直升機(jī)油箱內(nèi)燃油蒸氣點(diǎn)燃防護(hù)研究

袁斐 鞠月嬋

摘 要：該文對(duì)直升機(jī)油箱內(nèi)影響燃油蒸氣濃度的因素進(jìn)行了分析，給出燃油蒸氣點(diǎn)燃的邊界條件。針對(duì)可能存在的點(diǎn)火源從電火花、細(xì)絲加熱、摩擦火花以及熱表面點(diǎn)燃等方面進(jìn)行分析，并針對(duì)點(diǎn)燃源從設(shè)計(jì)、試驗(yàn)以及安全性分析方面提出油箱系統(tǒng)研制時(shí)所采取的措施，以減少燃油蒸氣點(diǎn)燃的可能性。最后通過(guò)對(duì)某型直升機(jī)油箱內(nèi)電氣設(shè)備的點(diǎn)燃防護(hù)分析，給出點(diǎn)燃防護(hù)的分析方法。

關(guān)鍵詞：燃油蒸氣；點(diǎn)燃源；安全性分析

中圖分類號(hào)：V231 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

隨著軍、民用直升機(jī)的大量普及以及相關(guān)技術(shù)逐漸成熟，航空技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家在直升機(jī)研制過(guò)程中，對(duì)于FAR29.963油箱內(nèi)設(shè)備的溫度要求已不足以保證直升機(jī)的安全，已將燃油箱點(diǎn)燃防護(hù)要求作為設(shè)計(jì)要求予以貫徹。而我國(guó)還未對(duì)直升機(jī)燃油箱的點(diǎn)燃防護(hù)進(jìn)行過(guò)研究，相關(guān)設(shè)備的研制廠家也未對(duì)設(shè)備的安全進(jìn)行分析，該文對(duì)直升機(jī)燃油箱內(nèi)蒸氣點(diǎn)燃的防護(hù)技術(shù)進(jìn)行分析、研究，對(duì)直升機(jī)燃油系統(tǒng)的研制具有一定的指導(dǎo)意義。

1 影響可燃蒸氣濃度因素

油箱內(nèi)的可燃蒸氣一直充滿油箱上部的無(wú)油空間，影響可燃蒸氣濃度的因素主要有燃油閃點(diǎn)、溫度、油液晃動(dòng)以及在加油時(shí)可能出現(xiàn)的霧化。燃油的閃點(diǎn)越低，可燃蒸氣就能在越低的燃油溫度下形成。燃油的晃動(dòng)、濺潑或霧化能夠?qū)е氯加拖鋬?nèi)液面上方空間燃油分子濃度增加，從而顯著增大可燃性蒸氣的暴露時(shí)間，燃油溫度升高能顯著增加燃油箱內(nèi)的可燃蒸氣。在進(jìn)行加油時(shí)，大量氣泡破滅，促使油箱上部可燃蒸氣濃度增加。

2 可燃蒸氣點(diǎn)燃條件

油箱中的可燃蒸氣能夠點(diǎn)燃的條件如圖1所示，圖中曲線是采用JetA噴氣燃料測(cè)得的數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)RP3噴氣燃料與之類似。在易燃區(qū)域兩側(cè)的限制條件分別是上邊界和下邊界。上邊界為富油條件，油氣濃度較大不能點(diǎn)燃；下邊界為貧油條件，油氣濃度較小而不能點(diǎn)燃。在海平面高度，下邊界溫度為低于燃油閃點(diǎn)10 ℉，上邊界溫度為高于燃油閃點(diǎn)62.5 ℉。上述邊界條件也可采用油氣比確定，在海平面高度下邊界條件的油氣比為0.032，在60 000 ft時(shí)線性增加到0.043；在海平面上邊界條件的油氣比為0.24，在60 000 ft時(shí)線性降低到0.142。由上下邊界圍成的區(qū)域?yàn)橐兹紖^(qū)域，從海平面高度直到60 000 ft，點(diǎn)燃所需能量逐漸增加，在海平面高度附近，所需能量為0.17 mJ～0.2 mJ，在60 000 ft附近所需能量接近25 000 mJ。

3 燃油蒸氣點(diǎn)燃源分析

3.1 可能存在的點(diǎn)燃源

在油箱內(nèi)可能存在的點(diǎn)燃源包括：未包容的電火花/電??；細(xì)絲加熱；摩擦火花；熱表面點(diǎn)燃或自燃。

3.1.1 未包容的電火花/電弧

由于電氣系統(tǒng)故障、閃電或其他電氣問(wèn)題，使2個(gè)彼此絕緣的元器件之間出現(xiàn)電壓差，產(chǎn)生電火花。當(dāng)2個(gè)導(dǎo)電元器件彼此接觸時(shí)可能會(huì)發(fā)生電弧或熱熔火花。

電氣絕緣的零部件由于燃油撞擊、晃動(dòng)，或者燃油在管路中流動(dòng)等會(huì)產(chǎn)生電荷積聚。如果不添加防靜電劑，國(guó)內(nèi)燃油的電導(dǎo)率為0.1 pS/m～10 pS/m，燃油電傳導(dǎo)率太低，燃油表面將積聚大量靜電荷，一旦產(chǎn)生的電壓超過(guò)燃油上部空間油氣混合物擊穿電壓時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生火花。存在電荷積聚的零部件和附近的油箱接地點(diǎn)之間產(chǎn)生的放電也可能產(chǎn)生足夠的能量來(lái)點(diǎn)燃燃油蒸氣。

3.1.2 細(xì)絲加熱

當(dāng)安裝在油箱中的設(shè)備如油箱測(cè)量系統(tǒng)的電流超過(guò)25 mA RMS時(shí)，導(dǎo)線發(fā)熱可能會(huì)成為點(diǎn)火源。

3.1.3 摩擦火花

燃油泵的入口單向閥、螺母、螺釘、卡箍以及一些結(jié)構(gòu)上的碎片可能會(huì)被吸入泵內(nèi)，與葉輪發(fā)生摩擦，從而產(chǎn)生火花。

3.1.4 熱表面

如果設(shè)備表面溫度可能會(huì)達(dá)到燃油自燃溫度，則該設(shè)備就是一個(gè)點(diǎn)火源。燃油自燃溫度隨燃油類型以及壓力變化而變化。對(duì)于JETA燃油，在一個(gè)大氣壓下為450 ℉。

3.2 點(diǎn)燃防護(hù)措施

安裝在油箱內(nèi)的電氣設(shè)備通常包括燃油泵、油量傳感器、液面信號(hào)器、溫度傳感器以及燃油閥等，這些設(shè)備都可能成為潛在的點(diǎn)火源，同時(shí)還包括靜電以及閃電。針對(duì)上述點(diǎn)火源，需從設(shè)計(jì)保證、試驗(yàn)驗(yàn)證以及安全性分析等方面予以防護(hù)。

3.2.1 設(shè)計(jì)保證

電源線布置在機(jī)外，一旦出現(xiàn)故障不會(huì)在油箱內(nèi)部產(chǎn)生熱源或電弧。

燃油系統(tǒng)電源線與其他設(shè)備線路隔離，并進(jìn)行屏蔽，同時(shí)可安裝抑制器以防止誘導(dǎo)大電流進(jìn)入油箱導(dǎo)線中。

燃油泵入口在整個(gè)工作期間始終淹沒(méi)在燃油中。對(duì)于儲(chǔ)油箱，采用引射泵進(jìn)行輸油，以避免電動(dòng)燃油泵干轉(zhuǎn)而超溫。

與機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行良好地搭接，搭接通道采取冗余設(shè)計(jì)。

安裝在油箱中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流不超過(guò)25 mA RMS。故障條件下電流限制到50 mA RMS，閃電瞬間感應(yīng)的尖峰電流為125 mA。

油箱周圍不能布置任何易產(chǎn)生高溫的管路、設(shè)備，以防止油箱內(nèi)燃油溫度升高。

合理布置油箱進(jìn)油口和管路，以降低燃油霧化和噴濺程度。壓力加油口應(yīng)設(shè)置在油箱較低的部位。

3.2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

安裝在軍機(jī)油箱中的所有部件則需按照GJB150A或MIL-STD-810E進(jìn)行防爆試驗(yàn)，在民機(jī)上按RTCA DO160D進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以表明在燃油蒸氣中的防爆性能。燃油泵需要進(jìn)行干運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，以表明其溫度升高不會(huì)超過(guò)燃油自燃溫度，并保留約50 ℉的安全裕度。安裝在燃油箱鄰近的可燃液體泄漏區(qū)域內(nèi)的電氣設(shè)備，同樣應(yīng)滿足防爆安全要求。

3.2.3 安全性分析

對(duì)油箱系統(tǒng)進(jìn)行故障模式及影響分析，并對(duì)其進(jìn)行安全性評(píng)估：不管其發(fā)生的概率有多小，任一單點(diǎn)故障都需要考慮；任一單點(diǎn)故障與任一未表明其發(fā)生概率為極不可能的潛在故障組合；所有未表明其發(fā)生概率為極不可能的故障組合。

4 點(diǎn)燃防護(hù)符合性分析

為了降低各點(diǎn)燃源點(diǎn)燃油箱內(nèi)部燃油蒸氣的概率，在系統(tǒng)研制過(guò)程中，需要對(duì)油箱內(nèi)部各電氣設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)燃防護(hù)分析，以便及早采取措施，完善設(shè)計(jì)。分析時(shí)需要考慮所有的影響因素，并針對(duì)影響因素進(jìn)行符合性分析，從而表明油箱系統(tǒng)研制滿足油箱蒸氣點(diǎn)燃防護(hù)要求。表1為某型直升機(jī)油箱內(nèi)電氣設(shè)備的點(diǎn)燃防護(hù)分析，針對(duì)各影響因素給出了具體的解決措施。

5 結(jié)論

油箱內(nèi)始終會(huì)存在燃油蒸氣，完全消除點(diǎn)燃源是不可能的。但可以通過(guò)對(duì)可燃源的辨識(shí)，進(jìn)而從設(shè)計(jì)、試驗(yàn)以及安全性分析等方面采取措施來(lái)降低油箱內(nèi)燃油蒸氣被點(diǎn)燃的概率，從而提升直升機(jī)的安全性。

參考文獻(xiàn)

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