CN111964914B

CN111964914B - 一种航空发动机五级砂尘环境吞砂试验装置

Info

Publication number: CN111964914B
Application number: CN202010748199.1A
Authority: CN
Inventors: 唐利军; 刘引峰; 朱明明; 刘知理
Original assignee: Hunan Aviation Powerplant Research Institute AECC
Current assignee: Hunan Aviation Powerplant Research Institute AECC
Priority date: 2020-07-30
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2022-07-19
Anticipated expiration: 2040-07-30
Also published as: CN111964914A

Abstract

本发明公开了一种航空发动机五级砂尘环境吞砂试验装置，包括：双螺杆投砂机构，用于根据砂尘环境吞砂试验的需要精确输出相应流量的砂尘；气动喷射器，包括有进气口、进砂口和喷砂口，所述进气口通过电磁阀连接压缩空气，所述进砂口连接所述双螺杆投砂机构的出砂口；混合器，输入端与所述气动喷射器的喷砂口相连接，用于将所述喷砂口输出的砂子均匀掺混后输出；喷砂环，与所述混合器的输出端相连接，用于将混合器输出的砂子进一步均匀化后喷入发动机进气道。本发明可实现1～5级砂尘环境模拟试验，可避免细砂卡滞、确保砂尘均匀化后喷入发动机进气道、吞砂流量控制精度高、结构简单，安装调试和使用维护方便。

Description

一种航空发动机五级砂尘环境吞砂试验装置

技术领域

本发明涉及发动机检测领域，特别地，涉及一种航空发动机五级砂尘环境吞砂试验装置。

背景技术

直升机在特定地理环境近地飞行或遭遇砂尘气候环境时地面石英颗粒被大量吹起并悬浮于空气中，使发动机处于砂尘环境包围中，砂尘随气流进入发动机。发动机吸入大量悬浮于空气中的砂粒后，碰撞、冲蚀压气机转子叶片，并与冲蚀形成的金属屑一起向下游流入燃烧室，在高温火焰中熔化或保持固态，并伴随高温气流流向涡轮部件，固化在涡轮叶片表面，堵塞气膜孔，造成涡轮叶片温度上升及烧蚀，最终导致发动机性能急剧下降、使用寿命大大缩短，直升机被迫非正常换发。因此，现代航空发动机，特别是涡轴发动机，对吞砂能力的要求越来越高，考核也越来越严苛。

目前国军标GJB 1171-91将上述砂尘环境分为五个级别，我国是沙漠化危害严重的国家，军用直升机主要作战地域上都存在4-5级的恶劣砂尘环境。国外针对航空发动机吞砂试验开展了大量研究，并将吞砂试验纳入到发动机设计定型的必要环节，并对外严格技术封锁，相关4～5级砂尘环境模拟方法不得而知。

我国现有微量吞砂装置(适用于3级以下砂尘环境模拟试验)工作原理是通过改变拨砂盘在水平方向转速和垂直方向进给速度来调节吞砂流量，同时需要给储砂罐上部提供高压气体来平衡出砂口下游管道输送气体压力。使用该微量吞砂装置完成了某型发动机定型吞砂试验(1级砂尘环境模拟试验)，并且通过增加储砂罐上部空气压力和加大拨砂盘尺寸的方法进行了某型发动机3级砂尘环境模拟试验。试验结果表明，随着吞砂流量的增大及细砂(细砂流动性差)的加入，拨砂盘出现了严重的卡滞现象(即拨砂盘的给进速度过快，砂尘不能及时通过拨砂盘进入下游输送管道而堵塞)，并且高压空气的强力吹扫效果也严重影响了吞砂流量的控制精度。

发明内容

本发明提供了一种航空发动机五级砂尘环境吞砂试验装置，以解决现有砂尘环境模拟装置砂尘流量不满足要求、易卡滞、控制精度不高、无法满足五级砂尘环境吞砂试验的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种航空发动机五级砂尘环境吞砂试验装置，包括：

双螺杆投砂机构，用于根据砂尘环境吞砂试验的需要精确输出相应流量的砂尘；

气动喷射器，包括有进气口、进砂口和喷砂口，进气口通过电磁阀连接压缩空气，所述进砂口连接所述双螺杆投砂机构的出砂口；

混合器，输入端与所述气动喷射器的喷砂口相连接，用于将所述喷砂口输出的砂子均匀掺混后输出；

喷砂环，与所述混合器的输出端相连接，用于将混合器输出的砂子进一步均匀化后喷入发动机进气道。

进一步地，所述双螺杆投砂机构包括：

砂斗，用于盛放砂尘；

两输送螺杆，相互啮合地设置在所述砂斗底部，用于根据砂尘环境吞砂试验的需要将砂尘定量输出；

调速电机，与所述两输送螺杆驱动连接，用于按设定转速驱动两输送螺杆转动，将砂尘定量输出；

电子称，设置在所述砂斗下方，用于计量砂尘流量；

控制器，与调速电机电路连接，用于根据预设的目标流量向所述调速电机发送目标转速信号。

进一步地，所述砂斗的最大容量为65L。

进一步地，两输送螺杆互相啮合且转速完全一致，两输送螺杆之间的间隙d≥1mm。

进一步地，所述调速电机采用变频电机。

进一步地，所述双螺杆投砂机构的出砂口和所述气动喷射器3的进砂口之间采用无接触连接。

进一步地，所述控制器采用PID闭环控制方法，通过接收调速电机8反馈的测量转速和电子称反馈的砂尘流量自动控制所述调速电机8按目标转速旋转。

进一步地，所述航空发动机五级砂尘环境吞砂试验装置内的输送气体流速≥12.1m/s。

进一步地，所述混合器包括：

壳体、可拆卸地密封固定设置在所述壳体两端的上盖和下盖，所述上盖上居中地设置有与壳体内腔相连通的进气管，所述下盖中部沿周向均匀设置有若干与壳体内腔相连通的排气管，所述壳体朝向下盖一端呈倒置的圆锥台形。

进一步地，所述的喷砂环包括：

分配器，包括环、沿环均匀分布地径向设置的若干喷头和定位销，所述喷头的一端设置有喷口，另一端设置有通过软管与所述混合器的排气管相连接的进口连接短管；

环形喷砂环，位置可调地安装在所述分配器中部，所述环形喷砂环的环形空间被隔板分隔成若干等面积的扇形区域，每个扇形区域内均设有与分配器的各个喷口相对的反射器，所述反射器朝向喷口的一侧为圆锥面。

本发明具有以下有益效果：

本发明的航空发动机五级砂尘环境吞砂试验装置设置有双螺杆投砂机构、气动喷射器、混合器和喷砂环，适用范围广，通过更换合适的螺杆和称重传感器，可实现1～5级砂尘环境模拟试验，可避免细砂卡滞、确保砂尘均匀化后喷入发动机进气道、吞砂流量控制精度高、结构简单，安装调试和使用维护方便。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的航空发动机五级砂尘环境吞砂试验装置原理示意图；

图2是本发明优选实施例的双螺杆投砂机构示意图。

图3是本发明优选实施例的砂尘计量与控制原理示示意图。

图4是本发明优选实施例的两输送螺杆啮合示意图。

图5是本发明优选实施例的气动喷射器原理示意图。

图6是本发明优选实施例的混合器结构示意图。

图7是本发明优选实施例的分配器结构示意图。

图8是本发明优选实施例的喷砂环装配示意图。

图9是本发明优选实施例的反射器与喷口的安装位置示意图。

图中所示：1、电子称；2、电磁阀；3、气动喷射器；4、混合器；41、进气管；42、上盖；43、壳体；44、下盖；45、排气管；5、喷砂环；51、进口连接短管；52、喷口；53、环；54、定位销；55、反射器；6、输送螺杆；7、砂斗；8、调速电机；9、控制器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1，本发明的优选实施例提供了一种航空发动机五级砂尘环境吞砂试验装置，包括：

气动喷射器3，包括有进气口、进砂口和喷砂口，所述进气口通过电磁阀2连接压缩空气，所述进砂口连接所述双螺杆投砂机构的出砂口；

混合器4，输入端与所述气动喷射器3的喷砂口相连接，用于将所述喷砂口输出的砂子均匀掺混后输出；

喷砂环5，与所述混合器4的输出端相连接，用于将混合器4输出的砂子进一步均匀化后喷入发动机进气道。

本实施例的航空发动机五级砂尘环境吞砂试验装置设置有双螺杆投砂机构、气动喷射器3、混合器4和喷砂环5，其工作原理为：通过螺杆投砂机构精确测量进入气动喷射器的砂尘流量和实时调节供砂流量，压缩空气流经气动喷射器3的喷嘴部位时，形成略低于大气压的压力，使砂粒被负压吸入喷射器，然后利用高速气流的动能转变为压力能进行气力输送，最后经过混合器4和喷砂环5，将砂尘均匀分配至发动机进口。

本实施例适用范围广，通过更换合适的螺杆和称重传感器，可实现1～5级砂尘环境模拟试验，可避免细砂卡滞、确保砂尘均匀化后喷入发动机进气道、吞砂流量控制精度高、结构简单，安装调试和使用维护方便。

如图2所示，所述双螺杆投砂机构包括：

砂斗7，用于盛放砂尘；

两输送螺杆6，相互啮合地设置在所述砂斗7底部，用于根据砂尘环境吞砂试验的需要将砂尘定量输出；

调速电机8，与所述两输送螺杆6驱动连接，用于按设定转速驱动两输送螺杆6转动，将砂尘定量输出，本实施例采用变频电机；

电子称1，设置在所述砂斗7下方，用于计量砂尘流量，可精确测量进入气动喷射器3的砂尘流量；高精度的计量精度是确保吞砂流量误差为±1％的前提条件。因砂尘流量的计量是通过计算重量的差值得到，所以砂尘流量的计量不受秤体与投砂机构的机械结构变化影响，主要取决于电子称1的线性度。根据设计要求，本实施例选择了MT1260型托利多高精度称重传感器作为电子称1，其非线性度为0.02％R.C；

控制器9，与调速电机8电路连接，用于根据预设的目标流量向所述调速电机8发送目标转速信号。

本实施例一方面使用电子称1精确测量进入气动喷射器3的砂尘流量，通过变频电机控制输送螺杆6转速来实时调节供砂流量，砂尘流量精度为±1％，达到提高吞砂流量控制精度的目的。另一方面，考虑到5级砂尘环境吞砂试验中，吞砂流量大且细砂含量较多，砂尘流动性较差，为防止出现细砂粘结在螺杆上、不随螺杆旋转而沿轴向移动的现象，本实施例采用了双螺杆结构形式。两根输送螺杆6由同一个调速电机8驱动，确保转速完全一致，两根螺杆互相啮合，可以有效清除螺杆内侧淤积的细砂。

优选地，如图4所示，两输送螺杆6互相啮合且转速完全一致，两输送螺杆6之间的间隙d≥1mm。由于砂粒的粒径范围为0～1mm，并且砂粒的硬度较高，因此，为了避免砂粒对输送螺杆6的磨损，本实施例在两根螺杆之间的间隙d≥1mm的要求，且应尽可能的接近1mm。

优选地，对于双螺杆投砂机构，其砂尘输送量可按下式计算：

式中：

Q—流量；

D、d—螺杆外径、轴径；

n—螺杆转速；

S—螺距；

δ—螺旋叶片等效厚度；

—填充系数；

ρ₀—砂尘密度，取2650kg/m³。

由上式可以看出，当砂尘流量Q确定后，可以通过合理设计螺杆外径D、轴径d、螺距S、螺杆转速n、以及螺旋叶片等效厚度δ来满足5级砂尘环境吞砂试验的砂尘流量为(50～150)kg/h的要求。

最大连续吞砂量主要由砂斗容积和砂尘密度决定。

m＝ηρ₀V

式中：m—最大连续吞砂量；

V—砂斗容积；

η—有效容积系数，取0.6。

根据以上公式，当已知最大连续吞砂量为100kg后，可以确定砂斗容积为：V＝100/0.6/2650＝0.062m³，最终砂斗7容积最大为65L。

如图5所示，所述双螺杆投砂机构的出砂口和所述气动喷射器3的进砂口之间采用无接触连接，从而避免刚性连接时外力对称重的负面影响，有利于提高砂尘流量控制精度。

优选地，如图3所示，所述控制器9采用PID闭环控制方法，通过接收调速电机8反馈的测量转速和电子称1反馈的砂尘流量自动控制所述调速电机8按目标转速旋转。

本实施例在进行砂尘流量计量与控制时，将砂斗7、调速电机8、两输送螺杆6统一作为秤体，通过对秤体进行重量信号的采集，计算出重量在单位时间的变化率，经过滤波处理后可得到实际流量，控制器接收调速电机8反馈的测量转速和电子称1反馈的砂尘流量后，通过PID反馈计算，输出调节信号控制变频电机的转速来使实际流量准确跟踪目标流量，具有运行稳定、响应速度快的特点，确保了吞砂流量的控制控制精度满足要求。

优选地，所述航空发动机五级砂尘环境吞砂试验装置内的输送气体流速≥12.1m/s。因为固体颗粒相对于气体或液体的流动性差，很难依靠自身的重力或者压力来进行精准的定量输送，需要借助于外力才能完成输送过程。常见的外力辅助手段有气力和液力，在发动机吞砂试验中只能采用气力输送方案。

在气力输送中需要确定的参数主要为输送气体的流量和流速。经验表明，当气体流量为0.08kg/s时，足以满足砂尘流量为(50～150)kg/h的输送要求。

由于砂尘自身具有重力，存在沉降速度。即当进行气力输送时，气体的流速需要大于砂尘的沉降速度才能使其悬浮于气流中，而不会因重力作用沉积。当输送气流速度低于沉降速度时，砂尘将堆积在管道内，降低输送量。假设气流在管道内部流动为湍流状态，参照颗粒流体力学，离散个体颗粒的沉降速度为：

式中：dp为粒径。ξ为阻力系数，对于湍流流动，ξ取0.44。

不同粒径的颗粒具有不同的悬浮速度，悬浮速度对于砂尘的输送具有重要的参考意义，若取重力加速度g等于9.8m/s2，空气密度等于1.21kg/m3。则通过计算，可得砂粒的悬浮速度，见表1所示。

表1不同粒径颗粒的悬浮速度

粒径μm	悬浮速度m/s
		50	1.81
100	2.56
		200	3.62
500	5.72
		1000	8.09

从表1可见，砂粒悬浮速度与其密度、体积有关，密度高、体积大，则悬浮速度大，需要的气体速度就高，气体流量就大。

对于水平输送，砂粒的分布情况对于风速的大小(相对垂直管道)敏感，需有足够的风速来输送砂粒，气流速度一般取悬浮速度的1.5～2.5倍，所以本实施例的输送气体流速应≥8.09*1.5＝12.1m/s。

如图6所示，所述混合器4包括：

壳体43、可拆卸地密封固定设置在所述壳体43两端的上盖42和下盖44，所述上盖42上居中地设置有与壳体43内腔相连通的进气管41，所述下盖44中部沿周向均匀设置有六个与壳体43内腔相连通的排气管45，所述壳体43朝向下盖44一端呈倒置的圆锥台形。

本实施例中，从气动喷射器3出来的砂尘首先经过混合器均分为六等份，所有排气管45相对于进气管41位置均匀分布，且混合器垂直放置。来自气动喷射器3的含砂尘空气呈自由流进入混合器4，与混合器4的下盖44相碰撞、分散，在混合器4内形成复杂的循环流动，气流的紊流化以及砂粒与混合器4壁面碰撞时，砂粒多次反弹促使砂粒在混合器4内均匀掺混，最终实现了均匀性。

如图7至图9所示，所述的喷砂环5包括：

分配器，包括环53、沿环53均匀分布地径向设置的若干喷头和定位销54，所述喷头的一端设置有喷口52，另一端设置有通过软管与所述混合器4的排气管45相连接的进口连接短管51；

环形喷砂环，位置可调地安装在所述分配器中部，所述环形喷砂环的环形空间被隔板分隔成若干等面积的扇形区域，每个扇形区域内均设有与分配器的各个喷口52相对的反射器55，所述反射器55朝向喷口52的一侧为圆锥面。

本实施例中，分配器的所有出口相对于进口位置也呈均匀分布。即使混合器4和分配器从结构上做到了均匀设计，可是如果它们的出口总压不一致，仍然会导致各个出口的砂尘分布不均匀。由于混合器4相对于分配器的侧向偏位，会导致在布置连接软管时长度以及走向会有些许差别，以及分配器后面的连接软管长度和方向的些许差别，很可能会引起出口总压的不一致。为了使这些因素不影响砂尘均匀分配，必须在吞砂装置调试时检查这些连接软管出口的总压。最佳的解决方法是使这些连接软管的长度一致，以及分布位置也尽可能一样，使所有连接软管的出口总压相等。

所述环形喷砂环的作用是将从分配器出来的含砂尘的空气均匀投放至发动机环形进口截面。如图8所示，喷砂环的环形空间被12个隔板分隔成12个等面积的扇形区域。喷砂环在工作过程中由喷口52以大约30m/s速度喷出的含砂尘气流与反射器55相撞。此时气流绕过反射器55，而砂尘粒子因惯性冲撞到反射器55的圆锥面，经反射在扇形通道范围内散开。由反射器55反弹的粒子与通道壁相碰撞后进一步分散开，促使在发动机进口截面处，砂尘在整个横截面范围内实现均匀分布。经过几次碰撞，还可以达到消除因压缩空气给砂尘加速造成的动能效应，在发动机进口截面最大程度模拟了自然砂尘环境。

上述实施例提供的航空发动机五级砂尘环境吞砂试验装置在使用权需要进行调试，具体包括：

a)静态校准

首先进行零值校准(让初始重量显示为0)，然后进行系数修正(测得的重量值与实际重量值之比)，该项修正的前提是称重传感器的线性度在满意的范围之内。

静态校准结果见表2所示。

表2静态校准结果

实际值g	测量值g	误差
			5012	5019	+0.14％
3850	3855	+0.13％
			1203	1205	+0.17％

注：实际值为另一台高精度电子秤测得的值。为了跟实际吞砂过程的称重环境保持一致，表2的测量值是在输送管道接通压缩空气的情况下进行的测量。

b)动态校准

在正对两输送螺杆6的出砂口处放置一个不锈钢盆。

校准过程为：接通电源--初始化--检查参数--设定流量(100kg/h)--点击运行，通过收集2min、5min和12min内的投砂量，总量误差小于±1％。

c)喷砂调试

喷砂调试为：先打开输送气体开关，最后再按照动态校准的方法进行操作。

通过上述五级砂尘环境吞砂试验装置的调试结果，可得到以下结论：

(1)砂尘流量满足设计要求；

(2)喷砂环出口截面砂尘分布均匀性较好；

(3)砂尘流量误差小于±1％；

(4)供砂连续，无细砂卡滞现象；

(5)该吞砂装置满足5级砂尘环境吞砂试验要求，具备航空涡轴发动机进行5级砂尘环境吞砂试验的能力。

本发明提供的航空发动机五级砂尘环境吞砂试验装置，使砂尘浓度从1级提高到5级(提升超过100倍)，可满足5级砂尘环境吞砂试验的需求，同时砂尘流量的控制精度也大为提高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种航空发动机五级砂尘环境吞砂试验装置，其特征在于，包括：

气动喷射器(3)，包括有进气口、进砂口和喷砂口，进气口通过电磁阀(2)连接压缩空气，所述进砂口连接所述双螺杆投砂机构的出砂口；

混合器(4)，输入端与所述气动喷射器(3)的喷砂口相连接，用于将所述喷砂口输出的砂子均匀掺混后输出；

喷砂环(5)，与所述混合器(4)的输出端相连接，用于将混合器(4)输出的砂子进一步均匀化后喷入发动机进气道；

所述混合器(4)包括：

壳体(43)、可拆卸地密封固定设置在所述壳体(43)两端的上盖(42)和下盖(44)，所述上盖(42)上居中地设置有与壳体(43)内腔相连通的进气管(41)，所述下盖(44)中部沿周向均匀设置有若干与壳体(43)内腔相连通的排气管(45)，所述壳体(43)朝向下盖(44)一端呈倒置的圆锥台形；

所述的喷砂环(5)包括：

分配器，包括环(53)、沿环(53)均匀分布地径向设置的若干喷头和定位销(54)，所述喷头的一端设置有喷口(52)，另一端设置有通过软管与所述混合器(4)的排气管(45)相连接的进口连接短管(51)，其中，各软管的长度一致且分布位置一样；

环形喷砂环，位置可调地安装在所述分配器中部，所述环形喷砂环的环形空间被隔板分隔成若干等面积的扇形区域，每个扇形区域内均设有与分配器的各个喷口(52)相对的反射器(55)，所述反射器(55)朝向喷口(52)的一侧为圆锥面。

2.根据权利要求1所述的航空发动机五级砂尘环境吞砂试验装置，其特征在于，所述双螺杆投砂机构包括：

砂斗(7)，用于盛放砂尘；

两输送螺杆(6)，相互啮合地设置在所述砂斗(7)底部，用于根据砂尘环境吞砂试验的需要将砂尘定量输出；

调速电机(8)，与所述两输送螺杆(6)驱动连接，用于按设定转速驱动两输送螺杆(6)转动，将砂尘定量输出；

电子称(1)，设置在所述砂斗(7)下方，用于计量砂尘流量；

控制器(9)，与调速电机(8)电路连接，用于根据预设的目标流量向所述调速电机(8)发送目标转速信号。

3.根据权利要求2所述的航空发动机五级砂尘环境吞砂试验装置，其特征在于，所述砂斗(7)的最大容量为65L。

4.根据权利要求2所述的航空发动机五级砂尘环境吞砂试验装置，其特征在于，两输送螺杆(6)互相啮合且转速完全一致，两输送螺杆(6)之间的间隙d≥1mm。

5.根据权利要求2所述的航空发动机五级砂尘环境吞砂试验装置，其特征在于，所述调速电机(8)采用变频电机。

6.根据权利要求1所述的航空发动机五级砂尘环境吞砂试验装置，其特征在于，所述双螺杆投砂机构的出砂口和所述气动喷射器(3)的进砂口之间采用无接触连接。

7.根据权利要求2所述的航空发动机五级砂尘环境吞砂试验装置，其特征在于，所述控制器(9)采用PID闭环控制方法，通过接收调速电机(8)反馈的测量转速和电子称(1)反馈的砂尘流量自动控制所述调速电机(8)按目标转速旋转。

8.根据权利要求1所述的航空发动机五级砂尘环境吞砂试验装置，其特征在于，所述航空发动机五级砂尘环境吞砂试验装置内的输送气体流速≥12.1m/s。