直升機發動機粒子分離裝置研究綜述

摘 要：直升機的工作環境復雜，使得發動機常處在砂霧迷漫的環境中工作，需要加裝粒子分離裝置對發動機進行保護，延長其使用壽命。本文介紹了三類發動機粒子分離裝置（渦旋管分離器、整體式粒子分離器，進氣阻攔式過濾器）的工作原理以及各自的缺點和優勢。目前國內也正在開展相關技術的研究工作，但主要集中在整體式粒子分離器的動力學建模和計算上，對于渦旋管分離器和進氣阻攔式過濾器技術的研究尚未深入開展。

關鍵詞：直升機；發動機；粒子分離裝置

直升機與固定翼飛機（不包括垂直起落類飛機）相比，其最大的特點是機動性好，可在多種環境下起降。這些特點決定了直升機使用環境的多樣行，可在沙漠等惡劣環境下，執行起重、[1]運輸、[2]營救、[3]偵察[4]與攻擊[5]等任務。因此，直升機發動機常處在砂霧迷漫的環境中工作，使得進入發動機的塵土、砂石、雜草及冰雪等雜物遠遠超過其他機種。

當塵砂進入發動機后，造成的主要危害有：壓氣機葉片磨蝕，發動機功率下降，耗油率增加，最終影響發動機的使用壽命。因此，凈化進入發動機的空氣，對于在惡劣環境下工作的直升機來說，顯得尤為重要。[6]而加裝粒子分離裝置是一種保護直升機發動機、提高其使用壽命的有效手段。[7]

從實際的使用經驗也證實了這一點：[8]1969年，CH54直升機的發動機JFTD12，在東南亞僅飛行不到60h后，就因塵砂磨蝕而更換，發動機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 直升機發動機粒子分離裝置

1.1 分類和設計目標

根據國、內外的研究現狀，直升機發動機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設計成一個獨立的裝置安裝在發動機進氣口的周圍，而IPS作為發動機整體的一部分，由發動機制造商設計和制造。IBF是利用纖維層網狀材料粘附空氣中的粒子，阻擋其進入發動機。三類粒子分離裝置的作用機理雖然不同，但在直升機上應用，設計目標都是一致的：

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被應用于 “黑鷹”直升機的T700發動機，然后，裝有IPS的T700發動機又用在了 “阿帕奇”直升機上。IPS作為發動機整體的一部分，優勢是重量輕，對機體不會產生額外的空氣阻力；但最主要的缺陷是，在直升機不需要粒子分離功能的情況下，同樣會帶來發動機的功率損失。

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

和前兩種技術不同，IBF相對還處于初期發展階段。然而隨著過濾材料技術的發展，現在已經能夠將IBF設計成在兼有粒子分離功能的前提下，同時降低發動機的功率損失。此外，現在有越來越多的直升機用戶選擇用IBF來替換VTS。這是因為，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（也稱渦旋發生器）和渦旋管組成，如圖2所示。當環境空氣進入分離單元后，在渦旋葉片的作用下，產生離心力，在離心力和排砂風扇（氣流）的共同作用下，粒子沿著渦旋管的外側通道被分離出去，而干凈的空氣經渦旋管最終進入發動機。分離單元的分離效率和渦旋管的內、外徑，渦旋葉片的數量、螺距等因素有關，[1]在直升機上使用時，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量時，需要對直升機在各種飛行姿態下的氣流流場進行仿真計算，渦旋管的數量需要滿足發動機的最大進氣量。

加裝VTS對直升機飛行性能的影響主要有以下幾點：

1）當排砂氣流是從流經發動機的空氣中提取，會造成發動機的功率損失；

2）加裝VTS后，對進入發動機的空氣產生阻力，從而造成壓降，影響發動機的性能；

3）加裝VTS后，直升機在飛行時需要克服額外的空氣阻力。

國內，目前尚未開展VTS技術的研究和應用，但GJB 117191[9]《軍用直升機防砂塵要求》給出了試驗砂粒尺寸和分離效率的具體標準。當直升機在砂塵環境下工作，以未加裝VTS作為基準，當VTS的分離效率達到94%～95%，發動機使用壽命將增加1倍，當分離效率達到97%，發動機使用壽命是原來的4倍。[10]

1.3 整體式粒子分離器（IPS）

IPS和發動機設計成一套整體，作為發動機進氣道的一部分，并起到分離顆粒物的目的。IPS的形狀，大小和發動機的性能和結構特性密切相關。如圖3所示，當空氣流經發動機，靜止葉片使得空氣在管道中產生氣流方向的變化，并產生旋轉離心力，在旋轉離心力的作用下，把氣流中的塵砂粒子分離出來，而干凈的空氣進入發動機。其中，靜止葉片是一組渦旋葉片，如圖4所示。IPS系統作為發動機整體的一部分，優點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中，國外大量的研究工作都集中在IPS的流體動力學建模和計算上，[10，1315]在計算時，需要預測粒子的碰撞和反彈現象。目前，國內也正在開展IPS的動力學建模和計算工作，張可可[16]等人通過5點GaussHermite積分擬合粒子與固壁碰撞，反彈速度和角度的概率密度分布試驗數據，建立粒子與固體碰撞/概率反彈模型。將該模型應用于直升機預旋與非預旋IPS氣固兩相流場數值模擬，并與另外兩種常用的粒子與固壁碰撞反彈模型（平均恢復系數模型、完全彈性碰撞模型）的計算結果進行了對比。

1.4 進氣阻攔式過濾器（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，防止未經過濾的顆粒通過縫隙進入發動機。

早期的IBF使用棉網結構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納米纖維技術。[11]由于過濾層在吸附顆粒物時會造成過濾器堵塞，使得進入發動機的氣體壓降不斷增大，所以在設計IBF時會增加一套旁通系統，如圖5所示。旁通系統中有一個壓差傳感器，用于監測過濾器的堵塞狀態，飛行員在駕駛艙內可以觀測到。當壓降超出使用限制，飛行員會打開旁通面板，使空氣全部由旁通通道進入發動機。旁通面板通常是向后打開，以降低異物對發動機危害的可能性。

IBF的粒子分離效率和過濾層的尺寸、介質滲透率、堵塞比等因素有關。IBF的分離效率最高可達到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，當過濾層逐漸被顆粒物堵塞，發動機進氣壓力損失隨之增大。例如，在過濾層干凈狀態下，壓力損失通常在0.5Kpa，而在砂塵環境中使用100h之后，壓力損失通常上升到3kpa。所以，需要定期對過濾層進行清理，增加了對系統維護的工作量。

1.5 對比

通過1.2、1.3和1.4對VTS、IPS、IBF三種直升機發動機粒子分離裝置的介紹，對各自的缺點和優勢總結如下：

2 總結

本文對直升機加裝發動機粒子分離裝置的必要性進行了闡述。直升機發動機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）和進氣阻攔式過濾器（IBF）。由于通過了海灣戰爭的實戰檢驗，使得VTS在直升機上的應用相對更加廣泛和成熟，但是三類發動機粒子分離裝置都有各自的缺點和優勢，本文對其進行了對比和總結。發動機粒子分離裝置的設計目標是高分離效率、低壓力損失、低壓力畸變、低自重、低空氣阻力和低成本，今后技術的發展也將朝著這些目標改進。國內目前也正在開展相關技術的研究和應用工作，但主要集中在IPS的動力學建模和計算，對于VTS和IBF技術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，直升機系統設計員。