大气湿度对涡轴发动机地面试车性能的影响

张赟，林学森，李本威，王永华，孙涛

（海军航空工程学院飞行器工程系，山东烟台264001）

大气湿度对涡轴发动机地面试车性能的影响

张赟，林学森，李本威，王永华，孙涛

（海军航空工程学院飞行器工程系，山东烟台264001）

针对涡轴发动机夏季工厂试车性能普遍不合格现象，通过研究大气湿度对发动机进气和燃气热力参数的作用，证明大气湿度变化对发动机性能和工作特性有一定影响。利用相似第一定理，分析并计算了非标准状态下，发动机地面试车时性能换算参数的湿度修正情况，结合计算机编程得出不同湿度条件下各换算参数的湿度修正系数。工厂试车验证表明，加入湿度修正方案后，对发动机健康状况的评定更加客观，更能反映发动机的真实性能状态。

涡轴发动机；地面试车；湿度；性能；换算参数；湿度修正系数

1　引言

在零件尺寸、部件性能及装配公差等都合格的情况下，某型涡轴发动机在工厂地面试车时性能常达不到出厂验收标准。尤其在夏季，该型发动机试车时功率偏低现象普遍，对发动机出厂造成较大困扰。此时，按照工厂相关技术流程，通常采用试凑燃气涡轮导向器和自由涡轮导向器喉道面积的方法，对发动机性能进行调整。但这一过程需多次分解、装配发动机，消耗大量人力、物力，延长了发动机交付时间；且在调整前后试车大气温度相近、湿度相差较大时，调整后的发动机换算指标往往偏离预期值较大。

GJB359-1987［1］中给出了涡喷、涡扇发动机湿度修正规范，表明大气湿度对发动机气路热力参数会产生一定影响，从而导致发动机性能与干空气状态时有所偏差。为此，研究人员开展了大量的研究。如唐奇等［2］利用相似原理推导出了涡喷发动机换算推力的湿度修正系数，范强等［3］也利用相似原理得出了大气湿度对发动机换算转速的影响关系。但该型发动机的试车大纲在将非标准状态测量值换算为标准值时，假定发动机的进口空气干燥，未考虑大气湿度变化对发动机性能的影响。因此，定量探究大气湿度对该型发动机地面试车性能的影响，对准确评估该型发动机的性能非常重要。

2　大气湿度对发动机气路热物理性质的影响

由于水蒸气的气体常数为461.5 J/（kg·K），大于干空气的气体常数287.0 J/（kg·K）［4］，所以随着空气中含湿量的增加，一方面湿空气的比热容相应增大，发动机给定工作状态下的排气速度和单位推力增加，使得发动机推力（功率）增大；但另一方面，随着空气中含湿量的增加，空气中助燃气体比重下降，可等效为发动机的空气流量减小，导致发动机推力（功率）减小。后者起主导作用，因此随着空气中含湿量的增加，发动机推力（功率）减小［5］。此外，因湿空气的气体常数大于干空气的气体常数，所以湿空气中声速也较高，在压气机和涡轮相似工作情况下，发动机的平衡转速也增大。同样，由于湿空气的热容量较大，发动机的燃油消耗量和耗油率都增加。

2.1发动机进气湿度的表示方法

我国幅员辽阔，各地区湿度差异较大。整体上，东南地区湿度大，西北地区湿度小；夏季湿度较冬季的大。图1为通过GTS1型数字探空仪采集的5城市近五年温度换算得出的月平均湿度值。可见，就相对湿度φ而言，青岛、哈尔滨、常州的月平均差异不大；但由于各城市月平均气温相差较大，其空气中的水蒸气含量有一定差别。因此，选用含湿量d表示发动机进气湿度更准确。

图1　5城市大气湿度月平均走势图Fig.1　Charts of monthly mean atmospheric humidity in 5 cities

φ和d的关系为：

式中：ρs、ps分别为一定温度下水蒸气的密度和水蒸气在湿空气中的分压，ρsmax、psmax分别为一定温度下饱和湿空气中水蒸气的密度和分压，ms为湿空气中水蒸气的质量，mk为干空气的质量，p0为试车环境中大气压力。

2.2湿度对进气热物理性质的影响

湿空气的气体常数Rh、比定压热容Cph、质量定压热容γh分别为：

式中：Rk、Rs分别为干空气和水蒸气的气体常数，Cpk、Cps分别为干空气与水蒸气的定压比热。由文献［4］可知，Rk=287.0 J/（kg·K），Rs=461.5 J/（kg·K），干空气、水蒸气的比定压热容和质量定压热容随温度变化，通常比定压热容可由温度的高阶多项式表示，其关系式参见文献［4］。

2.3湿度对燃气热力参数的影响

与湿空气的气体常数、比定压热容、质量定压热容相似，湿燃气的气体常数Rgh、比定压热容Cpgh、质量定压热容γgh的计算方法为：

式中：Rg为燃气的气体常数，Cpg为燃气的比定压热容。

3　大气湿度对涡轴发动机换算参数的影响

换算参数的湿度修正系数定义为，干空气条件下（即d=0）发动机换算参数值与湿空气条件下相应换算值的比值。由发动机相似工作状态的定义可知，发动机各界面上马赫数和部件效率不变，各对应界面上同名物理量的比值保持不变，即相似参数不变［5］。当发动机在相似工作状态时，由于进气湿度的变化空气的热物理性质不同，使得发动机的性能参数绝对值变化，但其相似参数仍近似保持不变［6］。因此，只要求出不同进气环境下各相似参数值的比值，就可得出相应的湿度修正系数。

3.1湿度修正方法［7-8］

湿度修正方法主要有周期试验统计分析法、高空台架对比试验分析法、变比热的热力循环计算法、相似分析法等4种方法。周期试验统计分析法针对性强，结果有代表性，但周期长、花费大，且在自然条件下难以将湿度和温度的影响分开。高空台架对比试验分析法可分别研究温度或湿度的影响，但对试验设备要求很高，费用昂贵，除专门的湿度研究试验外，一般不采用这种方法来确定发动机的湿度修正系数。变比热的热力循环计算法通过考虑干、湿空气为工质的不同热物理性质的变化，对发动机进行热力和特性的计算，所得结果较为准确，还可修正气路内压强和温度参数，但计算量大，且要求获得该型发动机可靠的各部件特性线。相似分析法通用性强、应用普遍、简便易行，精度基本能满足工程要求，但不足之处在于不能像变比热的热力循环方法一样修正发动机气路中压力、温度等性能参数。

通过对4种湿度修正方法的比较，从该型涡轴发动机工厂试车实际出发，并结合现有的发动机热力循环模型，决定采用相似分析法与变比热的热力循环计算相结合的方法，确定该型涡轴发动机各换算参数的湿度修正系数。

3.2涡轴发动机换算参数湿度修正系数求解

（1）换算转速的湿度修正系数CHng.c

该型涡轴发动机采用的是轴流式压气机，由轴流压气机某直径为D对应截面的转子叶尖处圆周速度的马赫数相等，即，可得：

（2）换算进气流量的湿度修正系数CHqma.c

由轴流压气机某直径为D对应截面的进口气流轴向速度的马赫数相等，即，及与Maa是线性对应关系，可得：

（3）换算燃油流量的湿度修正系数CHqmf.c

该型涡轴发动机燃烧室的简化能量平衡方程可表示为:

燃油低热值Hu为常数，燃烧效率ηb也近似为常数，分别为燃烧室进口和出口的总温。可得：

（4）换算燃气流量的湿度修正系数CHqmg.c

与换算进气流量的湿度修正系数求法相似，取自由涡轮转子进口气流轴向速度的马赫数相等，即，加之与Maa有单值对应关系，即，求得：

（5）输出轴换算功率的湿度修正系数CHPsd.c

由输出轴功率的表达式

可得：

（6）燃气涡轮进口（出口）换算温度的湿度修正系数CHT4t.c

由相似准则可知：

3.3发动机换算参数的湿度修正

4　湿度修正曲线的绘制

由GJB359-1987［1］和《工程热力学》［9］中湿空气、湿燃气的热力计算，可得出T0=288.15 K、p0=101 325 Pa条件下湿空气的热力参数和设计点状态下不同湿度湿燃气的热力性质。通过计算机编程即可求出该型涡轴发动机各换算参数在不同湿度下的湿度修正系数，由此绘制成的曲线见图2。可见，当发动机实际转速不变时，随着空气中含湿量的增加，发动机的换算进气流量增大，而发动机的换算转速和换算功率逐渐下降。由于相似原因，燃气涡轮前温度与动力涡轮前温度不随空气中含湿量的增大而变化。此外，由于换算燃油流量的变化趋势和幅度与换算功率的基本一致，误差小于1%，因此其湿度修正系数曲线用换算功率的湿度修正曲线代表。

图2　不同含湿量下的湿度修正系数Fig.2 The humidity correction coefficient under different moisture content conditions

因该型发动机工厂试车时，常面临一次试车性能不合格问题。此时，通常采用试凑涡轮导向器面积和径向扩压器机械组合喉道面积等方法进行调节。而调节后试车时，如果与调节前试车大气环境温度相近、湿度相差较大，特别是湿度远大于第一次试车时，往往会造成燃气涡轮前温度能达到预期标准，但发动机输出功率远小于调节预期值。鉴于该型涡轴发动机试车台测量记录的环境参数为温度和相对湿度，不能直接读取环境大气空气含湿量，为更直观表示发动机输出功率与环境温度和相对湿度的关系，通过Matlab编程绘制可视化的换算功率与环境温度和大气相对湿度的湿度修正系数图，见图3。工程人员仅需将此图按比例放大，即可快速查出发动机换算功率的湿度修正系数。同理，也可绘制换算空气流量与换算转速的湿度修正系数图。

图3　已知温度和相对湿度时的换算功率湿度修正系数Fig.3 The power conversion humidity correction coefficient with known temperature and relative humidity

5　试验结果与分析

为说明大气湿度对该型发动机工厂试车的影响，选该型发动机A号机最大连续状态进行两次试验。每次试验前，仅对发动机进行清洗，其他部件特性与试车台架设备均保持不变。表1为A号机两次试车部分结果。其中，序号1、2为第一次试车结果，序号3为第二次试车结果；燃气发生器转速、燃气涡轮前温度、轴功率、耗油率参数均以地面试车最低保证标准为基准归一化得到，增压比和换算空气流量以发动机设计点数值为基准归一化得出。

由第一次试车结果可得出，未加入湿度修正时，当燃气发生器转速达到预定值，虽然燃气涡轮前温度和耗油率值均达标，但发动机输出轴功率偏小；加入湿度修正后，当燃气发生器转速达到预定值，燃气涡轮前温度、耗油率和轴功率均达到验收值。第二次试车时，虽然环境温度较高，但空气含湿量较第一次试车时低；未加入湿度修正时，当燃气涡轮转速达到预定值，燃气涡轮前温度、耗油率、轴功率均达到验收合格值。两次试车说明，A号机在性能满足发动机出厂验收标准的情况下，由于大气湿度高、试车程序未加入湿度修正，导致功率偏低。

根据发动机换算空气流量的原始值与湿度修正值的对比趋势可得出，在压气机压比不变的情况下，加入湿度修正后的换算空气流量更大，这反映在工厂试车的发动机性能图表中如图4所示。

工厂试车时，通常根据发动机性能点能否进入发动机性能图表中的三角区，来判断其整机性能是否合格。由图4可看出，湿度修正后，发动机性能点右移，表示发动机性能趋于稳定。当空气含湿量高时，如果修正前发动机性能点在三角区外靠近三角区边界，湿度修正后发动机性能点落入三角区的可能性较大，即发动机性能合格可能性大。

图4　发动机性能图表对比值Fig.4 Values comparison in engine performance chart

6　结论

（1）通过对某型涡轴发动机使用有代表性的5个城市全年大气湿度变化的研究，并结合进气湿度对发动机进气热物理性质的影响，证明了对该型发动机进行湿度修正的必要性。

（2）参照GJB359-1987，利用相似分析法，给出了换算转速、换算进气流量、换算输出轴功率、换算耗油率和换算涡轮前温度等换算参数的数学表达式，得到了涡轴发动机各换算参数的湿度修正系数曲线。

（3）工厂试车验证表明，由于试车大纲未给出该型涡轴发动机的湿度修正系数，导致在高湿情况下该发动机台架试车时输出轴功率偏低，而进行湿度修正后，发动机输出轴功率达到规定值，准确的反映出发动机的真实性能状态。

［1］GJB 359-1987，涡喷、涡扇发动机性能的湿度修正规范［S］.

［2］唐奇，甘在游，吕升林，等.某型发动机换算推力的湿度修正［J］.燃气涡轮试验与研究，2008，21（1）：51—53.

［3］范强，张金锋.大气湿度对发动机换算转速的影响［J］.燃气涡轮试验与研究，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］廉筱纯，吴虎.航空发动机原理［M］.西安：西北工业大学出版社，2006.

［6］钟诗胜，崔智全，王体春，等.基于偏差值的航空发动机参数标准化修正模型［J］.航空动力学报，2012，27（11）：2592—2597.

［7］骆广琦，桑增产.航空燃气涡轮发动机数值仿真［M］.北京：国防工业出版社，2007.

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

［9］沈维道，童钧耕.工程热力学［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

张赟（1983-），男，江西吉安人，讲师，主要从事航空发动机测试与故障诊断。