徐弘歷

（中國航發(fā)湖南航空動力機械研究所，湖南 株洲 412002）

直升機在沙漠、沿海等惡劣環(huán)境中起飛和降落時，發(fā)動機一旦吸入大量的沙土、灰塵和水滴，將會對壓氣機和渦輪等轉子葉片造成損傷，堵塞空氣系統(tǒng)流路，降低發(fā)動機壽命，嚴重時引發(fā)飛行事故。因此，在渦軸發(fā)動機進口前安裝粒子分離器來減少雜質(zhì)的吸入是十分必要的。

整體式粒子分離器因其結構緊湊、維護性好和砂塵分離性能好，在全世界眾多渦軸發(fā)動機上使用，如美國GE 公司T700 和T800 系列渦軸發(fā)動機。整體式粒子分離器利用壁面反彈原理來合理配置鼓包和外壁曲面形狀來達到清除砂粒作用。含砂氣流在流經(jīng)鼓包時，因鼓包壁面較大曲率的駝峰狀變化，氣流偏轉較大，砂粒在離心力作用下甩向外壁，最終依靠慣性進入清除流道。整體式粒子分離器根據(jù)進口段是否安裝有帶預旋角度的葉片，分為預旋式和無旋式兩種類型。預旋式粒子分離器進口段安裝了帶預旋角度的葉片，可一定程度增加含砂粒氣流的切向速度，提高了砂粒甩到外壁面所需的離心力。而無旋式粒子分離器主要依靠流道型面的優(yōu)化配置來達到較高的砂粒分離效率，并且結構簡單、重量小以及成本低等優(yōu)點，應用和研究價值比較廣泛。

國內(nèi)外對整體式粒子分離器開展了大量研究，主要圍繞優(yōu)化壁面形狀來提高分離效率和粒子壁面的反彈特性兩方面[1-3]。但整體式粒子分離器除砂塵分離性能外，其進氣防冰功能也是重要考核指標，直接影響發(fā)動機高原、高寒和其他結冰環(huán)境適應能力。目前粒子分離器防冰方法趨于成熟，但大多是以試驗為研究手段。STIEFEL[4]對T800 渦軸發(fā)動機的進氣支板積冰現(xiàn)象進行了大量試驗研究。楊軍等[5]對某發(fā)動機進口支板進行防冰試驗表明內(nèi)部流通熱氣能有效防止進氣結冰。試驗存在周期長和費用高的缺點，并且較少的試驗數(shù)據(jù)也很難指導防冰方案論證和優(yōu)化設計。而數(shù)值模擬技術飛躍發(fā)展，張敏等[6]數(shù)值研究整體式粒子分離器進口支板的積冰特性，表明99.4%的過冷水滴進入清除流道，但主流道進口支板有明顯結冰。

綜上所述，鮮有人對粒子分離器的防冰能力進行較為精確的數(shù)值模擬研究。著手采用數(shù)值模擬研究粒子分離器防冰能力的難點，在于其本身內(nèi)部結構復雜性、邊界多樣以及流動換熱問題耦合情況，往往很多學者在復雜網(wǎng)格劃分方面就已止步，采用極簡邊界處理。因此本文通過深入剖析某型無旋式粒子分離器功能結構特點，提出了多氣路分區(qū)和高效拓撲相結合的方法，對精確化防冰數(shù)值模擬中高質(zhì)量網(wǎng)格劃分有一定指導意義。

1 研究對象

研究對象為如圖1 所示的粒子分離器，流道呈彎曲分叉型式。進氣通道周向?qū)ΨQ設置5 個NACA 對稱葉型葉片，為進氣流葉片，葉片內(nèi)部采用迂回復雜氣腔設計，連通進氣機匣環(huán)壁面集氣腔，對進口氣流起不到預旋作用；主氣流通道5 個中空NACA 葉型厚支板；清除通道設置12 個大刀型整流葉片，與主氣流支板非均勻周向布置；雨水臺階處存在周向均布通氣孔。

圖1 整體式粒子分離器基本構型及氣路圖

防冰熱氣來源于壓氣機壓縮氣體，高溫引氣從進氣機匣外側孔進入并充滿防冰集氣腔；在從內(nèi)側壁面開口進入進氣流葉片前緣，該前緣是最有可能結冰區(qū)域，需要重點防護。由前緣進入鼓包內(nèi)部的熱氣又分兩路最終進入流道，一部分在進氣流葉片中迂回流動，保證葉身與熱氣充分換熱，最后經(jīng)尾緣方形口流出，其余部分在鼓包內(nèi)的空腔中堆積，通過雨水臺階處細小通氣孔冒出。

2 網(wǎng)格劃分

由于粒子分離器結構復雜，同時滿足氣路采用結構化網(wǎng)格來保證后續(xù)熱分析數(shù)值模擬精度的要求，網(wǎng)格劃分包含氣路和固體兩個部分，擬定采用精細分區(qū)方法。結合區(qū)域的材料和功能等不同，氣路區(qū)域分為進氣流葉片+環(huán)向集氣腔+鼓包前部、進氣流前通道、進氣流后通道+細小通氣孔+鼓包后部和主流+清除流，共計四個區(qū)域，分別稱為第一至第四氣路區(qū)；固體區(qū)域分進氣通道固體區(qū)域和主通道+清除通道固體區(qū)域，分別稱為第一和第二固體區(qū)。網(wǎng)格劃分采用ICEM 商業(yè)軟件，結構化網(wǎng)格質(zhì)量控制在0.2 以上。

2.1 第一氣路區(qū)

第一氣路區(qū)結構較復雜，構建拓撲難度非常大，存在環(huán)腔、迂回通道和多處出入口，且連通位置存在較大弧度的倒圓角；此外該氣路區(qū)存在一處熱氣進氣口和測量孔?？傮w上該區(qū)域呈基本對稱，因此采用旋轉方式構建進氣流葉片熱氣結構拓撲以提高效率。由于存在熱氣進氣口及測量孔，分三次旋轉拓撲，旋轉角度為72°。針對非對稱結構，網(wǎng)格劃分通過拉伸和切除拓撲塊等方法處理。第一氣路區(qū)網(wǎng)格劃分拓撲結構如圖2 所示，對支板前后緣和狹小空間網(wǎng)格進行了加密處理。

圖2 第一氣路區(qū)拓撲結構及網(wǎng)格

2.2 第二氣路區(qū)

第二氣路區(qū)呈軸向?qū)ΨQ，流道內(nèi)僅有5 個周向均布支板外廓，無其他特殊結構，因此采用周期性拓撲結構，旋轉角度為72°。第二氣路區(qū)網(wǎng)格劃分拓撲結構如圖3 所示，對支板前后緣網(wǎng)格進行了加密處理。

圖3 第二氣路區(qū)拓撲結構及網(wǎng)格

2.3 第三氣路區(qū)

第三氣路區(qū)呈軸向?qū)ΨQ，流道內(nèi)僅有40 個周向均布通氣孔，無其他特殊結構，因此采用周期性拓撲結構，旋轉角度為9°，該拓撲結構包含單個小孔拓撲、進氣流后通道拓撲和鼓包后部拓撲。第三氣路區(qū)網(wǎng)格劃分拓撲結構如圖4 所示。

圖4 第三氣路區(qū)拓撲結構及網(wǎng)格

2.4 第四氣路區(qū)

第四氣路區(qū)清除流整流葉片和主流支板大小各不相同，且非周向均勻布置，需根據(jù)葉片位置及葉片形狀搭建拓撲，無法建立周期性拓撲結構，采用整體拓撲。第四氣路區(qū)網(wǎng)格劃分拓撲結構如圖5 所示，對支板前后緣網(wǎng)格進行了加密處理。

圖5 第四氣路區(qū)拓撲結構及網(wǎng)格

2.5 整個氣路區(qū)

根據(jù)劃分出的不同區(qū)域網(wǎng)格模型拼接出的粒子分離器主流通道的網(wǎng)格節(jié)點分布如圖6 所示，不同區(qū)域之間通過交界面連接，拼接后粒子分離器氣路區(qū)網(wǎng)格數(shù)量約1 500 萬，網(wǎng)格質(zhì)量0.2 以上見表1。

圖6 整個氣路區(qū)拼接網(wǎng)格

表1 氣路區(qū)網(wǎng)格劃分方法及網(wǎng)格量

2.6 整個固體區(qū)

通過熱氣加熱流道和葉片的方法來防止或消除流道表面積冰，而熱氣與冷氣之間熱量交換通過葉片固體導熱實現(xiàn)。為后續(xù)準確模擬流道區(qū)域內(nèi)溫度變化和對固體區(qū)域傳熱情況進行求解計算，在充分考慮實際模型不同區(qū)域壁厚設計基礎上，對固體區(qū)進行適當簡化。固體區(qū)曲面依然較多，厚薄不均，狹小空間多，在保證網(wǎng)格密度前提下，采用非結構化網(wǎng)格劃分，如圖7 和圖8 所示。

圖7 進氣通道固體區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點分布

圖8 主通道+清除通道固體區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點分布

3 結論

按照粒子分離器區(qū)域材料和功能等不同，氣路區(qū)域分為進氣流葉片+環(huán)向集氣腔+鼓包前部、進氣流前通道和進氣流后通道+細小通氣孔+鼓包后部等四個區(qū)域，固體區(qū)域分進氣通道固體區(qū)域和主通道+清除通道固體區(qū)域，該分區(qū)方法有效降低熱氣防冰結構的網(wǎng)格劃分難度；建立了高效拓撲，將復雜防冰問題的網(wǎng)格質(zhì)量控制在0.2 以上。