一种航空发动机粒子分离器用电驱动式排砂装置的制作方法

1.本发明属于发动机技术领域，特别涉及一种航空发动机粒子分离器用电驱动式排砂装置。


背景技术：

2.直升机常常需要在一些特殊的砂雾迷漫的环境里，比如在山区、沙漠、冰雪地面和海面上起飞、降落与悬停飞行，发动机的工作环境要求越来越苛刻。这时，大量的砂尘、冰雪等各种外来物或海上盐雾都被吸入发动机，如果事先不采取防护措施，尘砂将会给直升机和发动机带来严重的危害：压气机叶片磨蚀及由此所产生的发动机性能恶化，即功率下降、耗油率增加，最终导致发动机的使用寿命缩短。因此，通常在发动机前增设进气防护装置——进气道粒子分离器(inlet particle separator)，用来分离含杂质气流中的固体粒子，以保护发动机，保证其工作稳定性，并延长使用寿命。
3.现有的粒子分离器通过牺牲一部分气流将发动机进口气流中的砂尘集中并排出发动机外。集中砂尘的气流通过排砂装置排出发动机，现有的发动机上采用引射器或鼓风机将含砂气流排出发动机。现有的排砂鼓风机是通过将转轴与附件传动轴互相啮合，通过附件传动系统与发动机动力输出轴相连，从而驱动鼓风机运转，在粒子分离器的砂尘出口形成低压，将砂尘排出发动机外，鼓风机的功率提取来源于发动机，其工作状态完全依赖发动机的工作状态。而在非砂尘环境下，进口气流中几乎不含砂尘，无需分离气流中的砂尘，鼓风机依然持续运转提取轴功率，不仅会浪费发动机功率，同时也在非必要情况下牺牲进口气流，降低发动机的输出功率，而且增加因鼓风机故障带来的发动机的安全性和可靠性风险。因此，为了使鼓风机不依赖发动机轴功率，可独立控制鼓风机的工作情况，亟需开发一种新型的排砂装置。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明公开了一种航空发动机粒子分离器用电驱动式排砂装置，包括：叶轮机构、驱动机构和控制机构；
5.所述叶轮机构与驱动机构连接；所述驱动机构与控制机构电性连接；
6.所述叶轮机构，用于吸入分离出的含砂尘气流；
7.所述驱动机构，用于驱动叶轮机构转动；
8.所述控制机构，用于控制驱动机构启动或关闭。
9.更进一步地，还包括进气壳体；
10.所述进气壳体外表面上设置有安装座，所述进气壳体通过安装座固定安装在发动机上；所述进气壳体为弯曲柱状，一端为锥形开口，锥形开口外壁边缘处设置有环形凸台；所述进气壳体的环形凸台端与叶轮机构连接，另一端与粒子分离器的清除流道连接。
11.更进一步地，还包括出气壳体；
12.所述出气壳体包括内壳体、外壳体和导流叶片，内壳体为桶状，外壳体为喇叭状，
内壳体的直径小于外壳体的直径，内壳体一部分设置于外壳体中，内壳体和外壳体同轴设置，通过导流叶片固定连接；
13.所述出气壳体的外壳体一端外壁边缘处设置有环形凸台；所述出气壳体的内壳体和外壳体间设置有导流叶片；所述导流叶片为空心叶片，周向均匀分布在出气壳体的气流入口处；
14.所述出气壳体的环形凸台端与进气壳体和叶轮机构连接；
15.所述出气壳体的内壳体和外壳体之间形成排出含砂尘气流的通道。
16.更进一步地，所述叶轮机构包括叶轮轴、联轴器和斜流叶轮；
17.所述叶轮轴一端与联轴器连接，另一端与所述斜流叶轮固定连接；
18.所述叶轮轴通过联轴器与驱动机构连接；
19.所述叶轮轴，用于带动斜流叶轮转动；
20.所述斜流叶轮，用于在清除流道的出口形成低压区，将含砂尘气流从粒子分离器的清除流道吸入进气壳体，进而从出气壳体排出。
21.更进一步地，所述叶轮机构还包括快卸卡箍和转子机匣；
22.所述转子机匣设置于斜流叶轮的外围；
23.所述转子机匣与进气壳体和出气壳体通过快卸卡箍连接。
24.更进一步地，所述叶轮机构还包括篦齿环、轴承和轴承座组件；
25.所述篦齿环设置于出气壳体的内壳体与叶轮轴之间；所述轴承设置于轴承座组件内；所述轴承座组件通过螺栓安装在出气壳体的内壳体前端；所述篦齿环、轴承和轴承座组件同轴安装；
26.所述篦齿环，用于防砂尘；
27.所述轴承和轴承座组件，用于固定叶轮轴。
28.更进一步地，所述驱动机构包括接线盒和电机；
29.所述接线盒设置在出气壳体的外壳体外表面；所述电机设置在出气壳体的内壳体环形内腔中，通过螺栓或焊接固定连接在出气壳体的内壳体内表面；所述电机的导线通过导流叶片连接至接线盒；
30.所述电机的电机轴通过联轴器与叶轮轴连接。
31.更进一步地，所述驱动机构还包括端盖和冷却风扇；
32.所述端盖通过螺栓或焊接与出气壳体的内壳体固定连接；所述端盖中心处设置有轴承；电机的电机轴一端穿过轴承与冷却风扇通过螺栓固定连接；
33.所述冷却风扇，用于冷却电机。
34.更进一步地，所述驱动机构还包括防尘网罩；
35.所述防尘网罩设置于所述冷却风扇侧方，固定安装在出气壳体的内壳体末端；
36.所述防尘网罩，用于防止排出的砂尘进入电机。
37.更进一步地，所述控制机构包括电机控制器；
38.所述电机控制器设置在驾驶舱；
39.所述电机控制器通过接线盒与电机电性连接；
40.所述电机控制器，用于控制电机启动或关闭。
41.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
42.1、通过电机控制电驱动式排砂装置，可根据实际工作环境选择启动或关闭电驱动式排砂装置，可以在非砂尘环境下关闭电驱动式排砂装置，使大部分气流进入发动机，提高发动机非砂尘环境下的功率；
43.2、在非砂尘环境下关闭电驱动式排砂装置，还可以节约发动机的输出功率；
44.3、通过电机控制电驱动式排砂装置，解除电驱动式排砂装置与发动机传动系统的耦合，可一定程度上降低因电驱动式排砂装置故障带来的发动机的安全性和可靠性风险。
45.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
46.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
47.图1示出了根据本发明实施例的电驱动式排砂装置的结构示意图；
48.图2示出了根据本发明实施例的电驱动式排砂装置的工作示意图。
49.图中：1、进气壳体；2
‑
1、叶轮轴；2
‑
2、篦齿环；2
‑
3、快卸卡箍；2
‑
4、转子机匣；2
‑
5、联轴器；2
‑
6、斜流叶轮；2
‑
7、轴承；2
‑
8、轴承座组件；3、出气壳体；3
‑
1、导流叶片；4
‑
1、接线盒；4
‑
2、电机；4
‑
3、端盖；4
‑
4、冷却风扇；4
‑
5、防尘网罩；5、电机控制器；6、粒子分离器；6
‑
1、进气道；6
‑
2、清除流道；6
‑
3、主气流道；7、电驱动式排砂装置；8、发动机。
具体实施方式
50.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
51.图1示出了根据本发明实施例的电驱动式排砂装置的结构示意图。如图1所示，本发明提出的一种航空发动机粒子分离器用电驱动式排砂装置，包括：叶轮机构、驱动机构、控制机构、进气壳体1和出气壳体3；
52.所述叶轮机构与驱动机构连接；所述驱动机构与控制机构电性连接；
53.所述叶轮机构，用于吸入分离出的含砂尘气流；
54.所述驱动机构，用于驱动叶轮机构转动；
55.所述控制机构，用于控制驱动机构启动或关闭。
56.所述进气壳体1外表面上设置有3～5个安装座，所述进气壳体1通过安装座固定安装在发动机8上，本实施例中安装座设置有3个，3个安装座通过螺栓安装在发动机8上，在另外的一些设计方式上，进气壳体1也可以焊接到发动机8上；所述进气壳体1为弯曲柱状，一端为锥形开口，锥形开口外壁边缘处设置有环形凸台；所述进气壳体1的环形凸台端与叶轮机构连接，另一端通过焊接或螺接与粒子分离器6的清除流道6
‑
2固定连接，形成排出含砂
尘气流的通道。
57.所述出气壳体3包括内壳体、外壳体和导流叶片3
‑
1，内壳体为桶状，外壳体为喇叭状，内壳体的直径小于外壳体的直径，内壳体一部分设置于外壳体中。内壳体和外壳体同轴设置，通过导流叶片3
‑
1固定连接。优选地，出气壳体3为铸造一体成型或3d打印而成。
58.所述出气壳体3的外壳体一端外壁边缘处设置有环形凸台，所述出气壳体3的内壳体和外壳体间设置有导流叶片3
‑
1，所述导流叶片3
‑
1为空心叶片，周向均匀分布在出气壳体3的气流入口处，叶片数目为8～15片。导流叶片3
‑
1主要用于将偏转气流方向调整为轴向流动。导流叶片3
‑
1为c型件，水平截面为翼形。
59.所述出气壳体3的环形凸台端与进气壳体1和叶轮机构连接，所述出气壳体3的内壳体和外壳体之间形成排出含砂尘气流的通道。同时当含砂尘气流从出气壳体3中流过时，会带走电机4
‑
2工作时产生的热量，对电机4
‑
2进行冷却。优选地，为了提高散热效率，出气壳体3选用高导热材料制造，如铝合金zl114a。
60.叶轮机构包括叶轮轴2
‑
1、联轴器2
‑
5和斜流叶轮2
‑
6；
61.所述叶轮轴2
‑
1一端与联轴器2
‑
5连接，另一端与所述斜流叶轮2
‑
6固定连接；
62.所述叶轮轴2
‑
1通过联轴器2
‑
5与驱动机构连接；
63.所述叶轮轴2
‑
1，用于带动斜流叶轮2
‑
6转动；
64.所述斜流叶轮2
‑
6，用于在清除流道6
‑
2的出口形成低压区，将含砂尘气流从粒子分离器6的清除流道6
‑
2吸入进气壳体1，进而从出气壳体3排出。
65.叶轮机构还包括快卸卡箍2
‑
3和转子机匣2
‑
4；
66.所述转子机匣2
‑
4设置于斜流叶轮2
‑
6的外围，为气流通道提供外壁；
67.所述转子机匣2
‑
4与进气壳体1和出气壳体3通过快卸卡箍2
‑
3连接。在另外的设计方式上，在进气壳体1、出气壳体3和转子机匣2
‑
4上设置开孔，进气壳体1、出气壳体3和转子机匣2
‑
4通过螺栓固定连接。
68.叶轮机构还包括篦齿环2
‑
2、轴承2
‑
7和轴承座组件2
‑
8；
69.所述篦齿环2
‑
2设置于出气壳体3的内壳体与叶轮轴2
‑
1之间；所述轴承2
‑
7设置于轴承座组件2
‑
8内；所述轴承座组件2
‑
8通过螺栓安装在出气壳体3的内壳体前端；所述篦齿环2
‑
2、轴承2
‑
7和轴承座组件2
‑
8同轴安装；
70.所述篦齿环2
‑
2，用于密封电机4
‑
2和防止含砂尘气流进入电机4
‑
2；
71.所述轴承2
‑
7和轴承座组件2
‑
8，用于固定叶轮轴2
‑
1，减小摩擦，保证斜流叶轮2
‑
6长时间稳定运行。
72.驱动机构包括接线盒4
‑
1和电机4
‑
2；
73.所述接线盒4
‑
1设置在出气壳体3的外壳体外表面；所述电机4
‑
2设置在出气壳体3的内壳体环形内腔中，通过螺栓或焊接固定连接在出气壳体3的内壳体内表面；所述电机4
‑
2的导线穿过中空的导流叶片3
‑
1连接至接线盒4
‑
1；
74.所述电机4
‑
2的电机轴一端通过联轴器2
‑
5与叶轮轴2
‑
1连接，电机4
‑
2通过联轴器2
‑
5带动叶轮轴2
‑
1转动。
75.驱动机构还包括端盖4
‑
3和冷却风扇4
‑
4；
76.所述端盖4
‑
3通过螺栓或焊接与出气壳体3的内壳体末端固定连接；所述端盖4
‑
3中心处开有通孔，通孔里设置有轴承；电机4
‑
2的电机轴一端穿过轴承与冷却风扇4
‑
4通过
螺栓固定连接；电机4
‑
2通过电机轴带动冷却风扇4
‑
4旋转，进而冷却风扇4
‑
4产生冷却气流，带走电机4
‑
2运行时产生的热量，用于冷却电机4
‑
2。
77.驱动机构还包括防尘网罩4
‑
5；所述防尘网罩4
‑
5设置于所述冷却风扇4
‑
4侧方，固定安装在出气壳体3的内壳体末端；所述防尘网罩4
‑
5，用于防止排出的砂尘进入电机4
‑
2。优选地，电机功率为10～30kw，转轴转速约10000～40000rpm。
78.控制机构包括电机控制器5；
79.所述电机控制器5设置在驾驶舱内；所述电机控制器5通过接线盒4
‑
1与电机4
‑
2电性连接；所述电机控制器5，用于根据实际运行环境中的砂尘含量是否超过阈值，来控制电机4
‑
2启动或关闭。优选地，砂尘含量的阈值可以设置为53mg/m3。
80.优选地，在进气道6
‑
1中设置砂尘检测装置，砂尘检测装置与电动机4
‑
2电性连接。当发动机8运行时，砂尘检测装置自动启动，自动检测通过进气道6
‑
1吸入气体中砂尘的含量值，当检测到吸入气体中砂尘含量超过阈值时，立刻启动电机4
‑
2，启动电驱动式排砂装置，将气体中的砂尘排除到大气中。
81.当发动机8在砂尘环境下运行时，开启电机控制器5，电机4
‑
2通过联轴器2
‑
5带动叶轮轴2
‑
1转动，叶轮轴2
‑
1通过花键带动斜流叶轮2
‑
6旋转，粒子分离器6的清除流道6
‑
2出口处形成低压，在压差作用下，含有砂尘的气流通过粒子分离器6的进气道6
‑
1后，一股集中大量砂尘的含砂尘气流(约占总进气量的10％～20％)通过清除流道6
‑
2进入进气壳体1，调整气流方向后，经过斜流叶轮2
‑
6后，通过出气壳体3排入大气。含砂尘气流通过出气壳体3时，带走出气壳体3内表面上电机4.2工作时产生的热量，从而实现冷却电机4
‑
2的目的，冷却风扇4
‑
4与电机4
‑
2同步运转，产生冷却气流对电机4
‑
2进行双重冷却。
82.图2示出了根据本发明实施例的电驱动式排砂装置的工作示意图。如图2所示，粒子分离器6的清除流道6
‑
2出口连接电驱动式排砂装置7的进气壳体1，粒子分离器6的主气流道6
‑
3出口连接发动机8进口，电机控制器5与电机4
‑
2电性连接，控制启动或关闭，电驱动式排砂装置7的电机控制器5安装在驾驶舱。当发动机8在砂尘环境下工作，可打开电机控制器5，电驱动式排砂装置7运转，含有砂尘的气流通过粒子分离器6的进气道6
‑
1后，粒子分离器6将含有砂尘的气流分为两股气流，一股集中了大量砂尘的含砂尘气流(约占总进气量的10％～20％)通过清除流道6
‑
2被电驱动式排砂装置7抽吸，依次经过进气壳体1和出气壳体3，排到大气中，另一股几乎不含砂尘的气流(约占总进气量的80％～90％)通过主气流道6
‑
3进入发动机8，供发动机8使用。在洁净环境下，可关闭电机控制器5，电驱动式排砂装置7不运行，大部分气流(约占总进气量的≮90％)经过粒子分离器6后进入发动机8，供发动机8使用，少部分气流(约占总进气量的≯10％)经过电驱动式排砂装置7流入大气。
83.本发明中提出的一种航空发动机粒子分离器用电驱动式排砂装置，通过电机控制电驱动式排砂装置，可根据实际环境选择启动或关闭电驱动式排砂装置，可以在非砂尘环境下关闭电驱动式排砂装置，使大部分气流进入发动机，提高发动机非砂尘环境下的功率；在非砂尘环境下关闭电驱动式排砂装置，还可以节约发动机的输出功率；通过电机控制电驱动式排砂装置，解除电驱动式排砂装置与发动机传动系统的耦合，可一定程度上降低因电驱动式排砂装置故障带来的发动机的安全性和可靠性风险。
84.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“侧方”、“端”、“外”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元
件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。关于本文中所使用的“包括”等等，均为开放性的用语，即意指包括但不限于。关于本文中的“连接”、“电性连接”包括两个元器件之间的直接连接，也包括两个元器件之间通过其他元器件或电路进行连接的间接连接。
85.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。