CN111648862A - 一种可变粒子分离器柔性鼓包中心体结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变粒子分离器柔性鼓包中心体结构及其设计方法，该中心体包括柔性鼓包和金属骨架，柔性鼓包由橡胶材料和纤维帘线复合而成；所述金属骨架整体呈圆筒型，柔性层嵌套在金属骨架上，并将镀铜钢丝圈置于柔性层内部且缠绕在金属骨架两侧凹槽处；所述金属骨架的内壁面上开有充气孔，用以改变柔性鼓包型面，使其满足气动需求。本发明使粒子分离器打破单一使用限制，使粒子分离器的型面可以在一定范围内反复改变，调节进气道面积和排砂效率，在含砂量高的环境下具有排砂功能，在环境良好的情况下，改变型面，满足气动性能需求，具有良好的工程性和创新性。

Description

一种可变粒子分离器柔性鼓包中心体结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种可变粒子分离器柔性鼓包中心体结构及其设计方法，属于航空发动机结构设计技术领域。

背景技术

直升机是一种常见的飞行器，主要是得益于区别其他航空器的灵活飞行特征：可以在某些广阔非特定的场地进行起降且能在空中稳定悬停；可以不受地形地貌限制；可以迅速应对工况变化改变航线、飞行高度、速度与姿态。直升机经常工作在恶劣的工作环境中，例如沙漠地带、近海地区、森林火灾、雪域冰川等。这些环境中的砂粒、盐雾、树叶、冰雪等颗粒杂物不可避免的被吸入发动机，对发动机的寿命造成重大的影响。因此非常必要在发动机进气部件增设粒子分离器，对进入发动机的气流进行分离净化。

而可变粒子分离器将内壁柔性面鼓包设置为可充气的气囊鼓包。以此来满足发动机在不同飞行环境下的使用需求。在含砂浓度高的飞行环境下，给鼓包气囊加气压，使内壁面鼓包升高，增大分砂效率，适当牺牲进气气动性能；在良好的飞行环境下，鼓包气囊减气压，使内壁面鼓包恢复原始最佳型面，降低进气气流总压损失和畸变，使粒子分离器保持较高的气动性能。

可变粒子分离器中心体是核心部件，既要具有之前传统粒子分离器的排砂功能，又要实现自适应功能，使鼓包型面在一定范围内改变形状高度用以调节进气道的气动载荷需求，兼具两者性能，因此在这种情况下，对于材料和结构都需要突破原有的限制，为可变粒子分离器提供一种新思路。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可变粒子分离器柔性鼓包中心体结构及其设计方法，该中心体的金属骨架需要配合使用在整体粒子分离器结构中，符合整体性能和装配要求，且中心体的柔性鼓包也能在一定范围内反复调节改变型面高度，该结构设计方法具有较好的工程应用性。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种可变粒子分离器柔性鼓包中心体结构，包括柔性鼓包和金属骨架；

其中，所述柔性鼓包由橡胶材料和纤维帘线复合而成，其鼓包型面符合空气动力学要求，且在基础型面和最高型面之间的范围改变形状，也就是当内部没有气压时，型面为基础型面，可满足进气道的气动需求，而当内部充压时，型面升高，可以提高排砂效率，保护发动机；

所述金属骨架整体呈圆筒型，其外侧壁面包括中段弧面及两侧凹槽；所述柔性鼓包套接于金属骨架外侧，其两端分别通过镀铜钢丝缠绕并嵌入凹槽中，使鼓包内腔密封性更好，不易被过大的内压充破；所述金属骨架的内壁面上开有充气孔，通过外接气管对鼓包内部进行充放气，用以改变柔性鼓包型面，使其满足气动需求。

本发明中，所述可变粒子分离器中心体整体由两部分组成，分别为柔性鼓包和金属骨架，柔性鼓包为橡胶材料和纤维帘线复合而成，既具有一定的弹性，又具有一定的刚度。金属骨架起到承载和连接的作用，一方面将柔性鼓包嵌套在金属骨架上，起到承载作用，另一方面金属骨架置于进气道中，连接前后部件。

当直升机在含砂量较高的飞行环境中时，通过金属骨架上的气孔对鼓包内腔充压，使密闭柔性鼓包内腔膨胀，高度逐渐升高，适当的减小进气道流通面积，最终达到最高型面，提高排砂效率，保护发动机。

当直升机进入良好环境飞行时，柔性鼓包密闭内腔气压逐渐排出，鼓包体积减小，进气道流通面积逐渐增大，鼓包型面恢复至基础型面，从而获得较好气动性能，满足发动机的需求。

进一步地，所述柔性鼓包具体包括外胶层、内胶层以及铺设于外胶层和内胶层之间的纤维帘子布，且纤维帘子布呈多层叠交铺设。鼓包外胶层型面即为基础型面，而内胶层是鼓包内腔的承压面，受内部气体压力，起到密封作用。

进一步地，所述柔性鼓包为偏心设计，即型面不对称，符合空气动力学。基础型面时满足气动性能，当通过充气孔内部充压后，逐渐达到最高型面，满足特定环境下排砂需求。

进一步地，所述基础型面到最高型面增高10％，可反复充放气，高度误差控制在5％以内。

上述可变粒子分离器柔性鼓包中心体结构的设计方法，包括以下步骤：

1)确定可变粒子分离器中心体鼓包型面

根据可变粒子分离器中心体的鼓包设计要求，以及进气道喉道面积的变化需求和排砂效率，对可变粒子分离器中心体的鼓包型面进行气动设计，得到主要两个型面，分别为基础型面和最高型面；

2)确定可变粒子分离器中心体的结构形式和材料

所述可变粒子分离器中心体包括柔性鼓包和金属骨架，其中柔性鼓包由弹性胶膜和纤维帘线复合而成，作为承载件和连接件的金属骨架的内壁面上开有充气孔，用于对柔性鼓包施加内部的气压载荷，实现柔性鼓包的可变形；

3)气动需求与排砂效率匹配关系确定

根据可变粒子分离器的设计需求，按照沙尘分离效率，以及满足气动载荷需求与发动机的流量匹配关系，确定了不同环境与飞行状态下发动机的流量需求和排砂率，进而确定柔性鼓包型面的高度与气动需求和分砂率的对应关系。

有益效果：本发明提供的一种可变粒子分离器柔性鼓包中心体结构及其设计方法，使粒子分离器打破单一使用限制，使粒子分离器的型面可以在一定范围内反复改变，调节进气道面积和排砂效率，在含砂量高的环境下具有排砂功能，在环境良好的情况下，改变型面，满足气动性能需求，具有良好的工程性和创新性。

附图说明

图1为可变粒子分离器模型的结构示意图；

图2为本发明中可变粒子分离器柔性鼓包中心体的结构示意图；

图3为本发明中金属骨架的截面示意图；

图4为本发明中可变粒子分离器柔性鼓包中心体的内部结构示意图；

图中包括：1、中心体，2、外壁面，3、分流器，4、最高型面，5、基础型面，6、柔性鼓包，7、金属骨架，8、充气孔，9、纤维帘子布，10、外胶层，11、内胶层，12、凹槽，13、镀铜钢丝。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

根据可变粒子分离器中心体的设计要求，以及粒子分离器的排砂效率，对鼓包型面进行气动分析，得到经过计算的三维模型。如图1所示，可变粒子分离器主要由外壁面2、分流器3、中心体1等重要部件组成，而中心体1为核心部件，起到改变进气道吼道面积和排砂的关键作用。而中心体1上的柔性鼓包6可由基础型面5在充压后逐渐达到最高型面4。

如图2所示为一种可变粒子分离器柔性鼓包中心体结构，包括柔性鼓包6和金属骨架7；其中，所述柔性鼓包6由橡胶材料和纤维帘线复合而成，其鼓包型面符合空气动力学要求，且在基础型面5和最高型面4之间的范围改变形状。

如图3所示，所述金属骨架7整体呈圆筒型，其外侧壁面包括中段弧面及两侧凹槽12；所述柔性鼓包6套接于金属骨架7外侧，其两端分别通过镀铜钢丝13缠绕并嵌入凹槽12中，实现密封固定；所述金属骨架7的内壁面上开有充气孔8，用于对柔性鼓包施加内部的气压载荷，实现柔性鼓包的可变形。

中心体在粒子分离器的整体结构中最为核心，对于代替传统粒子分离器中心体，要求它既要结构简单实用，不能过多零组件，过于复杂不利于安全隐患排查和使用效率，又要求它能够达到很好的排砂效率，并且可以调节进气道喉道面积，改变气动载荷。在这样设计思路要求下，它由柔性鼓包和金属骨架组成，结构简单，实用效果好。其中柔性鼓包是由橡胶和纤维帘子布复合而成。金属骨架上则开有小孔，通过气孔对内充压改变型面。金属骨架两侧开有凹槽，使用镀铜钢丝缠绕后可将柔性材料紧固在金属骨架上，密封性较好，且牢固不易脱离。

如图4所示，所述柔性鼓包6具体包括外胶层10、内胶层11以及铺设于外胶层10和内胶层11之间的纤维帘子布9，且纤维帘子布9呈多层叠交铺设。

进一步地，所述可变粒子分离器中心体鼓包为偏心设计，即型面不对称，符合空气动力学。基础型面时满足气动性能，当通过充气孔内部充压后，逐渐达到最高型面，满足特殊环境下排砂需求。

进一步地，所述基础型面5到最高型面4增高10％，可反复充放气，高度误差控制在5％以内。

上述可变粒子分离器柔性鼓包中心体结构的设计方法，包括以下步骤：

1)确定可变粒子分离器中心体鼓包型面

根据可变粒子分离器中心体的鼓包设计要求，以及进气道喉道面积的变化需求和排砂效率，对鼓包型面进行气动设计，得到主要两个型面，分别为基础型面和最高型面。在含砂浓度高的飞行环境下，使鼓包达到最高型面，可增大分砂效率，适当牺牲进气气动性能。在良好的飞行环境下，鼓包恢复原始基础型面，降低进气气流总压损失和畸变，使粒子分离器保持较高的气动性能。

2)确定可变粒子分离器中心体的结构形式和材料

可变粒子分离器结构中最为核心的就是中心体，它由柔性鼓包和金属骨架构成，其中柔性鼓包是由橡胶材料和纤维帘线复合而成。既具有橡胶的弹性特征，又具有纤维帘线的刚度。

金属骨架作为中心体的一部分，如图3所示，起到了柔性鼓包的载体作用，同时也是粒子分离器结构中的连接件，金属骨架上开有充气孔，用于对柔性层施加内部的气压载荷，实现柔性鼓包的可变形。

3)气动需求与排砂效率匹配关系确定

根据可变粒子分离器的设计需求，按照沙尘分离效率，以及满足气动载荷需求与发动机的流量匹配关系，确定了不同环境下，不同飞行状态下发动机的流量需求和排砂率，进而确定柔性鼓包型面的高度与气动需求和分砂率的对应关系。

4)鼓包型面的位移确定

当直升机在含砂量较高的飞行环境中时，通过金属骨架上的充气孔对鼓包内腔充压，使密闭柔性鼓包内腔膨胀，高度逐渐升高，适当的减小进气道流通面积，最终达到最高型面，提高排砂效率，保护发动机。

当直升机进入良好环境飞行时，柔性鼓包密闭内腔气压逐渐排出，鼓包体积减小，进气道流通面积逐渐增大，鼓包型面恢复至基础型面，从而获得较好气动性能，满足发动机的需求。

5)中心体的制备

如图4所示，中心体主要由柔性鼓包和金属骨架构成，其中柔性鼓包是由帘线-橡胶复合而成，其中由内胶层和金属骨架所形成的内腔，可以保护柔性层中间的纤维帘子布，还因此形成的封闭内腔受充压后而改变鼓包型面，来达到分离砂粒的作用。

外胶层与空气接触，要求具有良好耐老化性能以及耐刮擦性能，才可在含砂浓度高的环境下有较好的使用寿命。也可以根据具体使用环境来选择适应外部环境因素(耐湿热，抗霉菌等环境)的橡胶，来应对海洋或潮湿空气环境。

橡胶内部则由尼龙帘线复合制成，纤维帘线根据不同角度，相互叠交而成，起到提高刚度的作用。

在将柔性层材料附着在金属骨架时，用镀铜钢丝置于柔性层内部且缠绕于金属骨架两侧凹槽处，将柔性层紧固于骨架上，使柔性鼓包具有更好的密封性和牢固性。之所以采用镀铜钢丝是因为铜离子可与接触的橡胶发生反应，使之更好的与橡胶粘合，不易发生剥离。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种可变粒子分离器柔性鼓包中心体结构，其特征在于，包括柔性鼓包和金属骨架；

其中，所述柔性鼓包由橡胶材料和纤维帘线复合而成，其鼓包型面符合空气动力学要求，且在基础型面和最高型面之间的范围改变形状；

所述金属骨架整体呈圆筒型，其外侧壁面包括中段弧面及两侧凹槽；所述柔性鼓包套接于金属骨架外侧，其两端分别通过镀铜钢丝缠绕并嵌入凹槽中，实现密封固定；所述金属骨架的内壁面上开有充气孔，用于对柔性鼓包施加内部的气压载荷，实现柔性鼓包的可变形。

2.根据权利要求1所述的一种可变粒子分离器柔性鼓包中心体结构，其特征在于，所述柔性鼓包具体包括外胶层、内胶层以及铺设于外胶层和内胶层之间的纤维帘子布，且纤维帘子布呈多层叠交铺设。

3.根据权利要求1所述的一种可变粒子分离器柔性鼓包中心体结构，其特征在于，所述柔性鼓包为偏心设计，即型面不对称。

4.根据权利要求1所述的一种可变粒子分离器柔性鼓包中心体结构，其特征在于，所述基础型面到最高型面增高10％，且高度误差在5％以内。

5.一种基于权利要求1-4任一所述可变粒子分离器柔性鼓包中心体结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定可变粒子分离器中心体鼓包型面

根据可变粒子分离器中心体的鼓包设计要求，以及进气道喉道面积的变化需求和排砂效率，对可变粒子分离器中心体的鼓包型面进行气动设计，得到主要两个型面，分别为基础型面和最高型面；

2)确定可变粒子分离器中心体的结构形式和材料

所述可变粒子分离器中心体包括柔性鼓包和金属骨架，其中柔性鼓包由弹性胶膜和纤维帘线复合而成，作为承载件和连接件的金属骨架的内壁面上开有充气孔，用于对柔性鼓包施加内部的气压载荷，实现柔性鼓包的可变形；

3)气动需求与排砂效率匹配关系确定

根据可变粒子分离器的设计需求，按照沙尘分离效率，以及满足气动载荷需求与发动机的流量匹配关系，确定了不同环境与飞行状态下发动机的流量需求和排砂率，进而确定柔性鼓包型面的高度与气动需求和分砂率的对应关系。

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