基于壁面反弹特性的整体式惯性粒子分离器及航空发动机

摘要

本发明公开了一种基于壁面反弹特性的整体式惯性粒子分离器，该粒子分离器包括：由外到内同轴设置的外壳体、分流器及中心体，中心体的前半段与外壳体的前半段合围组成进气道，中心体的后半段与分流器的内壁面合围组成主流道，外壳体的后半段与分流器的外壁面合围组成清除流道；外壳体的内壁面涂覆有第一涂层，第一涂层采用抗冲击吸能材料制成。本发明通过在外壳体的内壁面涂覆抗冲击吸能材料制成的涂层，使进入粒子分离器的颗粒在撞击外壳体后，撞击能量被涂层吸收，从而降低颗粒反弹速度，使颗粒难以返回至主流道，而是沿着清除流道排出机外，从而提高颗粒的分离效率。本发明还提供一种航空发动机，包括上述的整体式惯性粒子分离器。

说明书

技术领域

本发明涉及航空发动机及粒子分离器领域，特别地，涉及一种基于壁面反弹特性的整体式惯性粒子分离器。此外，本发明还涉及一种包括上述粒子分离器的航空发动机。

背景技术

直升机常常需要在一些特殊的砂雾迷漫的环境里，比如要在山区、沙漠、冰雪地面和海面上起飞、降落与悬停飞行，发动机的工作环境要求越来越苛刻。这时，大量的砂尘、冰雪等各种外来物或海上盐雾都被吸入发动机，如果事先不采取防护措施，尘砂将会给直升机和发动机带来严重的后果：压气机叶片磨蚀及由此所产生的发动机性能恶化，即功率下降、耗油率增加，最终导致发动机的使用寿命缩短。文献指出，1000马力的涡轴发动机，在1毫克/立方英尺的含砂气流中只能工作10小时，也就是说只吸收13磅的砂砾就会报废。为此，需要在发动机前增设进气防护装置——进气道粒子分离器(Inlet ParticleSeparator)以保护发动机，保证其工作稳定性，并延长使用寿命。实践证明：安装了粒子分离器的发动机寿命比不安装粒子分离器的发动机寿命提高了10倍或更高。

发动机粒子分离器用来分离含杂质气流中的固体粒子。安装在发动机的前端来减少进入工作装置中的污物，从而延长发动机的使用寿命。现有的粒子分离器利用气-固两相流在弯曲流道内转弯时产生的惯性力不同，将惯性力更大的固相粒子甩向外围，从而将粒子集中起来，从外围的清除流道排出。但实际上很多大粒径颗粒甩向外围后，会与外壳体壁面发生碰撞反弹，导致部分颗粒又返回主流，降低分离效率。甚至有部分颗粒在流道中来回反弹多次，对型面磨损严重，也使颗粒的轨迹预测变得困难。

发明内容

本发明提供了一种基于壁面反弹特性的整体式惯性粒子分离器及航空发动机，以解决现有粒子分离器分离效率低的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于壁面反弹特性的整体式惯性粒子分离器，包括：

由外到内同轴设置的外壳体、分流器及中心体，外壳体的前半段和中心体的前半段合围组成粒子分离器的进气道，中心体的后半段与分流器的内壁面合围组成向压气机提供清洁气流的主流道，外壳体的后半段与分流器的外壁面合围组成用于排出分离颗粒的清除流道；

外壳体的内壁面涂覆有第一涂层，第一涂层采用抗冲击吸能材料制成。

进一步地，第一涂层的涂覆范围由进气道入口至分流器前端的正上方。

进一步地，外壳体上对应第一涂层的位置设有第一凹槽，第一涂层铺设于第一凹槽内以使第一涂层的表面与外壳体的内壁面平齐。

进一步地，中心体表面涂覆有第二涂层，第二涂层采用弹性材料制成。

进一步地，第二涂层的涂覆范围由中心体入口处至中心体半径最大处。

进一步地，第二涂层的末端与中心体的表面形成用于分离雨水的雨水台阶。

进一步地，进气道的周向均匀分布有多个预旋叶片，预旋叶片的压力面涂覆有第三涂层，第三涂层采用抗冲击吸能材料制成。

进一步地，预旋叶片的压力面涂覆有第四涂层，第四涂层采用弹性材料制成。

进一步地，预旋叶片的压力面上对应第三涂层的位置设有第二凹槽，第三涂层铺设于第二凹槽内以使第三涂层的表面与预旋叶片的压力面平齐；

预旋叶片的吸力面上对应第四涂层的位置设有第三凹槽，第四涂层铺设于第三凹槽内以使第四涂层的表面与预旋叶片的吸力面平齐。

根据本发明的另一方面，还提供了一种航空发动机，其包括上述的基于壁面反弹特性的整体式惯性粒子分离器。

本发明具有以下有益效果：

本发明的基于壁面反弹特性的整体式惯性粒子分离器，该粒子分离器包括：由外到内同轴设置的外壳体、分流器及中心体，所述中心体的前半段与所述外壳体的前半段合围组成粒子分离器的进气道，中心体的后半段与分流器的内壁面合围组成向压气机提供清洁气流的主流道，外壳体的后半段与分流器的外壁面合围组成用于排出分离出的颗粒的清除流道；外壳体的内壁面涂覆有第一涂层，第一涂层采用抗冲击吸能材料制成。本发明通过在外壳体的内壁面涂覆抗冲击吸能材料制成的涂层，使进入粒子分离器的颗粒在撞击外壳体后，撞击能量被涂层吸收，从而降低颗粒反弹速度，使颗粒难以返回至主流道，而沿着清除流道排出机外，从而提高颗粒的分离效率。

本发明的航空发动机，包括上述的基于壁面反弹特性的整体式惯性粒子分离器，通过在外壳体的内壁面涂覆抗冲击吸能材料制成的涂层，使进入粒子分离器的颗粒在撞击外壳体后，撞击能量被涂层吸收，从而降低颗粒反弹速度，使颗粒难以返回至主流道，而沿着清除流道排出机外，提高了颗粒的分离效率，减少了进入发动机的颗粒，提供清洁气流给压气机，进一步提高了发动机的性能。

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是本发明第一优选实施例的结构示意图；

图2是本发明第一优选实施例的轴向半剖示意图；

图3是本发明第一优选实施例的雨水台阶的结构示意图；

图4是本发明第二优选实施例的结构示意图；

图5是本发明第二优选实施例的轴向半剖示意图；

图6是本发明第二优选实施例的预旋叶片的横剖面示意图。

附图标号说明：

1、外壳体；2、分流器；3、中心体；4、第一涂层；5、第二涂层；6、进气道；7、清除流道；8、主流道；9、雨水台阶；10、预旋叶片；101、第三涂层；102、第四涂层。

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及图3，目前，发动机上采用的整体式粒子分离器主要有两种。一种是带预旋叶片的，一种是不带预旋叶片的。整体式惯性粒子分离器的工作原理如下：

带预旋叶片的粒子分离器，其叶片使进入粒子分离器流道的空气及其中所含外来物获得周向分速。在惯性的作用下，质量较大的外物被抛向流路外壁而进入清除流道进而排到机外。

与有叶片的粒子分离器相比，无叶片整体式粒子分离器结构相对简单，有较轻的重量和较少的花费，砂尘等外物的清除主要依靠气流在流道内转弯时，固相粒子由于惯性较大而被甩向外围，从而将粒子集中起来由外围的清除流道排出。

在粒子分离器中，主导颗粒运动的除了气流对颗粒的粘性力和颗粒本身的惯性力外，颗粒与粒子分离器壁面的碰撞现象也十分显著。碰撞会使颗粒轨迹发生突变，从而影响颗粒的运动。目前的粒子分离的优化通常只着眼于流道形状的设计，通常只考虑型面的强度而选择金属材料，而未考虑过壁面的反弹特性对粒子运动的影响。本发明为合理利用这种反弹现象，使颗粒撞击中心体的颗粒向外围运动，且使撞击外壳体的颗粒不返回主流，从而提高颗粒的分离效率。

因此，本发明基于壁面的反弹特性提出一种惯性粒子分离器，该粒子分离器包括：由外到内同轴设置的外壳体1、分流器2及中心体3，中心体3的前半段与外壳体1的前段合围组成粒子分离器的进气道6，中心体3的后半段与分流器2的内壁面合围组成向压气机提供清洁气流的主流道8，外壳体1的后半段与分流器2的外壁面组成用于排出分离颗粒的清除流道7；外壳体1的内壁面涂覆有第一涂层4，第一涂层4采用抗冲击吸能材料制成。

优选地，抗冲击材料为D3O、VPD或者Poron中的一种，在本实施例中，抗冲击材料为D3O材料，这种材料在遇到冲撞或挤压时，分子间立刻相互锁定，材料变得比较坚硬，从而吸收外力，当外力消失后，材料恢复到最初的柔性状态。在本实施例中，进入粒子分离器的颗粒撞击外壳体1后撞击能量被吸收，从而降低颗粒反弹的速度。

本实施例的粒子分离器通过在外壳体1的内壁面涂覆抗冲击吸能材料制成的第一涂层4，用于吸收颗粒撞击外壳体1的撞击力，使进入粒子分离器内的颗粒在撞击外壳体1后，撞击能量被第一涂层4吸收，从而降低颗粒的法向反弹速度，使颗粒难以返回至主流道8，而是沿着清除流道7排出机外，从而提高颗粒的分离效率。

参照图1所示，外壳体1为两端开口的筒体，筒体的前半段的直径从进口处逐渐变大，筒体后半段的直径逐渐变小。外壳体1的内部套设有中心体3，中心体3的前半段内径从进口处逐渐变大，中心体3后半段的内径逐渐变小。外壳体1的后半段与中心体3的后半段之间设有分流器2。外壳体1的前半段与中心体3的前半段合围组成进气道6，分流器2的内壁与中心体3的后半段合围组成主流道8，分流器2的外壁与外壳体1的后半段合围组成清除流道7。进气道6先外扩再内收，进入进气道6的气流先向外围运动，带动颗粒向外围运动，经过中心体3最大半径处后，由于流道方向内收，气流发生转向，但颗粒由于惯性力会落后于气流，从而使颗粒被甩向外围，由清除流道7排出，而清洁气流则由主流道8进入压气机，供发动机使用。

优选地，外壳体1上第一涂层4的范围为从进气道6入口处至分流器2前端的正上方。与进气道6的范围相对应。因为进入粒子分离器的颗粒首先进入进气道6，在进气道6的流道内，在惯性的作用下，质量大的颗粒会发生撞击外壳体1而返回至主流道8的现象。而在外壳体1与进气道6对应的内壁面设置利用抗冲击材料制成的第一涂层4，能有效的降低颗粒撞击外壳体1的法向反弹速度，使颗粒不返回至主流道8，而沿着清除流道7排出机外。

优选地，外壳体1上对应第一涂层4的位置处设有第一凹槽，第一凹槽内铺设有抗冲击吸能材料；并且使第一涂层4的表面与未开设第一凹槽时的外壳体1的内壁面平齐，不改变原本的流道形状，不影响粒子分离器的气动性能。另外，因为第一凹槽处采用抗冲击吸能材料填充，相对于金属材料制成的外壳体1，减轻了粒子分离器的重量，进一步提升了发动机的性能。本实施例通过在第一凹槽处填充抗冲击吸能材料，既能提高粒子分离器的分离效率，又不影响粒子分离器的气动性能。

参照图2及图3，中心体3的前半段表面涂覆有第二涂层5，第二涂层5采用弹性材料制成。本实施例的粒子分离器，通过在中心体3前半段的表面涂覆由弹性材料制成的第二涂层5，使进入粒子分离器的颗粒在撞击中心体3后发生反弹，从而使颗粒向外围运动进入清除流道7，进一步排出机外。在本实施例中，弹性材料为橡胶或树脂材料。

经过论证在中心体3的前端应用弹性材料，外壳体1的第一凹槽处应用抗冲击吸能材料，颗粒的分离效率要高于内外壁均应用单一金属材料的分离效率更高。

优选地，第二涂层5的范围由中心体3入口处至中心体3半径最大处。第二涂层5具有一定的厚度，在本实施例中，第二涂层5的末端与中心体3的表面形成雨水台阶9。本实施例的粒子分离器，通过在中心体3的表面设置雨水台阶9，使附着在中心体3壁面上的雨水经过雨水台阶9后汇集并脱离壁面，从而被甩向外围脱离主流道8，实现分离雨水的功能，避免雨水由主流道8进入发动机。另外，第二涂层5的范围是中心体3入口处至中心体3的半径最大处，有利于更好的实现雨水分离。本实施例的第二涂层5，使进入粒子分离器的颗粒在撞击中心体3后能提高反弹效果并且可同时实现雨水台阶9的功能。另外，相对于利用金属材料制成的雨水台阶9，弹性材料的密度要小于金属材料，可减轻粒子分离器的重量，进一步提高发动机性能。

本实施例的整体式惯性粒子分离器，通过在外壳体上涂覆由抗冲击吸能材料制成的涂层，在中心体的表面涂覆由弹性材料制成的涂层；使进入粒子分离器的颗粒在撞击外壳体1后降低法向反弹速度，使颗粒不返回主流；使进入粒子分离器的颗粒撞击中心体后增大反弹速度从而使颗粒向外围运动，进一步提高颗粒的分离效率，同时降低了由于反弹带来的分离效率的不稳定性。另一方面，在外壳体内壁面设置第一凹槽，采用非金属材料填充，以及中心体前端采用非金属材料代替金属材料形成雨水台阶，减轻了粒子分离器的重量。同时非金属材料往往比金属材料更耐磨，且外壳体采用抗冲击吸能材料，可有效减少颗粒反弹次数，减少颗粒与壁面间的摩擦，提高粒子分离器壁面的耐磨性。

参照图4至图6，在本发明的第二实施例中，进气道6内周向均匀分布有多个预旋叶片10，预旋叶片10分为吸力面和压力面，预旋叶片10的压力面上涂覆有第三涂层101，第三涂层101由抗冲击吸能材料制成。

在本实施例中，进入粒子分离器的颗粒在撞击预旋叶片10的压力面后向中心体3运动，进入主流道8，从而不利于分离颗粒。因此在压力面设置由抗冲击吸能材料制成的第三涂层101，从而使颗粒在撞击压力面后，能有效的降低颗粒撞击压力面的反弹速度，使颗粒不向中心体3运动，而是向外壳体1运动，从而沿着清除流道7排出机外，从而提高颗粒分离效率。

优选地，压力面上第三涂层101位置处采用凹陷的结构，具体地，在压力面开设有第二凹槽，第三涂层101铺设于第二凹槽内以使第三涂层101的表面与压力面未开凹槽时的表面平齐，不改变叶片的形状，从而不影响预旋叶片10的性能。

参照图6，预旋叶片10的吸力面上涂覆有第四涂层102，第四涂层102由弹性材料制成。弹性材料为橡胶或树脂材料。因为粒子分离器的颗粒在撞击预旋叶片10的吸力面后因弹性作用会向外壳体1运动，从而有利于分离。因此在吸力面上涂覆有弹性材料制成的第四涂层102，从而在颗粒撞击吸力面时，增大颗粒的反弹速度，使其向外壳体1运动，有助于颗粒的分离。

在本实施例中，吸力面上对应第四涂层102位置处采用凹陷的结构，具体地，吸力面对应第四涂层102的位置开设有第三凹槽，第四涂层102铺设于第三凹槽内。第三涂层101的表面与吸力面未开设凹槽时的表面平齐，不改变叶片形状，从而不影响预旋叶片10的性能。

本实施例的整体式惯性粒子分离器，通过在压力面上涂覆由抗冲击吸能材料制成的第三涂层101，及在预旋叶片10的吸力面上设置弹性材料制成的第四涂层102，并且不改变叶片的形状，使进入粒子分离器的颗粒在撞击预旋叶片10的压力面后，降低撞击压力面的反弹速度，使颗粒不向中心体3运动，而是沿着清除流道7排出机外；使颗粒在撞击预旋叶片10的吸力面后增大其反弹速度，从而向外壳体1运动，有利于颗粒分离。

经过论证，在外壳体1内壁面和预旋叶片10的压力面上使用法向反弹恢复低的材料和/或在中心体3表面及预旋叶片10的吸力面上使用反弹恢复系数高的材料，可提高粒子分离器的分离效率，并且可降低由于反弹带来的分离效率不稳定性。

本实施例的带预旋叶片10的整体式惯性粒子分离器，通过在外壳体和预旋叶片的压力面上涂覆由抗冲击吸能材料制成的涂层，在中心体的表面及预旋叶片吸力面上涂覆由弹性材料制成的涂层；使进入粒子分离器的颗粒在撞击外壳体或预旋叶片的压力面后降低法向反弹速度，使颗粒不返回主流；使进入粒子分离器的颗粒撞击中心体或者预旋叶片的吸力面后增大反弹速度从而使颗粒向外围运动，从而提高颗粒的分离效率，同时降低了由于反弹带来的分离效率的不稳定性。另一方面，由于涂层为非金属材料，减轻了粒子分离器的重量；同时非金属材料往往比金属材料更耐磨，且外壳体和预旋叶片的压力面上采用抗冲击吸能材料，可有效减少颗粒反弹次数，减少颗粒与壁面间的摩擦，提高粒子分离器壁面的耐磨性，延长粒子分离器的使用寿命。

本发明还提供一种航空发动机，该航空发动机包括上述的基于壁面反弹特性的整体式惯性粒子分离器，该航空发动机通过在粒子分离器外壳体的内壁面涂覆抗冲击吸能材料制成的涂层，使进入粒子分离器的颗粒在撞击外壳体后，撞击能量被涂层吸收，从而降低颗粒反弹速度，使颗粒难以返回至主流道，而沿着清除流道排出机外，提高了颗粒的分离效率，减少了进入压气机的颗粒，从而提供清洁气流给压气机，进一步提高了发动机的性能。

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。