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直升机发动机粒子别离装置研究综述 摘要：直升机的工作环境复杂，使得发动机常处在砂雾迷漫的环境中工作，需要加装粒子别离装置对发动机进行保护，延长其使用寿命本文介绍了三类发动机粒子别离装置〔涡旋管别离器、整体式粒子别离器，进气阻拦式过滤器〕的工作原理以及各自的缺点和优势目前国内也正在开展相关技术的研究工作，但主要集中在整体式粒子别离器的动力学建模和计算上，对于涡旋管别离器和进气阻拦式过滤器技术的研究尚未深入开展关键词：直升机；发动机；粒子别离装置直升机与固定翼飞机〔不包括垂直起落类飞机〕相比，其最大的特点是机动性好，可在多种环境下起降这些特点决定了直升机使用环境的多样行，可在沙漠等恶劣环境下，执行起重、【1】运输、【2】营救、【3】侦察【4】与攻击【5】等任务因此，直升机发动机常处在砂雾迷漫的环境中工作，使得进入发动机的尘土、砂石、杂草及冰雪等杂物远远超过其他机种当尘砂进入发动机后，造成的主要危害有：压气机叶片磨蚀，发动机功率下降，耗油率增加，最终影响发动机的使用寿命因此，净化进入发动机的空气，对于在恶劣环境下工作的直升机来说，显得尤为重要6】而加装粒子别离装置是一种保护直升机发动机、提高其使用寿命的有效手段。

7】从实际的使用经验也证实了这一点：[8]1969年，CH54直升机的发动机JFTD12，在东南亚仅飞行不到60h后，就因尘砂磨蚀而更换，发动机的平均更换寿命只有约80h；加装了粒子别离装置之后，翻修寿命增加到800h，寿命提高10倍1直升机发动机粒子别离装置根据国、内外的研究现状，直升机发动机粒子别离装置可以分为三类：[8，10，11]〔1〕涡旋管别离器〔vortextubeseparators，缩写“VTS〞〕〔2〕整体式粒子别离器〔integerparticleseparators，缩写“IPS〞〕〔3〕进气阻拦式过滤器〔inletbarrierfilters，缩写“IBF〞〕VTS和IPS都是利用惯性原理将粒子别离，VTS设计成一个独立的装置安装在发动机进气口的周围，而IPS作为发动机整体的一局部，由发动机制造商设计和制造IBF是利用纤维层网状材料粘附空气中的粒子，阻挡其进入发动机三类粒子别离装置的作用机理虽然不同，但在直升机上应用，设计目标都是一致的：f.低本钱〔包括维修〕世界上第一套IPS被应用于“黑鹰〞直升机的T700发动机，然后，装有IPS的T700发动机又用在了“阿帕奇〞直升机上。

IPS作为发动机整体的一局部，优势是重量轻，对机体不会产生额外的空气阻力；但最主要的缺陷是，在直升机不需要粒子别离功能的情况下，同样会带来发动机的功率损失相对于IPS，VTS的应用还是比拟成功的世界上第一套VTS是由“PALL〞公司，为英军CH47直升机1990年参加海湾战争时设计的从当时的应用情况，装有VTS的CH47直升机，在平均飞行145h后，没有出现发动机叶片被砂尘磨损的情况而美军的CH47直升机，未安装VTS，在总飞行时间每1000h后，有20%～40%的发动机叶片被砂尘磨损[12]至此，VTS的成功应用，使得更多的制造商将其推广到民用直升机市场和前两种技术不同，IBF相对还处于初期开展阶段然而随着过滤材料技术的开展，现在已经能够将IBF设计成在兼有粒子别离功能的前提下，同时降低发动机的功率损失此外，現在有越来越多的直升机用户选择用IBF来替换VTS这是因为，相对于VTS，虽然IBF需要定期清理过滤层，但粒子别离效率更高，重量更轻1.2涡旋管别离器〔VTS〕涡旋管别离器是由许许多多的别离单元组成，而每个别离单元又由涡旋叶片〔也称涡旋发生器〕和涡旋管组成，如图2所示当环境空气进入别离单元后，在涡旋叶片的作用下，产生离心力，在离心力和排砂风扇〔气流〕的共同作用下，粒子沿着涡旋管的外侧通道被别离出去，而干净的空气经涡旋管最终进入发动机。

别离单元的别离效率和涡旋管的内、外径，涡旋叶片的数量、螺距等因素有关，【1】在直升机上使用时，同时还要考虑旋翼下洗气流的影响在布置涡旋管的位置和数量时，需要对直升机在各种飞行姿态下的气流流场进行仿真计算，涡旋管的数量需要满足发动机的最大进气量加装VTS对直升机飞行性能的影响主要有以下几点：1〕当排砂气流是从流经发动机的空气中提取，会造成发动机的功率损失；2〕加装VTS后，对进入发动机的空气产生阻力，从而造成压降，影响发动机的性能；3〕加装VTS后，直升机在飞行时需要克服额外的空气阻力国内，目前尚未开展VTS技术的研究和应用，但GJB117191[9]?军用直升机防砂尘要求?给出了试验砂粒尺寸和别离效率的具体标准当直升机在砂尘环境下工作，以未加装VTS作为基准，当VTS的别离效率到达94%～95%，发动机使用寿命将增加1倍，当别离效率到达97%，发动机使用寿命是原来的4倍[10]1.3整体式粒子别离器〔IPS〕IPS和发动机设计成一套整体，作为发动机进气道的一局部，并起到别离颗粒物的目的IPS的形状，大小和发动机的性能和结构特性密切相关如图3所示，当空气流经发动机，静止叶片使得空气在管道中产生气流方向的变化，并产生旋转离心力，在旋转离心力的作用下，把气流中的尘砂粒子别离出来，而干净的空气进入发动机。

其中，静止叶片是一组涡旋叶片，如图4所示IPS系统作为发动机整体的一局部，优点是无需占用额外的安装空间，重量更轻在搜索到的参考文献中，国外大量的研究工作都集中在IPS的流体动力学建模和计算上，[10，1315]在计算时，需要预测粒子的碰撞和反弹现象目前，国内也正在开展IPS的动力学建模和计算工作，张可可[16]等人通过5点GaussHermite积分拟合粒子与固壁碰撞，反弹速度和角度的概率密度分布试验数据，建立粒子与固体碰撞/概率反弹模型将该模型应用于直升机预旋与非预旋IPS气固两相流场数值模拟，并与另外两种常用的粒子与固壁碰撞反弹模型〔平均恢复系数模型、完全弹性碰撞模型〕的计算结果进行了比照1.4进气阻拦式过滤器〔IBF〕IBF的颗粒别离方法不同于VTS和IPS，它是通过过滤层吸附空气中的颗粒物，从而到达净化空气的目的过滤层本身是一个面板折叠材料，过滤层粘合或以其他形式固定在框架上，并用密封材料密封，防止未经过滤的颗粒通过缝隙进入发动机早期的IBF使用棉网结构并用油料浸渍作为过滤层，而最新的过滤层采用新型干法合成超细纳米纤维技术[11]由于过滤层在吸附颗粒物时会造成过滤器堵塞，使得进入发动机的气体压降不断增大，所以在设计IBF时会增加一套旁通系统，如图5所示。

旁通系统中有一个压差传感器，用于监测过滤器的堵塞状态，飞行员在驾驶舱内可以观测到当压降超出使用限制，飞行员会翻开旁通面板，使空气全部由旁通通道进入发动机旁通面板通常是向后翻开，以降低异物对发动机危害的可能性IBF的粒子别离效率和过滤层的尺寸、介质渗透率、堵塞比等因素有关IBF的别离效率最高可到达99.3%，[10]另外，其过滤层本身具有防水功能IBF最主要的缺陷是随着使用时间增加，当过滤层逐渐被颗粒物堵塞，发动机进气压力损失随之增大例如，在过滤层干净状态下，压力损失通常在0.5Kpa，而在砂尘环境中使用100h之后，压力损失通常上升到3kpa所以，需要定期对过滤层进行清理，增加了对系统维护的工作量通过1.2、1.3和1.4对VTS、IPS、IBF三种直升机发动机粒子别离装置的介绍，对各自的缺点和优势总结如下：2总结本文对直升机加装发动机粒子别离装置的必要性进行了阐述直升机发动机粒子别离装置可以分为三类，分别是：涡旋管粒子别离器〔VTS〕，整体式粒子别离器〔IPS〕和进气阻拦式过滤器〔IBF〕由于通过了海湾战争的实战检验，使得VTS在直升机上的应用相对更加广泛和成熟，但是三类发动机粒子别离装置都有各自的缺点和优势，本文对其进行了比照和总结。

发动机粒子别离装置的设计目标是高别离效率、低压力损失、低压力畸变、低自重、低空气阻力和低本钱，今后技术的开展也将朝着这些目标改良国内目前也正在开展相关技术的研究和应用工作，但主要集中在IPS的动力学建模和计算，对于VTS和IBF技术的研究尚未深入开展参考文献：【1】王适存，吴伟.关于开展起重用重型直升機的一些想法[J].直升机技术，2021〔1〕：2730.【2】林一平.运输直升机在抗震救灾中发挥巨大作用[J].交通与运输，2021〔4〕：4346.改良措施[J].中华卫生应急电子杂志，2021〔1〕.246248.【4】胡建亭，梁宏涛.警用直升机的作用及在我国警务实战中的应用[J].警察技术，2021〔4〕：47.【5】姜明远，胡英俊.攻击直升机作战生存力特性研究[J].航空科学技术，2021〔1〕：3638.【6】时磊，岳剑飞.沙尘对直升机的危害及预防[J].科技资讯，2021〔13〕.122124.【7】李立国，王锁芳，直升机发动机的进气防护[M].北京：国防工业出版社，2021.发动机进气防护装置研究[D].沈阳：东北大学，2021.[9]GJB117191?军用直升机防砂尘要求?[S].[10]AntonioFilippone，NicholasBojdo.Turboshaftengineairparticleseparation[J].ProgressinAerospaceSciences，2004〔46〕224–245.[11]NicholasBojdo，AntonioFilippone.Comparativestudyofhelicopterengineparticleseparators[J].JournalofAircraft，2021〔3〕，10301042.[12]PaulStallard.Helicopterengineprotection[J].Perfusion，1997〔12〕，263267.[13]Taslim，M.E.；Khanicheh，A.；Spring，S.ANumericalStudyofSandSeparationApplicabletoEngineInletParticleSeparatorSystems[J].JournaloftheAmericanHelicopterSociety，2021〔54〕，110.[14]FarooqSaeedandAhmadZ.AlGarni.AnalysisMethodforInertialParticleSeparator[J].JournalofAircraft，2021〔4〕，11501158.[15]EyasF.AlFarisandFarooqSaeed.DesignandOptimizationMethodforInertialParticleSeparatorSystems[J].JournalofAircraft，2021〔6〕，19191929.[16]张可可，胡海洋，王强.基于概率反弹碰撞模型的进气粒子别离器两相流数值模拟[J].航空动力学报，2021〔32〕：382389.。