大氣濕度對渦軸發動機地面試車性能的影響

張赟，林學森，李本威，王永華，孫濤

（海軍航空工程學院飛行器工程系，山東煙臺264001）

大氣濕度對渦軸發動機地面試車性能的影響

張赟，林學森，李本威，王永華，孫濤

（海軍航空工程學院飛行器工程系，山東煙臺264001）

針對渦軸發動機夏季工廠試車性能普遍不合格現象，通過研究大氣濕度對發動機進氣和燃氣熱力參數的作用，證明大氣濕度變化對發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下，發動機地面試車時性能換算參數的濕度修正情況，結合計算機編程得出不同濕度條件下各換算參數的濕度修正系數。工廠試車驗證表明，加入濕度修正方案后，對發動機健康狀況的評定更加客觀，更能反映發動機的真實性能狀態。

渦軸發動機；地面試車；濕度；性能；換算參數；濕度修正系數

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，該型發動機試車時功率偏低現象普遍，對發動機出廠造成較大困擾。此時，按照工廠相關技術流程，通常采用試湊燃氣渦輪導向器和自由渦輪導向器喉道面積的方法，對發動機性能進行調整。但這一過程需多次分解、裝配發動機，消耗大量人力、物力，延長了發動機交付時間；且在調整前后試車大氣溫度相近、濕度相差較大時，調整后的發動機換算指標往往偏離預期值較大。

GJB359-1987［1］中給出了渦噴、渦扇發動機濕度修正規范，表明大氣濕度對發動機氣路熱力參數會產生一定影響，從而導致發動機性能與干空氣狀態時有所偏差。為此，研究人員開展了大量的研究。如唐奇等［2］利用相似原理推導出了渦噴發動機換算推力的濕度修正系數，范強等［3］也利用相似原理得出了大氣濕度對發動機換算轉速的影響關系。但該型發動機的試車大綱在將非標準狀態測量值換算為標準值時，假定發動機的進口空氣干燥，未考慮大氣濕度變化對發動機性能的影響。因此，定量探究大氣濕度對該型發動機地面試車性能的影響，對準確評估該型發動機的性能非常重要。

2　大氣濕度對發動機氣路熱物理性質的影響

由于水蒸氣的氣體常數為461.5 J/（kg·K），大于干空氣的氣體常數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增大，發動機給定工作狀態下的排氣速度和單位推力增加，使得發動機推力（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，可等效為發動機的空氣流量減小，導致發動機推力（功率）減小。后者起主導作用，因此隨著空氣中含濕量的增加，發動機推力（功率）減小［5］。此外，因濕空氣的氣體常數大于干空氣的氣體常數，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，發動機的平衡轉速也增大。同樣，由于濕空氣的熱容量較大，發動機的燃油消耗量和耗油率都增加。

2.1發動機進氣濕度的表示方法

我國幅員遼闊，各地區濕度差異較大。整體上，東南地區濕度大，西北地區濕度小；夏季濕度較冬季的大。圖1為通過GTS1型數字探空儀采集的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量，mk為干空氣的質量，p0為試車環境中大氣壓力。

2.2濕度對進氣熱物理性質的影響

濕空氣的氣體常數Rh、比定壓熱容Cph、質量定壓熱容γh分別為：

式中：Rk、Rs分別為干空氣和水蒸氣的氣體常數，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，其關系式參見文獻［4］。

2.3濕度對燃氣熱力參數的影響

與濕空氣的氣體常數、比定壓熱容、質量定壓熱容相似，濕燃氣的氣體常數Rgh、比定壓熱容Cpgh、質量定壓熱容γgh的計算方法為：

式中：Rg為燃氣的氣體常數，Cpg為燃氣的比定壓熱容。

3　大氣濕度對渦軸發動機換算參數的影響

換算參數的濕度修正系數定義為，干空氣條件下（即d=0）發動機換算參數值與濕空氣條件下相應換算值的比值。由發動機相似工作狀態的定義可知，發動機各界面上馬赫數和部件效率不變，各對應界面上同名物理量的比值保持不變，即相似參數不變［5］。當發動機在相似工作狀態時，由于進氣濕度的變化空氣的熱物理性質不同，使得發動機的性能參數絕對值變化，但其相似參數仍近似保持不變［6］。因此，只要求出不同進氣環境下各相似參數值的比值，就可得出相應的濕度修正系數。

3.1濕度修正方法［7-8］

濕度修正方法主要有周期試驗統計分析法、高空臺架對比試驗分析法、變比熱的熱力循環計算法、相似分析法等4種方法。周期試驗統計分析法針對性強，結果有代表性，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動機的濕度修正系數。變比熱的熱力循環計算法通過考慮干、濕空氣為工質的不同熱物理性質的變化，對發動機進行熱力和特性的計算，所得結果較為準確，還可修正氣路內壓強和溫度參數，但計算量大，且要求獲得該型發動機可靠的各部件特性線。相似分析法通用性強、應用普遍、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方法一樣修正發動機氣路中壓力、溫度等性能參數。

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

3.2渦軸發動機換算參數濕度修正系數求解

（1）換算轉速的濕度修正系數CHng.c

該型渦軸發動機采用的是軸流式壓氣機，由軸流壓氣機某直徑為D對應截面的轉子葉尖處圓周速度的馬赫數相等，即，可得：

（2）換算進氣流量的濕度修正系數CHqma.c

由軸流壓氣機某直徑為D對應截面的進口氣流軸向速度的馬赫數相等，即，及與Maa是線性對應關系，可得：

（3）換算燃油流量的濕度修正系數CHqmf.c

該型渦軸發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，燃燒效率ηb也近似為常數，分別為燃燒室進口和出口的總溫。可得：

（4）換算燃氣流量的濕度修正系數CHqmg.c

與換算進氣流量的濕度修正系數求法相似，取自由渦輪轉子進口氣流軸向速度的馬赫數相等，即，加之與Maa有單值對應關系，即，求得：

（5）輸出軸換算功率的濕度修正系數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CHT4t.c

由相似準則可知：

3.3發動機換算參數的濕度修正

4　濕度修正曲線的繪制

由GJB359-1987［1］和《工程熱力學》［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和設計點狀態下不同濕度濕燃氣的熱力性質。通過計算機編程即可求出該型渦軸發動機各換算參數在不同濕度下的濕度修正系數，由此繪制成的曲線見圖2。可見，當發動機實際轉速不變時，隨著空氣中含濕量的增加，發動機的換算進氣流量增大，而發動機的換算轉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Fig.2 The humidity correction coefficient under different moisture content conditions

因該型發動機工廠試車時，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向器面積和徑向擴壓器機械組合喉道面積等方法進行調節。而調節后試車時，如果與調節前試車大氣環境溫度相近、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期標準，但發動機輸出功率遠小于調節預期值。鑒于該型渦軸發動機試車臺測量記錄的環境參數為溫度和相對濕度，不能直接讀取環境大氣空氣含濕量，為更直觀表示發動機輸出功率與環境溫度和相對濕度的關系，通過Matlab編程繪制可視化的換算功率與環境溫度和大氣相對濕度的濕度修正系數圖，見圖3。工程人員僅需將此圖按比例放大，即可快速查出發動機換算功率的濕度修正系數。同理，也可繪制換算空氣流量與換算轉速的濕度修正系數圖。

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

5　試驗結果與分析

為說明大氣濕度對該型發動機工廠試車的影響，選該型發動機A號機最大連續狀態進行兩次試驗。每次試驗前，僅對發動機進行清洗，其他部件特性與試車臺架設備均保持不變。表1為A號機兩次試車部分結果。其中，序號1、2為第一次試車結果，序號3為第二次試車結果；燃氣發生器轉速、燃氣渦輪前溫度、軸功率、耗油率參數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動機設計點數值為基準歸一化得出。

由第一次試車結果可得出，未加入濕度修正時，當燃氣發生器轉速達到預定值，雖然燃氣渦輪前溫度和耗油率值均達標，但發動機輸出軸功率偏小；加入濕度修正后，當燃氣發生器轉速達到預定值，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，當燃氣渦輪轉速達到預定值，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，導致功率偏低。

根據發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動機性能圖表中如圖4所示。

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

圖4　發動機性能圖表對比值Fig.4 Values comparison in engine performance chart

6　結論

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

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

［1］GJB 359-1987，渦噴、渦扇發動機性能的濕度修正規范［S］.

［2］唐奇，甘在游，呂升林，等.某型發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.大氣濕度對發動機換算轉速的影響［J］.燃氣渦輪試驗與研究，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.航空發動機原理［M］.西安：西北工業大學出版社，2006.

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

［7］駱廣琦，桑增產.航空燃氣渦輪發動機數值仿真［M］.北京：國防工業出版社，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［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，主要從事航空發動機測試與故障診斷。