一种带螺旋线型进口流道的油气分离器

摘要

本发明公开了一种带螺旋线型进口流道的油气分离器，包括分离腔筒体和连接在分离腔筒体两端的油气混合物进口段和储油腔，油气混合物进口段上还连接有排气管，油气混合物进口段包括预旋流道和与预旋流道连通的入口流道，所述的预旋流道总体呈圆柱体形，沿切线方向设置有入口流道，所述的预旋流道的外侧壁为阿基米德螺旋线型；油气混合物进口段内布置有分流装置，本发明将阿基米德螺旋线引入航空发动机滑油系统的动压式油气分离器中，将油气分离器上方的预旋段设置为阿基米德螺旋线型，保证了进入各支路的油气混合物流量大致相同，提高了分离器内部流场的稳定性，减少了分离器中心回流区的滑油量，使得分离器的分离效率得到了提高。

权利要求

1.一种带螺旋线型进口流道的油气分离器，包括分离腔筒体(1)和连接在分离腔筒体(1)两端的油气混合物进口段(2)和储油腔(3)，油气混合物进口段(2)上还连接有排气管(4)，所述的排气管(4)与分离腔筒体(1)连通，油气混合物进口段(3)与分离腔筒体(1)和储油腔(3)连通；

其特征在于，

所述的油气混合物进口段(2)包括预旋流道(2‑1)和与预旋流道(2‑1)连通的入口流道(2‑2)，所述的预旋流道(2‑1)总体呈圆柱体形，沿切线方向设置有入口流道(2‑2)，所述的预旋流道(2‑1)的外侧壁为阿基米德螺旋线型；

所述的油气混合物进口段(2)内布置有分流装置(5)，所述的分流装置(5)为圆柱体形，所述的分流装置(5)沿自身轴线方向开设有分流腔(5‑1)，所述的分流腔(5‑1)与分离腔筒体(1)连通；

所述的分流装置(5)内部还设置有支流通道(5‑2)，支流通道(5‑2)连通预旋流道(2‑1)和分流腔(5‑1)，油气混合物经由入口流道(2‑2)进入预旋流道(2‑1)后，再经由支流通道(5‑2)进入分流腔(5‑1)后进入分离腔筒体(1)所述的入口流道(2‑2)的入口为矩形，入口流道(2‑2)呈矩形收缩状；

所述的支流通道(5‑2)为沿分离腔筒体(1)周向间隔相同角度分布并且支流通道(5‑2)的出口与分离腔筒体(1)相切；

所述的排气管(4)内安装有挡油环(4‑1)。

2.如权利要求1所述的带螺旋线型进口流道的油气分离器，其特征在于，所述的支流通道(5‑2)为八个。

3.如权利要求1所述的带螺旋线型进口流道的油气分离器，其特征在于，所述的预旋流道(2‑1)的截面呈矩形。

4.如权利要求1所述的带螺旋线型进口流道的油气分离器，其特征在于，所述的储油腔(3)的截面呈倒梯形且储油腔(3)的直径大于分离腔筒体(1)的直径，所述的储油腔(3)上连接有出油管(3‑1)。

5.如权利要求1所述的带螺旋线型进口流道的油气分离器，其特征在于，所述的储油腔(3)的底部布置有圆柱凸台(3‑2)。

6.如权利要求1所述的带螺旋线型进口流道的油气分离器，其特征在于，所述的排气管(4)、分离腔筒体(1)和储油腔(3)同轴连接，所述的排气管(4)伸入分离腔筒体(1)中，分离腔筒体(1)伸入储油腔(3)中。

说明书

一种带螺旋线型进口流道的油气分离器

技术领域

[0001] 本发明涉及航空发动机滑油系统技术领域，具体涉及一种带螺旋线型进口流道的油气分离器。

背景技术

[0002] 航空发动机内含多种高速旋转部件，其中轴承、齿轮等高速旋转摩擦部件承受着巨大的载荷。航空发动机滑油系统持续向这些高速旋转部件供给滑油，以实现摩擦接触区域的润滑和冷却，维持这些部件高效、持续地工作。航空发动机滑油系统主要由油箱、供油泵、油滤、回油泵、通风器、油气分离器、散热器等部件组成。由于滑油系统中含有一定量的空气，在航空发动机正常工作过程中，系统中的滑油会会与空气不断被混合，形成油气混合物，这种油气混合物中的空气泡会增大管路的阻力，减小滑油的比热和热传导系数，不仅会降低滑油的散热性能，还会减弱滑油对摩擦对偶面的润滑冷却能力，同时油气混合物持续进入油箱还会使得油箱内部压力上升，不利于回油过程，而且油气混合物进入供油泵会降低滑油的供给量，影响航空发动机的正常工作。因此在回油泵与油箱之间的油气分离器是一个必不可少的装置，该装置用于分离回油流路油气混合物中的空气，保证轴承和齿轮的工作安全，使得系统的正常运转。

[0003] 动压式油气分离器是航空发动机滑油系统的重要组成部分，是一种利用离心力对油气混合物对油气混合物进行分离的装置，具有结构简单、空间紧凑等优点。油气混合物会首先从混合物进口以一定初速度进入分离器内部，经过预旋段产生较大的周向速度，在重力作用下滑油和空气向下流动，同时由于滑油和空气密度相差较大，滑油在离心力作用下紧贴外壁面运动，并进入储液腔和分离段，最后经过滑油出口回到油箱内部，分离后的空气则经空气出口排出。由于航空发动机内部空间非常有限，一般形式的动压式油气分离器的直筒体、切向入口结构在实际使用中易出现一些问题：

[0004] 1.油气分离效率较低；

[0005] 2.高油气比工况情况下回油泵来不及抽吸滑油使得分离器内部滑油堆积过多，造成滑油的损耗。

发明内容

[0006] 针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种带螺旋线型进口流道的油气分离器，解决现有技术中动压式油气分离器分离效率较低以及滑油损耗较大的问题。

[0007] 为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：一种带螺旋线型进口流道的油气分离器，包括分离腔筒体和连接在分离腔筒体两端的油气混合物进口段和储油腔，油气混合物进口段上还连接有排气管，所述的排气管与分离腔筒体连通，油气混合物进口段与分离腔筒体和储油腔连通，

[0008] 所述的油气混合物进口段包括预旋流道和与预旋流道连通的入口流道，所述的预旋流道总体呈圆柱体形，沿切线方向设置有入口流道，所述的预旋流道的外侧壁为阿基米德螺旋线型；

[0009] 所述的油气混合物进口段内布置有分流装置，所述的分流装置为圆柱体形，所述的分流装置沿自身轴线方向开设有分流腔，所述的分流腔与分离腔筒体连通；

[0010] 所述的分流装置内部还设置有支流通道，支流通道连通预旋流道和分流腔，油气混合物经由入口流道进入预旋流道后，再经由支流通道进入分流腔后进入分离腔筒体。

[0011] 本发明还具有如下技术特征：

[0012] 所述的入口流道的入口为矩形，入口流道呈矩形收缩状。

[0013] 所述的支流通道为沿分离腔筒体周向间隔相同角度分布并且支流通道的出口与分离腔筒体相切。

[0014] 所述的支流通道为八个。

[0015] 所述的预旋流道的截面呈矩形。

[0016] 所述的储油腔的截面呈倒梯形且储油腔的直径大于分离腔筒体的直径，所述的储油腔上连接有出油管。

[0017] 所述的储油腔的底部布置有圆柱凸台。

[0018] 所述的排气管、分离腔筒体和储油腔同轴连接，所述的排气管伸入分离腔筒体中，分离腔筒体伸入储油腔中。

[0019] 所述的排气管内安装有挡油环。

[0020] 本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

[0021] (Ⅰ)本发明将阿基米德螺旋线引入航空发动机滑油系统的动压式油气分离器中，将油气分离器上方的预旋段设置为阿基米德螺旋线型，保证了进入各支路的油气混合物流量大致相同，提高了分离器内部流场的稳定性，减少了分离器中心回流区的滑油量，使得分离器的分离效率得到了提高；

[0022] (Ⅱ)本发明同时在分离器底部设置了环形储油腔结构，使得滑油量过多时分离器内部能存储部分滑油，同时在分离器顶部的排气管内设置有挡油环，减小了随着空气从顶部排气管道排出到大气之中的滑油液滴的量，减少了特殊工况下滑油的损耗，保障了航空发动机整体的工作性能以及工作寿命。

[0023] (Ⅲ)本发明的结构简单，使用方便，可以极大的节约人力物力。

附图说明

[0024] 图1为本发明三维结构示意图；

[0025] 图2为本发明正视图；

[0026] 图3为分离器预旋段截面J‑J示意图；

[0027] 图4为本发明K‑K剖面示意图。

[0028] 图5为矩形入口收缩流道剖面示意图。

[0029] 图6为J‑J截面于某工况下的压力云图。

[0030] 图7为K‑K截面某工况下滑油分布云图。

[0031] 图8为传统油气分离器以及新型油气分离器的分离效率曲线图。

[0032] 附图中各个标号含义：

[0033] 1‑分离腔筒体；2‑油气混合物进口段：3‑储油腔；4‑排气管；5‑分流装置；

[0034] 2‑1预旋流道，2‑2入口流道；

[0035] 3‑1出油管，3‑2圆柱凸台；

[0036] 4‑1挡油环；

[0037] 5‑1分流腔，5‑2支流通道。

[0038] 以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

[0039] 以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

[0040] 本发明所用的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的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装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“内”、“外”是指相应部件轮廓的内和外，不能将上述术语理解为对本发明的限制。

[0041] 在本发明中，在未作相反说明的情况下，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0042] 本发明中的所有部件，如无特殊说明，全部采用现有技术中已知的部件。

[0043] 实施例1：

[0044] 遵从上述技术方案，如图1～图8所示，一种带螺旋线型进口流道的油气分离器，包括分离腔筒体1和连接在分离腔筒体1两端的油气混合物进口段2和储油腔3，油气混合物进口段2上还连接有排气管4，所述的排气管4与分离腔筒体1连通，油气混合物进口段3与分离腔筒体1和储油腔3连通，

[0045] 所述的油气混合物进口段2包括预旋流道2‑1和与预旋流道2‑1连通的入口流道2‑2，所述的预旋流道2‑1总体呈圆柱体形，沿切线方向设置有入口流道2‑2，所述的预旋流道
2‑1的外侧壁为阿基米德螺旋线型；通过设置螺旋线型进口流道并在其上间隔相同角度设置有八支支路，螺旋线每经过相同的角度时半径减少相同大小，当油气混合物流经螺旋线型主流道时，每经过相同角度时，进入支路的流量大小也大致相同，由八支支路进入分离腔筒体的油气混合物呈中心对称分布，使得分离腔内的中心回流区更加稳定，研究表明更稳定的中心回流区有利于提高油气分离器的分离效率。

[0046] 油气混合物通过混合物进口进入螺旋线型进口流道，主流流经相同半径时，大致相同流量的油气混合物被挤入八支支路内，油气混合物以与分离腔筒体相切的方向进入分离腔，油气混合物在分离腔内形成旋流，密度较大的滑油顺着壁面留下，密度较小的空气会由中心回流区向上流进排气管，分离后的空气与大气连通，分离后的滑油进入储液腔，通过出口管道回油到油箱之中，完成滑油的分离。

[0047] 所述的油气混合物进口段2内布置有分流装置5，所述的分流装置5为圆柱体形，所述的分流装置5沿自身轴线方向开设有分流腔5‑1，所述的分流腔5‑1与分离腔筒体1连通；

[0048] 所述的分流装置5内部还设置有支流通道5‑2，支流通道5‑2连通预旋流道2‑1和分流腔5‑1，油气混合物经由入口流道2‑2进入预旋流道2‑1后，再经由支流通道5‑2进入分流腔5‑1后进入分离腔筒体1。

[0049] 作为本实施例的一种优选：

[0050] 所述的入口流道2‑2的入口为矩形，入口流道2‑2呈矩形收缩状。使得进口油气混合物获得较大初速度。

[0051] 作为本实施例的一种优选：

[0052] 所述的支流通道5‑2为沿分离腔筒体1周向间隔相同角度分布并且支流通道5‑2的出口与分离腔筒体1相切。将八支支路的入口以周向间隔相同角度分布，保证了八支支路入口处混合物压力相同，且进入八支支路的油气混合物流量大致相同，保证了分离器分离段的流场的稳定性，有效的提高了分离器的油气分离效率。

[0053] 作为本实施例的一种优选：

[0054] 所述的支流通道5‑2为八个。

[0055] 作为本实施例的一种优选：

[0056] 所述的预旋流道2‑1的截面呈矩形。保证分离器的预旋段的高度保持不变。

[0057] 作为本实施例的一种优选：

[0058] 所述的储油腔3的截面呈倒梯形且储油腔3的直径大于分离腔筒体1的直径，所述的储油腔3上连接有出油管3‑1。增大油气分离器的容积，使得在滑油过多的情况下，分离器可以暂时储存一些滑油以减少滑油的损耗，通过在分离器分离腔筒体下部设置有向外扩张的环形储油腔结构，该结构的设置可以在回油泵来不及回油的情况下暂时的将分离完的纯度较高的滑油储存，避免了滑油的过多损耗。出油管3‑1直接连接在储油腔侧面，保证了回油管抽吸的滑油均为完成油气分离的高纯度滑油。

[0059] 作为本实施例的一种优选：

[0060] 所述的储油腔3的底部布置有圆柱凸台3‑2。使得分离器底部的滑油不会过多的堆积与分离器内部，而是直接进入储油腔。

[0061] 作为本实施例的一种优选：

[0062] 所述的排气管4、分离腔筒体1和储油腔3同轴连接，所述的排气管4伸入分离腔筒体1中，分离腔筒体1伸入储油腔3中。

[0063] 作为本实施例的一种优选：

[0064] 所述的排气管4内安装有挡油环4‑1。挡油环4‑1减小了滑油通过排气管排出到大气中而造成的损失。

[0065] 矩形收缩的混合物入口流道2‑2，其保证了油气混合物进入油气分离器后能有较大初速度；

[0066] 预旋流道2‑1，其与入口流道2‑2相切连接，螺旋线设计是为了主流油气混合物每流经相同角度时减少的半径相同，使得进入各支路的油气混合物流量大致相同；

[0067] 八支支路流道5‑2，其放置于预旋流道中心位置，将主流分成8股分流，保证了旋流分离时流场的稳定性；

[0068] 分离腔筒体1，其与八支支路出口相切连接，置于预旋流道2‑1下部，油气混合物将于此进行旋流分离；

[0069] 储油腔3，安装于分离腔筒体1下方，能储存一定滑油；

[0070] 出油管3‑1，与储油腔3的侧面相连接，将滑油抽出油气分离器并回油到油箱内；

[0071] 圆柱凸台3‑2，设置于分离器底部中心位置，能使得完成油气分离的滑油进入储油腔5内；

[0072] 排气管4，将分离器内部完成油气分离的空气排出到大气之中；

[0073] 挡油环4‑1，设置在排气管4内壁，能减少从排气管4排出到大气之中的滑油液滴的量。

[0074] 针对上述所要解决的问题，如图1所示，本发明为了提高油气分离器的分离效率，将阿基米德螺旋线引入油气分离器中，设计了油气混合物的入口流道2‑2为矩形收缩进口，该设计保证了进口油气混合物在预旋段能获得较大初速度，预旋流道2‑1设计为阿基米德螺旋线型，该设计的目的主要是油气混合物在预旋段流经相同角度时进入各支流通道5‑2的油气混合物的流量近似相同，同时也保证了各支流通道5‑2进口位置的压力大致相同，如图6所示。使得从各支路出口切向进入分离腔筒体1的流量大致相同，保证了分离腔筒体1内旋流的稳定性，有利于减少分离腔筒体1的中心回流区内滑油的量，有利于提高分离器的分离效率，如图8所示。油气混合物流经预旋流道2‑1后获得周向速度，产生的离心力使得密度相差较大的滑油和空气分离，此处利用了离心动压式油气分离的方法来完成油气分离。在分离腔筒体1内完成油气分离的滑油进入环形储油腔5内，通过出油管3‑1抽吸流出油气分离器内部完成回油；分离后的空气则会沿顶端的排气管4排出，完成油气分离。

[0075] 如图2、图3和图4所示，预旋流道2‑1设计为阿基米德螺旋线型，这样，混合物每转过单位角度，旋转半径呈线性减小，即流入每个支流通道5‑2的油气混合物的流量大致相同，八支支流通道5‑2周向均匀分布也保证进入分离腔筒体1的油气混合物的周向均匀性，同时也能使得油气混合物能在较小的压力损失下在分离腔筒体1内获得较大的周向速度，使得油气混合物能在分离腔筒体1内的流场更加均匀、稳定，同时也能在分离腔筒体1内获得更加稳定的中心回流区，有效提高了油气分离器的分离效率。设置于油气分离器底部的储油腔3在滑油流量大的情况下能将过多的滑油储存于其中，设置于排气管4内的挡油环4‑1也能有效减少随着空气从排气管4逸出油气分离器的滑油液滴的量，避免了滑油量太大而从排气管4中逸出造成滑油的过多损耗，设置于油气分离器中心的圆柱凸台3‑2的作用是使得滑油进入储油腔3。

[0076] 图5所示为入口矩形收缩流道的剖面示意图，该设计可以保证油气混合物流入螺旋线型预旋流道时能有较大初速度，保证了油气混合物进行旋流动压分离时能有较大周向速度，保证了分离器的分离效率。

[0077] 某型真实航空发动机滑油系统内滑油的循环流量约为50L/min，该仿真工况设计为滑油流量为50L/min，入口油气混合物油气比为5进行仿真计算。

[0078] 图6为该工况下螺旋线型预旋流道的压力云图，计算结果显示油气混合物由收缩段入口进入螺旋线型预旋流道时压力降低，增加了其进入螺旋线型预旋流道时的初始速度，油气混合物流经螺旋线型预旋流道时的压力近似不变，在八支入口位置压力局部增加，仍然保证了其入口位置的压力处于相同范围内，即八支支路入口压力流量近似相同，验证了螺旋线型预旋流道的有效性，保证了分离段流场的稳定性。

[0079] 图7为该工况下分离器K‑K截面的滑油相体积分布云图，其中红色代表滑油，蓝色代表空气，其他颜色表示油气混合物，其中颜色越靠近红色表示滑油的体积分数越大。图7说明该新型发明能如预期进行旋流，并完成对油气的分离作用；底部的储油结构也能使得油气分离器内部存储更多的滑油，并直接通过出油管将高纯度的滑油回油至油箱之中。

[0080] 图8展示了传统动压式油气分离器以及新型油气分离器在相同油气比工况下的分离效率对比图，图中红色曲线表示新型油气分离器在油气比从0.5到2.0时的分离效率，黑色曲线表示传统动压式油气分离器在相同工况下的分离效率，从图8中可知本新型油气分离器的分离效率得到大大的提升。

[0081] 以上所述，仅是本发明的较优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，不经创造性劳动想到的变化或替换，都涵盖在本发明的保护范围之内。