直升機(jī)滅火系統(tǒng)管網(wǎng)水力計(jì)算

李松松 李 春 樊曉峰

（1、中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn)333000 2、西藏軍區(qū)航空保障處，西藏 拉薩850000）

1 概述

飛行器的滅火安全性能，直接影響到飛行器在飛行中出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)的飛行安全。因此現(xiàn)代飛行器對(duì)滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求。直升機(jī)作為重要的飛行器之一，火災(zāi)安全性能對(duì)直升機(jī)的生存能力有著重要影響[1]。水力計(jì)算是評(píng)估直升機(jī)滅火系統(tǒng)可靠性、經(jīng)濟(jì)性及合理性的一項(xiàng)重要設(shè)計(jì)內(nèi)容。直升機(jī)滅火系統(tǒng)水力計(jì)算的目的，一是在滿足系統(tǒng)及噴嘴壓力的同時(shí)，選取合適的管徑，盡可能達(dá)到減重優(yōu)化設(shè)計(jì)；二是在方案階段評(píng)估管路布局是否合理；三是設(shè)計(jì)滅火劑達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)每個(gè)噴頭的流阻，從而控制每個(gè)噴頭滅火劑的流量分配。

直升機(jī)滅火管路設(shè)計(jì)布置是為了給防護(hù)區(qū)提供規(guī)定的滅火劑濃度，達(dá)到滅火要求。有學(xué)者做了大量哈龍1301 滅火劑釋放的試驗(yàn)、仿真等，分別研究了管徑、管內(nèi)壓力、流量、噴射時(shí)間等重要參數(shù)[2]變化情況，仿真和試驗(yàn)表明，管徑對(duì)滅火劑釋放有重要影響[3]。管徑大小對(duì)管內(nèi)滅火劑分布有至關(guān)重要影響，已有的對(duì)管內(nèi)哈龍滅火劑流動(dòng)特性的研究表明[4-5]，管內(nèi)滅火劑密度隨壓力的變化關(guān)系直接影響管道壓降。因此對(duì)滅火系統(tǒng)水力計(jì)算，分析設(shè)計(jì)的管路系統(tǒng)中管徑、壓力、滅火劑密度等是否能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)之后滅火劑能否達(dá)到規(guī)定濃度是非常必要的。

2 滅火系統(tǒng)管網(wǎng)水力計(jì)算

圖1 管網(wǎng)計(jì)算流程圖

由于滅火劑釋放是由滅火瓶?jī)?nèi)增壓氮?dú)怛?qū)動(dòng)，在滅火劑釋放過程中驅(qū)動(dòng)壓力不斷變化，因此滅火系統(tǒng)在釋放滅火劑的瞬時(shí)狀態(tài)的流體計(jì)算較為復(fù)雜，不利于工程計(jì)算。在滅火劑噴射中期，此時(shí)管網(wǎng)模型相對(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)算簡(jiǎn)便，因此滅火管路設(shè)計(jì)計(jì)算主要采用中期工作狀態(tài)法。

中期工作狀態(tài)法的核心是通過管徑、壓力、流量之間的相互關(guān)系，由目標(biāo)流量可以得到設(shè)計(jì)管徑，根據(jù)已有學(xué)者研究成果，可以較為準(zhǔn)確的計(jì)算出管網(wǎng)系統(tǒng)的壓力和管徑，從而可以較為準(zhǔn)確的計(jì)算出管網(wǎng)系統(tǒng)流量和噴射速率。

滅火系統(tǒng)管網(wǎng)水力計(jì)算步驟如圖1 所示。初始流量可以根據(jù)滅火系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計(jì)要求的平均流量公式（1）估測(cè),管徑大小直接影響管網(wǎng)系統(tǒng)水力特性，最佳管徑的確定，往往需要多次校核迭代計(jì)算得出，在全新系統(tǒng)的管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，管徑可按照公式（2）估測(cè)進(jìn)行初始化，并且管徑的選擇應(yīng)滿足公式（3）的要求。而在直升機(jī)滅火系統(tǒng)中，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中管徑的選擇主要根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選擇的幾個(gè)特定的管徑。為優(yōu)化后期的管網(wǎng)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)正向設(shè)計(jì)能力，在后期的型號(hào)設(shè)計(jì)中，逐步引入管網(wǎng)水力計(jì)算，優(yōu)化滅火系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計(jì)如圖1。

式中，Qm為系統(tǒng)平均設(shè)計(jì)流量；D 為管道內(nèi)徑；Dmax為最大管道內(nèi)徑；M為滅火劑設(shè)計(jì)用量；td為滅火劑噴射時(shí)間。在水力計(jì)算時(shí)，由于管道內(nèi)壓力并不能直接確定，因此管道內(nèi)的滅火劑濃度也不能確定，工程上一般采用修正后的滅火劑百分比計(jì)算式，直升機(jī)滅火系統(tǒng)一般采用4.2MPa 充填壓力，中期管網(wǎng)滅火劑質(zhì)量百分比按公式（4）進(jìn)行估算[6]，計(jì)算結(jié)果應(yīng)滿足公式（5）的限制，否則需要重新選擇管徑，布置管網(wǎng)分布。

中期管網(wǎng)壓力計(jì)算主要按照氣液兩相的特性進(jìn)行推導(dǎo)其壓力損失。為方便工程應(yīng)用，已有學(xué)者通過推導(dǎo)簡(jiǎn)化計(jì)算，適用工程計(jì)算的壓力損失公式如式（6）所示。

式中，q 為鹵代烷1301設(shè)計(jì)流量，kg/s；l 為管道長(zhǎng)度；Z 為密度系數(shù)；Y2為管段末端壓力系統(tǒng)值，MPa·kg/m3；Z2為管段末端密度系數(shù)值；Z1為始端密度系數(shù)值；A，B 為鹵代烷1301 管道簡(jiǎn)化系數(shù)。

3 直升機(jī)滅火系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)實(shí)例

通過上面對(duì)管網(wǎng)水力計(jì)算流程分析，接下來以直升機(jī)某型號(hào)機(jī)作為水力計(jì)算分析對(duì)象，某發(fā)動(dòng)機(jī)艙的基本設(shè)計(jì)參數(shù)表1 所示。

表1 滅火系統(tǒng)基本參數(shù)

3.1 管網(wǎng)計(jì)算參數(shù)

由于直升機(jī)動(dòng)力艙內(nèi)構(gòu)型復(fù)雜，各個(gè)系統(tǒng)較多，空間有限，滅火系統(tǒng)管路在每段管路中都出現(xiàn)了90 度彎頭或者三通接頭，并且其當(dāng)量長(zhǎng)度都大于實(shí)際的管路長(zhǎng)度，因此在90 度彎頭和三通接頭處的壓力損失要大于管路的壓力損失。在管路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量減少?gòu)濐^和三通接頭，避免沿程阻力損失。由公式（4）得到中期管內(nèi)滅火劑百分比33.37%，滿足管網(wǎng)內(nèi)滅火劑百分比不應(yīng)大于80%的要求，因此充裝密度滿足管網(wǎng)布局的要求（表2）。

3.2 管段壓力計(jì)算

表2 滅火系統(tǒng)管網(wǎng)計(jì)算

表3 各管段壓力計(jì)算

圖2 管段壓力損失

4 結(jié)論

本文通過對(duì)某直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙滅火系統(tǒng)管網(wǎng)水力計(jì)算，分析了管網(wǎng)滅火劑百分比和整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)各個(gè)管段壓損，計(jì)算結(jié)果表明，現(xiàn)有的管路設(shè)計(jì)滿足工程設(shè)計(jì)要求，并利用管網(wǎng)水力計(jì)算，分析了管網(wǎng)設(shè)計(jì)中減重的方向，提升了滅火管路系統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)。