粒子分離器砂塵分離效率試驗參數影響分析

徐大成，陳 冰

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

0 引言

渦軸發動機吸入砂塵會出現旋轉部件磨損、燃油噴嘴和渦輪葉片氣膜孔堵塞等現象[1]，導致性能降低，壽命急劇縮短，維護成本倍增，因而在砂塵環境下工作的渦軸發動機大多安裝進氣防護裝置——粒子分離器。在20世紀60年代中期以后相繼出現了攔阻式過濾器和彎管式、多管式及整體式粒子分離器等多種類型砂塵防護裝置，顯著提升了直升機渦軸發動機砂塵環境適應性。

砂塵分離效率是粒子分離器的關鍵技術指標。美國軍方[1]對某發動機進行的AC 粗砂測試結果顯示：分離效率為85%的粒子分離器可使發動機砂塵環境使用壽命提升5 倍以上；若分離效率提高至96%，發動機砂塵環境使用壽命可提升28 倍之多。因而，準確評估粒子分離器砂塵分離能力對發動機砂塵環境下使用性能、飛行安全、維護性和經濟性等起著重要作用。砂塵試驗是評估粒子分離器砂塵分離能力的核心方法[2]，國內外學者對此開展了大量研究。Breitman 等[3]通過砂塵試驗驗證了整體式粒子分離器性能；Barone[4]采用PIV 試驗方法測試了整體式粒子分離器內部氣砂兩相流場；唐靜[5]開展了粒子分離器砂塵試驗用的投砂裝置設計和調試試驗；吳恒剛等[6]通過試驗研究了整體式粒子分離器分流器位置對分離效率的影響；李潔瓊等[7]研究了主流路流量、掃氣比、進口馬赫數、進口砂粒濃度和分離器間距對整體式粒子分離器性能的影響規律；支明等[8]采用PIV試驗方法研究了某粒子分離器內部流場特性。

從國內外研究情況來看，目前砂塵試驗研究對象主要針對粒子分離器，對砂塵試驗自身影響因素的研究未見公開報道。粒子分離器砂塵試驗結果受砂塵投放裝置模擬粒子分離器進口砂塵分布、砂塵濃度、噴砂速度及砂塵收集精度和測試設備誤差等諸多因素影響，直接關系到粒子分離器砂塵分離效率測試結果的準確性，有必要開展深入研究。本文結合機理分析、數值仿真方法和試驗方法，對某整體式粒子分離器砂塵分離效率試驗參數影響進行分析。

1 砂塵試驗方法

1.1 試驗原理

粒子分離器砂塵試驗是在試驗室環境下，模擬粒子分離器在發動機上的真實工作狀態，評估或驗證粒子分離器砂塵分離能力的一種方法。砂塵試驗系統（如圖1 所示）采用吸氣式動力布局，主要由投砂、砂塵收集和流量測量裝置，以及主氣流和清除流管路等組成。在試驗過程中，在動力風機抽吸作用下驅動主氣流和清除流，粒子分離器達到指定流量狀態后，利用投砂裝置向粒子分離器進口投放一定質量、濃度和速度的砂塵，含有砂塵的氣流進入粒子分離器后，經粒子分離器分離后的砂塵進入清除流管路，相對清潔氣流進入主氣流管路。進入清除流管路的砂塵被砂塵收集裝置收集，通過計量收集砂塵的質量可計算得到粒子分離器砂塵分離效率。

圖1 試驗系統原理

1.2 測試誤差分析

試驗過程測量參數主要包括主氣流和清除流流量、砂塵投放質量M1和清除流的收集質量M2，砂塵質量采用電子秤計量，量程范圍內實際測量誤差為±1 g，砂塵收集裝置實際收集精度為99%。

粒子分離器對砂塵的質量分離效率為

對式（1）求偏導數可得分離效率誤差為

ΔM1僅受質量計量誤差影響，投砂總量1000 g產生的砂塵收集質量誤差為±1 g，則

ΔM2受砂塵收集效率和質量計量誤差綜合影響，若粒子分離器分離效率按85%計算，那么投砂總量1000 g產生的砂塵收集質量誤差為±8.5 g，則

由式（2）可得計算誤差為

綜上可見，試驗系統測試誤差在±1%以內，證明利用本測試系統測試精度可滿足試驗需求。

2 數值仿真方法

為研究粒子分離器部件內部流動特征和性能參數影響規律，文獻[9]開展了數值驗證工作，流場計算采用Realizablek-ε湍流模型，粒子軌跡計算采用離散相（DPM）模型，計算結果與試驗結果可以較好地符合，驗證了所采用計算方法的可靠性。本文利用FLUENT 商用軟件，采用與文獻[9]相同的計算方法進行了某整體式粒子分離器3 維黏性數值仿真，計算模型如圖2 所示。該粒子分離器為帶預旋葉片的整體式粒子分離器，粒子依靠預旋葉片和駝峰型流道產生的離心力向外流道運動，經過氣動力拖曳、壁面反彈后進入清除流通道，清潔氣流經過反旋葉片消除旋流后進入壓氣機。粒子分離器進口邊界給定壓力進口，出口邊界給定壓力出口，計算狀態選取發動機最大狀態，清除流流量占主氣流流量的16%，計算采用四面體網格，壁面采用三棱柱網格進行等比加密，網格總量約235萬。

圖2 計算模型及邊界條件

粒子軌跡模擬采用離散相模型，粒子材料為石英砂，形狀假設為球形，按粒度大小分為C級砂和AC粗砂2種規格，粒徑d分別為0～1000 μm和0～200 μm，2種砂均符合GJB1171-91[10]，粒徑分布近似服從Rosin-Rammler分布[6]

式中：Yd為粒徑大于d的粒子的質量分數；為粒子平均直徑；n為分布指數。

圖3 砂塵粒徑分布

假設壁面為鋁合金材料，粒子與壁面碰撞前后參數變化關系（如圖4所示）按如下經驗模型[11]表示為

圖4 粒子碰撞反彈模型

式中：β為粒子與壁面的夾角，rad；V為粒子速度；下標1、2 分別代表入射和反射參數；n、t 分別代表切向和法向參數。

3 參數影響分析

3.1 粒子分離器進口粒子分布均勻性

國外粒子分離器砂塵試驗采用模擬均勻砂塵投放方法[12-13]，結合砂塵分離機理和數值仿真分析方法針對粒子分離器進口砂塵分布均勻性對砂塵分離性能的影響進行分析。

首先，建立粒子分離器進口截面粒子分布簡化模型，如圖5 所示。假設粒子均勻分布在經過點E和點Fi（i=1，2，…4）的2 個圓形包絡的環形區域（即流道內壁附近的環形區域），采用第2 章基于離散相模型的兩相流計算方法得到不同粒子分布區域面積AEFi與粒子分離器進口面積A0比值下的砂塵分離效率，見表1。從表中可見，在AEFi/A0＜1.0 時，分離效率發生顯著變化，進口砂塵分布均勻性對粒子分離器砂塵分離效率產生顯著影響；在AEFi/A0=0.59 時，C 級砂的分離效率比均勻分布模型AEFi/A0=1.00）的低5.1%，AC 粗砂的分離效率比均勻分布模型的低6.9%。這一點可以從粒子分離器內部砂塵運動機理的角度進行定性分析，本文采用第2 章的計算方法對粒子分離器進行兩相流模擬，通過在粒子分離器進口徑向均勻釋放粒徑分別為5 μm 和500 μm 的粒子，粒子運動圖譜如圖6 所示。從圖中可見，小粒徑粒子（d=5 μm）表現出明顯的隨流特性，位于分界軌跡線BFG（紅色虛線）上方的粒子在清除流道分離，其下方粒子則進入主流道，若AEFi/A0減小，其分離效率將會隨之降低；而大粒徑粒子（d=500 μm）則主要借助自身慣性和壁面反彈作用分離，僅位于流道中部條帶區域（粉色）的粒子被吸入主流道，若AEFi/A0減小，中部條帶區域粒子濃度將增大，即更多的大粒子將進入主流道，分離效率相應降低。綜合分析大粒徑和小粒徑粒子分離機理可知，進口砂塵分布情況是影響粒子分離器砂塵分離效率的重要影響因素。

圖5 粒子分離器進口截面砂塵分布

表1 粒子分布對分離效率影響仿真結果

圖6 不同粒徑粒子分離機理

3.2 進口砂塵濃度

隨著砂塵濃度升高，粒子與粒子、粒子與氣流之間相互干擾作用增強，粒子之間相互碰撞產生動量變化，影響粒子運動軌跡和碰撞反彈特性。K.ANAND等[14]研究了粒子通量對材料磨蝕率的影響，建立了1階粒子碰撞模型，如圖7所示。從圖中可見，在入射粒子束與反彈粒子束之間形成干擾區，隨著入射粒子通量增加，碰撞區內入射粒子與反彈粒子相互碰撞的幾率增大，造成反彈速度虧損，影響粒子運動軌跡。

圖7 粒子碰撞模型

砂塵濃度越低，粒子間相互干擾作用越弱，對砂塵分離效率影響也越小。GJB 2525-95[15]規定了粒子分離器部件進口砂塵濃度為53 mg/m3，若按此濃度進行部件砂塵分離試驗，砂塵投放時間為

式中：ρg為空氣密度；Cs為投砂濃度；為進氣流量。

若進氣流量為5.4 kg/s、投砂總量為1 kg，則每個狀態點投砂時間為

因而若按53 mg/m3的濃度開展砂塵分離效率試驗，將耗費大量時間。為提高效率，砂塵試驗一般采用加速等效方法，即在投砂量一定的情況下，提高粒子分離器入口砂塵濃度。為不影響砂塵試驗結果，在粒子分離器砂塵試驗過程中砂塵濃度可控制在53～530 mg/m3[12]。另外，從砂塵防護裝置砂塵試驗標準ISO 5011[16]中發現，試驗時粒子分離器進口砂塵濃度可以達到2000 mg/m3。對此，在投砂質量一定、不同投砂濃度的條件下進行了粒子分離器砂塵試驗，最小砂塵濃度控制在500 mg/m3左右，最高砂塵濃度控制在2000 mg/m3左右，試驗結果見表2。從表中可見，在試驗的砂塵濃度下，試驗結果并無顯著變化，說明在試驗砂塵濃度范圍內，粒子與粒子、粒子與氣流間相互作用很弱，不會影響砂塵試驗結果，同時證明采用加速等效的砂塵試驗方法可行，并將大幅縮短試驗時間。

表2 砂塵濃度對比試驗結果

3.3 粒子分離器進口噴砂速度

直升機在實際起飛、著陸過程中，彌漫在空氣中的砂塵在氣流卷吸作用下進入粒子分離器，進口粒子運動速度相對氣流有一遲滯過程[17]，比氣流速度要慢，而在砂塵試驗過程中采用壓縮氣源噴砂方式噴砂，通過調節氣源壓力控制噴砂速度。為此，對粒子分離器進行了不同噴砂速度下的砂塵分離效率仿真計算，計算結果如圖8所示。

圖8 噴砂速度對粒子分離器砂塵分離效率的影響

從圖中可見，隨著噴砂速度與進氣速度比值Vs/Vg的增大，砂塵分離效率呈緩慢降低趨勢，進口噴砂速度在0.65～1.35 倍進氣速度范圍內變化時，粒子分離器砂塵分離效率相比Vs/Vg=1 時的降低不超過1%。

為分析噴砂速度對砂塵分離效率影響不顯著的原因，計算了不同噴砂速度下粒子分離器對不同粒徑粒子的分離效率，如圖9所示。

圖9 不同噴砂速度下的粒子分離效率

從計算結果中可以發現：（1）Vs/Vg一定時，隨著粒徑增大，慣性離心力增大，粒子分離效率呈升高趨勢，當粒徑大于15 μm 時，壁面反彈作用影響逐漸增強，分離效率出現降低趨勢；（2）粒子粒徑一定時，對于粒徑小于20 μm 的粒子，由于自身慣性小，運動受氣動曳力主導，具有較好的隨流性，在Vs/Vg=0.65～1.35 范圍內變化時，其離心力變化很小，運動軌跡幾乎不變，分離效率也幾乎不變；對于粒徑大于20 μm的粒子，運動受離心力和壁面反彈作用主導，在Vs/Vg=0.65～1.35 范圍內變化時，受離心力和壁面反彈作用影響，粒子運動軌跡發生變化，致使分離效率也出現波動，相比Vs/Vg=1 時的波動范圍在1%～3%。這里大于20 μm 的粒子分為2 部分，其中大部分粒子會與壁面發生碰撞，其余少部分則不與壁面發生碰撞而直接進入主氣流道或清除流道，如圖10 所示。與Vs/Vg=1 的粒子相比，在Vs/Vg=1.35 時，與壁面發生碰撞的粒子與粒子分離器外流道碰撞點提前，受壁面曲率影響，反彈后粒子運動軌跡向主氣流通道偏移，進入主流道可能性增大，因而這部分粒子的分離效率降低；少量不與壁面發生碰撞的粒子運動軌跡向外流道偏移，進入清除通道可能性增大，其分離效率會有所提高，但這部分粒子數量相對較少。而在Vs/Vg=0.65時則反之。

圖10 粒子運動軌跡（d=150 μm）

綜上，由于小于20 μm 的粒子運動受氣動曳力主導，分離效率幾乎不受噴砂速度影響；大于20 μm 的粒子中與壁面碰撞的粒子數量占優，分離效率主要受壁面反彈作用影響，隨著噴砂速度增大，粒子與外流道碰撞點提前，反彈后粒子運動軌跡向主氣流通道偏移，致使粒子分離效率降低，因只有運動軌跡在分流唇口附近的少部分粒子的分離效率會受反彈作用受影響，致使粒子分離器總分離效率隨進口噴砂速度增大呈緩慢降低趨勢。

4 結論

（1）建立了粒子分離器進口砂塵分布模型，結合流動機理分析和CFD 仿真分析證實粒子分離器進口砂塵分布的均勻性是影響砂塵分離效率的主要因素；

（2）砂塵試驗結果和相關資料顯示，進口砂塵濃度約為2000 mg/m3，砂塵濃度變化不會對分離效率試驗結果產生顯著影響，通過合理控制砂塵濃度，采用加速等效試驗方法可大幅縮短試驗周期；

（3）噴砂速度增大，大粒徑粒子受壁面反彈影響，使粒子分離器總分離效率呈降低趨勢，但影響并不顯著。