CN110108459A - 一种用于粒子分离器的砂尘分离效率测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种粒子分离器的砂尘分离效率测试方法，首先使待测试的粒子分离器模拟产生中心流以及清除流，然后向粒子分离器投入M₁重量的砂尘，收集清除流中的砂尘，其重量计为M₂，和/或收集中心流中的砂尘，其重量计为M₃，最后通过公式(a)和/或公式(b)计算得出粒子分离器的砂尘分离效率η。本发明还提供了一种粒子分离器的砂尘分离效率测试装置。本发明提供的测试方法可有效评估粒子分离器对粗、细砂的分离能力，测试结果准确、可靠，本发明提供的测试装置，对于试验人员和试验环境而言安全、环保，非常具有实际应用价值。η＝(M₂/M₁)×100％ (a)η＝(1‑M₃/M₁)×100％ (b)。

Description

一种用于粒子分离器的砂尘分离效率测试方法

技术领域

本发明涉及涡轴发动机领域，具体涉及一种用于粒子分离器的砂尘分离效率测试方法。

背景技术

整体式粒子分离器是涡轴发动机所特有的进气装置，进入装置的来流被分成中心气流和清除流。粒子分离器的主要功能是进气并将进入发动机进气道的外物(如砂尘、树叶、草、飞鸟等)通过清除流道排出，以防止外物进入中心流道磨损发动机内部机件或者影响发动机稳定工作，它的分离原理是通过合适的流道型面或叶栅建立惯性力场来达到分离外物的目的。

对于整体式粒子分离器而言，其粗砂、细砂分离效率是评估分离器分离能力的重要指标，因此，很有必要对粒子分离器的砂尘分离能力进行评估测试，以保证粒子分离器能够按照设计要求工作。

发明内容

为克服涡轴发动机领域对于粒子分离器在砂尘分离能力评估、测试方面的不足，本发明的一个目的是提供一种粒子分离器的砂尘分离效率测试方法。

本发明的另一个目的是提供一种粒子分离器的砂尘分离效率测试装置。

本发明提供的粒子分离器的砂尘分离效率测试方法包括以下步骤：

S1：使待测试的粒子分离器模拟产生中心流以及清除流；

S2：向所述粒子分离器投入M₁重量的砂尘，收集所述清除流中的砂尘，其重量计为M₂，和/或收集所述中心流中的砂尘，其重量计为M₃；以及

S3：通过公式(a)和/或公式(b)计算得出所述粒子分离器的砂尘分离效率η。

η＝(M₂/M₁)×100％ (a)

η＝(1-M₃/M₁)×100％ (b)

本发明提供的测试方法中，所述步骤S1还包括：调节所述中心流以及清除流的出口流量，使其满足所述粒子分离器的清除比。

本发明提供的测试方法中，所述中心流的出口流量为5～15kg/s，所述清除比为10％、12％、14％、16％、18％、20％或22％。

本发明提供的测试方法中，所述步骤S2中，向所述粒子分离器中连续一定时间投入M₁重量的砂尘。

本发明提供的测试方法中，所述步骤S2中投入的砂尘的重量为0.5～2kg。

本发明提供的测试方法中，所述步骤S2中，投入的砂尘的浓度为45～5400mg/m³。

本发明提供的测试方法中，所述砂尘为细砂或粗砂，所述粗砂包括粒径大于0小于等于1000μm的砂粒，所述细砂包括粒径大于0小于等于200μm的砂粒。

本发明提供的粒子分离器的砂尘分离效率测试装置包括以下组成单元：

粒子分离器试验单元，用以使待测试的粒子分离器模拟产生中心流以及清除流；

投砂单元，用以向所述粒子分离器投入砂尘；

清除流单元，与所述粒子分离器产生的清除流相连；以及

中心流单元，与所述粒子分离器产生的中心流相连；

其中，所述清除流单元包括用于收集清除流砂尘的清除流收集装置，和/或，所述中心流单元包括用于收集中心流砂尘的中心流收集装置。

本发明提供的测试装置中，所述清除流单元还包括：

清除流流量测量装置，用以测量所述清除流的流量；

清除流流量调节装置，用以调节所述清除流的流量；以及

第一抽气风机，用以为所述清除流生成抽吸作用力。

本发明提供的测试装置中，所述中心流单元还包括：

中心流流量测量装置，用以测量所述中心流的流量；

中心流流量调节装置，用以调节所述中心流的流量；以及

第二抽气风机，用以为所述中心流生成抽吸作用力。

本发明提供的测试装置中，所述投砂单元包括掺混雾化箱、送砂部件、连接管路和空气系统，所述掺混雾化箱通过所述连接管路分别与所述送砂部件、所述空气系统相连通。

本发明提供的测试装置中，所述清除流收集装置和/或所述中心流收集装置包括三组旋风除尘器，所述三组旋风除尘器由六个旋风除尘器构成。

本发明提供的砂尘分离效率测试方法可有效评估粒子分离器对粗、细砂的分离能力，测试结果准确、可靠，对粒子分离器的砂尘分离性能以及综合性能的分析和研究都具有重要的意义。本发明提供的测试装置，可有效模拟粒子分离器的中心流和清除流，进而为测试结果的准确性提供了保证，本发明的测试装置对中心流和清除流中的砂尘分别进行收集，对于试验人员和试验环境而言更加安全、环保，因此非常具有实际应用价值。

附图说明

图1为本发明一实施方式的砂尘分离效率测试装置的结构示意图；

图2为图1的测试装置中的粒子分离器试验单元的结构示意图；

图3为本发明一实施方式的投砂装置的结构示意图。

其中，附图标记说明如下：

1、粒子分离器试验单元；2、清除流管路系统；3、清除流流量测量装置；4、清除流流量调节装置；5、第一抽气风机；6、中心流管路系统；7、中心流流量测量装置；8、中心流流量调节装置；9、第二抽气风机；10、清除流砂尘收集装置；11、中心流砂尘收集装置；12、投砂装置；

101、整流罩；102、进气锥；103、粒子分离器；104、尾锥；105、进气流流道；106、清除流流道；107、中心流流道；

121、掺混雾化箱；122、送砂部件；123、连接管路；121a、喷嘴；121b、第一开口；121c、第二开口；

A、投砂及进气方向。

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，现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

本发明的第一个方面提供了一种粒子分离器的砂尘分离效率测试方法，其包括以下步骤：

S1：使待测试的粒子分离器模拟产生中心流以及清除流；

S2：向所述粒子分离器投入M₁重量的砂尘，收集所述清除流中的砂尘，其重量计为M₂，和/或收集所述中心流中的砂尘，其重量计为M₃；以及

S3：通过公式(a)和/或公式(b)计算得出所述粒子分离器的砂尘分离效率η。

η＝(M₂/M₁)×100％ (a)

η＝(1-M₃/M₁)×100％ (b)

在根据本发明的测试方法的一个实施方式中，步骤S1还可以包括：调节所述中心流以及清除流的出口流量(计为Q1、Q2)，使其满足所述粒子分离器的清除比SDR(Q2/Q1)。在特定设置下进行砂尘分离效率测试，还可进一步依据测试结果绘制得出砂尘分离效率与中心流流量、清除流流量、清除比等参数的变化曲线，便于进一步深入分析粒子分离器的性能。Q1、Q2以及SDR的值可根据实际使用要求进行设定，在一些实施例中，中心流流量Q1、清除比SDR的设置可以为中心流的出口流量为5～15kg/s，清除比为10％、12％、14％、16％、18％、20％或22％，见表1。也可根据实际使用要求，对流量状态进行调整、补充或删减。

表1砂尘分离效率试验状态

其中，“√”表示对该状态进行了砂尘分离效率测试，“-”表示未对该状态进行砂尘分离效率测试。

在根据本发明的测试方法的一个实施方式中，所述步骤S2中，向所述粒子分离器中投入砂尘时可以为连续一定时间的一次投入。

在根据本发明的测试方法的一个实施方式中，所述步骤S2中投入的砂尘的重量可以为0.5～2kg。在一些实施例中，投入的砂尘的重量可以为1kg。

在根据本发明的测试方法的一个实施方式中，所述步骤S2中，投入的砂尘的浓度可以为45～5400mg/m³。此处所述的“浓度”为砂尘于气流中的浓度，即砂尘(重量mg)/气流(体积m³)。

在根据本发明的测试方法的一个实施方式中，用于本发明测试方法的砂尘可以为细砂或粗砂，其中细砂和粗砂是根据砂粒的粒度尺寸分布进行划分的。

在根据本发明的测试方法的一个实施方式中，砂尘由含SiO₂成分90％以上的碎石英粉末组成。

在根据本发明的测试方法的一个实施方式中，粗砂包括粒径D1大于0小于等于1000μm的砂粒，细砂包括粒径D2大于0小于等于200μm的砂粒。

在根据本发明的测试方法的一个实施方式中，粗砂包括：5％的0＜D1≤75μm的粒子、15％的75μm＜D1≤125μm的粒子、28％的125μm＜D1≤200μm的粒子、36％的200μm＜D1≤400μm的粒子、11％的400μm＜D1≤600μm的粒子、3.5％的600μm＜D1≤900μm的粒子、1.5％的900μm＜D1≤1000μm的粒子，上述百分比均为质量百分比，以粗砂的总质量为基准。

在根据本发明的测试方法的一个实施方式中，细砂包括：12％的0＜D1≤5μm的粒子、12％的5μm＜D1≤10μm的粒子、14％的10μm＜D1≤20μm的粒子、23％的20μm＜D1≤40μm的粒子、30％的40μm＜D1≤80μm的粒子、9％的80μm＜D1≤200μm的粒子，上述百分比均为质量百分比，以细砂的总质量为基准。

本发明一实施方式的测试方法可有效评估粒子分离器粗、细砂分离能力，例如，在投砂质量一定的条件下进行了对比试验，结果表明：粗砂的分离效率介于88％～90％之间，例如粗砂浓度为1574mg/m³、2060mg/m³时的分离效率分别为88.95％、89.05％；细砂的分离效率介于67％～68％之间，例如细砂浓度为1716mg/m³、2022mg/m³时的分离效率分别为67.81％、67.18％。

本发明的第二个方面提供了一种粒子分离器的砂尘分离效率测试装置，其包括以下组成单元：

粒子分离器试验单元，用以使待测试的粒子分离器模拟产生中心流以及清除流；

投砂单元，用以向所述粒子分离器投入砂尘；

清除流单元，与所述粒子分离器产生的清除流相连，其包括用于收集清除流砂尘的清除流收集装置；以及

中心流单元，与所述粒子分离器产生的中心流相连，其包括用于收集中心流砂尘的中心流收集装置。

在根据本发明的测试装置的一个实施方式中，所述清除流单元可进一步包括：

清除流流量测量装置，用以测量所述清除流的流量；

清除流流量调节装置，用以调节所述清除流的流量；以及

第一抽气风机，用以为所述清除流生成抽吸作用力。

在根据本发明的测试装置的一个实施方式中，所述中心流单元可进一步包括：

中心流流量测量装置，用以测量所述中心流的流量；

中心流流量调节装置，用以调节所述中心流的流量；以及

第二抽气风机，用以为所述中心流生成抽吸作用力。

在根据本发明的测试装置的一个优选实施方式中，如图1所示，测试装置主要包括粒子分离器试验单元1、清除流管路系统2以及中心流管路系统6，清除流管路系统2和中心流管路系统6分别与试验单元中粒子分离器的清除流和中心流相连。清除流管路系统2中，依次设置有清除流流量测量装置3、清除流流量调节装置4以及第一抽气风机5，与清除流管路系统2相似，中心流管路系统6上也依次设置有中心流流量测量装置7、中心流流量调节装置8以及第二抽气风机9，其中，第一抽气风机5以及第二抽气风机9用于使粒子分离器模拟产生中心流及清除流，清除流流量测量装置3以及中心流流量测量装置7用于测量流经相应气流管路的气流流量，清除流流量调节装置4以及中心流流量调节装置8用于调节流经相应气流管路的气流流量。当该测试装置用于砂尘分离效率测试时，动力采用吸气方式，在抽气风机的抽吸作用下，气流经粒子分离器试验段后分成两路流出，一路为通过清除流管路系统2的清除流，另一路为通过中心流管路系统6的中心流，通过各自管路上的流量测量装置和流量调节装置调控气流流量，使清除流和中心流模拟达到所需状态。

图1的测试装置还包括有投砂装置12，用于向粒子分离器的气流中投入砂尘M₁，同时，在粒子分离器试验单元1下游的清除流管路系统2以及中心流管路系统6中，可分别设置有清除流砂尘收集装置10以及中心流砂尘收集装置11，用于收集相应气流管路的砂尘M₂和M₃。清除流砂尘收集装置10和中心流砂尘收集装置11可以选择性地只设置其中一组，通过公式(a)或(b)计算砂尘分离效率η。优选地，同时设置两组收集装置，可有效减少测试人员对粉尘的吸入，有利于测试现场的环境保护，此时可通过公式(a)和(b)计算砂尘分离效率η，两种计算方法亦可相互校验。

用于本发明的测试装置的粒子分离器试验单元1可采用现有技术，例如中国专利CN 103234730A记载的技术。如图2所示，粒子分离器试验单元1包括待测试的粒子分离器103，还设置有内部空心的整流罩101，整流罩101内部设有锥体，锥体的轴向与整流罩101的轴线平行，且锥体的中部大，两端部分别为呈锥尖状的进气锥102及尾锥104，整流罩101的出口端靠近外径侧开有环形旁路出口以形成清除流流道106，整流罩101的进口端与进气锥102配合形成环形的进气流流道105，整流罩101的出口端与尾锥104配合形成环形的中心流流道107。A为投砂及进气的方向，清除流流道106、中心流流道107分别与清除流管路系统2、中心流管路系统6相连，由此形成连通的清除流、中心流管路。

于一实施方式中，如图3所示，投砂装置12包括掺混雾化箱121、送砂部件122、连接管路123、调节阀、支架和空气系统，其中，掺混雾化箱121通过连接管路123与送砂部件122、空气系统相连通。

于一实施方式中，掺混雾化箱121包括多个喷嘴121a、第一开口121b和第二开口121c，第一开口121b与空气系统相连；连接管路123包括连通的第一支管、第二支管和第三支管，第一支管与掺混雾化箱121的第二开口121c相连，第二支管与送砂部件122相连，第三支管与空气系统相连。

于一实施方式中，投砂装置12作业时，将配置好的试验用砂通过送砂部件122送入连接管路123，压缩空气自第三支管进入连接管路123，试验用砂在压缩空气引射的作用下自第二开口121c进入掺混雾化箱121。旁路压缩空气可自第一开口121b进入掺混雾化箱121，以使含砂气流均匀，保证充分掺混。

于一实施方式中，可通过调节阀来调节空气流量以保证掺混的含砂气流按一定的速度通过喷嘴121a均匀地喷入粒子分离器的进口。

于一实施方式中，投砂浓度可调范围为45～5400mg/m³，例如600mg/m³、1000mg/m³、1500mg/m³、2000mg/m³、3000mg/m³、4000mg/m³、5000mg/m³等。

于一实施方式中，投砂速率范围可以为(0.22～0.66)g/s，例如0.3g/s、0.4g/s、0.5g/s、0.6g/s等。在等效试验中投砂速率可达到(2.2～6.6)g/s投砂，投砂装置12的投砂速率在(0.20～7.0)g/s范围内无级可调。

本发明一实施方式的投砂装置12能够在试验件进口将砂尘较均匀地喷射到气流中，有效减少砂尘在试验件入口的沉积。

于一实施方式中，砂尘收集装置(包括清除流砂尘收集装置10和中心流砂尘收集装置11)的设置能有效地分离并收集气流中的砂尘，清除流砂尘收集效率可大于99％。

于一实施方式中，砂尘收集装置可采用旋风滤网收集方式，包括3组旋风除尘器，3组旋风除尘器由6个旋风除尘器构成，其主要功能是将气流中被分离出来的砂尘经旋风除尘器组过滤，并对过滤的砂尘量进行收集和计量。

于一实施方式中，每组旋风除尘器的处理流量为(4750～15000)m³/h。除尘效率：大于99％，过滤精度：2μm。

实施例

使用图1所示的测试装置，其中的试验段如图2所示。

测试步骤如下：

(1)开启测试装置中的第一抽气风机5和第二抽气风机9，分别模拟涡轴发动机的中心流和清除流流量，达到表1所示状态规定的中心流和清除流流量，也可以根据测试要求进行流量设置。

(2)在试验状态稳定后，开启投砂装置12，连续对粒子分离器试验段完成1kg粗砂或细砂的1次投放，投砂浓度控制在45mg/m³～5400mg/m³范围内，投砂的总重量计为M₁。

(3)依次关闭清除流和中心流的第一抽气风机5和第二抽气风机6。

(4)待抽气风机完全停止运转后，从砂尘收集装置中取下滤筒，对滤筒进行试验后的重量秤重并记录，清除流收集的砂尘总重量计为M₂，中心流收集的砂尘总重量计为M₃，M₁-M₃为相同的重量单位(例如：克)。其中，M₂等于试验后滤筒和收集的砂尘的重量之和减去试验前滤筒的重量，M₃的计算方式与M₂相同。

(5)数据处理

将上述得到的M₁-M₃数据输入数据采集系统，选择公式(a)或公式(b)计算得出所述粒子分离器的砂尘分离效率η，也可同时选择两公式进行计算，互相校验。

η＝(M₂/M₁)×100％ (a)

η＝(1-M₃/M₁)×100％ (b)

按照上述步骤、方法即可得出粒子分离器粗砂、细砂的分离效率，并分别绘制出粒子分离器的粗砂、细砂分离效率随流量、清除比变化曲线。

工业实用性

使用本发明提供的测试装置和测试方法，可得出粒子分离器对于粗砂、细砂的分离效率，结果准确、可靠，而且，还可根据测试结果分别绘制出粒子分离器的粗砂、细砂分离效率随流量、清除比变化曲线，为全面评价粒子分离器的砂尘分离性能提供了保障。

本发明提供的测试方法和测试装置已应用在相关航空涡轴发动机领域，可有效评估粒子分离器的砂尘分离能力，测试后的粒子分离器随发动机整机完成了各项验证试验，工作良好。

虽然为了说明本发明，已经公开了本发明的优选实施方案，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离权利要求书所限定的本发明构思和范围的情况下，可以对本发明做出各种修改、添加和替换。

Claims (10)

1.一种粒子分离器的砂尘分离效率测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：使待测试的粒子分离器模拟产生中心流以及清除流；

S2：向所述粒子分离器投入M₁重量的砂尘，收集所述清除流中的砂尘，其重量计为M₂，和/或收集所述中心流中的砂尘，其重量计为M₃；以及

S3：通过公式(a)和/或公式(b)计算得出所述粒子分离器的砂尘分离效率η；

η＝(M₂/M₁)×100％ (a)

η＝(1-M₃/M₁)×100％ (b)。

2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：调节所述中心流以及清除流的出口流量，使其满足所述粒子分离器的清除比。

3.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于，所述中心流的出口流量为5～15kg/s，所述清除比为10％、12％、14％、16％、18％、20％或22％。

4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述步骤S2中投入的砂尘的重量为0.5～2kg。

5.根据权利要求1-4任一项所述的测试方法，其特征在于，所述砂尘为细砂或粗砂，所述粗砂包括粒径大于0小于等于1000μm的砂粒，所述细砂包括粒径大于0小于等于200μm的砂粒。

6.一种粒子分离器的砂尘分离效率测试装置，其特征在于，包括以下组成单元：

粒子分离器试验单元，用以使待测试的粒子分离器模拟产生中心流以及清除流；

投砂单元，用以向所述粒子分离器投入砂尘；

清除流单元，与所述粒子分离器产生的清除流相连；以及

中心流单元，与所述粒子分离器产生的中心流相连；

其中，所述清除流单元包括用于收集清除流砂尘的清除流收集装置，和/或，所述中心流单元包括用于收集中心流砂尘的中心流收集装置。

7.根据权利要求6所述的测试装置，其特征在于，所述清除流单元还包括：

清除流流量测量装置，用以测量所述清除流的流量；

清除流流量调节装置，用以调节所述清除流的流量；以及

第一抽气风机，用以为所述清除流生成抽吸作用力。

8.根据权利要求6所述的测试装置，其特征在于，所述中心流单元还包括：

中心流流量测量装置，用以测量所述中心流的流量；

中心流流量调节装置，用以调节所述中心流的流量；以及

第二抽气风机，用以为所述中心流生成抽吸作用力。

9.根据权利要求6所述的测试装置，其特征在于，所述投砂单元包括掺混雾化箱、送砂部件、连接管路和空气系统，所述掺混雾化箱通过所述连接管路分别与所述送砂部件、所述空气系统相连通。

10.根据权利要求6所述的测试装置，其特征在于，所述清除流收集装置和/或所述中心流收集装置包括三组旋风除尘器，所述三组旋风除尘器由六个旋风除尘器构成。