直升機(jī)滅火系統(tǒng)管網(wǎng)壓力和阻力特性試驗(yàn)研究

李松松，李 春，吳燕燕

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

滅火系統(tǒng)滅火性能直接影響飛行器在飛行中出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)的飛行安全。鹵代烷1301滅火劑具有高效、低毒，腐蝕性低，滅火后不留痕跡，對(duì)設(shè)備不會(huì)造成二次危害等優(yōu)點(diǎn)，以及防火、防爆抑等性能，因此在20世紀(jì)很長(zhǎng)時(shí)間都是航空領(lǐng)域首選滅火劑，并且未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍會(huì)是。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，快速將滅火劑噴射到指定著火區(qū)域，對(duì)初期火災(zāi)的撲滅至關(guān)重要。哈龍1301滅火劑主要是破壞燃燒過(guò)程中的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，實(shí)現(xiàn)滅火的目的。哈龍1301滅火劑必須達(dá)到一定濃度才能實(shí)現(xiàn)有效滅火，適航CCAR29條款以及HB7879[1]等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了哈龍1301滅火劑體積設(shè)計(jì)濃度必須不低于6%且需維持0.5 s。由于直升機(jī)動(dòng)力艙并非密閉空間，設(shè)計(jì)有通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，不利于滅火劑聚集，因此滅火劑的快速釋放對(duì)飛機(jī)動(dòng)力艙內(nèi)滅火劑有效濃度的形成有至關(guān)重要的影響。而滅火劑快速釋放取決于滅火系統(tǒng)管網(wǎng)壓力和阻力特性，因此開展對(duì)系統(tǒng)壓力特性和阻力特性的研究具有重要意義。

現(xiàn)有研究中[2-3]，對(duì)1211滅火劑在管網(wǎng)內(nèi)的阻力特性研究較為充分。由于鹵代烷1211滅火劑在管網(wǎng)內(nèi)流動(dòng)較為穩(wěn)定，且噴射時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，因此鹵代烷1211滅火劑噴射過(guò)程容易描述。而哈龍1301滅火劑在管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)為復(fù)雜的氣液兩相狀態(tài)，并且在不同管路段，由于壓力不同，兩相流狀態(tài)也隨之變化，因此流動(dòng)更為復(fù)雜，釋放過(guò)程更難準(zhǔn)確描述。徐才林[4]通過(guò)一元粘性流體微分方程給出哈龍1301滅火劑在管路內(nèi)壓降的理論值，主要給出穩(wěn)態(tài)情況下，管路內(nèi)的壓降計(jì)算公式。Elliott[5]分析了滅火瓶?jī)?nèi)壓力變化曲線，給出滅火劑釋放的四個(gè)重要時(shí)刻，并分析了四個(gè)重要時(shí)刻滅火瓶?jī)?nèi)的氣液狀態(tài)特性。Pitts[6]等做了大量滅火劑噴射試驗(yàn)，研究了包含哈龍1301等多種滅火劑的噴射時(shí)間、滅火瓶壓力等參數(shù)變化規(guī)律，而對(duì)帶有管路的滅火系統(tǒng)研究較少。李淑艷[7]通過(guò)逐秒迭代方法，開發(fā)了管網(wǎng)計(jì)算的程序，可得到管網(wǎng)噴射時(shí)間計(jì)算值，而對(duì)管網(wǎng)壓力采用測(cè)試結(jié)果經(jīng)驗(yàn)值。徐可[8]主要通過(guò)計(jì)算方法分析了不同管徑對(duì)滅火劑釋放時(shí)間的影響，主要是針對(duì)船用滅火劑的研究，滅火系統(tǒng)釋放時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，與直升機(jī)滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求也有較大差異。蔡宇武等[9]研究了超細(xì)干粉在直管段的噴放特性，發(fā)現(xiàn)壓力時(shí)間特性存在三個(gè)階段。

目前，滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)系統(tǒng)釋放過(guò)程中壓力阻力特性的研究較少，大多是研究滅火劑釋放后的濃度分布[10-12]。而在非封閉的動(dòng)力艙中，要使滅火劑在動(dòng)力艙各部位形成設(shè)計(jì)濃度并維持一定時(shí)間，滅火劑快速釋放是重要設(shè)計(jì)要求。研究滅火劑瞬態(tài)釋放規(guī)律對(duì)優(yōu)化滅火系統(tǒng)中滅火瓶設(shè)計(jì)、管網(wǎng)布置及噴嘴構(gòu)型設(shè)計(jì)具有重要意義。本文主要通過(guò)試驗(yàn)研究了滅火瓶充裝壓力對(duì)滅火劑釋放特性的影響，以及管網(wǎng)不同位置處的滅火劑釋放特性變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)是在直升機(jī)所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：滅火瓶及釋放系統(tǒng)，試驗(yàn)管路，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，動(dòng)力艙，抽風(fēng)系統(tǒng)。滅火瓶采用直升機(jī)機(jī)載滅火瓶，滅火瓶釋放由引爆裝置引爆安全膜釋放滅火劑。試驗(yàn)管路由不銹鋼管和鋁合金管組成，與機(jī)上管路構(gòu)型保持一致，最后在動(dòng)力艙釋放滅火劑。

試驗(yàn)溫度常溫常壓，滅火瓶充裝壓力兩種狀態(tài)分別為2.4 MPa和4.2 MPa，分別測(cè)試高壓和低壓兩種對(duì)滅火劑釋放時(shí)間的影響。通風(fēng)系統(tǒng)流量范圍0～3215 m3/h，通風(fēng)量控制精度為±2%，可模擬直升機(jī)真實(shí)飛行時(shí)的通風(fēng)狀態(tài)。在試驗(yàn)段共布置3個(gè)壓力傳感器，如圖中所示。壓力傳感器經(jīng)直升機(jī)所理化室進(jìn)行標(biāo)定，采樣頻率20 Hz。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)回路圖

2 結(jié)果分析與討論

本文通過(guò)滅火系統(tǒng)滅火劑釋放試驗(yàn)，研究滅火瓶壓力變化對(duì)滅火劑噴施過(guò)程中壓力特性變化的影響，以及在不同壓力下滅火系統(tǒng)管網(wǎng)不同位置處的壓力特性的變化。

2.1 壓力時(shí)間特性

在不同的試驗(yàn)條件下，滅火系統(tǒng)從噴放開始到噴放結(jié)束的過(guò)程中，管網(wǎng)的壓力時(shí)間特性變化不同。在充裝壓力2.4 MPa系統(tǒng)中，管網(wǎng)壓力時(shí)間特性與蔡宇武[9]等人研究的干粉滅火劑的釋放規(guī)律基本一致，如圖2所示。滅火劑釋放過(guò)程可以分為三個(gè)階段：

1)噴放前期：當(dāng)觸發(fā)滅火瓶保護(hù)膜后，滅火劑迅速釋放在管網(wǎng)系統(tǒng)中，充填整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)。這個(gè)過(guò)程是自由膨脹的過(guò)程，哈龍1301滅火劑進(jìn)入管網(wǎng)中，壓縮管路中的空氣，同時(shí)克服管路各段阻力，使管內(nèi)各點(diǎn)壓力迅速上升。當(dāng)管網(wǎng)充滿滅火劑后，由于噴頭的流量特性，流速趨于穩(wěn)定，管路中壓力也趨于穩(wěn)定。

2)平穩(wěn)噴放階段：當(dāng)滅火劑從噴嘴處開始釋放后，由于噴嘴處流量限制，在該段時(shí)間內(nèi)管網(wǎng)內(nèi)的滅火劑流動(dòng)基本為穩(wěn)定流動(dòng)，滅火劑流經(jīng)管網(wǎng)系統(tǒng)需克服的阻力基本穩(wěn)定，因此在管路各處壓力也基本趨于穩(wěn)定，此時(shí)的壓力時(shí)間曲線基本為平行于時(shí)間軸的直線。而噴嘴出口處從開始噴射到噴射穩(wěn)定，壓力平緩上升。此階段是液態(tài)滅火劑有效釋放的重要階段，滅火瓶?jī)?nèi)大部分滅火劑在此階段釋放到動(dòng)力艙中形成有效滅火濃度。

3)噴放后期：當(dāng)哈龍1301液態(tài)滅火劑噴射完后，瓶?jī)?nèi)氮?dú)怛?qū)動(dòng)哈龍蒸汽以及管內(nèi)殘留的哈龍滅火劑繼續(xù)噴射。由于此階段氮?dú)夂凸堈羝急容^多，并且氣相釋放速度要遠(yuǎn)低于液相釋放速度[6]，如圖2所示，因此此階段持續(xù)時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)。

而在充裝壓力4.2 MPa的系統(tǒng)中，滅火劑的壓力特性與2.4 MPa系統(tǒng)有很大差異，釋放過(guò)程中壓力特性只有兩個(gè)階段，如圖3所示。由4.2 MPa系統(tǒng)壓力時(shí)間特性可以看出，在噴放前期1#、2#和3#壓力傳感器壓力幾乎是同步變化，此時(shí)滅火劑充滿管路的過(guò)程幾乎是瞬時(shí)完成的。當(dāng)噴嘴處壓力達(dá)到最大值后，管網(wǎng)各處的壓力緩慢下降，直至噴射過(guò)程完成，各處壓力幾乎同步變化。因此在4.2 MPa系統(tǒng)中，哈龍滅火劑并沒(méi)有發(fā)生明顯的氣化過(guò)程，噴射過(guò)程沒(méi)有明顯的變慢。由圖4可知，在4.2 MPa系統(tǒng)，管網(wǎng)系統(tǒng)中壓力下降到系統(tǒng)最大壓力的25%，歷時(shí)1.7 s；而在2.4 MPa系統(tǒng)中，管網(wǎng)系統(tǒng)中壓力下降到系統(tǒng)最大壓力的25%，歷時(shí)2.2 s。從圖5對(duì)比可知，4.2 MPa系統(tǒng)中大部分滅火劑釋放在中前期已完成；而2.4 MPa系統(tǒng)中，滅火劑釋放主要集中在中后期。這是由于低壓系統(tǒng)中滅火劑氣相占比較高，滅火劑釋放較為緩慢。通過(guò)以上分析可得出，2.4 MPa系統(tǒng)中，滅火劑噴射后形成的平均滅火劑濃度要低于4.2 MPa系統(tǒng)。表1中滅火劑濃度維持6%以上時(shí)間可印證此現(xiàn)象，從表中數(shù)據(jù)可知，4.2 MPa系統(tǒng)中滅火劑維持6%以上濃度的時(shí)間基本為2.4 MPa系統(tǒng)的2倍。因此減少系統(tǒng)阻力，提高滅火劑釋放速度，對(duì)維持滅火劑有效濃度至關(guān)重要。

圖2 滅火劑在2.4 MPa充裝壓力下管網(wǎng)流動(dòng)

圖3 滅火劑在4.2 MPa充裝壓力下管網(wǎng)流動(dòng)

圖4 典型工況下滅火瓶?jī)?nèi)壓力時(shí)間曲線

圖5 壓力變化對(duì)比圖

表1 動(dòng)力艙滅火劑濃度維持時(shí)間

2.2 阻力特性

由上節(jié)可知，在不同充裝壓力條件下，滅火劑釋放過(guò)程差異較大。滅火劑從滅火瓶釋放到管網(wǎng)中，經(jīng)過(guò)了漸縮的局部阻力損失。由圖2和圖3可知，在4.2 MPa系統(tǒng)中該阻力損失最大約為0.4 MPa，約為充填壓力的9.5%；而在2.4 MPa系統(tǒng)中該阻力損失最大約為1.1 MPa，約為充填壓力的45.8%。單相流突縮局部損失可由公式(1)評(píng)估。單相流突縮的局部阻力損失約為0.28 MPa，因此在2.4 MPa系統(tǒng)中，滅火劑從滅火瓶噴出時(shí)氣相含氣率較高。氣液兩相流通過(guò)突縮部件時(shí)的局部壓力損失可由公式(2)評(píng)估。由公式(2)可知，含氣率越高，阻力損失越大，這是因?yàn)楹瑲饴试礁?，氣液兩相之間摩擦損失越大。

(1)

(2)

由圖3可知，4.2 MPa時(shí)，系統(tǒng)在雙單向活門處最大壓力損失約為0.6 MPa，而在雙單向活門和滅火管路出口之間的壓力損失約為0.3 MPa，其中包含約3 m的管路阻力損失和三通局部阻力損失，約占充裝系統(tǒng)壓力的21%，如表2所示。在滅火劑釋放過(guò)程中，流經(jīng)雙單向活門時(shí)局部阻力損失較大(主要包括三通的局部阻力損失和克服彈簧壓力的阻力損失)，雙單向活門會(huì)導(dǎo)致滅火劑釋放后期壓力降低時(shí)，較多滅火劑滯留滅火瓶?jī)?nèi)。但滅火管路出口處達(dá)到最大壓力的時(shí)間相比滅火瓶出口處和雙單向活門出口最大壓力的時(shí)間要延遲0.1 s，而最大壓力后，系統(tǒng)內(nèi)壓力基本一致。因此在4.2 MPa系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力較大，液態(tài)滅火劑會(huì)快速釋放，液態(tài)滅火劑在噴放前期已完成噴射。

表2 部件阻力

由圖3可知，在2.4 MPa系統(tǒng)中，系統(tǒng)克服雙單向活門的局部阻力損失約0.26 MPa，流經(jīng)雙單向活門后克服管路阻力損失約0.6 MPa，約占低壓系統(tǒng)壓力35%。由表2可知，在低壓系統(tǒng)中，釋放閥門和管路造成的阻力損失占系統(tǒng)充填壓力的70%?？煽闯?，在滅火系統(tǒng)中，氣液兩相存在會(huì)極大地增加系統(tǒng)阻力，不利于滅火劑噴射過(guò)程。因此，為保證在低壓系統(tǒng)中滅火劑能盡可能快速釋放，應(yīng)盡量保證系統(tǒng)阻力最低。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)直升機(jī)滅火系統(tǒng)管網(wǎng)的試驗(yàn)研究，分析了滅火劑釋放時(shí)壓力時(shí)間特性和阻力特性。分析結(jié)果表明，滅火瓶閥門與管路接口形狀變化造成的局部阻力損失，對(duì)氣液兩相影響極大，應(yīng)盡可能減少接口形狀變化。同時(shí)，合理設(shè)計(jì)滅火系統(tǒng)管網(wǎng)布置，應(yīng)使管網(wǎng)系統(tǒng)阻力盡可能小，保證系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力能夠?qū)⒈M可能多的滅火劑噴射到動(dòng)力艙中，從而保證滅火劑在動(dòng)力艙的濃度維持時(shí)間。