大功率渦槳發動機整機吞砂試驗裝置設計與研究

楊 飛，田 震，張浙波

(中國航發湖南動力機械研究所，株洲 412002)

飛機在飛行過程中發動機可能會吸入沙塵，如沙漠地區飛行、近地飛行、沙塵暴天氣飛行等，吸入的沙塵會損傷航空發動機結構并嚴重影響航空發動機性能[1-2]。對于沒有粒子分離器的渦槳發動機而言，螺旋槳揚起的砂塵更易被吸入發動機核心機，使發動機推力降低，耗油率升高。根據《航空渦輪螺槳和渦輪軸發動機通用規范》(GJB 242A—2018)要求，為確定渦槳發動機吞咽砂塵后的工作能力，吞砂試驗被列為新型發動機設計定型的必須考核項目之一[3]。

中外學者對航空發動機吞砂試驗開展了大量研究。Wylie等[4]研究了航空發動機在吸入火山灰的情況下，高壓渦輪葉片冷卻孔實際堵塞情況，確定了火山灰顆粒分布大小對葉片溫度及冷卻氣壓的影響；Ghenaiet[5]對航空發動機吸入沙塵顆粒進行建模，研究表明發動機吸入大量沙塵粒子會導致渦輪風扇的葉尖和邊緣均受到明顯侵蝕，侵蝕區域最高占據近3/4的葉高；Dunn等[6]研究了渦輪渦噴和渦輪風扇發動機在多種沙塵環境下的試驗，試驗表明發動機在吸入沙塵后壓比、燃氣渦輪排氣溫度和耗油率均有不同程度的惡化。

馬昌[7]研究了一種吞砂試驗方法，對試驗設備試驗用砂配置和試驗結果分析均做了詳細介紹；陳嶺等[8]研究了渦軸發動機吞砂試驗，介紹了試驗過程和試驗程序，分析了吞砂試驗對渦軸發動機性能的影響；李潔瓊[9]對三維可調粒子分離器進行了試驗研究，分析了沙塵濃度對粒子分離器分離效率的影響規律。

目前，中國對航空發動機吞砂試驗的研究主要集中在沙塵粒子對渦軸、渦扇發動機性能的影響，而對大功率的渦槳發動機吞砂試驗研究較少，并且對大型吞砂試驗設備的研究更少。大功率的渦槳發動機對吞砂試驗設備砂塵儲備能力、工作的連續性以及可操作性均有較高的要求。目前中國尚無針對大功率渦槳發動機吞砂試驗需求的吞砂試驗設備。

為此，從吞砂工作原理、砂桶結構、進給機構、混合器和分配器中砂塵運動情況以及整機試驗驗證等方面進行研究，首次應用雙導軌滑塊-絲桿結構及多噴口分配結構，創新性的設計了一套滿足某型大功率渦槳發動機試驗需求的新型吞砂試驗裝置。

1 主要技術指標

某渦槳發動機吞砂試驗裝置技術要求：①砂塵流量范圍：200～800 mg/s(可調)；②砂塵流量控制精度：±1%；③最小連續工作時間：6 h；④噴砂點數：20個。

2 吞砂裝置的組成及工作原理

設計的大功率渦槳發動機吞砂試驗裝置采用模塊化設計。由砂桶、刮砂機構、進給機構、混合器、分配器、壓縮空氣管路、安裝支架和測控系統組成。其中砂桶、刮砂機構和進給機構各2套。發動機吞砂試驗裝置原理示意圖如圖1所示，外形圖如圖2所示。其投砂工作原理為：刮砂葉輪在兩個電機控制下，在砂桶內勻速轉動并勻速下行，葉輪撥出的砂塵從出砂口出來，進入外部輸送砂塵1#、2#管路，被高壓空氣吹入氣固混合器，在摻混器中砂塵與空氣混合均勻，通過10條軟管輸送至分配器并從噴嘴中噴出，氣流與安裝在噴嘴前面的反射器撞擊后，砂塵分散并減速，最終被吸入發動機進氣道，完成吞砂過程。

圖1 吞砂試驗裝置原理示意圖

圖2 吞砂裝置外形示意圖

3 吞砂裝置各系統結構設計

3.1 刮砂機構結構設計

刮砂機構的作用為控制刮砂葉輪的勻速轉動。其結構主要包括：刮砂電機、行星減速器、刮砂軸傳動軸和刮砂葉輪等部件，如圖3所示。刮砂電機驅動行星減速器通過刮砂傳動軸帶動刮砂葉輪轉動，實現砂桶內砂塵的投放。

由圖3可知，刮砂筒和刮砂葉輪在砂桶內部，為防止砂桶內的砂塵進入刮砂筒內的軸承腔磨損刮砂傳動軸，在刮砂筒兩端軸承蓋處設置密封結構：毛氈填料密封。

3.2 砂桶結構設計

砂桶的作用為存儲砂塵。其結構由密封套、殼體、砂桶安裝段和漏砂外管等部件組成，如圖4所示。

圖4 砂桶結構

由圖3可知，刮砂筒和葉輪軸為運動部件，為防止砂桶內砂塵和氣體在其運動過程中被帶出，在砂桶的上部和下部與其接觸部位均設置多道密封結構，包括：用于往復運動件密封的Y形密封、唇形密封和毛氈密封等密封型式。

圖3 刮砂機構結構

為滿足發動機一個試驗階段的吞砂量要求，需對砂桶的有效容積進行計算。按照技術指標中發動機最大吞砂量800 mg/s的要求，連續工作6 h需要砂桶的總有效容積為

(1)

(2)

式(2)中：D為砂桶筒體內徑，cm；d為葉輪軸外徑，cm。

砂桶有效長度設計成36 cm，可滿足要求。

3.3 進給機構結構設計

進給機構的作用為控制刮砂葉輪的勻速下行進給運動。其結構主要包括：進給電機、行星減速器、絲桿-滑塊機構和進給臂等部件，如圖5所示。進給電機驅動滾珠絲桿恒速轉動，雙滑塊導軌能夠有效保證絲桿螺帽沿絲桿垂直運動，減小絲桿附加彎矩。螺帽通過進給臂帶動刮砂機構實現刮砂葉輪在砂桶內的勻速進給運動。

Ft為絲桿驅動最大阻力；Fg為氣體壓力；G為刮砂機構自身重力

進給機構中的滾珠絲桿是重要的傳動機構，絲桿轉速與發動機吞砂量成正比函數關系，即

ms=f(n)

(3)

式(3)中：ms為發動機吞砂量；n為絲桿轉速。

進給電機額定轉速為2 000 r/min，最高轉速2 500 r/min，額定扭矩7.5 N·m，并且能夠在20～100 r/min穩定運行，根據計算可知，減速器減速比為100∶1，可滿足絲桿工作轉速要求。

電機轉速控制精度為±1 r/min，減速器輸出轉速精度為±0.01 r/min，且電機轉速與吞砂量成正比，因此，砂塵流量精度可控制在±1%，滿足技術指標要求。

驅動力矩是校核絲桿的一個重要指標，以此來確認選型電機和減速器是否滿足要求。

由圖3、圖5可知，進給機構中滾珠絲桿的驅動阻力主要是刮砂筒受到的砂桶內垂直向上的氣體壓力Fg和刮砂機構自身的重力G。絲桿驅動最大阻力Ft為

(4)

式(4)中：Pt為氣體壓強；dt為刮砂筒直徑。

滾珠絲桿驅動力矩Tt為[10]

(5)

式(5)中：d2為絲桿中徑；γ為導程角；α為當量摩擦角。

進給電機額定扭矩7.5 N·m大于絲桿驅動力矩1.62 N·m，因此，滾珠絲桿和進給電機選型均滿足要求。

3.4 混合器結構設計

混合器是使不同顆粒大小的砂塵與空氣摻混均勻的裝置，由進氣管、排氣管、殼體、上蓋和下蓋等部分組成，其結構如圖6所示。

圖6 混合器結構

混合器具有1個進口和10個出口，為便于觀察混合器內砂塵粒子的摻混情況，選取6個砂塵粒子，利用Fluent軟件內的DPM離散相模型對其從入口到出口的運動軌跡進行分析[11]，結果如圖7所示。建立了氣固兩相流混合模型，速度云圖如圖8所示。由圖8可知，經過混合器內壁的多次反彈以及漩渦氣流的攪動，粒子的速度逐漸降低，軌跡呈現極大的隨機性，在混合器殼體和上下蓋子形成的封閉空間內，粒子與混合器內壁碰撞、反彈，在筒體內形成復雜的運動軌跡，紊流氣流和砂塵在桶體內有效摻混，并且較為均勻地從各個出口流出。

圖7 混合器內粒子軌跡

圖8 混合器內速度云圖

3.5 分配器結構設計

分配器是使砂塵噴入發動機進氣道并與發動機進氣充分混合的裝置，由進氣分配管、環形外管、環形內管、噴嘴-反射器和支架等部分組成，其結構如圖9所示。為與發動機進氣道匹配，分配器中環形內管的流道截面與發動機進氣道相同，外環上沿周向等間隔分布10個分配管，環形內管等面積分布20個噴嘴組件，滿足技術指標要求。

圖9 分配器結構

為便于觀察噴嘴-反射器處砂塵粒子的發散情況，將計算環境簡化為只有一個噴嘴組件的情況，選取10個砂塵粒子，利用Fluent軟件內的DPM離散相模型對其中一對噴嘴-反射器組件中粒子運動軌跡進行分析，如圖10所示。建立了氣固兩相流混合模型，速度云圖如圖11所示。由圖可知，砂塵粒子經噴嘴噴出后在反射器錐形內腔相互碰撞，向四周均勻反射、發散，速度逐漸降低為零，在發動機進氣道氣流的帶動下進入發動機內。

圖10 噴嘴處粒子軌跡

圖11 噴嘴處速度云圖

3.6 安裝支架結構設計

吞砂裝置安裝支架主要用于安裝和固定各個機構，包括兩部分：主上之和主下支架。主上支架安裝進給機構、刮砂機構和限位開關；下主支架安裝砂桶組件、進給電機、管路系統、混合器、分配器等部件。其結構如圖12所示。

圖12 安裝支架結構

為校核主下支架的強度，將主上支架、砂桶以及其余各個系統結構簡化為集中質量點加載到主下支架有限元模型上，計算結果如圖13所示。由圖13可知，在兩個砂桶裝滿砂塵的情況下，砂桶支架變形量最大，為0.066 mm，變形量較小，滿足工程設計要求。

圖13 支架位移云圖

4 試驗驗證

應用設計的吞砂試驗裝置完成了某型大功率渦槳發動機吞砂試驗，通過分析砂塵對發動機的性能參數的影響[12]，驗證該吞砂裝置實用性。

吞砂試驗前對噴砂裝置進行了調試，設定噴砂流量為0.568 g/s，在此流量條件下，根據發動機在試驗前校準時測得最大起飛狀態的進口空氣流量13.86 kg/s，計算出砂塵濃度為0.053 8 g/m3。

發動機經過10階段(20 h)吞砂試驗后，換算到標準大氣狀態下，第2、4、6、8、10階段發動機性能與試驗前對比如表1、表2所示。由表1、表2可見，發動機在吞砂試驗前期換算功率和換算耗油率惡化程度較快，試驗后期變化較為緩慢。經吞砂試驗后發動機換算功率下降最大約22%，超過試驗大綱要求的15%；換算耗油率上升最大約10%，滿足試驗大綱要求的不超過10%。說明所設計的吞砂試驗裝置滿足試驗需求，可用于大功率渦槳發動機吞砂試驗。

表1 吞砂試驗前后發動機換算功率變化

表2 吞砂試驗前后發動機換算耗油率變化

5 結論

通過對大功率渦槳發動機吞砂裝置研究以及試驗驗證，可得以下結論。

(1)砂桶結構設計合理，容積滿足發動機吞砂試驗要求。

(2)進給機構中，滾珠絲桿、進給電機和減速器選型合理，滿足試驗裝置設計要求。

(3)混合器和分配器中砂塵與氣流能夠充分混合，砂塵能夠從各個噴砂口均勻流出。

(4)安裝支架結構最大變形量0.066 mm，強度滿足工程設計需求。

(5)應用設計的吞砂試驗裝置完成了某渦槳發動機吞砂試驗，滿足試驗需求。

綜上所述，解決了大功率渦槳發動機吞砂試驗裝置從無到有的難題，充分保障了大功率渦槳發動機吞砂定型試驗順利進行。