一种柔性可变形粒子分离器的设计、分析与初步实验

发布时间：2020-10-24 07:51

　　粒子分离器是直升机进气防护的重要部件,其利用大曲率的弯曲分叉流道可有效清除吸入空气中夹杂的大多数砂尘等异物,但不可避免会增加其气动损失。几何固定的粒子分离器只能在气动性能和分砂性能之间寻取折中。为了提升粒子分离器的综合性能,本文提出了一种几何可调的粒子分离器的设计方案,并对其开展了仿真研究与初步实验验证。首先,详细介绍了柔性可变形粒子分离器中鼓包的变形方式,制作出柔性鼓包,并采用纹影方法对其外轮廓型线进行标定,获得了充气压力和鼓包半径变形量的关系曲线。标定结果表明,随充气压力的增加,鼓包可实现连续变形,且外轮廓型线始终较为光滑,周向变形不均匀程度控制在0.7%以内,故可以忽略周向变形不均匀的影响。接着,将标定出来的鼓包外轮廓应用于粒子分离器,并对其开展仿真研究,分析了其在典型状态下的流动特性,发现在喉道下游存在局部逆压梯度区间,随后气流逐渐加速进入到主流道。受支板尾迹形成的马蹄涡影响,在支板正后方存在局部高总压区,而在偏离支板对称面9~°位置形成局部低总压区,加剧了下游流动的周向畸变。扫气蜗壳中的流动则较为复杂,其主导流动为一大尺度的旋涡,气流呈现出高度螺旋状。而后,仿真分析了鼓包半径变形量、分流器轴向位置对粒子分离器总体性能的影响规律。发现鼓包变形量从0mm增加到7.5mm时,粒子分离器总压恢复系数从0.984下降到0.969;与此同时,分砂效率得到了很大的提升,尤其是AC砂的分离效率从84.17%提高到89.42%,说明调节鼓包变形量的方案是有效的。虽然分流器轴向位置的改变会显著影响粒子分流器的气动性能,但其对分砂效率影响甚微,因此,调节鼓包变形量是最可行的变几何方案。此外,仿真分析了鼓包壁面材料分别为2024铝和橡胶对粒子分离器性能的影响,发现材料物性的改变对内流场基本无影响,C砂和AC砂的变化量均在1.87%和0.8%之内。然后,设计了5个不同半径变形量的金属件鼓包,并针对带金属件鼓包的粒子分离器开展吹风实验,获得了典型鼓包半径变形量下粒子分离器的压力分布特性及气动性能参数变化规律。实验和仿真结果吻合良好,验证了本文调节方案的有效性。最后,进一步针对带柔性鼓包的粒子分离器开展吹风实验,发现在鼓包连续变形过程中,粒子分离器气动性能连续变化,验证了本文所提出的柔性变形方案的可实施性。因此,通过自适应调节柔性鼓包的变形量,可使粒子分离器兼顾各种工作环境下对气动性能和分砂性能的需求,从而提高发动机的工作效率及寿命。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V275.1;V244.1
【部分图文】：

粒子分离器,型面,整体式,惯性

型面差异较大的两种粒子分离器的流场分布和分砂效率。如图 1.2 所示，IPS01 型面变化比烈、弯曲度较大，IPS02 则相对平缓很多。作者对粒径对 5μm 到 500μm 之间砂尘的运动轨分离效率都做了详细的研究，结果表明，粒径比较小的砂尘在流道弯曲剧烈的第一种方案分离效率比较高，而粒径较大的砂尘在流道平缓的第二种方案中的分离效率比较高。另外扫气比在 16%~22%的范围内，随着扫气比的增大，两种方案中粒子分离器的分砂效率均有程度的提高，但 C 砂的分离效率增大不是很明显。

示意图,粒子分离器,型面,扫气流