CN116696552B - 无旋式粒子分离器及航空发动机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种无旋式粒子分离器，其内壁，呈回转曲面设置，内壁与回转中心线距离最大处形成顶点；外壁，围设于内壁外部，外壁和内壁合围形成分离通道，所述分离通道一端为入口，分离通道另一端为出口，分离通道的截面积自顶点位置向入口和出口位置逐渐增大；分流件，设置于分离通道的出口端，分流件将分流通道出口分隔为靠近外壁的清除通道和靠近内壁的气体通道；内壁自分离通道入口到顶点位置形成迎风面，迎风面上设置有排气口，内壁自分离通道出口到顶点位置形成背风面，背风面上设置有吸气口，吸气口和排气口之间设置有导气通道，导气通道位于分离通道外，导气通道内设置有将吸气口气体输送到排气口的泵送装置。本申请具有解决进气损失和细砂分离效率矛盾的技术问题，在提升细砂分离效率的同时对进气损失的影响较小。

Description

无旋式粒子分离器及航空发动机

技术领域

本发明涉及航空涡轴发动机技术领域，特别地，涉及一种无旋式粒子分离器。

背景技术

直升机在起飞、降落以及近地悬停和飞行时，旋翼下气流会卷起地面的各种砂尘、树叶、草、飞鸟等杂物，并吸入发动机，造成发动机严重损伤、降低发动机的性能和使用寿命，其中砂尘对发动机的损伤最严重，也最难进行防护。为此，人们发明了各种直升机动力防护装置，目前最常用的砂尘防护装置包括整体式粒子分离器，整体式粒子分离器可适用于不同型号直升机，具备全天候工作能力。整体式粒子分离器是通过进气部件自身流道的特殊设计，使气流产生急剧拐弯或旋转，利用砂尘等外物的惯性比空气大的特点，将砂尘等外物从发动机入口气流中分离出去。整体式粒子分离器又分为预旋式粒子分离器和无旋式粒子分离器。无旋式粒子分离器的分离效率比预旋式的更高而且进气总压损失更小，是现代整体式粒子分离器的主流。

无旋式粒子分离器的流道由内壁、外壁、分流唇口以及其中的支板或叶片组成，其流道的主要特征是一个弯曲的分叉流道，在内壁驼峰顶点前的通道面积随气流流动而逐渐缩小，顶点后的通道面积逐渐增大，主要利用砂尘随着气流急剧拐弯时其自身惯性大而脱离气流轨迹进入分流唇口外部的清除流道而被排出去，一般而言，提高粒子分离器内壁驼峰的高度，会增大无旋式粒子分离器对细砂的分离效率，但是增大驼峰高度也会导致粒子分离器的进气损失增大。因此，粒子分离器的气压损失和细砂分离效率是矛盾的。

发明内容

本发明提供了一种无旋式粒子分离器，以解决进气损失和细砂分离效率矛盾的技术问题，在提升细砂分离效率的同时减少进气损失。

根据本发明的一个方面，提供一种无旋式粒子分离器，包括内壁，呈回转曲面设置，内壁与回转中心线距离最大处形成顶点；外壁，围设于内壁外部，外壁和内壁合围形成分离通道，所述分离通道一端为入口，分离通道另一端为出风口，分离通道的截面积自顶点位置向入口和出风口位置逐渐增大；分流件，设置于分离通道的出风口端，分流件将分流通道出风口分隔为靠近外壁的清除通道和靠近内壁的气体通道；内壁自分离通道入口到顶点位置形成迎风面，迎风面上设置有排气口，内壁自分离通道出风口到顶点位置形成背风面，背风面上设置有吸气口，吸气口和排气口之间设置有导气通道，导气通道位于分离通道外，导气通道内设置有将吸气口气体输送到排气口的泵送装置。

通过采用上述技术方案，从排气口排出的气流从内壁迎风面吹入分离器流道中，将细砂吹向靠近外壁的部位，从而提高细砂的分离效率，与此同时，顶点区域会产生一个大的分离区域，若分离区域内的低能量气流进入主流道，会使得主流道出风口的总压损失显著增大，而泵送装置能够通过吸气口将分离区域内的低能量气流吸入然后供给排气口吹气，不但降低了总压损失，还能完成空气的内循环，使吹气口不必从外部引入气流，解决进气损失和细砂分离效率矛盾的技术问题，在提升细砂分离效率的同时对进气损失的影响较小。

可选的，泵送装置包括设置在导气通道内的离心风扇以及驱使离心风扇旋转的电机，离心风扇在电机驱动下旋转，使导气通道靠近吸气口一端的气压小于导气通道靠近排气口一端的气压。

通过采用上述技术方案，离心风扇能够对从吸气口吸入的气体进行增压，使从排气口吹出的气流能量更好，进而更好地将细砂吹向靠近外壁的部位，提升分离效率。

可选的，所述分流件靠近分离通道入口一端形成分流唇口，分流唇口与内壁回转中心线的距离小于顶点与中心线的距离。

通过采用上述技术方案，分流唇口的位置低于顶点的位置，使气流在通过顶点后需要急剧的拐弯才能进入到分流唇口下方的气体通道内，细砂等杂质在惯性的作用下来不及拐弯会与分流唇口靠近分流通道的一侧碰撞，进而从分流通道排出，因此这样设置分流唇口能够有效提升分离效率。

可选的，所述排气口的出口方向与内壁迎风面垂直。

通过采用上述技术方案，排气口排出的气体从垂直迎风面的角度吹入到分离通道内，与分离通道内的主气流呈大致垂直，能够使主气流中砂尘离开内壁方向的趋势更强，同时对主流道的流场影响较小，即综合性能较佳。

可选的，所述吸气口截面积与排气口截面积的比值大于二。

通过采用上述技术方案，吸气口截面积较大时能够减少吸气时离心风扇电机的功率损耗，能够降低粒子分离器工作的功耗。

可选的，所述离心风扇的压比小于二，从排气口吹出的气流流量与分离通道内总气流流量比值不大于2.5％。

通过采用上述技术方案，气体在被压缩的过程中温度会升高，当风压比过大时，从排气口进入到分离通道内空气的温度过高，进而导致从粒子分离器出风口排出气体的温度提高，会使得涡轴发动机的性能衰减；当从排气口进入到分离通道内空气的流量过大时，对分离通道内主气流运动轨迹的影响较大，会使主流道出风口的总压损失显著增大。

可选的，所述导气通道包括：吸气腔，设置于内壁远离分离通道的一侧，吸气腔与吸气口连通；排气腔，设置于内壁远离分离通道的一侧，排气腔与排气口连通；压缩腔，连接吸气腔与排气腔，所述离心风扇设置于压缩腔内，电机设置于压缩腔外壁上，且电机输出轴伸入到压缩腔内与离心风扇连接。

可选的，吸气口和排气口为孔状，吸气口和排气口对应沿周向在内壁上间隔设置有多个，吸气腔和排气腔为沿内壁周向的环形，吸气腔与所有吸气口连通，排气腔同时与所有排气口连通。

通过采用上述技术方案，吸气口和排气口沿周向分布多个，能够使分离通道各个方向上的主气流较为均匀，对流场影响较小，从而降低压力损失。

可选的，吸气口和排气口为绕内壁回转中心线的环状。

通过采用上述技术方案，环状的进气口和排气口能够使吹气的气流在内壁圆周的各个方向上完全一致，对流场影响较小，从而降低压力损失。

根据本发明的另一方面，还提供了一种航空发动机，其包括上述的无旋式粒子分离器。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.从排气口排出的气流从内壁迎风面吹入分离器流道中，将细砂吹向靠近外壁的部位，从而提高细砂的分离效率；

2.泵送装置能够通过吸气口将分离区域内的低能量气流吸入然后供给排气口吹气，不但降低了总压损失还能完成空气的内循环，使吹气口不必从外部引入气流，解决进气损失和细砂分离效率矛盾的技术问题。

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是直径5μm砂粒在无旋式粒子分离器流道中的运动轨迹数值仿真模拟结果；

图2是直径300μm砂粒在无旋式粒子分离器流道中的运动轨迹数值仿真模拟结果；

图3是直径5μm砂粒在本申请实施例无旋式粒子分离器流道中的运动轨迹数值仿真模拟结果；

图4是本申请实施例无旋式粒子分离器的结构示意图。

图例说明：

1、排气口；2、排气腔；3、排气腔进口管；4、离心风扇；5、电机；6、吸气口；7、吸气腔；8、吸气腔出口管；9、内壁；10、外壁；11、分流件；12、顶点；13、分流唇口；14、泵送装置；15、入口；16、出风口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

以下结合附图1-4对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开了一致无旋式粒子分离器及航空发动机。

直升机在起飞、降落以及近地悬停和飞行时，旋翼下气流会卷起地面的各种外物并吸入发动机，造成发动机严重损伤、降低发动机的性能和使用寿命，其中，特别是砂尘，对发动机的损伤最严重，也最难进行防护。为此，人们发明了各种直升机动力防护装置，目前最常用的砂尘防护装置包括安装在直升机进气道入口前的滤网、多管式粒子分离器和作为发动机一个部件的整体式粒子分离器。其中，滤网效率最高，对细砂的分离效率也高达99％，但体积庞大，并且需要频繁清洗或更换，维护困难；多管式粒子分离器效率次之，细砂分离效率大于90％，不需要频繁清洗，但体积也比较大，增大了飞机的外部阻力，并且不能在结冰环境下长时间工作；整体式粒子分离器的分离效率低于前两者，但细砂分离效率也大于80％，可适用于不同型号直升机，是三种粒子分离器中惟一具备全天候工作能力的，并且还兼具其它多种功能，例如进气、承力以及滑油散热等功能。因此，现代先进涡轴发动机，例如T700、T800、RTM322、T901等涡轴发动机，都具备了整体式粒子分离器。

整体式粒子分离器是直升机动力装置涡轴发动机的进气部件，通过进气部件自身流道的特殊设计，使气流产生急剧拐弯或旋转，利用砂尘等外物的惯性比空气大的特点，将砂尘等外物从发动机入口气流中分离出去。整体式粒子分离器又分为预旋式粒子分离器和无旋式粒子分离器。无旋式粒子分离器的分离效率比预旋式的更高而且进气总压损失更小，因此，是现代整体式粒子分离器的主流。

无旋式粒子分离器的原理是，细砂(直径小于30μm的砂尘)主要利用砂尘随着气流急剧拐弯时其自身惯性大而脱离气流轨迹进入分流唇口外部的清除流道而被排出去，图1是直径5μm砂粒在无旋式粒子分离器流道中的运动轨迹数值仿真模拟结果。粗砂(直径大于100μm的砂尘)主要利用砂子与壁面碰撞反弹的特性，将反弹后的砂子聚焦射入清除通道而被排出。图2是直径300μm砂粒在无旋式粒子分离器流道中的运动轨迹数值仿真模拟结果。

一般而言，提高粒子分离器内壁驼峰的高度，会增大无旋式粒子分离器对细砂的分离效率，但对粗砂而言则相反，提升驼峰高度反而可能导致无旋式粒子分离器对粗砂的分离效率减小。另一方面，增大驼峰高度也会导致粒子分离器的进气损失增大。因此，粒子分离器的进气损失、粗砂分离效率和细砂分离效率是矛盾的，只能进行折中设计，尽量将三者达到一个最佳的平衡状态。

研究发现，在驼峰迎风面向将外部气体吹入粒子分离器流道中，将细砂吹向靠近外壁的部位，能够提高细砂的分离效率，吹气气流越靠近驼峰迎风面的顶点，对细砂分离效率提升的效果越明显，但是与此同时，驼峰顶部会产生一个大的分离区域，越靠近驼峰顶点，分离区域越大，分离区域内的低能量气流进入主流道后使得主流道出风口的总压损失显著增大。数值仿真结果表明此时粒子分离器主流的总压损失达到了普通无旋式粒子分离器的3-4倍。并且如果采用从发动机压气机引来的高压气流作为气源，由于现代涡轴发动机的压比越来越高，级数越来越少，从压气机中间级引来的气流的压力和温度也越来越高，一般而言，现代涡轴发动机引气口的气流温度比外部大气的温度大于260°。这一方面会导致发动机因为引气而直接损失的功率越来越大，另一方面，高温引气气流进入粒子分离器后使得粒子分离器出风口气流的总温升高8度以上。上述2个因素的综合影响，会使得涡轴发动机的性能衰减20％以上，甚至可能会严重到使得发动机不能正常工作的地步。因此，现有吹气方案的代价太大，无法进入工程实用。

参照图3，本实施例的无旋式粒子分离器包括内壁9、外壁10和分流件11，内壁9呈回转曲面设置，内壁9中部向远离回转中心线的方向凸起形成驼峰，内壁9与回转中心点的距离在驼峰的顶点12位置最大；外壁10同样呈回转曲面设置，在一种具体的实施方式中，外壁10的回转中心线与内壁9的回转中心线同轴。外壁10围设于内壁9外部，外壁10和内壁9合围形成分离通道，分离通道一端为入口15，分离通道另一端为出风口16，分离通道的截面积自顶点12位置向入口15和出风口16位置逐渐增大。

分流件11设置于分离通道的出风口16端，分流件11将分流通道出风口16分隔为靠近外壁10的清除通道和靠近内壁9的气体通道，分流件11靠近分离通道入口15一端形成分流唇口13，分流唇口13与内壁9回转中心线的距离小于顶点12与中心线的距离，流唇口与内壁9回转中心线的距离小于顶点12与中心线的距离，即分流唇口13的半径低于驼峰最顶点12，从粒子分离器入口15看不见分流唇口13，分流唇口13为隐藏式。

内壁9自分离通道入口15到顶点12位置形成迎风面，迎风面上设置有排气口1，内壁9自分离通道出风口16到顶点12位置形成背风面，背风面上设置有吸气口6，吸气口6和排气口1之间设置有导气通道，导气通道位于分离通道外，导气通道内设置有将吸气口6气体输送到排气口1的泵送装置14。

图3是本发明提出同时具有吸气和吹气功能的新型粒子分离器流道中气流的迹线图，从图中可以看到，吸气口6把吹气气流形成大分离区域缩小并将低能量气流抽走，这样流入主流道都是高能量气流。CFD数值仿真结果表明这时粒子分离器主流出风口16的总压损失比普通(不吹气)无旋式粒子分离器只增大0.2％左右。同时，对粒子运动轨迹的数值模拟结果(图3)表明仍然可以完全将直径5μm砂粒100％分离出去，在提升分离效率的同时，对总压损失影响较小，并且本方案无需调节内壁9驼峰的高度，直径较大的砂尘粒，例如300μm的砂尘粒在与外壁10碰撞反弹后进入到清除通道内，不会受到影响，使粒子分离器的气压损失、粗砂分离效率和细砂分离效率三者之间得到了良好的平衡。

通过试验发现，吹气口的方向对性能影响较大，在本申请的一个具体的实施方式中排气口1的出口方向与内壁9迎风面垂直，采用垂直于壁面方向射入，这样即可使得砂尘离开内壁9的趋势更强，同时对主流道的流场影响较小，即综合性能最佳。吹气口的位置一般设置在驼峰顶点12的前方一定距离，太靠近顶点12会使得分离区域太大，太远会使分离效果不佳。同时，吸气口6的位置选择也很关键，设计时需要反复迭代计算，使得吸气口6刚好把吹气造成分离气流全部吸入最好。如果有分离器气流进入主流道，会使得主流道的总压损失太大。

吸气口6布置在驼峰后面的背风面，直径较大的细砂，例如5微米以上的细砂由于惯性远离背风面，不易进入吸气口6；因为砂尘粒径越小，随流性越好，部分直径较小的砂尘粒，例如小于3微米的砂尘粒会随气流进入吸气口6，由于这些粒径较小，对于泵送装置14基本不影响。

参照图4，导气通道包括吸气腔7、排气腔2和压缩腔，吸气腔7设置于内壁9远离分离通道的一侧，吸气腔7与吸气口6连通；排气腔2设置于内壁9远离分离通道的一侧，排气腔2与排气口1连通；压缩腔，连接吸气腔7与排气腔2，泵送装置14设置在导气通道内，压缩腔与吸气腔7之间设置有吸气腔出口管8，吸气腔出口管8通过法兰分别与压缩腔入口15和吸气腔7出口固定连接，压缩腔和排气腔2之间设置有排气腔进口管3，排气腔进口管3通过法兰分别与压缩腔出口和排气腔入口固定连接。

本申请一种具体实施方式中，吸气口6和排气口1为孔状，吸气口6和排气口1对应沿周向在内壁9上间隔设置有多个，吸气口6和排气口1沿周向分布多个，能够使分离通道各个方向上的主气流较为均匀，对流场影响较小，从而降低压力损失。进一步的，吸气口6之间的间隔相等，排气口1之间的距离相等，能够使分离通道内的流场分布更加均匀。在本申请的另一种具体的实施方式中，吸气口6和排气口1均为绕内壁9回转中心线的环状窄缝，通过这样的方式使吹气的气流在内壁9圆周的各个方向上完全一致，对流场影响较小，从而降低压力损失。

泵送装置14包括设置在导气通道内的离心风扇4以及驱使离心风扇4旋转的电机5，离心风扇4在电机5驱动下旋转，使导气通道靠近吸气口6一端的气压小于导气通道靠近排气口1一端的气压。离心风扇4设置于压缩腔内，电机5设置于压缩腔外壁10上，且连接输出轴伸入到压缩腔内与离心风扇4连接。

吸气口6截面积与排气口1截面积的比值大于2，吸气口6截面积较大时能够减少吸气时离心风扇4电机5的功率损耗，能够降低粒子分离器工作的功耗，当吸气口6截面积与排气口1截面积的比值小于2时，吸气口过小，需要离心风扇提升转速增大吸气口的气流速度才能获取相同体积的气体，同时，吸气口流速过快会使气体通道内的主气流的压力损失增大。

离心风扇4的压比小于二，这时离心风扇4出口16气流的温升一般小于75°，从排气口1吹出的气流流量与分离通道内总气流流量比值不大于2.5％，因此，吹气气流给粒子分离器出口16气流带来的温升小于2度，同时又因为进气损失基本没有增加，因此，采用本项发明的装置，其对发动机性能的影响程度小于5％，具备工程可实现性。

通过对不同粒径砂粒运动轨迹进行综合统计，同时采用吹气和吸气的措施后，相对于普通粒子分离器，新型粒子分离器对直径0-200μm平均直径约为30μm的标准细砂的总分离效率可以4-5个百分点，可大幅提高涡轴发动机在砂尘环境下的使用寿命，同时粒子分离器的进气损失和普通粒子分离器基本相当。

本申请实施例公开了一种航空发动机，包括上述的无旋式粒子分离器。

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 (10)

1.一种无旋式粒子分离器，其特征在于，包括：

内壁(9)，呈回转曲面设置，内壁(9)与回转中心线距离最大处形成顶点(12)；

外壁(10)，围设于内壁(9)外部，外壁(10)和内壁(9)合围形成分离通道，所述分离通道一端为入口(15)，分离通道另一端为出风口(16)，分离通道的截面积自顶点(12)位置向入口(15)和出风口(16)位置逐渐增大；

分流件(11)，设置于分离通道的出风口(16)端，分流件(11)将分流通道出风口(16)分隔为靠近外壁(10)的清除通道和靠近内壁(9)的气体通道；

内壁(9)自分离通道入口(15)到顶点(12)位置形成迎风面，迎风面上设置有排气口(1)，内壁(9)自分离通道出风口(16)到顶点(12)位置形成背风面，背风面上设置有吸气口(6)，吸气口(6)和排气口(1)之间设置有导气通道，导气通道位于分离通道外，导气通道内设置有将吸气口(6)气体输送到排气口(1)的泵送装置(14)，泵送装置能够通过吸气口将分离区域内的低能量气流吸入然后供给排气口吹气。

2.根据权利要求1所述的无旋式粒子分离器，其特征在于：

泵送装置(14)包括设置在导气通道内的离心风扇(4)以及驱使离心风扇(4)旋转的电机(5)，离心风扇(4)在电机(5)驱动下旋转，使导气通道靠近吸气口(6)一端的气压小于导气通道靠近排气口(1)一端的气压。

3.根据权利要求1所述的无旋式粒子分离器，其特征在于：所述分流件(11)靠近分离通道入口(15)一端形成分流唇口(13)，分流唇口(13)与内壁(9)回转中心线的距离小于顶点(12)与中心线的距离。

4.根据权利要求1所述的无旋式粒子分离器，其特征在于：所述排气口(1)的出口方向与内壁(9)迎风面垂直。

5.根据权利要求1所述的无旋式粒子分离器，其特征在于：所述吸气口(6)截面积与排气口(1)截面积的比值大于2。

6.根据权利要求2所述的无旋式粒子分离器，其特征在于：所述离心风扇(4)的压比小于2，从排气口(1)吹出的气流流量与分离通道内总气流流量比值不大于2.5%。

7.根据权利要求6所述的无旋式粒子分离器，其特征在于，所述导气通道包括：

吸气腔(7)，设置于内壁(9)远离分离通道的一侧，吸气腔(7)与吸气口(6)连通；

排气腔(2)，设置于内壁(9)远离分离通道的一侧，排气腔(2)与排气口(1)连通；

压缩腔，连接吸气腔(7)与排气腔(2)，所述离心风扇(4)设置于压缩腔内，电机(5)设置于压缩腔外壁(10)上，且电机(5)输出轴伸入到压缩腔内与离心风扇(4)连接。

8.根据权利要求7所述的无旋式粒子分离器，其特征在于：吸气口(6)和排气口(1)为孔状，吸气口(6)和排气口(1)均沿周向在内壁(9)上间隔设置有多个，且吸气口(6)和排气口(1)一一对应。

9.根据权利要求7所述的无旋式粒子分离器，其特征在于：吸气口(6)和排气口(1)均为绕内壁(9)回转中心线的环状。

10.一种航空发动机，其特征在于：包括权利要求1-9任一项所述的无旋式粒子分离器。