基于通氣管路的民用飛機(jī)機(jī)翼油箱通氣設(shè)計中的安全性考慮

熊 晉

（中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司上海飛機(jī)設(shè)計研究院動力燃油部，中國 上海201210）

1 燃油系統(tǒng)簡介

燃油系統(tǒng)是民用飛機(jī)重要的、必不可少的組成部分。燃油系統(tǒng)基本功能是儲存飛機(jī)所用燃油，確保飛機(jī)在每種可能出現(xiàn)的運行情況下、包括型號合格審定的飛行中允許發(fā)動機(jī)和輔助動力裝置（APU）工作的任何機(jī)動飛行，都能向發(fā)動機(jī)和APU提供正常工作所需的燃油。

燃油箱是燃油系統(tǒng)中貯存分系統(tǒng)的重要組成部分。對于民用飛機(jī)，最常見的燃油貯存位置是在機(jī)翼結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，通常在機(jī)翼的前梁和后梁之間。并且一般由機(jī)翼燃油箱結(jié)構(gòu)本身構(gòu)成燃油貯存區(qū)域的邊界，即“整體油箱”。對于需要超長航程的特殊應(yīng)用場合，可以在貨艙空間內(nèi)安裝輔助燃油箱，或者將燃油貯存在水平尾翼內(nèi)。本文主要關(guān)注采用機(jī)翼整體油箱的民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)。

民用飛機(jī)的機(jī)翼整體油箱一般由兩個、三個或者更多個獨立的主油箱組成。為了安全的原因，還會設(shè)置通氣油箱來暫存可能進(jìn)入通氣系統(tǒng)內(nèi)的任何燃油，避免燃油溢出機(jī)外。民用飛機(jī)的通氣油箱一般位于機(jī)翼翼尖附近。

2 油箱通氣設(shè)計要求

油箱通氣系統(tǒng)是燃油系統(tǒng)中貯存分系統(tǒng)的另一重要組成部分。燃油箱通氣系統(tǒng)是保證飛機(jī)在地面和各種飛行狀態(tài)下（包括壓力加油切斷裝置失效時），將油箱壓力維持在規(guī)定的范圍內(nèi)，并且防止燃油的虹吸和溢出。民用飛機(jī)使用“開式通氣系統(tǒng)”，使每個燃油箱內(nèi)燃油油面上方的無油空間與外界大氣相連通。具體說來，指主油箱與通氣油箱的連通，和通氣油箱與外界的連通。主油箱與通氣油箱的連通有兩種主要方式，即通氣管路和通氣長桁。本文主要關(guān)注通氣管路方式。

根據(jù)上述要求，產(chǎn)生了一個安全性要求，功能失效——燃油箱通氣堵塞應(yīng)盡量避免，并符合一定的概率要求。上述燃油箱通氣的安全性要求可以通過下面的定性故障樹作簡要并形象地表示。

3 油箱通氣設(shè)計中的安全性考慮

本章分別以兩油箱構(gòu)型和三油箱構(gòu)型為例，闡述基于通氣管路的民用飛機(jī)機(jī)翼油箱通氣設(shè)計中的安全性考慮。

3.1 兩油箱構(gòu)型

圖1 某典型的兩油箱構(gòu)型的機(jī)翼油箱通氣系統(tǒng)布置簡圖

圖1是某典型的兩油箱構(gòu)型的機(jī)翼油箱通氣系統(tǒng)布置簡圖。

燃油箱為機(jī)翼結(jié)構(gòu)組成的整體油箱。共有兩個油箱，即左機(jī)翼油箱和右機(jī)翼油箱。通氣油箱設(shè)在每個機(jī)翼油箱外側(cè)。

通氣油箱通過NACA通氣口與外界大氣相連通。NACA通氣口布置在機(jī)翼下表面。并且在正常運行情況下，NACA通氣口的布置位置能有效避免被污物或結(jié)冰堵塞。

在通氣口上安裝有火焰抑制器，當(dāng)發(fā)生著火時，火焰抑制器能在一定時間內(nèi)阻止火焰蔓延進(jìn)入通氣系統(tǒng)?；鹧嬉种破饔煞涓C狀結(jié)構(gòu)元件、正/負(fù)壓旁通閥以及安裝支座等組成。正常情況下，通過蜂窩狀結(jié)構(gòu)元件進(jìn)行通氣；當(dāng)蜂窩狀結(jié)構(gòu)元件被堵塞時，在內(nèi)外壓差作用下，正/負(fù)壓旁通閥打開，確保左、右機(jī)翼油箱的通氣。當(dāng)壓力加油溢流時，蜂窩狀結(jié)構(gòu)元件具有符合一定流量要求的燃油流通能力；如蜂窩狀結(jié)構(gòu)元件堵塞，正壓旁通閥具有符合一定流量要求的燃油流通能力。

每個機(jī)翼油箱都有兩個通氣入口與通氣油箱相連通。一個通氣入口在機(jī)翼油箱內(nèi)側(cè)，另一個通氣入口在機(jī)翼油箱外側(cè)。內(nèi)側(cè)通氣入口為通氣管路，外側(cè)通氣入口為通氣浮子閥。兩個通氣入口對角設(shè)置，可確保飛機(jī)在任何飛行姿態(tài)下，各燃油箱至少有一個通氣入口是暢通的。

通氣管路內(nèi)側(cè)在機(jī)翼翼根處分為兩個支路，且每個支路的通氣管入口直徑都小于主通氣管直徑，可以防止進(jìn)入支路的雜物堵塞主通氣管。通氣管路除滿足油箱通氣的要求外，在加油切斷閥失效的故障狀態(tài)下，提供足夠的排油能力，燃油經(jīng)過通氣管路排出，保證油箱的內(nèi)外壓差在結(jié)構(gòu)允許的范圍以內(nèi)。此外在主通氣管路的最低點處安裝了通氣管路浮子排液閥，當(dāng)油面上升時，通氣管路浮子排液閥關(guān)閉，防止燃油進(jìn)入通氣管路；當(dāng)油面下降時，通氣管路浮子排液閥打開，使可能進(jìn)入通氣管路的燃油排出。

機(jī)翼油箱外側(cè)通過通氣浮子閥與通氣油箱相連，通氣浮子閥安裝在機(jī)翼油箱最外側(cè)的頂部，確保飛機(jī)在任何正常飛行情況下能有效地通氣。同時在飛機(jī)機(jī)動飛行時，通氣浮子閥阻止機(jī)翼油箱燃油流向通氣油箱。

上述即是某典型兩油箱構(gòu)型的燃油箱通氣系統(tǒng)設(shè)計中的一些定性安全性考慮。特別地，對于燃油箱通氣堵塞功能失效，上述設(shè)計考慮可以歸納為通過下述的定性故障樹分析表示，將圖1中的定性故障樹細(xì)化為圖2中的定性故障樹：

圖2 燃油箱通氣堵塞定性故障樹（某典型兩油箱構(gòu)型）

3.2 三油箱構(gòu)型

圖3 某典型的三油箱構(gòu)型的機(jī)翼油箱通氣系統(tǒng)布置簡圖

圖3是某典型的三油箱構(gòu)型的機(jī)翼油箱通氣系統(tǒng)布置簡圖。

燃油箱為機(jī)翼結(jié)構(gòu)組成的整體油箱，共有三個整體油箱，分別為左翼油箱、右翼油箱與中央翼油箱。每個油箱翼梢處的隔艙為通氣油箱。

與兩油箱構(gòu)型相比，三油箱構(gòu)型的通氣油箱同樣通過NACA通氣口與外界大氣相連通。NACA通氣口上安裝有火焰抑制器，可以避免外部的點火源通過通氣系統(tǒng)進(jìn)入燃油箱。

與兩油箱構(gòu)型相比，三油箱構(gòu)型的火焰抑制器及其旁路同樣可保證在地面正常停機(jī)、加/放油及正常飛行時，允許空氣進(jìn)出燃油箱，油箱內(nèi)外壓差不超過油箱結(jié)構(gòu)所能承受的壓力極限值；并且當(dāng)壓力加油切斷失效時，燃油經(jīng)通氣管路流至通氣油箱，并經(jīng)通氣油箱下壁板上的NACA通氣口排出至機(jī)外。通過對通氣管路及NACA通氣口的設(shè)計與布置進(jìn)行優(yōu)化，可保證壓力加油切斷失效時油箱內(nèi)的壓力符合結(jié)構(gòu)的要求。此外，作為被動式通氣系統(tǒng)的補(bǔ)充，通氣油箱中還設(shè)有釋壓閥，以避免油箱超壓或憋壓。

與兩油箱構(gòu)型相比，三油箱構(gòu)型的左、右翼油箱的通氣系統(tǒng)大體相似，但是多出獨立的中央翼油箱的通氣系統(tǒng)，并且左、右通氣油箱可以通過中央翼油箱通氣管路互相連通。中央翼油箱通過通氣管路與通氣油箱相連接，并且該通氣管路有兩個出口，分別通往左、右機(jī)翼油箱，提高了通氣系統(tǒng)冗余度。中央翼油箱通氣管路有4個入口，分別布置在中央翼油箱前端與后端的頂部，且左右對稱，確保飛機(jī)在任何飛行姿態(tài)下，都有通氣入口是暢通的。在中央翼油箱后端的兩個通氣入口處的直徑小于主通氣管，可以防止進(jìn)入通氣入口的雜物堵塞主通氣管。在中央翼油箱前端的通氣入口處裝有通氣浮子閥，防止在飛機(jī)機(jī)動飛行時，中央翼油箱燃油流向通氣油箱；并在通氣管路的低點設(shè)置有浮子排漏閥，當(dāng)油箱內(nèi)燃油高度低于通氣管路時，通氣管路內(nèi)聚集的任何液體都能通過浮子排漏閥重新回到燃油箱。

上述即是某典型三油箱構(gòu)型的燃油箱通氣系統(tǒng)設(shè)計中的一些定性安全性考慮，與兩油箱構(gòu)型有部分相似之處。特別地，對于燃油箱通氣堵塞功能失效，上述設(shè)計考慮同樣可以歸納為通過定性故障樹分析表示，典型三油箱構(gòu)型的機(jī)翼油箱的定性故障樹與兩油箱構(gòu)型類似。

4 結(jié)論

本文以兩油箱構(gòu)型和三油箱構(gòu)型為例，簡要介紹了基于通氣管路的民用飛機(jī)機(jī)翼油箱通氣設(shè)計中的安全性考慮，同時這也是對燃油系統(tǒng)符合包括安全性要求在內(nèi)的設(shè)計要求提供支持。

［1］中國民用航空規(guī)章第25部運輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].中國民航局,2009.

［2］飛機(jī)燃油系統(tǒng)[M].羅伊·蘭頓,等著.顏萬億譯.2010.

［3］Reliability Workbench Manual[Z].