空气湿度对压气机性能的影响

吴文彭，胡胜波，王欢乐，程国强，王建，李建华

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

空气湿度对压气机性能的影响

吴文彭，胡胜波，王欢乐，程国强，王建，李建华

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

文章通过分析湿度对湿空气物性的改变，研究了空气湿度对压气机试验的流量测量、折算转速、折算流量、多变效率以及等熵效率等性能的影响。与公开文献资料的压气机试验数据相比，文章计算方法的计算结果较为接近，证明了其具备工程应用的可靠性，有益于提高压气机试验分析的准确性。

压气机，空气湿度，性能

1 背景

在开展某型号压气机试验过程中，当大气环境为雨后湿度较大时，发现在线分析系统的计算结果与湿度较低的干燥大气环境相比有所偏移，且防喘抽气能够观察到明显的白色水雾。因此，在试验结果的后处理分析时，必须进行湿度修正。

研究表明，湿空气对压气机性能影响的原因是水蒸汽对分子量（即气体常数）的影响以及对比热比的影响。压气机试验时，通常测量其运行环境空气湿度，但相对湿度会随着气流的加速而增大，并且可能发生凝结。由于凝结可能损坏叶片而对压气机产生严重的影响，因此，需要避免凝结现象的发生。

因此，需要开展研究，以分析湿度对压气机性能的影响，同时能够在压气机试验以及以后的运行过程中，避免湿空气凝结的发生。

2 湿空气特性参数计算

2.1 气体常数

湿空气的气体常数计算公式[1]如式（1）所示:

式（1）中:war为绝对湿度（水与干空气的质量之比），Rair=287.05 J/（kg·K），RWV=461.52 J/（kg·K）。

2.2 定压比热

水蒸汽与干空气的定压比热都主要由温度决定（NIST RefProp[2]的数据显示压力对水蒸汽有较小的影响，此处不加以考虑）。从参考文献[3]的数据进行拟合可得到计算湿空气定压比热的8次多项式，见式（2）:

式（2）中:

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

表1 计算定压比热的多项式系数

随之，可计算得到定容比热Cv=Cp-R；比热比γ=Cp/（Cp-R）。

2.3 湿度对空气参数的影响

通过第2.2章节可以计算出湿度对空气参数的影响，图1、图2显示了在温度200 K～1 000 K范围内，定压比热Cp和比热比γ随湿度的变化（1%～4%）。结果与参考文献[2]较为相符。

图1 空气湿度对定压比热的影响

从图1中可以看出，在一定温度下，Cp随湿度增加而增大；不同温度下，Cp随湿度的变化幅值大致相同；相同湿度下，Cp随温度的提高而增大。

图2 空气湿度对比热比的影响

从图2可以看出，在一定温度下，γ随湿度增加而减小；不同温度下，γ随湿度的变化幅值大致相同；相同湿度下，γ随温度的提高而减小。

2.4 绝对湿度计算

气体常数、定压比热的计算需要使用绝对湿度，但测量的湿度通常是相对湿度，因此需要通过相对湿度、大气温度、大气压力计算空气的绝对湿度。

相对湿度计算公式见式（3）:

式（3）中:PsWV是湿空气中水蒸汽的分压力，Pssat是相同温度下的水蒸汽的凝结压力。通过对参考文献[4]中提供的数据进行插值计算，可得到不同温度条件下的水蒸汽凝结压力Pssat，如图3所示，进而计算出空气分压力以及绝对湿度，见式（4）、式（5）。

图3 不同温度下的水蒸汽凝结压力

3 空气湿度对压气机性能的典型影响

大气湿度改变了空气的物性，从而影响了压气机试验时测量的流量、折算转速以及效率水平。同时，随着气流加速，湿空气可能饱和而发生凝结，需要预测并避免。

3.1 压气机试验时相对湿度的变化

[1]中所述，空气湿度受到水蒸汽凝结压力的限制，而水蒸汽的凝结压力又主要取决于大气温度。如果空气中的水蒸汽分压力超过了凝结压力，将发生水蒸汽凝结。通过公式（3）～（5），设置相对湿度RH=1，可计算得到任何大气温度与压力下的平衡空气的最大绝对湿度（war）。

当湿空气在压气机上游加速时，总温总压保持不变，但静压与静温减小，水蒸汽的静温与静压也相应地减小:静温等同于湿空气的静温；而静压与湿空气静压的比值不变，因为绝对湿度未变。但是，由于凝结压力减少的速度快于分压力，所以相对湿度增加。如果相对湿度达到1，气流达到饱和，进一步加速将会发生凝结。大气的相对湿度与达到饱和所需马赫数（大气压力为101.3 kPa，几乎与大气压力无关）之间的关系如图4所示。例如，大气温度为0℃，相对湿度为50%时，当加速到马赫数为0.45，达到饱和状态。需要注意的是，图4中对凝结的预测略微理想化，实际上凝结出现在稍高的马赫数状态（超饱和状态）。

图4 不同温度空气湿度与达到饱和的马赫数关系

3.2 对流量测量的影响

压气机试验时流量的计算通常使用一维测量参数:总温（Tt）、总压（Pt）、静压（Ps）、流量管喉部面积（A），以及二维修正系数:流量管喉部面积的流量系数（Cd）计算得到。计算公式见式（6）:

其中:马赫数可由公式（7）计算得到:

由公式可知，流量的计算将受到因空气湿度而变化的R和γ值的影响。

如果不考虑空气湿度的影响，而假设为干空气γ=1.4，则流量计算结果会出现偏差。不同马赫数下忽略湿度时的流量计算误差如图5所示。

图5 不同马赫数下忽略湿度时的流量计算误差

3.3 对折算参数的影响

因湿度而变化的气体常数（R）以及比热比（γ）会影响压气机的折算参数。

保证相似性（折算转速相同）的情况下，考虑空气湿度与假设为干空气时的机械转速的比值如图6所示。可以看出，湿空气条件下需要略高的机械转速，因为湿空气下的音速比干空气下的音速大。

图6 湿度对折算转速的影响

空气湿度对折算流量的影响如图7所示。

图7 湿度对折算流量的影响

与假设干空气时相比，考虑湿度时计算的折算流量值有所增加，几乎抵消了湿度对流量测量的误差（见3.2章节）。

3.4 对压气机效率的影响

压气机的效率由压气机进、排气的总温总压计算得到。假设ISA进气条件，同时设定出气温度为干空气多变效率90%时的温度，计算了一系列压比和绝对湿度条件下，湿度对效率的影响。

使用湿空气特性计算的多变效率与干空气的差异如图8所示。

图8 湿度对多变效率的影响

可以看出，使用干空气特性计算多变效率水平偏高。对效率的影响在数值上略小于绝对湿度的1/4:例如，绝对湿度为1%时，如果使用干空气特性计算，效率偏高0.25%。空气湿度对等熵效率的影响如图9所示，与多变效率类似，但不完全等同。

图9 湿度对等熵效率的影响

4 结论

本文研究了空气湿度对压气机性能的影响。

参考文献[1]提供的湿空气特性，可替代干空气特性用于现有的压气机试验数据的分析。此方法可用于预估凝结的发生，但应该避免凝结的发生，因为凝结对压气机的性能具有重大的影响，且难以评估。

通过假设分别使用干空气和湿空气特性计算典型试验数据并进行比较，分析了空气湿度对压气机性能的影响。绝对湿度是关键参数。在ISA条件下，绝对湿度小于1%，尽管相对湿度能够达到100%，但在高温下绝对湿度会更高。典型地，当绝对湿度为1%时，与干空气相比，计算流量减小0.3%、多变效率减小0.25%。此外，相比干空气条件，当空气绝对湿度为1%时，压气机转速需要增加0.25%。

参考文献

[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

四川省科技支撑计划项目（计划编号:2016GZ0001）

吴文彭（1985-），男，硕士研究生在读，工程师，2006年本科毕业于清华大学热能专业，现在东方汽轮机有限公司从事压气机气动设计工作。