粒子分離器砂塵分離效率試驗(yàn)參數(shù)影響分析

徐大成，陳 冰

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

0 引言

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)吸入砂塵會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)部件磨損、燃油噴嘴和渦輪葉片氣膜孔堵塞等現(xiàn)象[1]，導(dǎo)致性能降低，壽命急劇縮短，維護(hù)成本倍增，因而在砂塵環(huán)境下工作的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)大多安裝進(jìn)氣防護(hù)裝置——粒子分離器。在20世紀(jì)60年代中期以后相繼出現(xiàn)了攔阻式過(guò)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(hù)裝置，顯著提升了直升機(jī)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)砂塵環(huán)境適應(yīng)性。

砂塵分離效率是粒子分離器的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。美國(guó)軍方[1]對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行的AC 粗砂測(cè)試結(jié)果顯示：分離效率為85%的粒子分離器可使發(fā)動(dòng)機(jī)砂塵環(huán)境使用壽命提升5 倍以上；若分離效率提高至96%，發(fā)動(dòng)機(jī)砂塵環(huán)境使用壽命可提升28 倍之多。因而，準(zhǔn)確評(píng)估粒子分離器砂塵分離能力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)砂塵環(huán)境下使用性能、飛行安全、維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)性等起著重要作用。砂塵試驗(yàn)是評(píng)估粒子分離器砂塵分離能力的核心方法[2]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開展了大量研究。Breitman 等[3]通過(guò)砂塵試驗(yàn)驗(yàn)證了整體式粒子分離器性能；Barone[4]采用PIV 試驗(yàn)方法測(cè)試了整體式粒子分離器內(nèi)部氣砂兩相流場(chǎng)；唐靜[5]開展了粒子分離器砂塵試驗(yàn)用的投砂裝置設(shè)計(jì)和調(diào)試試驗(yàn)；吳恒剛等[6]通過(guò)試驗(yàn)研究了整體式粒子分離器分流器位置對(duì)分離效率的影響；李潔瓊等[7]研究了主流路流量、掃氣比、進(jìn)口馬赫數(shù)、進(jìn)口砂粒濃度和分離器間距對(duì)整體式粒子分離器性能的影響規(guī)律；支明等[8]采用PIV試驗(yàn)方法研究了某粒子分離器內(nèi)部流場(chǎng)特性。

從國(guó)內(nèi)外研究情況來(lái)看，目前砂塵試驗(yàn)研究對(duì)象主要針對(duì)粒子分離器，對(duì)砂塵試驗(yàn)自身影響因素的研究未見公開報(bào)道。粒子分離器砂塵試驗(yàn)結(jié)果受砂塵投放裝置模擬粒子分離器進(jìn)口砂塵分布、砂塵濃度、噴砂速度及砂塵收集精度和測(cè)試設(shè)備誤差等諸多因素影響，直接關(guān)系到粒子分離器砂塵分離效率測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，有必要開展深入研究。本文結(jié)合機(jī)理分析、數(shù)值仿真方法和試驗(yàn)方法，對(duì)某整體式粒子分離器砂塵分離效率試驗(yàn)參數(shù)影響進(jìn)行分析。

1 砂塵試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原理

粒子分離器砂塵試驗(yàn)是在試驗(yàn)室環(huán)境下，模擬粒子分離器在發(fā)動(dòng)機(jī)上的真實(shí)工作狀態(tài)，評(píng)估或驗(yàn)證粒子分離器砂塵分離能力的一種方法。砂塵試驗(yàn)系統(tǒng)（如圖1 所示）采用吸氣式動(dòng)力布局，主要由投砂、砂塵收集和流量測(cè)量裝置，以及主氣流和清除流管路等組成。在試驗(yàn)過(guò)程中，在動(dòng)力風(fēng)機(jī)抽吸作用下驅(qū)動(dòng)主氣流和清除流，粒子分離器達(dá)到指定流量狀態(tài)后，利用投砂裝置向粒子分離器進(jìn)口投放一定質(zhì)量、濃度和速度的砂塵，含有砂塵的氣流進(jìn)入粒子分離器后，經(jīng)粒子分離器分離后的砂塵進(jìn)入清除流管路，相對(duì)清潔氣流進(jìn)入主氣流管路。進(jìn)入清除流管路的砂塵被砂塵收集裝置收集，通過(guò)計(jì)量收集砂塵的質(zhì)量可計(jì)算得到粒子分離器砂塵分離效率。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)原理

1.2 測(cè)試誤差分析

試驗(yàn)過(guò)程測(cè)量參數(shù)主要包括主氣流和清除流流量、砂塵投放質(zhì)量M1和清除流的收集質(zhì)量M2，砂塵質(zhì)量采用電子秤計(jì)量，量程范圍內(nèi)實(shí)際測(cè)量誤差為±1 g，砂塵收集裝置實(shí)際收集精度為99%。

粒子分離器對(duì)砂塵的質(zhì)量分離效率為

對(duì)式（1）求偏導(dǎo)數(shù)可得分離效率誤差為

ΔM1僅受質(zhì)量計(jì)量誤差影響，投砂總量1000 g產(chǎn)生的砂塵收集質(zhì)量誤差為±1 g，則

ΔM2受砂塵收集效率和質(zhì)量計(jì)量誤差綜合影響，若粒子分離器分離效率按85%計(jì)算，那么投砂總量1000 g產(chǎn)生的砂塵收集質(zhì)量誤差為±8.5 g，則

由式（2）可得計(jì)算誤差為

綜上可見，試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試誤差在±1%以內(nèi)，證明利用本測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試精度可滿足試驗(yàn)需求。

2 數(shù)值仿真方法

為研究粒子分離器部件內(nèi)部流動(dòng)特征和性能參數(shù)影響規(guī)律，文獻(xiàn)[9]開展了數(shù)值驗(yàn)證工作，流場(chǎng)計(jì)算采用Realizablek-ε湍流模型，粒子軌跡計(jì)算采用離散相（DPM）模型，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果可以較好地符合，驗(yàn)證了所采用計(jì)算方法的可靠性。本文利用FLUENT 商用軟件，采用與文獻(xiàn)[9]相同的計(jì)算方法進(jìn)行了某整體式粒子分離器3 維黏性數(shù)值仿真，計(jì)算模型如圖2 所示。該粒子分離器為帶預(yù)旋葉片的整體式粒子分離器，粒子依靠預(yù)旋葉片和駝峰型流道產(chǎn)生的離心力向外流道運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)氣動(dòng)力拖曳、壁面反彈后進(jìn)入清除流通道，清潔氣流經(jīng)過(guò)反旋葉片消除旋流后進(jìn)入壓氣機(jī)。粒子分離器進(jìn)口邊界給定壓力進(jìn)口，出口邊界給定壓力出口，計(jì)算狀態(tài)選取發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)，清除流流量占主氣流流量的16%，計(jì)算采用四面體網(wǎng)格，壁面采用三棱柱網(wǎng)格進(jìn)行等比加密，網(wǎng)格總量約235萬(wàn)。

圖2 計(jì)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(shè)為球形，按粒度大小分為C級(jí)砂和AC粗砂2種規(guī)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(zhì)量分?jǐn)?shù)；為粒子平均直徑；n為分布指數(shù)。

圖3 砂塵粒徑分布

假設(shè)壁面為鋁合金材料，粒子與壁面碰撞前后參數(shù)變化關(guān)系（如圖4所示）按如下經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚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(biāo)1、2 分別代表入射和反射參數(shù)；n、t 分別代表切向和法向參數(shù)。

3 參數(shù)影響分析

3.1 粒子分離器進(jìn)口粒子分布均勻性

國(guó)外粒子分離器砂塵試驗(yàn)采用模擬均勻砂塵投放方法[12-13]，結(jié)合砂塵分離機(jī)理和數(shù)值仿真分析方法針對(duì)粒子分離器進(jìn)口砂塵分布均勻性對(duì)砂塵分離性能的影響進(jìn)行分析。

首先，建立粒子分離器進(jìn)口截面粒子分布簡(jiǎn)化模型，如圖5 所示。假設(shè)粒子均勻分布在經(jīng)過(guò)點(diǎn)E和點(diǎn)Fi（i=1，2，…4）的2 個(gè)圓形包絡(luò)的環(huán)形區(qū)域（即流道內(nèi)壁附近的環(huán)形區(qū)域），采用第2 章基于離散相模型的兩相流計(jì)算方法得到不同粒子分布區(qū)域面積AEFi與粒子分離器進(jìn)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(shí)，分離效率發(fā)生顯著變化，進(jìn)口砂塵分布均勻性對(duì)粒子分離器砂塵分離效率產(chǎn)生顯著影響；在AEFi/A0=0.59 時(shí)，C 級(jí)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(diǎn)可以從粒子分離器內(nèi)部砂塵運(yùn)動(dòng)機(jī)理的角度進(jìn)行定性分析，本文采用第2 章的計(jì)算方法對(duì)粒子分離器進(jìn)行兩相流模擬，通過(guò)在粒子分離器進(jìn)口徑向均勻釋放粒徑分別為5 μm 和500 μm 的粒子，粒子運(yùn)動(dòng)圖譜如圖6 所示。從圖中可見，小粒徑粒子（d=5 μm）表現(xiàn)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(jìn)入主流道，若AEFi/A0減小，其分離效率將會(huì)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(qū)域（粉色）的粒子被吸入主流道，若AEFi/A0減小，中部條帶區(qū)域粒子濃度將增大，即更多的大粒子將進(jìn)入主流道，分離效率相應(yīng)降低。綜合分析大粒徑和小粒徑粒子分離機(jī)理可知，進(jìn)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(jìn)口截面砂塵分布

表1 粒子分布對(duì)分離效率影響仿真結(jié)果

圖6 不同粒徑粒子分離機(jī)理

3.2 進(jìn)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(qiáng)，粒子之間相互碰撞產(chǎn)生動(dòng)量變化，影響粒子運(yùn)動(dòng)軌跡和碰撞反彈特性。K.ANAND等[14]研究了粒子通量對(duì)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(qū)，隨著入射粒子通量增加，碰撞區(qū)內(nèi)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(yùn)動(dòng)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(duì)砂塵分離效率影響也越小。GJB 2525-95[15]規(guī)定了粒子分離器部件進(jìn)口砂塵濃度為53 mg/m3，若按此濃度進(jìn)行部件砂塵分離試驗(yàn)，砂塵投放時(shí)間為

式中：ρg為空氣密度；Cs為投砂濃度；為進(jìn)氣流量。

若進(jìn)氣流量為5.4 kg/s、投砂總量為1 kg，則每個(gè)狀態(tài)點(diǎn)投砂時(shí)間為

因而若按53 mg/m3的濃度開展砂塵分離效率試驗(yàn)，將耗費(fèi)大量時(shí)間。為提高效率，砂塵試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果，在粒子分離器砂塵試驗(yàn)過(guò)程中砂塵濃度可控制在53～530 mg/m3[12]。另外，從砂塵防護(hù)裝置砂塵試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ISO 5011[16]中發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)時(shí)粒子分離器進(jìn)口砂塵濃度可以達(dá)到2000 mg/m3。對(duì)此，在投砂質(zhì)量一定、不同投砂濃度的條件下進(jìn)行了粒子分離器砂塵試驗(yàn)，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(yàn)結(jié)果見表2。從表中可見，在試驗(yàn)的砂塵濃度下，試驗(yàn)結(jié)果并無(wú)顯著變化，說(shuō)明在試驗(yàn)砂塵濃度范圍內(nèi)，粒子與粒子、粒子與氣流間相互作用很弱，不會(huì)影響砂塵試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)證明采用加速等效的砂塵試驗(yàn)方法可行，并將大幅縮短試驗(yàn)時(shí)間。

表2 砂塵濃度對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

3.3 粒子分離器進(jìn)口噴砂速度

直升機(jī)在實(shí)際起飛、著陸過(guò)程中，彌漫在空氣中的砂塵在氣流卷吸作用下進(jìn)入粒子分離器，進(jìn)口粒子運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)氣流有一遲滯過(guò)程[17]，比氣流速度要慢，而在砂塵試驗(yàn)過(guò)程中采用壓縮氣源噴砂方式噴砂，通過(guò)調(diào)節(jié)氣源壓力控制噴砂速度。為此，對(duì)粒子分離器進(jìn)行了不同噴砂速度下的砂塵分離效率仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 噴砂速度對(duì)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(jìn)氣速度比值Vs/Vg的增大，砂塵分離效率呈緩慢降低趨勢(shì)，進(jìn)口噴砂速度在0.65～1.35 倍進(jìn)氣速度范圍內(nèi)變化時(shí)，粒子分離器砂塵分離效率相比Vs/Vg=1 時(shí)的降低不超過(guò)1%。

為分析噴砂速度對(duì)砂塵分離效率影響不顯著的原因，計(jì)算了不同噴砂速度下粒子分離器對(duì)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(jì)算結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)：（1）Vs/Vg一定時(shí)，隨著粒徑增大，慣性離心力增大，粒子分離效率呈升高趨勢(shì)，當(dāng)粒徑大于15 μm 時(shí)，壁面反彈作用影響逐漸增強(qiáng)，分離效率出現(xiàn)降低趨勢(shì)；（2）粒子粒徑一定時(shí)，對(duì)于粒徑小于20 μm 的粒子，由于自身慣性小，運(yùn)動(dòng)受氣動(dòng)曳力主導(dǎo)，具有較好的隨流性，在Vs/Vg=0.65～1.35 范圍內(nèi)變化時(shí)，其離心力變化很小，運(yùn)動(dòng)軌跡幾乎不變，分離效率也幾乎不變；對(duì)于粒徑大于20 μm的粒子，運(yùn)動(dòng)受離心力和壁面反彈作用主導(dǎo)，在Vs/Vg=0.65～1.35 范圍內(nèi)變化時(shí)，受離心力和壁面反彈作用影響，粒子運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生變化，致使分離效率也出現(xiàn)波動(dòng)，相比Vs/Vg=1 時(shí)的波動(dòng)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(huì)與壁面發(fā)生碰撞，其余少部分則不與壁面發(fā)生碰撞而直接進(jìn)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(shí)，與壁面發(fā)生碰撞的粒子與粒子分離器外流道碰撞點(diǎn)提前，受壁面曲率影響，反彈后粒子運(yùn)動(dòng)軌跡向主氣流通道偏移，進(jìn)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(fā)生碰撞的粒子運(yùn)動(dòng)軌跡向外流道偏移，進(jìn)入清除通道可能性增大，其分離效率會(huì)有所提高，但這部分粒子數(shù)量相對(duì)較少。而在Vs/Vg=0.65時(shí)則反之。

圖10 粒子運(yùn)動(dòng)軌跡（d=150 μm）

綜上，由于小于20 μm 的粒子運(yùn)動(dòng)受氣動(dòng)曳力主導(dǎo)，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(shù)量占優(yōu)，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(diǎn)提前，反彈后粒子運(yùn)動(dòng)軌跡向主氣流通道偏移，致使粒子分離效率降低，因只有運(yùn)動(dòng)軌跡在分流唇口附近的少部分粒子的分離效率會(huì)受反彈作用受影響，致使粒子分離器總分離效率隨進(jìn)口噴砂速度增大呈緩慢降低趨勢(shì)。

4 結(jié)論

（1）建立了粒子分離器進(jìn)口砂塵分布模型，結(jié)合流動(dòng)機(jī)理分析和CFD 仿真分析證實(shí)粒子分離器進(jìn)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(yàn)結(jié)果和相關(guān)資料顯示，進(jìn)口砂塵濃度約為2000 mg/m3，砂塵濃度變化不會(huì)對(duì)分離效率試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，通過(guò)合理控制砂塵濃度，采用加速等效試驗(yàn)方法可大幅縮短試驗(yàn)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(shì)，但影響并不顯著。