CN111648865B - 一种可变粒子分离器多气室鼓包中心体结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变粒子分离器多气室鼓包中心体结构及其设计方法，包括金属骨架和套接于金属骨架外侧的多气室鼓包；所述多气室鼓包由橡胶与纤维帘线复合而成，多气室鼓包内部分为两个气室，即主气室和副气室，且分别通过两个气嘴对主气室和副气室充气；柔性鼓包型面通过控制不同气室的压强来调节型面高度，实现在基础型面和最高型面之间的范围变形。本发明使粒子分离器改变单一使用状态，对于不同的环境使用需求有不同的型面高度，从而调节进气道喉道面积，在兼具粒子分离器的功能基础上，还解决了常规的进气道型面不可调节的问题，可用以满足在特殊飞行环境下排砂处理的需求，具有很好的工程实用性。

Description

一种可变粒子分离器多气室鼓包中心体结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种可变粒子分离器多气室鼓包中心体结构及其设计方法，属于航空发动机结构设计技术领域。

背景技术

直升机是一种常见的飞行器，主要是得益于区别其他航空器的灵活飞行特征：可以在某些广阔非特定的场地进行起降且能在空中稳定悬停；可以不受地形地貌限制；可以迅速应对工况变化改变航线、飞行高度、速度与姿态。直升机经常工作在恶劣的工作环境中，例如沙漠地带、近海地区、森林火灾、雪域冰川等。这些环境中的砂粒、盐雾、树叶、冰雪等颗粒杂物不可避免的被吸入发动机，对发动机的寿命造成重大的影响。因此非常必要在发动机进气部件增设粒子分离器，对进入发动机的气流进行分离净化。

而可变粒子分离器将内壁柔性面鼓包设置为可充气的气囊鼓包，以此来满足发动机在不同飞行环境下的使用需求。在含砂浓度高的飞行环境下，给鼓包气囊加气压，使内壁面鼓包升高，增大分砂效率，适当牺牲进气气动性能；在良好的飞行环境下，鼓包气囊减气压，使内壁面鼓包恢复原始最佳型面，降低进气气流总压损失和畸变，使粒子分离器保持较高的气动性能。

为了实现粒子分离器柔性鼓包的自适应功能，鼓包型面需要在较大范围内反复改变形状高度以调节进气道的气动载荷能力，同时兼具粒子分离器的作用。在这种情况下，使用常规的金属材料难以达到设计要求，因此采用柔性多气室鼓包是一种较为理想的实现途径。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可变粒子分离器多气室鼓包中心体结构及其设计方法，实现鼓包能在一定范围内反复调节改变型面高度，既具有满足发动机气动载荷需求的能力，又可以在特殊环境下进行排砂处理，保护发动机。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种可变粒子分离器多气室鼓包中心体结构，包括金属骨架和套接于金属骨架外侧的多气室鼓包；

其中，所述多气室鼓包由橡胶与纤维帘线复合而成，其包括外鼓包层和连接于外鼓包层内部的内分隔层，且多气室鼓包的鼓包型面符合空气动力学要求，在基础型面和最高型面之间的范围变形；

所述金属骨架整体呈圆筒型，其外壁两端及中部设有密封环，且密封环上设有凹槽，用于实现外鼓包层两端及内分隔层的嵌入式密封固定；所述金属骨架的内壁面上设有气嘴，用于对多气室鼓包施加内部的气压载荷，实现多气室鼓包的可变形。

进一步的，所述多气室鼓包内部通过内分隔层分为两个气室，即主气室和副气室，且分别通过两个气嘴对主气室和副气室充气。当需要升高基础型面时，先对主气室充气压，然后对副气室再加压，两个气室内压强不同，以满足外部型线的设计要求。

进一步的，所述多气室鼓包为偏心设计，即型面不对称。基础型面时满足气动性能，当通过气嘴内部充压后，逐渐达到最高型面，满足特定环境下排砂需求。

进一步的，所述基础型面到最高型面增高10％，可反复充放气，高度误差控制在5％以内。

上述可变粒子分离器多气室鼓包中心体结构的设计方法，包括以下步骤：

1)确定可变粒子分离器中心体鼓包型面

根据可变粒子分离器中心体的鼓包设计要求，以及进气道喉道面积的变化需求和排砂效率，对鼓包型面进行气动设计，得到主要两个型面，分别为基础型面和最高型面；

2)确定可变粒子分离器中心体的结构形式和材料

所述可变粒子分离器中心体包括多气室鼓包和金属骨架，其中多气室鼓包由橡胶与纤维帘线复合而成，形成外胶层-纤维帘子布-内胶层的复合结构；金属骨架整体呈圆筒型，其外壁两端及中部设有带凹槽的密封环，且金属骨架上开有气嘴，用于对多气室鼓包施加内部的气压载荷，实现多气室鼓包的可变形；

3)确定多气室鼓包压强

初步确定多气室鼓包的结构和材料后，采用Abaqus有限元分析软件对多气室鼓包进行变形分析；

首先，基于鼓包型面的初始状态建立有限元模型，在模型中输入橡胶材料和帘线材料属性，对两个气室施加不同气压载荷进行仿真；

采用非线性算法进行计算多气室鼓包的变形过程，考虑到内部施加的气压载荷对多气室鼓包的变形作用，计算多气室鼓包从基础型面变形到最高型面过程中的位移、应力、应变，以确保多气室鼓包在变形过程中不发生破坏以及多气室鼓包在变形过程中不应出现局部异常变形；

如果计算结果显示鼓包型面无法达到理想型面，说明气室内压强选择的不合适，需要改变充压载荷，再重新进行有限元模型仿真；

经过多次局部调整计算仿真之后，确定了主气室和副气室相互配合的气压，以达到设计型面，满足分砂效率和气动要求，形成多气室鼓包的设计方案。

有益效果：本发明提供的一种可变粒子分离器多气室鼓包中心体结构及其设计方法，能够使粒子分离器改变单一使用状态，对于不同的环境使用需求有不同的型面高度，从而调节进气道喉道面积，在兼具粒子分离器的功能基础上，还解决了常规的进气道型面不可调节的问题，具有很好的工程实用性。

附图说明

图1为可变粒子分离器模型的结构示意图；

图2为可变粒子分离器中心体的结构示意图；

图3为本发明中多气室鼓包中心体的结构示意图；

图4为本发明中多气室鼓包中心体变形范围的结构示意图；

图5为本发明中中心体鼓包型面曲线的对比示意图；

图中包括：1、中心体，2、外壁面，3、分流器，4、最高型面，5、基础型面，6、多气室鼓包，7、金属骨架，8、气嘴，9、外鼓包层，10、内分隔层，11、密封环，12、凹槽，13、主气室，14、副气室。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

根据可变粒子分离器中心体的设计要求，以及对粒子分离器的分砂效率，其鼓包型面是经过气动设计的三维型面。如图1所示，可变粒子分离器主要由外壁面2、分流器3、中心体1等重要部件组成，而中心体1为可变型面，可由基础型面5在充压后逐渐达到最高型面4。

如图2所示，为可变粒子分离器中心体示意图，包括金属骨架7和套接于金属骨架外侧的多气室鼓包6；其中，所述多气室鼓包6由橡胶与纤维帘线复合而成，其包括外鼓包层9和连接于外鼓包层9内部的内分隔层10，且多气室鼓包6的鼓包型面符合空气动力学要求，在基础型面和最高型面之间的范围变形；

所述金属骨架7整体呈圆筒型，其外壁两端及中部设有密封环11，且密封环上设有凹槽12，用于实现外鼓包层9两端及内分隔层10的嵌入式密封固定；所述金属骨架7的内壁面上设有气嘴8，用于对多气室鼓包6施加内部的气压载荷，实现多气室鼓包6的可变形。

如图3、4所示，所述多气室鼓包6内部通过内分隔层分为两个气室，即主气室13和副气室14，且分别通过两个气嘴8对主气室13和副气室14充气。当需要升高基础型面时，先对主气室充气压，然后对副气室再加压，两个气室内压强不同，以满足外部型线的设计要求。

本发明中，所述多气室鼓包为偏心设计，即型面不对称。基础型面时满足气动性能，当通过气嘴内部充压后，逐渐达到最高型面，满足特定环境下排砂需求。所述尼龙帘线有较好的伸长量，最大可到20％，并具有一定刚度和强度。

如图5所示，所述基础型面到最高型面增高10％，可反复充放气，高度误差控制在5％以内。

上述可变粒子分离器多气室鼓包中心体结构的设计方法，包括以下步骤：

1)确定可变粒子分离器中心体鼓包型面

根据可变粒子分离器中心体的鼓包设计要求，以及进气道喉道面积的变化需求和排砂效率，对鼓包型面进行气动设计，得到主要两个型面，分别为基础型面和最高型面。在含砂浓度高的飞行环境下，通过气嘴对鼓包内部充气压，使鼓包达到最高型面，可增大分砂效率，适当牺牲进气气动性能。在良好的飞行环境下，气嘴放气，使鼓包恢复原始基础型面，降低进气气流总压损失和畸变，使粒子分离器保持较高的气动性能。

2)确定可变粒子分离器中心体的结构形式和材料

如图2、3所示，可变粒子分离器中心体由柔性多气室鼓包和金属骨架构成，且柔性鼓包型面通过控制不同气室的压强来调节型面高度。其中柔性鼓包又是由天然橡胶和尼龙帘线构成。金属骨架作为进气道整体的一部分连接件，同时也起到了柔性鼓包的载体作用。金属骨架上开有小孔对柔性层施加内部的气压载荷，实现柔性鼓包的可变形。

柔性层由帘线-橡胶复合而成，多气室鼓包内部橡胶起到密封，保护帘线层的作用，最外层的橡胶与空气接触，要求具有良好耐老化性能以及耐刮擦性能，才可在含砂浓度高的环境下有较好的使用寿命。橡胶材料还可以是氯丁橡胶或其他橡胶，也可以根据具体使用环境来选择适应外部环境因素(耐湿热，抗霉菌等环境)的橡胶，来应对海洋或潮湿空气环境。橡胶内部则由尼龙帘线(即纤维帘子布)复合制成，起到提高刚度的作用，单一橡胶太软，刚度不够，加入帘线后可极大提高柔性层刚度。

针对纤维帘子布宜选择高弹性模量、高变形率的材料，可以是尼龙纤维，聚酯纤维等织物纤维，将纤维织物制成浸胶帘子布，与橡胶硫化时更易粘合，提高强度。

3)确定多气室鼓包压强

多气室鼓包型面高度的变化主要取决于两个气室内的压强大小，如图4所示，为多气室柔性鼓包变形范围示意图，初步确定多气室鼓包的结构和材料后，采用Abaqus有限元分析软件对柔性鼓包进行变形分析。

首先，基于鼓包型面的初始状态建立有限元模型，在模型中输入基体材料和帘线材料属性，对两个气室施加不同气压载荷进行仿真。

多气室鼓包变形过程属于大变形力学行为，因此，应当采用非线性算法进行计算。考虑到内部施加的气压载荷对柔性鼓包的变形作用，计算柔性鼓包从基础型面变形到最高型面过程中的位移、应力、应变等力学量。

多气室鼓包在变形过程中不发生破坏。如果计算结果显示变形型面无法达到理想型面，说明气室内压强选择的不合适，需要改变充压载荷，再重新进行有限元模型仿真。

多气室鼓包在变形过程中不应出现局部异常变形。随着内部施加的气压载荷逐渐增大，变形高度也在增高，同时保持偏心形态，利于分砂处理同时满足进气道的气动需求。

如图5所示，鼓包型面曲线对比示意图，当内部压强不同时，型面高度也不同，由基础型面逐渐升高直到最高型面，当不同压强时，型面高度不同，粒子分离器的分砂效率也不同，并且还可以兼具调节进气道的作用。

经过多次局部调整计算仿真之后，确定了主气室和副气室相互配合的合理气压，用以达到设计型面，满足分砂效率和气动要求，形成多气室鼓包的设计方案。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种可变粒子分离器多气室鼓包中心体结构，其特征在于，包括金属骨架和套接于金属骨架外侧的多气室鼓包；

其中，所述多气室鼓包由橡胶与纤维帘线复合而成，其包括外鼓包层和连接于外鼓包层内部的内分隔层，且多气室鼓包的鼓包型面符合空气动力学要求，在基础型面和最高型面之间的范围变形；

所述金属骨架整体呈圆筒型，其外壁两端及中部设有密封环，且密封环上设有凹槽，用于实现外鼓包层两端及内分隔层的嵌入式密封固定；所述金属骨架的内壁面上设有气嘴，用于对多气室鼓包施加内部的气压载荷，实现多气室鼓包的可变形；

所述多气室鼓包内部通过内分隔层分为两个气室，即主气室和副气室，且分别通过两个气嘴对主气室和副气室充气；所述多气室鼓包为偏心设计，即型面不对称；所述基础型面到最高型面增高10%，高度误差在5%以内。

2.一种基于权利要求1所述可变粒子分离器多气室鼓包中心体结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）确定可变粒子分离器中心体鼓包型面

根据可变粒子分离器中心体的鼓包设计要求，以及进气道喉道面积的变化需求和排砂效率，对鼓包型面进行气动设计，得到主要两个型面，分别为基础型面和最高型面；

2）确定可变粒子分离器中心体的结构形式和材料

所述可变粒子分离器中心体包括多气室鼓包和金属骨架，其中多气室鼓包由橡胶与纤维帘线复合而成，形成外胶层-纤维帘子布-内胶层的复合结构；金属骨架整体呈圆筒型，其外壁两端及中部设有带凹槽的密封环，且金属骨架上开有气嘴，用于对多气室鼓包施加内部的气压载荷，实现多气室鼓包的可变形；

3）确定多气室鼓包压强

初步确定多气室鼓包的结构和材料后，采用Abaqus有限元分析软件对多气室鼓包进行变形分析；

首先，基于鼓包型面的初始状态建立有限元模型，在模型中输入橡胶材料和帘线材料属性，对两个气室施加不同气压载荷进行仿真；

采用非线性算法进行计算多气室鼓包的变形过程，考虑到内部施加的气压载荷对多气室鼓包的变形作用，计算多气室鼓包从基础型面变形到最高型面过程中的位移、应力、应变，以确保多气室鼓包在变形过程中不发生破坏以及多气室鼓包在变形过程中不应出现局部异常变形；

如果计算结果显示鼓包型面无法达到理想型面，说明气室内压强选择的不合适，需要改变充压载荷，再重新进行有限元模型仿真；

经过多次局部调整计算仿真之后，确定了主气室和副气室相互配合的气压，以达到设计型面，满足分砂效率和气动要求，形成多气室鼓包的设计方案。

Images