和相對濕度的關(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)動機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　已知溫度和相對濕度時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　試驗結(jié)果與分析

為說明大氣濕度對該型發(fā)動機工廠試車的影響，選該型發(fā)動機A號機最大連續(xù)狀態(tài)進行兩次試驗。每次試驗前，僅對發(fā)動機進行清洗，其他部件特性與試車臺架設(shè)備均保持不變。表1為A號機兩次試車部分結(jié)果。其中，序號1、2為第一次試車結(jié)果，序號3為第二次試車結(jié)果；燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速、燃氣渦輪前溫度、軸功率、耗油率參數(shù)均以地面試車最低保證標準為基準歸一化得到，增壓比和換算空氣流量以發(fā)動機設(shè)計點數(shù)值為基準歸一化得出。

由第一次試車結(jié)果可得出，未加入濕度修正時，當燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速達到預(yù)定值，雖然燃氣渦輪前溫度和耗油率值均達標，但發(fā)動機輸出軸功率偏??；加入濕度修正后，當燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速達到預(yù)定值，燃氣渦輪前溫度、耗油率和軸功率均達到驗收值。第二次試車時，雖然環(huán)境溫度較高，但空氣含濕量較第一次試車時低；未加入濕度修正時，當燃氣渦輪轉(zhuǎn)速達到預(yù)定值，燃氣渦輪前溫度、耗油率、軸功率均達到驗收合格值。兩次試車說明，A號機在性能滿足發(fā)動機出廠驗收標準的情況下，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)動機換算空氣流量的原始值與濕度修正值的對比趨勢可得出，在壓氣機壓比不變的情況下，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)動機性能圖表中如圖4所示。

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

圖4　發(fā)動機性能圖表對比值Fig.4 Values comparison in engine performance chart

6　結(jié)論

（1）通過對某型渦軸發(fā)動機使用有代表性的5個城市全年大氣濕度變化的研究，并結(jié)合進氣濕度對發(fā)動機進氣熱物理性質(zhì)的影響，證明了對該型發(fā)動機進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)表達式，得到了渦軸發(fā)動機各換算參數(shù)的濕度修正系數(shù)曲線。

（3）工廠試車驗證表明，由于試車大綱未給出該型渦軸發(fā)動機的濕度修正系數(shù)，導(dǎo)致在高濕情況下該發(fā)動機臺架試車時輸出軸功率偏低，而進行濕度修正后，發(fā)動機輸出軸功率達到規(guī)定值，準確的反映出發(fā)動機的真實性能狀態(tài)。

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

［2］唐奇，甘在游，呂升林，等.某型發(fā)動機換算推力的濕度修正［J］.燃氣渦輪試驗與研究，2008，21（1）：51—53.

［3］范強，張金鋒.大氣濕度對發(fā)動機換算轉(zhuǎn)速的影響［J］.燃氣渦輪試驗與研究，2002，15（2）：17—19.

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

［6］鐘詩勝，崔智全，王體春，等.基于偏差值的航空發(fā)動機參數(shù)標準化修正模型［J］.航空動力學(xué)報，2012，27（11）：2592—2597.

［7］駱廣琦，桑增產(chǎn).航空燃氣渦輪發(fā)動機數(shù)值仿真［M］.北京：國防工業(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)動機測試與故障診斷。