直升機(jī)發(fā)動機(jī)粒子分離裝置研究綜述

摘 要：直升機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜，使得發(fā)動機(jī)常處在砂霧迷漫的環(huán)境中工作，需要加裝粒子分離裝置對發(fā)動機(jī)進(jìn)行保護(hù)，延長其使用壽命。本文介紹了三類發(fā)動機(jī)粒子分離裝置（渦旋管分離器、整體式粒子分離器，進(jìn)氣阻攔式過濾器）的工作原理以及各自的缺點(diǎn)和優(yōu)勢。目前國內(nèi)也正在開展相關(guān)技術(shù)的研究工作，但主要集中在整體式粒子分離器的動力學(xué)建模和計(jì)算上，對于渦旋管分離器和進(jìn)氣阻攔式過濾器技術(shù)的研究尚未深入開展。

關(guān)鍵詞：直升機(jī)；發(fā)動機(jī)；粒子分離裝置

直升機(jī)與固定翼飛機(jī)（不包括垂直起落類飛機(jī)）相比，其最大的特點(diǎn)是機(jī)動性好，可在多種環(huán)境下起降。這些特點(diǎn)決定了直升機(jī)使用環(huán)境的多樣行，可在沙漠等惡劣環(huán)境下，執(zhí)行起重、[1]運(yùn)輸、[2]營救、[3]偵察[4]與攻擊[5]等任務(wù)。因此，直升機(jī)發(fā)動機(jī)常處在砂霧迷漫的環(huán)境中工作，使得進(jìn)入發(fā)動機(jī)的塵土、砂石、雜草及冰雪等雜物遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他機(jī)種。

當(dāng)塵砂進(jìn)入發(fā)動機(jī)后，造成的主要危害有：壓氣機(jī)葉片磨蝕，發(fā)動機(jī)功率下降，耗油率增加，最終影響發(fā)動機(jī)的使用壽命。因此，凈化進(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣，對于在惡劣環(huán)境下工作的直升機(jī)來說，顯得尤為重要。[6]而加裝粒子分離裝置是一種保護(hù)直升機(jī)發(fā)動機(jī)、提高其使用壽命的有效手段。[7]

從實(shí)際的使用經(jīng)驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn)：[8]1969年，CH54直升機(jī)的發(fā)動機(jī)JFTD12，在東南亞僅飛行不到60h后，就因塵砂磨蝕而更換，發(fā)動機(jī)的平均更換壽命只有約80h；加裝了粒子分離裝置之后，翻修壽命增加到800h，壽命提高10倍。

1 直升機(jī)發(fā)動機(jī)粒子分離裝置

1.1 分類和設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)國、內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，直升機(jī)發(fā)動機(jī)粒子分離裝置可以分為三類：[8，10，11]

（1）渦旋管分離器（vortex tube separators，縮寫“VTS”）

（2）整體式粒子分離器（integer particle separators，縮寫“IPS”）

（3）進(jìn)氣阻攔式過濾器（inlet barrier filters，縮寫“IBF”）

VTS和IPS都是利用慣性原理將粒子分離，VTS設(shè)計(jì)成一個獨(dú)立的裝置安裝在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口的周圍，而IPS作為發(fā)動機(jī)整體的一部分，由發(fā)動機(jī)制造商設(shè)計(jì)和制造。IBF是利用纖維層網(wǎng)狀材料粘附空氣中的粒子，阻擋其進(jìn)入發(fā)動機(jī)。三類粒子分離裝置的作用機(jī)理雖然不同，但在直升機(jī)上應(yīng)用，設(shè)計(jì)目標(biāo)都是一致的：

a.高分離效率

b.低壓力損失

c.低壓力畸變

d.低自重

e.低空氣阻力

f.低成本（包括維修）

世界上第一套IPS被應(yīng)用于 “黑鷹”直升機(jī)的T700發(fā)動機(jī)，然后，裝有IPS的T700發(fā)動機(jī)又用在了 “阿帕奇”直升機(jī)上。IPS作為發(fā)動機(jī)整體的一部分，優(yōu)勢是重量輕，對機(jī)體不會產(chǎn)生額外的空氣阻力；但最主要的缺陷是，在直升機(jī)不需要粒子分離功能的情況下，同樣會帶來發(fā)動機(jī)的功率損失。

相對于IPS，VTS的應(yīng)用還是比較成功的。世界上第一套VTS是由“PALL”公司，為英軍CH47直升機(jī)1990年參加海灣戰(zhàn)爭時設(shè)計(jì)的。從當(dāng)時的應(yīng)用情況，裝有VTS的CH47直升機(jī)，在平均飛行145h后，沒有出現(xiàn)發(fā)動機(jī)葉片被砂塵磨損的情況。而美軍的CH47直升機(jī)，未安裝VTS，在總飛行時間每1000h后，有20%～40%的發(fā)動機(jī)葉片被砂塵磨損。[12]至此，VTS的成功應(yīng)用，使得更多的制造商將其推廣到民用直升機(jī)市場。

和前兩種技術(shù)不同，IBF相對還處于初期發(fā)展階段。然而隨著過濾材料技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)能夠?qū)BF設(shè)計(jì)成在兼有粒子分離功能的前提下，同時降低發(fā)動機(jī)的功率損失。此外，現(xiàn)在有越來越多的直升機(jī)用戶選擇用IBF來替換VTS。這是因?yàn)?，相對于VTS，雖然IBF需要定期清理過濾層，但粒子分離效率更高，重量更輕。

1.2 渦旋管分離器（VTS）

渦旋管分離器是由許許多多的分離單元組成，而每個分離單元又由渦旋葉片（也稱渦旋發(fā)生器）和渦旋管組成，如圖2所示。當(dāng)環(huán)境空氣進(jìn)入分離單元后，在渦旋葉片的作用下，產(chǎn)生離心力，在離心力和排砂風(fēng)扇（氣流）的共同作用下，粒子沿著渦旋管的外側(cè)通道被分離出去，而干凈的空氣經(jīng)渦旋管最終進(jìn)入發(fā)動機(jī)。分離單元的分離效率和渦旋管的內(nèi)、外徑，渦旋葉片的數(shù)量、螺距等因素有關(guān)，[1]在直升機(jī)上使用時，同時還要考慮旋翼下洗氣流的影響。在布置渦旋管的位置和數(shù)量時，需要對直升機(jī)在各種飛行姿態(tài)下的氣流流場進(jìn)行仿真計(jì)算，渦旋管的數(shù)量需要滿足發(fā)動機(jī)的最大進(jìn)氣量。

加裝VTS對直升機(jī)飛行性能的影響主要有以下幾點(diǎn)：

1）當(dāng)排砂氣流是從流經(jīng)發(fā)動機(jī)的空氣中提取，會造成發(fā)動機(jī)的功率損失；

2）加裝VTS后，對進(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣產(chǎn)生阻力，從而造成壓降，影響發(fā)動機(jī)的性能；

3）加裝VTS后，直升機(jī)在飛行時需要克服額外的空氣阻力。

國內(nèi)，目前尚未開展VTS技術(shù)的研究和應(yīng)用，但GJB 117191[9]《軍用直升機(jī)防砂塵要求》給出了試驗(yàn)砂粒尺寸和分離效率的具體標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)直升機(jī)在砂塵環(huán)境下工作，以未加裝VTS作為基準(zhǔn)，當(dāng)VTS的分離效率達(dá)到94%～95%，發(fā)動機(jī)使用壽命將增加1倍，當(dāng)分離效率達(dá)到97%，發(fā)動機(jī)使用壽命是原來的4倍。[10]

1.3 整體式粒子分離器（IPS）

IPS和發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)成一套整體，作為發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道的一部分，并起到分離顆粒物的目的。IPS的形狀，大小和發(fā)動機(jī)的性能和結(jié)構(gòu)特性密切相關(guān)。如圖3所示，當(dāng)空氣流經(jīng)發(fā)動機(jī)，靜止葉片使得空氣在管道中產(chǎn)生氣流方向的變化，并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)離心力，在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下，把氣流中的塵砂粒子分離出來，而干凈的空氣進(jìn)入發(fā)動機(jī)。其中，靜止葉片是一組渦旋葉片，如圖4所示。IPS系統(tǒng)作為發(fā)動機(jī)整體的一部分，優(yōu)點(diǎn)是無需占用額外的安裝空間，重量更輕。

在搜索到的參考文獻(xiàn)中，國外大量的研究工作都集中在IPS的流體動力學(xué)建模和計(jì)算上，[10，1315]在計(jì)算時，需要預(yù)測粒子的碰撞和反彈現(xiàn)象。目前，國內(nèi)也正在開展IPS的動力學(xué)建模和計(jì)算工作，張可可[16]等人通過5點(diǎn)GaussHermite積分?jǐn)M合粒子與固壁碰撞，反彈速度和角度的概率密度分布試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立粒子與固體碰撞/概率反彈模型。將該模型應(yīng)用于直升機(jī)預(yù)旋與非預(yù)旋IPS氣固兩相流場數(shù)值模擬，并與另外兩種常用的粒子與固壁碰撞反彈模型（平均恢復(fù)系數(shù)模型、完全彈性碰撞模型）的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比。

1.4 進(jìn)氣阻攔式過濾器（IBF）

IBF的顆粒分離方法不同于VTS和IPS，它是通過過濾層吸附空氣中的顆粒物，從而達(dá)到凈化空氣的目的。過濾層本身是一個面板折疊材料，過濾層粘合或以其他形式固定在框架上，并用密封材料密封，防止未經(jīng)過濾的顆粒通過縫隙進(jìn)入發(fā)動機(jī)。

早期的IBF使用棉網(wǎng)結(jié)構(gòu)并用油料浸漬作為過濾層，而最新的過濾層采用新型干法合成超細(xì)納米纖維技術(shù)。[11]由于過濾層在吸附顆粒物時會造成過濾器堵塞，使得進(jìn)入發(fā)動機(jī)的氣體壓降不斷增大，所以在設(shè)計(jì)IBF時會增加一套旁通系統(tǒng)，如圖5所示。旁通系統(tǒng)中有一個壓差傳感器，用于監(jiān)測過濾器的堵塞狀態(tài)，飛行員在駕駛艙內(nèi)可以觀測到。當(dāng)壓降超出使用限制，飛行員會打開旁通面板，使空氣全部由旁通通道進(jìn)入發(fā)動機(jī)。旁通面板通常是向后打開，以降低異物對發(fā)動機(jī)危害的可能性。

IBF的粒子分離效率和過濾層的尺寸、介質(zhì)滲透率、堵塞比等因素有關(guān)。IBF的分離效率最高可達(dá)到99.3%，[10]另外，其過濾層本身具有防水功能。

IBF最主要的缺陷是隨著使用時間增加，當(dāng)過濾層逐漸被顆粒物堵塞，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力損失隨之增大。例如，在過濾層干凈狀態(tài)下，壓力損失通常在0.5Kpa，而在砂塵環(huán)境中使用100h之后，壓力損失通常上升到3kpa。所以，需要定期對過濾層進(jìn)行清理，增加了對系統(tǒng)維護(hù)的工作量。

1.5 對比

通過1.2、1.3和1.4對VTS、IPS、IBF三種直升機(jī)發(fā)動機(jī)粒子分離裝置的介紹，對各自的缺點(diǎn)和優(yōu)勢總結(jié)如下：

2 總結(jié)

本文對直升機(jī)加裝發(fā)動機(jī)粒子分離裝置的必要性進(jìn)行了闡述。直升機(jī)發(fā)動機(jī)粒子分離裝置可以分為三類，分別是：渦旋管粒子分離器（VTS），整體式粒子分離器（IPS）和進(jìn)氣阻攔式過濾器（IBF）。由于通過了海灣戰(zhàn)爭的實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)，使得VTS在直升機(jī)上的應(yīng)用相對更加廣泛和成熟，但是三類發(fā)動機(jī)粒子分離裝置都有各自的缺點(diǎn)和優(yōu)勢，本文對其進(jìn)行了對比和總結(jié)。發(fā)動機(jī)粒子分離裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)是高分離效率、低壓力損失、低壓力畸變、低自重、低空氣阻力和低成本，今后技術(shù)的發(fā)展也將朝著這些目標(biāo)改進(jìn)。國內(nèi)目前也正在開展相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用工作，但主要集中在IPS的動力學(xué)建模和計(jì)算，對于VTS和IBF技術(shù)的研究尚未深入開展。

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作者簡介：陳亮，男，漢族，碩士，工程師，直升機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)員。