民用飛機(jī)短艙密封件防火試驗(yàn)技術(shù)研究

劉建國(guó) 郭俊嫻

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

0 引言

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)短艙是包裹發(fā)動(dòng)機(jī)的外部結(jié)構(gòu)，其作用一是為發(fā)動(dòng)機(jī)提供進(jìn)氣流道和氣動(dòng)外表面，二是保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)外圍系統(tǒng)的管路和線纜。通常，短艙的核心艙為指定火區(qū)。如果附件齒輪箱AGB(Accessory Gear Box，簡(jiǎn)稱AGB)布置在風(fēng)扇艙，風(fēng)扇艙是指定火區(qū)。短艙應(yīng)滿足防火的要求，以將火區(qū)和非火區(qū)完全隔離，防止火區(qū)的火焰或高溫氣體進(jìn)入到其它區(qū)域，造成危害。短艙的防火密封件需要滿足防火相關(guān)的適航條款要求，通過(guò)MOC4進(jìn)行符合性驗(yàn)證。

目前許多科研人員開(kāi)展了關(guān)于短艙防火密封件設(shè)計(jì)及相關(guān)防火試驗(yàn)的研究。談志晶[1]以核心艙的密封件為例，說(shuō)明了所設(shè)計(jì)的密封件滿足防火性能。胡寅寅[2]等人從防火條款要求入手，闡述了密封件的一般設(shè)計(jì)方法。楊燕[3]等人根據(jù)CCAR 25部適航條款的要求，設(shè)計(jì)了防火墻的結(jié)構(gòu)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了短艙墻的防火性能。李森[4]等人針對(duì)短艙火區(qū)典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了防火試驗(yàn)件，通過(guò)試驗(yàn)比較了兩種復(fù)合材料及防火涂層的防火性能，測(cè)試了防火橡膠型材進(jìn)行密封防火的可行性。胡寅寅[5]等人闡述了橡膠防火密封件的設(shè)計(jì)影響因素和設(shè)計(jì)的一般流程。周頌平[6]等人研究的主要是火區(qū)的短艙結(jié)構(gòu)防火墻與防火密封件的設(shè)計(jì)。張敏[7]等人根據(jù)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙區(qū)密封型材的使用要求，以高強(qiáng)度、耐油、阻燃性好的氟硅橡膠為基材，高硅氧玻璃纖維布為骨架材料，研制出了航空用防火橡膠密封型材。馬建[8]等人給出了尾吊布局的民機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙與機(jī)身組合體的三維空氣流動(dòng)與傳熱的物理和數(shù)學(xué)模型，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙和機(jī)身的組合模型特點(diǎn)，應(yīng)用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和柱狀附面層網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分，采用湍流模型和相應(yīng)的對(duì)流換熱、輻射換熱模型模擬了短艙風(fēng)扇罩表面著火后對(duì)附近機(jī)身的熱影響。

1 短艙防火簡(jiǎn)介

1.1 火區(qū)簡(jiǎn)介

圖1為短艙火區(qū)示意圖。進(jìn)氣道區(qū)域由于沒(méi)有含可燃液體的系統(tǒng)和管路，并通過(guò)后隔框與其它區(qū)域隔離，因此是非可燃液體泄漏區(qū)。由于AGB安裝在風(fēng)扇機(jī)匣，且布置有含燃油、滑油和液壓油等可燃液體的管路和系統(tǒng)，因此風(fēng)扇艙是指定火區(qū)。核心艙由于發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)機(jī)匣表面溫度較高，且布置有含燃油等可燃液體系統(tǒng)和管路，為指定火區(qū)。反推滑動(dòng)罩區(qū)域沒(méi)有名義點(diǎn)火源，但由于液壓反推作動(dòng)器在該區(qū)域，因此該區(qū)域也為可燃液體的泄漏區(qū)域。

圖1 短艙火區(qū)示意圖

指定火區(qū)應(yīng)滿足防火設(shè)計(jì)要求，包括防火(Fireproof)和耐火(Fire Resistant)兩種。根據(jù)AC20-135[9]的定義：

防火(Fireproof)：材料或結(jié)構(gòu)在2 000 ℉±150 ℉的火焰下沖擊15 min，能夠完成設(shè)計(jì)要求的功能。

耐火(Fire Resistant)：材料或結(jié)構(gòu)在2 000 ℉±150 ℉的火焰下沖擊5 min，能夠完成設(shè)計(jì)要求的功能。

1.2 防火密封件簡(jiǎn)介

在短艙和吊掛之間，以及短艙各部件之間的界面通常設(shè)計(jì)有密封件，部分密封件位于火區(qū)的邊界，因此需要滿足相應(yīng)的防火設(shè)計(jì)要求。防火密封件的設(shè)計(jì)要考慮以下因素：

1) 防火密封件是防火墻的一部分，其防火要求和防火墻相同；

2) 防火密封件必須設(shè)計(jì)成能夠承受飛行中可預(yù)計(jì)的最大壓差載荷，并滿足泄漏率的要求；

3) 防火密封件必須設(shè)計(jì)成連續(xù)的。如果需要的話，密封件的對(duì)接必須在直線段，并遠(yuǎn)離拐角區(qū)域；

4) 防火密封件必須設(shè)計(jì)成滿足耐流體要求。

核心艙采用的防火密封件通常是球狀密封件、指形密封件和塊狀密封件。

1.3 防火適航要求

根據(jù)CCAR-25部[10]要求，防火相關(guān)的條款主要為25.1181、25.1191和25.1193。以下文件可以用作滿足適航條款的指導(dǎo)：

1) FAA Advisory Circular NO.20-135[9]；

2) EASA Advisory Circular Joint NPA-25E-266[11]。

短艙結(jié)構(gòu)防火主要涉及的CCAR-25部[10]條款如表1所示。

表1 短艙吊掛結(jié)構(gòu)防火適用條款

2 防火試驗(yàn)要求

2.1 試驗(yàn)件要求

試驗(yàn)件的安裝必須模擬真實(shí)的安裝構(gòu)型。例如，密封件的壓縮量需按設(shè)計(jì)要求的最小壓縮量進(jìn)行安裝；

一般情況下，試驗(yàn)件(包含夾持防護(hù)區(qū)域)尺寸應(yīng)不小于24 in×24 in(610 mm×610 mm)。如果需要適應(yīng)測(cè)試的關(guān)鍵特征，需要采用較大的試驗(yàn)件。如果所有的設(shè)計(jì)特征都包括在內(nèi)，且試樣能代表構(gòu)型特征，可選取尺寸較小的試驗(yàn)件，但需要對(duì)試驗(yàn)件背面進(jìn)行保護(hù)，以免暴露在火焰中。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備要求

防火試驗(yàn)主要設(shè)備有燃燒器、熱電偶、熱流密度測(cè)試設(shè)備、攝像設(shè)備、計(jì)時(shí)器等。

燃燒器：需穩(wěn)定提供輸出溫度1 100 ℃±80 ℃和熱通量密度(116 kW/m2±10 kW/m2)的火焰，采用液體燃料。

熱電偶：一個(gè)熱電偶測(cè)試設(shè)備，至少含有5根測(cè)試電偶(鉻鎳合金或鋁鎳合金材料，直徑0.6 mm～1 mm)。如果熱電偶金屬絲外層有金屬保護(hù)套，整體單個(gè)熱電偶直徑不應(yīng)超過(guò)3 mm。熱電偶的排布間距25 mm±2 mm。

熱流密度測(cè)試設(shè)備：每秒鐘應(yīng)可測(cè)量達(dá)到170 kW/m2熱流的裝置，用于校準(zhǔn)燃燒器。

攝像設(shè)備：應(yīng)能保證試驗(yàn)全程記錄，記錄火焰噴口上的試驗(yàn)件狀態(tài)、試驗(yàn)件背面的狀態(tài)以及整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架的狀態(tài)，因此一般攝像設(shè)備不少于3個(gè)。

計(jì)時(shí)器：一個(gè)秒表或其他設(shè)備，時(shí)刻記錄能夠精確到1 s內(nèi)，用于記錄燃燒器火焰作用于試驗(yàn)件以及校準(zhǔn)設(shè)備的時(shí)間。

2.3 試驗(yàn)環(huán)境要求

防火試驗(yàn)按咨詢通告AC 20-135的要求進(jìn)行。防火試驗(yàn)必須滿足以下要求：

1)燃燒器火焰溫度為2 000 ℉(+/-150 ℉)；

2)燃燒器火焰熱通量為9.3 BTU/ft2-sec (10.6 W/cm2)；

3)試驗(yàn)持續(xù)15 min；

4)燃燒器的溫度和熱通量在試驗(yàn)前經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)；

5)必須考慮防火墻或防火密封件所處的壓差載荷。根據(jù)AC 20-135，如果壓差載荷低于0.5 psi，可以忽略該壓差的影響；

6)前5 min，發(fā)動(dòng)機(jī)仍在運(yùn)行，需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的影響，一般按ISO2685的要求進(jìn)行；

7)后10 min，考慮飛行員已經(jīng)意識(shí)到火情并關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。在飛行條件下，假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)處于風(fēng)車(chē)狀態(tài)；在地面狀態(tài)下，假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)處于停車(chē)狀態(tài)。

3 防火試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)工裝

密封件的試驗(yàn)工裝通常采用如圖2所示的裝配體。每進(jìn)行一次試驗(yàn)，安裝相應(yīng)密封件和壓板的裝配件，并對(duì)試驗(yàn)件的裝配和面板的貼合面和緊固件進(jìn)行密封，保證整個(gè)防火試驗(yàn)工裝的密封性。

圖2 密封件防火試驗(yàn)臺(tái)架示意圖

3.2 試驗(yàn)程序

防火試驗(yàn)按照AC 20-135或ISO 2685的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。燃燒器采用煤油燃燒器。試驗(yàn)前需進(jìn)行火焰溫度和熱流密度的校準(zhǔn)，滿足火焰溫度和熱流密度的要求。前5 min需要考慮振動(dòng)的影響。防火試驗(yàn)時(shí)間為15 min。試驗(yàn)前后對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行檢查，拍照并記錄偏離情況，并對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行攝像。

3.3 試驗(yàn)判據(jù)

試驗(yàn)判據(jù)為：1) 試驗(yàn)件承受至少15 min火焰燃燒而未被燒穿；2) 整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，非受火側(cè)(非火區(qū))無(wú)點(diǎn)燃現(xiàn)象；3) 火焰移除后，允許密封件繼續(xù)燃燒，但殘余火焰需在1 min內(nèi)熄滅。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

以塊狀橡膠密封件為例，對(duì)防火試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 試驗(yàn)火焰參數(shù)

試驗(yàn)前燃燒器火焰校準(zhǔn)參數(shù)如表2所示，熱流量為12.6 W/cm2。

表2 試驗(yàn)前燃燒器火焰校準(zhǔn)

4.2 試驗(yàn)結(jié)果和圖片

約4 min時(shí)，試驗(yàn)件背腔冒煙，3 min 45 s背部出現(xiàn)閃火現(xiàn)象。在15 min防火試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)件未被燒穿，非受火側(cè)未被點(diǎn)燃。滿足試驗(yàn)判據(jù)要求，試驗(yàn)通過(guò)。試驗(yàn)件試驗(yàn)前后照片如圖3所示。

(a) 試驗(yàn)前 (b) 試驗(yàn)后圖3 試驗(yàn)件試驗(yàn)前后實(shí)物圖

5 結(jié)論

短艙防火密封件是短艙防火墻的重要組成部分，而防火試驗(yàn)驗(yàn)證是目前普遍采用的適航驗(yàn)證方法。本文從防火適航要求入手，分析了防火試驗(yàn)的要求，包括試驗(yàn)件要求、試驗(yàn)設(shè)備要求、試驗(yàn)環(huán)境要求，詳細(xì)闡述了密封件的防火試驗(yàn)方法。最后以密封件防火試驗(yàn)為例，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。主要結(jié)論如下：

1) 防火試驗(yàn)按咨詢通告AC 20-135要求進(jìn)行；

2) 防火試驗(yàn)需考慮防火密封件所處的壓差載荷。根據(jù)AC 20-135，如果壓差載荷低于0.5 psi，可以忽略該壓差的影響；

3) 試驗(yàn)件的安裝必須模擬真實(shí)的安裝構(gòu)型。例如，密封件的壓縮量需按設(shè)計(jì)要求的最小壓縮量進(jìn)行安裝；

4) 前5 min，發(fā)動(dòng)機(jī)仍在運(yùn)行，需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的影響；

5) 后10 min，考慮飛行員已經(jīng)意識(shí)到火情并關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。在飛行條件下，假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)處于風(fēng)車(chē)狀態(tài)；在地面狀態(tài)下，假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)處于停車(chē)狀態(tài)。