CN110206596B - 一种测量航空发动机、燃气轮机进气流量方法 - Google Patents

一种测量航空发动机、燃气轮机进气流量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测量航空发动机、燃气轮机进气流量方法，包括：数据测量，元素平衡分析；以及进口空气流量的计算，其中数据测量包括：测量整机实验环境进气成份浓度；测量碳氢燃料的分子常数；测量整机实验中烟气成份浓度；测量实验中燃油流量。本发明所提出的一种测量航空发动机、燃气轮机进气流量方法，仅需要测量进气中CO2、O2及排气中CO2、CO、CxHy、NO、NO2的浓度，结合燃料的成份及流量可以快速获得进气流量，实现航空发动机、燃气轮机整机实验流量实时参数测量，保证整机试车过程中参数的监测，验证整机设计、匹配方案。

Description

一种测量航空发动机、燃气轮机进气流量方法
技术领域
本发明涉及航空发动机及燃气轮机领域，具体涉及一种测量航空发动机、燃气轮机进气流量的方法。
背景技术
空气流量作为航空发动机和燃气轮机设计和实验中重要的参数，对发动机的性能有着重要的影响，因此在部件及整机验证实验中成为必不可少的测量参数。在航空发动机、燃气轮机整机试车台架上，进口流量一般通过测得压气机进口温度和进口压力，然后计算得到。
离心压气机具有特性平缓、结构简单、工艺性好等优点，常用于中小推力的航空发动机及小型燃气轮机上。由于其结构特点，一般为径向进气，即进气口为机匣上环面，而这样的进气机构造成进口压力和进口温度很难测准，尤其在整机试车过程中。同时，对于航空发动机/燃轮机外场试车(无整机台实验台)，一般也很难测量其进气流量。因此，需要一种新的测量方法，实现航空发动机及燃气轮机进气流量的准确测量，以其弥补测不准、测不到的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种测量航空发动机、燃气轮机进气流量的方法，以期解决以上现有技术的缺陷和不足，实现径向进气的准确测量，并可用于外场航空发动机、燃气轮机整机试车测量进气流量，以验证发动机性能。
(二)技术方案
本发明提供了一种测量航空发动机、燃气轮机进气流量的方法，包括：
数据测量，包括：
测量整机实验环境进气成份浓度；
测量碳氢燃料的分子常数；
测量整机实验中烟气成份浓度；以及
测量实验中燃油流量；
元素平衡分析；以及
进口空气流量的计算。
其中，所述测量整机实验环境进气成份浓度是测量实验环境的空气中O2、CO2的干基浓度，确定空气中O2的体积分数S、空气中CO2的体积分数T以及空气湿度h；
其中，所述测量碳氢燃料的分子常数是通过提取燃料样本，测量得到燃料CmHn中m、n的数值，其中，m为碳氢燃料中碳的分子常数；n为碳氢燃料中氢的分子常数。
其中，所述测量整机实验中烟气成份浓度的步骤中，采样时靠近排气喷口截面以保证烟气采样的准确度，同时采样孔不少于12个，均匀分布于喷口周向，径向上采样点不少于3个，以保证采样的均匀性；
其中，所述测量整机实验中烟气成份浓度，是在航空发动机、燃气轮机整机试车过程中，待实验测量工况达到稳定状态后，测量排放烟气成份的浓度；所述烟气成份包含CO2、CO、CxHy、NO、NO2，其中x为碳氢燃料中碳的分子常数；y为碳氢燃料中氢的分子常数；
其中，所述整机实验中烟气CO2与CO的测量浓度为干基浓度，需要乘以修正系数K得到实际的湿基浓度，所述修正系数K为：
Figure BDA0002074750700000021
其中，hd为除水后烟气湿度；m为碳氢燃料中碳的分子常数；n为碳氢燃料中氢的分子常数；[HC]为未燃碳氢的湿基浓度；x为未燃碳氢中碳的分子常数；y为未燃碳氢中氢的分子常数；[NO2]指的是NO2的湿基浓度；[CO2]d为CO2的干基浓度；[CO]d为CO的干基浓度。
其中，所述的测量实验中燃油流量是提取所述工况下，试车台的燃油消耗流量的测量数据mf。
其中，所述元素平衡分析是通过整机实验环境进气成份浓度、碳氢燃料的分子常数、实验中燃油流量与整机实验中烟气成份浓度之间建立的碳平衡、氢平衡、氧平衡以及氮平衡关系进行计算的过程，最终根据元素平衡分析计算得到与每摩尔燃料掺混反应的空气摩尔数P0。
其中，所述进口空气流量的计算是通过对燃料与空气的分子量及燃料的流量mf进行计算得到的，采用的计算公式为：
Figure BDA0002074750700000031
其中，ma为进口空气的质量流量；mf为消耗燃料的质量流量；Mc为碳元素原子量；Mc为氢元素原子量；
Figure BDA0002074750700000032
为氮气分子量；
Figure BDA0002074750700000033
为氧气分子量；
Figure BDA0002074750700000034
为二氧化碳分子量；
Figure BDA0002074750700000035
为水分子量。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明提供的一种测量航空发动机、燃气轮机进气流量的方法具有以下有益效果：该方法基于元素平衡的方法，通过燃料流量和空气及排气样气的成份比例，根据进出口元素含量平衡，即空气中各元素含量与燃料中的元素含量总和等于排放燃气的元素含量，计算得到空气的进气量。基于元素平衡测量航空发动机、燃气轮机进气流量方法，仅需要测量进气中湿度、CO2、O2及排气中CO2、CO、CxHy、NO、NO2的浓度，结合燃料的成份及流量可以快速获得进气流量，实现航空发动机、燃气轮机整机实验流量实时参数测量，保证整机试车过程中参数的监测，验证整机设计、匹配方案。
附图说明
图1为本发明提出的一种测量航空发动机、燃气轮机进气流量方法的流程图。
图2为本发明实施例提供的一种测量航空发动机、燃气轮机进气流量方法的示意图。
【附图标记说明】
1：压气机 2：燃烧室 3：涡轮 4：烟气分析仪
11：空气进气 21：碳氢燃料 31：排放烟气
41：烟气测量耙 42：烟气测量探针
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
该方法基于元素平衡的方法，通过燃料流量和空气及排气样气的成份比例，根据进出口元素含量平衡，即空气中各元素含量与燃料中的元素含量总和等于排放燃气的元素含量，推算出空气的进气量。基于元素平衡测量航空发动机/燃气轮机进气流量方法，仅需要测量进气中湿度、CO2、O2及排气中CO2、CO、CxHy、NO、NO2的浓度，结合燃料的成份及流量可以快速获得进气流量，实现航空发动机/燃气轮机整机实验流量实时参数测量，保证整机试车过程中参数的监测，验证整机设计、匹配方案。
为实现以上目的，本发明提供了一种测量航空发动机、燃气轮机进气流量的方法，包括：
数据测量，包括：
测量整机实验环境进气成份浓度；
测量碳氢燃料的分子常数；
测量整机实验中烟气成份浓度；以及
测量实验中燃油流量；
元素平衡分析；以及
进口空气流量的计算。
其中，测量整机实验环境进气成份浓度是测量实验环境的空气中O2、CO2的干基浓度，确定空气中O2的体积分数S、空气中CO2的体积分数T以及空气湿度h；
其中，测量碳氢燃料的分子常数是通过提取燃料样本，测量得到燃料CmHn中m、n的数值，其中，m为碳氢燃料中碳的分子常数；n为碳氢燃料中氢的分子常数。
其中，测量整机实验中烟气成份浓度的步骤中，采样时靠近排气喷口截面以保证烟气采样的准确度，同时采样孔不少于12个，均匀分布于喷口周向，径向上采样点不少于3个，以保证采样的均匀性；
其中，测量整机实验中烟气成份浓度，是在航空发动机、燃气轮机整机试车过程中，待实验测量工况达到稳定状态后，测量排放烟气成份的浓度；所述烟气成份包含CO2、CO、CxHy、NO、NO2，其中x为碳氢燃料中碳的分子常数；y为碳氢燃料中氢的分子常数；
其中，整机实验中烟气CO2与CO的测量浓度为干基浓度，需要乘以修正系数K得到实际的湿基浓度，所述修正系数K为：
Figure BDA0002074750700000051
其中，hd为除水后烟气湿度；m为碳氢燃料中碳的分子常数；n为碳氢燃料中氢的分子常数；[HC]为未燃碳氢的湿基浓度；x为未燃碳氢中碳的分子常数；y为未燃碳氢中氢的分子常数；[NO2]指的是NO2的湿基浓度；[CO2]d为CO2的干基浓度；[CO]d为CO的干基浓度。
其中，测量实验中燃油流量是提取所述工况下，试车台的燃油消耗流量的测量数据mf。
其中，元素平衡分析是通过整机实验环境进气成份浓度、碳氢燃料的分子常数、实验中燃油流量与整机实验中烟气成份浓度之间建立的碳平衡、氢平衡、氧平衡以及氮平衡关系进行计算的过程，最终根据元素平衡分析计算得到与每摩尔燃料掺混反应的空气摩尔数P0。
其中，进口空气流量的计算是通过对燃料与空气的分子量及燃料的流量mf进行计算得到的，采用的计算公式为：
Figure BDA0002074750700000052
其中，ma为进口空气的质量流量；mf为消耗燃料的质量流量；Mc为碳元素原子量；Mc为氢元素原子量；
Figure BDA0002074750700000053
为氮气分子量；
Figure BDA0002074750700000054
为氧气分子量；
Figure BDA0002074750700000055
为二氧化碳分子量；
Figure BDA0002074750700000056
为水分子量。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。
需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。实际上，在未背离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化，这对本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用来产生又一个实施例。因此，意图是本发明将这样的修改和变化包括在所附的权利要求书和它们的等同物的范围内。
本发明的基于元素平衡测量航空发动机/燃气轮机进气流量方法，其测量流程如图1所示，具体的测量实施参照示意图2。参照图1和图2，本实施例计算进气流量方法包括以下步骤：
SS1.测量整机实验环境进气成份的浓度
对于进入压气机1中的空气进气11环境，通过烟气分析仪测量O2、CO2的干基浓度，即确定空气中氧气及二氧化碳的体积分数S、T，并由R+S+T＝1计算出空气中氮气的体积分数R，通过湿度计测量实验环境中空气的湿度h。
SS2.测量碳氢燃料的分子常数
对于喷入燃烧室2中的碳氢燃料21，通过色谱等方式进行测量，确定C、H的分子常数m、n。
SS3.测量整机实验中烟气成份的浓度
测量航空发动机/燃气轮机整机试车过程中稳态下的涡轮3后排放烟气31中CO2、CO、CxHy、NO、NO2的浓度，如果所测得CO2、CO为干基浓度，通过修正系数K修正为湿基浓度
Figure BDA0002074750700000061
SS4.实验中燃油流量测量
结合步骤SS3中的整机实验，提取对应时间下消耗的碳氢燃料21的流量测量数据mf。
SS5.元素平衡分析
根据化学平衡方程
CmHn+P0[R(N2)+S(O2)+T(CO2)+h(H2O)]
＝P1(CO2)+P2(N2)+P3(O2)+P4(H2O)+P5(CO)+P6(CxHy)+P7(NO2)+P8(NO)
通过各元素平衡，可以得到以下平衡方程：
碳平衡；m+TP0＝P1+P5+xP6
氢平衡；n+2hP0＝2P4+yP6
氧平衡；(2R+2T+h)P0＝2P1+2P3+P4+P5+2P7+P8
氮平衡；2SP0＝2P2+P7+P8
[CO2]PT＝P1
[CO]PT＝P5
[HC]PT＝xP6
[NO2]PT＝P7
[NO]PT＝P8
PT＝P1+P2+P3+P4+P5+P6+P7+P8
其中，未燃碳氢CxHy测量一般可按照CH4，即取x＝1，y＝4。共10个未知数和10个线性方程，求解得到每摩尔燃料掺混反应的空气摩尔数P0。
SS6.进口空气流量的计算
通过燃料与空气的分子量及碳氢燃料21的流量mf，计算得出进口空气的流量ma。
Figure BDA0002074750700000071
其中，ma为进口空气的质量流量；mf为消耗燃料的质量流量；Mc为碳元素原子量；Mc为氢元素原子量；
Figure BDA0002074750700000072
为氮气分子量；
Figure BDA0002074750700000073
为氧气分子量；
Figure BDA0002074750700000074
为二氧化碳分子量；
Figure BDA0002074750700000075
为水分子量。
显然，本发明的上述实例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种测量航空发动机、燃气轮机进气流量方法，包括：
数据测量，包括：
测量整机实验环境进气成份浓度；
测量碳氢燃料的分子常数；
测量整机实验中烟气成份浓度；以及
测量实验中燃油流量；
元素平衡分析；以及
进口空气流量的计算；
其中，所述测量整机实验中烟气成份浓度，是在航空发动机、燃气轮机整机试车过程中，待实验测量工况达到稳定状态后，测量排放烟气成份的浓度；所述烟气成份包含CO2、CO、CxHy、NO、NO2，其中x为碳氢燃料中碳的分子常数；y为碳氢燃料中氢的分子常数；
所述整机实验中烟气CO2与CO的测量浓度为干基浓度，需要乘以修正系数K得到实际的湿基浓度；
所述修正系数K为：
Figure FDA0003156433980000011
其中，hd为除水后烟气湿度；m为碳氢燃料中碳的分子常数；n为碳氢燃料中氢的分子常数；[HC]为未燃碳氢的湿基浓度；x为未燃碳氢中碳的分子常数；y为未燃碳氢中氢的分子常数；[NO2]指的是NO2的湿基浓度；[CO2]d为CO2的干基浓度；[CO]d为CO的干基浓度。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述测量整机实验环境进气成份浓度是测量实验环境的空气中O2、CO2的干基浓度，确定空气中O2的体积分数S、空气中CO2的体积分数T以及空气湿度h。
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述测量碳氢燃料的分子常数是通过提取燃料样本，测量得到燃料CmHn中m、n的数值，其中，m为碳氢燃料中碳的分子常数；n为碳氢燃料中氢的分子常数。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述测量整机实验中烟气成份浓度的步骤中，采样时靠近排气喷口截面以保证烟气采样的准确度，同时采样孔不少于12个，均匀分布于喷口周向，径向上采样点不少于3个，以保证采样的均匀性。
5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述的测量实验中燃油流量是提取所述工况下，试车台的燃油消耗流量的测量数据mf。
6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述元素平衡分析是通过整机实验环境进气成份浓度、碳氢燃料的分子常数、实验中燃油流量与整机实验中烟气成份浓度之间建立的碳平衡、氢平衡、氧平衡以及氮平衡关系进行计算的过程，最终根据元素平衡分析计算得到与每摩尔燃料掺混反应的空气摩尔数P0。
7.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述进口空气流量的计算是通过对燃料与空气的分子量及燃料的流量mf进行计算得到的，采用的计算公式为：
Figure FDA0003156433980000021
其中，ma为进口空气的质量流量；mf为消耗燃料的质量流量；Mc为碳元素原子量；Mc为氢元素原子量；
Figure FDA0003156433980000022
为氮气分子量；
Figure FDA0003156433980000023
为氧气分子量；
Figure FDA0003156433980000024
为二氧化碳分子量；
Figure FDA0003156433980000025
为水分子量。
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