| 标题 | 直升机发动机粒子分离装置研究综述 |
| 范文 | 摘 要：直升机的工作环境复杂，使得发动机常处在砂雾迷漫的环境中工作，需要加装粒子分离装置对发动机进行保护，延长其使用寿命。本文介绍了三类发动机粒子分离装置（涡旋管分离器、整体式粒子分离器，进气阻拦式过滤器）的工作原理以及各自的缺点和优势。目前国内也正在开展相关技术的研究工作，但主要集中在整体式粒子分离器的动力学建模和计算上，对于涡旋管分离器和进气阻拦式过滤器技术的研究尚未深入开展。 关键词：直升机；发动机；粒子分离装置 直升机与固定翼飞机（不包括垂直起落类飞机）相比，其最大的特点是机动性好，可在多种环境下起降。这些特点决定了直升机使用环境的多样行，可在沙漠等恶劣环境下，执行起重、[1]运输、[2]营救、[3]侦察[4]与攻击[5]等任务。因此，直升机发动机常处在砂雾迷漫的环境中工作，使得进入发动机的尘土、砂石、杂草及冰雪等杂物远远超过其他机种。 当尘砂进入发动机后，造成的主要危害有：压气机叶片磨蚀，发动机功率下降，耗油率增加，最终影响发动机的使用寿命。因此，净化进入发动机的空气，对于在恶劣环境下工作的直升机来说，显得尤为重要。[6]而加装粒子分离装置是一种保护直升机发动机、提高其使用寿命的有效手段。[7] 从实际的使用经验也证实了这一点：[8]1969年，CH54直升机的发动机JFTD12，在东南亚仅飞行不到60h后，就因尘砂磨蚀而更换，发动机的平均更换寿命只有约80h；加装了粒子分离装置之后，翻修寿命增加到800h，寿命提高10倍。 1 直升机发动机粒子分离装置 1.1 分类和设计目标 根据国、内外的研究现状，直升机发动机粒子分离装置可以分为三类：[8，10，11] （1）涡旋管分离器（vortex tube separators，缩写“VTS”） （2）整体式粒子分离器（integer particle separators，缩写“IPS”） （3）进气阻拦式过滤器（inlet barrier filters，缩写“IBF”） VTS和IPS都是利用惯性原理将粒子分离，VTS设计成一个独立的装置安装在发动机进气口的周围，而IPS作为发动机整体的一部分，由发动机制造商设计和制造。IBF是利用纤维层网状材料粘附空气中的粒子，阻挡其进入发动机。三类粒子分离装置的作用机理虽然不同，但在直升机上应用，设计目标都是一致的： a.高分离效率 b.低压力损失 c.低压力畸变 d.低自重 e.低空气阻力 f.低成本（包括维修） 世界上第一套IPS被应用于 “黑鹰”直升机的T700发动机，然后，装有IPS的T700发动机又用在了 “阿帕奇”直升机上。IPS作为发动机整体的一部分，优势是重量轻，对机体不会产生额外的空气阻力；但最主要的缺陷是，在直升机不需要粒子分离功能的情况下，同样会带来发动机的功率损失。 相对于IPS，VTS的应用还是比较成功的。世界上第一套VTS是由“PALL”公司，为英军CH47直升机1990年参加海湾战争时设计的。从当时的应用情况，装有VTS的CH47直升机，在平均飞行145h后，没有出现发动机叶片被砂尘磨损的情况。而美军的CH47直升机，未安装VTS，在总飞行时间每1000h后，有20%～40%的发动机叶片被砂尘磨损。[12]至此，VTS的成功应用，使得更多的制造商将其推广到民用直升机市场。 和前两种技术不同，IBF相对还处于初期发展阶段。然而随着过滤材料技术的发展，现在已经能够将IBF设计成在兼有粒子分离功能的前提下，同时降低发动机的功率损失。此外，現在有越来越多的直升机用户选择用IBF来替换VTS。这是因为，相对于VTS，虽然IBF需要定期清理过滤层，但粒子分离效率更高，重量更轻。 1.2 涡旋管分离器（VTS） 涡旋管分离器是由许许多多的分离单元组成，而每个分离单元又由涡旋叶片（也称涡旋发生器）和涡旋管组成，如图2所示。当环境空气进入分离单元后，在涡旋叶片的作用下，产生离心力，在离心力和排砂风扇（气流）的共同作用下，粒子沿着涡旋管的外侧通道被分离出去，而干净的空气经涡旋管最终进入发动机。分离单元的分离效率和涡旋管的内、外径，涡旋叶片的数量、螺距等因素有关，[1]在直升机上使用时，同时还要考虑旋翼下洗气流的影响。在布置涡旋管的位置和数量时，需要对直升机在各种飞行姿态下的气流流场进行仿真计算，涡旋管的数量需要满足发动机的最大进气量。 加装VTS对直升机飞行性能的影响主要有以下几点： 1）当排砂气流是从流经发动机的空气中提取，会造成发动机的功率损失； 2）加装VTS后，对进入发动机的空气产生阻力，从而造成压降，影响发动机的性能； 3）加装VTS后，直升机在飞行时需要克服额外的空气阻力。 国内，目前尚未开展VTS技术的研究和应用，但GJB 117191[9]《军用直升机防砂尘要求》给出了试验砂粒尺寸和分离效率的具体标准。当直升机在砂尘环境下工作，以未加装VTS作为基准，当VTS的分离效率达到94%～95%，发动机使用寿命将增加1倍，当分离效率达到97%，发动机使用寿命是原来的4倍。[10] 1.3 整体式粒子分离器（IPS） IPS和发动机设计成一套整体，作为发动机进气道的一部分，并起到分离颗粒物的目的。IPS的形状，大小和发动机的性能和结构特性密切相关。如图3所示，当空气流经发动机，静止叶片使得空气在管道中产生气流方向的变化，并产生旋转离心力，在旋转离心力的作用下，把气流中的尘砂粒子分离出来，而干净的空气进入发动机。其中，静止叶片是一组涡旋叶片，如图4所示。IPS系统作为发动机整体的一部分，优点是无需占用额外的安装空间，重量更轻。 在搜索到的参考文献中，国外大量的研究工作都集中在IPS的流体动力学建模和计算上，[10，1315]在计算时，需要预测粒子的碰撞和反弹现象。目前，国内也正在开展IPS的动力学建模和计算工作，张可可[16]等人通过5点GaussHermite积分拟合粒子与固壁碰撞，反弹速度和角度的概率密度分布试验数据，建立粒子与固体碰撞/概率反弹模型。将该模型应用于直升机预旋与非预旋IPS气固两相流场数值模拟，并与另外两种常用的粒子与固壁碰撞反弹模型（平均恢复系数模型、完全弹性碰撞模型）的计算结果进行了对比。 1.4 进气阻拦式过滤器（IBF） IBF的颗粒分离方法不同于VTS和IPS，它是通过过滤层吸附空气中的颗粒物，从而达到净化空气的目的。过滤层本身是一个面板折叠材料，过滤层粘合或以其他形式固定在框架上，并用密封材料密封，防止未经过滤的颗粒通过缝隙进入发动机。 早期的IBF使用棉网结构并用油料浸渍作为过滤层，而最新的过滤层采用新型干法合成超细纳米纤维技术。[11]由于过滤层在吸附颗粒物时会造成过滤器堵塞，使得进入发动机的气体压降不断增大，所以在设计IBF时会增加一套旁通系统，如图5所示。旁通系统中有一个压差传感器，用于监测过滤器的堵塞状态，飞行员在驾驶舱内可以观测到。当压降超出使用限制，飞行员会打开旁通面板，使空气全部由旁通通道进入发动机。旁通面板通常是向后打开，以降低异物对发动机危害的可能性。 IBF的粒子分离效率和过滤层的尺寸、介质渗透率、堵塞比等因素有关。IBF的分离效率最高可达到99.3%，[10]另外，其过滤层本身具有防水功能。 IBF最主要的缺陷是随着使用时间增加，当过滤层逐渐被颗粒物堵塞，发动机进气压力损失随之增大。例如，在过滤层干净状态下，压力损失通常在0.5Kpa，而在砂尘环境中使用100h之后，压力损失通常上升到3kpa。所以，需要定期对过滤层进行清理，增加了对系统维护的工作量。 1.5 对比 通过1.2、1.3和1.4对VTS、IPS、IBF三种直升机发动机粒子分离装置的介绍，对各自的缺点和优势总结如下： 2 总结 本文对直升机加装发动机粒子分离装置的必要性进行了阐述。直升机发动机粒子分离装置可以分为三类，分别是：涡旋管粒子分离器（VTS），整体式粒子分离器（IPS）和进气阻拦式过滤器（IBF）。由于通过了海湾战争的实战检验，使得VTS在直升机上的应用相对更加广泛和成熟，但是三类发动机粒子分离装置都有各自的缺点和优势，本文对其进行了对比和总结。发动机粒子分离装置的设计目标是高分离效率、低压力损失、低压力畸变、低自重、低空气阻力和低成本，今后技术的发展也将朝着这些目标改进。国内目前也正在开展相关技术的研究和应用工作，但主要集中在IPS的动力学建模和计算，对于VTS和IBF技术的研究尚未深入开展。 参考文献： [1]王适存，吴伟.关于发展起重用重型直升機的一些想法[J].直升机技术，2010（1）：2730. [2]林一平.运输直升机在抗震救灾中发挥巨大作用[J].交通与运输，2008（4）：4346. [3]岳茂兴，刘志国，化楠.医疗救护直升机实施航空医疗救护的要点及其改进措施[J].中华卫生应急电子杂志，2015（1）.246248. [4]胡建亭，梁宏涛.警用直升机的作用及在我国警务实战中的应用[J].警察技术，2015（4）：47. [5]姜明远，胡英俊.攻击直升机作战生存力特性研究[J].航空科学技术，2002（1）：3638. [6]时磊，岳剑飞.沙尘对直升机的危害及预防[J].科技资讯，2014（13）.122124. [7]李立国，王锁芳，直升机发动机的进气防护[M].北京：国防工业出版社，2009. [8]付焱晶.直升机发动机进气防护装置研究[D].沈阳：东北大学，2011. [9]GJB 117191 《军用直升机防砂尘要求》[S]. [10]Antonio Filippone，Nicholas Bojdo.Turboshaft engine air particle separation[J].Progress in Aerospace Sciences，2010 （46） 224–245. [11]Nicholas Bojdo，Antonio Filippone.Comparative study of helicopter engine particle separators[J].Journal of Aircraft，2014（3），10301042. [12]Paul Stallard.Helicopter engine protection[J].Perfusion，1997（12），263267. [13]Taslim，M.E.；Khanicheh，A.；Spring，S.A Numerical Study of Sand Separation Applicable to Engine Inlet Particle Separator Systems[J].Journal of the American Helicopter Society，2009（54），110. [14]Farooq Saeed and Ahmad Z.AlGarni.Analysis Method for Inertial Particle Separator[J].Journal of Aircraft，2007（4），11501158. [15]Eyas F.AlFaris and Farooq Saeed.Design and Optimization Method for Inertial Particle Separator Systems[J].Journal of Aircraft，2009（6），19191929. [16]张可可，胡海洋，王强.基于概率反弹碰撞模型的进气粒子分离器两相流数值模拟[J].航空动力学报，2017（32）：382389. 作者简介：陈亮，男，汉族，硕士，工程师，直升机系统设计员。 |
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