飛機發(fā)動機短艙防火墻結(jié)構(gòu)和密封設(shè)計要求

胡寅寅　蔣祖武

【摘 要】短艙作為包裹發(fā)動機火區(qū)的結(jié)構(gòu)，必須設(shè)計成能夠?qū)⒒饏^(qū)與非火區(qū)完全隔離，以避免火區(qū)的火焰進(jìn)入到其他區(qū)域引起災(zāi)難性的后果。本文主要簡述了短艙防火墻結(jié)構(gòu)與防火密封件的設(shè)計要求和方法，重點介紹了防火密封件設(shè)計時要考慮的幾大因素，為民用飛機發(fā)動機短艙的防火設(shè)計提供參考。

【關(guān)鍵詞】短艙；防火；密封件

0 引言

飛機發(fā)動機短艙結(jié)構(gòu)是飛機的關(guān)鍵部件之一，主要包括進(jìn)氣道、風(fēng)扇罩、反推內(nèi)部及外部裝置、尾噴結(jié)構(gòu)，其功能是包裹發(fā)動機及其系統(tǒng)附件，飛行時主要承受氣動載荷，起整流作用。飛機動力裝置著火會對飛行安全造成嚴(yán)重威脅，若火焰竄出發(fā)動機短艙，可能蔓延至機翼油箱，造成機毀人亡的重大事故。因此，對發(fā)動機短艙結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計進(jìn)行研究是十分必要的。本文簡述了短艙結(jié)構(gòu)防火的設(shè)計方法，重點介紹短艙結(jié)構(gòu)防火密封的設(shè)計方法及要求。

根據(jù)著火的3要素及火災(zāi)產(chǎn)生的機理，將民用飛機各物理區(qū)域劃分為4種類型：火區(qū)、易燃區(qū)、可燃液體泄漏區(qū)和非危險區(qū)。發(fā)動機短艙核心艙和風(fēng)扇艙由于同時存在點火源和可燃液體，劃分為火區(qū)。短艙作為包裹風(fēng)扇火區(qū)和核心火區(qū)的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)承擔(dān)著防火墻的功能，應(yīng)滿足防火要求。

1 短艙結(jié)構(gòu)防火設(shè)計

1.1 防火的定義

根據(jù)FAA咨詢通報AC20-135[1]對防火的定義：材料或結(jié)構(gòu)，經(jīng)受2000+/-150F°（即1100+/-65C°）火焰至少15分鐘仍能完成其設(shè)計目的的性能。對耐火的定義：材料或結(jié)構(gòu)，經(jīng)受2000+/-150F°（即1100+/-65C°）火焰至少5分鐘仍能完成其設(shè)計目的的性能。

1.2 設(shè)計要求

短艙結(jié)構(gòu)防火設(shè)計適用的條款主要包括CCAR25.865，25.1181，

25.1191，25.1193，25.1207。

1.3 結(jié)構(gòu)防火設(shè)計

適航條款CCAR-25[2]25.865要求位于指定火區(qū)或可能受到火區(qū)著火影響的鄰近區(qū)域內(nèi)必不可少的飛行操縱系統(tǒng)、發(fā)動機架和其他飛行結(jié)構(gòu)，必須用防火材料制造或加以屏蔽，使之能經(jīng)受住著火的影響。對于非承載防火墻，根據(jù)AC20-135，定義了以下厚度的材料可以接受：不銹鋼厚度大于0.015in（0.381mm），防腐蝕低碳鋼板厚度大于0.018in（0.457mm），鈦合金板厚度大于0.016in（0.406mm），蒙乃爾板厚度大于0.018in（0.457mm），鋼或銅基合金的防火接頭/緊固件，認(rèn)為其滿足防火要求且不必進(jìn)行附加的試驗。鈦合金板材料密度低、比強度高、耐腐蝕、耐高溫、組織性能穩(wěn)定性好，且具有綜合的優(yōu)良性能，是防火墻常用的材料。

對于承載防火墻，咨詢通報AC25.865-1Draft提供了以下3種表明25.865條款符合性的方法：

1）采用防火材料，例如鋼或鎳基合金等；

2）零部件設(shè)計成在可能發(fā)生的起火狀態(tài)下仍然能夠滿足結(jié)構(gòu)功能要求，不影響飛行安全；

3）零部件采用防火墻保護(hù)以能夠承受著火狀態(tài)的影響。

因此，如果承力的防火墻為鋼或鎳基合金，則無需對著火狀態(tài)下（2000±150°F火焰）15分鐘內(nèi)承受飛行載荷進(jìn)行額外的符合性驗證。如果使用的是其它材料，則需要通過強度計算分析或者試驗驗證，證明其在著火情況下仍能夠滿足載荷傳遞的要求。

防火墻上的小開口，不會產(chǎn)生重要的外部載荷，僅僅為功能部件，按照AC20-135的解釋，可以選取高溫材料滿足防火要求。對可能引起外部載荷的結(jié)構(gòu)開口，由于本身承擔(dān)了結(jié)構(gòu)傳載的作用，一般鋪設(shè)隔熱毯隔離保護(hù)。

防火墻的穿墻接頭，應(yīng)使用防火密封件進(jìn)行防火封嚴(yán)，防火密封件的設(shè)計與防火墻設(shè)計同等要求。

1.4 防火密封件的設(shè)計

密封件的設(shè)計要滿足以下基本要求：

1.4.1 重量要求

設(shè)計應(yīng)盡可能減輕密封件重量，滿足相關(guān)重量指標(biāo)。

1.4.2 互換性要求

密封件結(jié)構(gòu)盡量簡單緊湊，應(yīng)滿足互換要求。

1.4.3 工作環(huán)境要求

密封件應(yīng)滿足RTCA-DO-160G[3]要求。

1.4.4 耐久性要求

密封件的壽命應(yīng)與飛機的壽命相匹配，滿足飛機的長壽命使用要求。

1.4.5 性能要求

在一定的流速、壓力和溫度范圍內(nèi)具有良好的密封性能和耐介質(zhì)性能。

1.4.6 安裝及維護(hù)

要求易于安裝和更換。要求在不拆卸部件的情況下，可以方便更換密封件為了便于維護(hù)，要求所有的密封件可方便拆卸和更換。發(fā)動機短艙接口的密封大多選用P形和Ω形截面。P形截面的密封件選用托板螺母連接。Ω形密封件通過凹槽連接，安裝時，先將凹槽通過鉚釘固定在結(jié)構(gòu)上，然后擠壓密封件將其安裝在凹槽內(nèi)。兩種形式具有較好的維護(hù)性。

1.4.7 材料要求

密封材料應(yīng)滿足密封功能的要求。由于被密封的介質(zhì)不同，以及工作條件不同，要求密封材料具有不同的適用性。密封零件一般采用橡膠材料，橡膠是一種彈性高分子材料。常見的有氯丁橡膠、丁腈橡膠、氟橡膠、硅橡膠等。氯丁橡膠、丁腈橡膠、氟橡膠的工作溫度大約為-65°～120°C，硅橡膠的工作溫度大約為-65°～230°C。由于火區(qū)的工作溫度較高，因此選用硅橡膠材料，并添加織物包覆層增強其抗磨損性能。

1.4.8 壓力和機械載荷要求

作為防火墻的密封，密封件承擔(dān)隔離火區(qū)與非火區(qū)的功能，應(yīng)確保整個飛行包線內(nèi)發(fā)生著火工況時，任何危險的液體、氣體或火焰不能通過火區(qū)到達(dá)非火區(qū)的零件和結(jié)構(gòu)。因此，密封件要根據(jù)整個飛行包線的壓力載荷和機械載荷來選擇設(shè)計。

密封件上的壓力載荷通常是由于密封件隔離的火區(qū)與非火區(qū)之間的壓差引起的。密封件分布在吊掛腔、風(fēng)扇腔、核心腔、風(fēng)扇涵道等不同區(qū)域。短艙核心艙和風(fēng)扇艙均有通風(fēng)設(shè)計，多處設(shè)計了引氣口從外涵道引氣以降低核心艙和風(fēng)扇艙內(nèi)的溫度。因此，不同位置的密封件兩側(cè)壓力均不同。用于隔離風(fēng)扇艙與外部自由氣流之間的防火密封件，由于壓力載荷小，通常采用指形或低壓球型密封件，如風(fēng)扇罩外側(cè)兩個半罩體之間的密封件；用于隔離核心艙與風(fēng)扇涵道之間的防火密封件，由于壓力載荷較大，通常采用高壓球型密封件。防火密封件之間還需要布置有密封接頭將每一段密封件連接在一起，以保證密封件在短艙中的連續(xù)性。

密封件上的機械載荷主要由3部分引起：裝配公差、熱變形和機械受載變形。裝配公差由單個零件的制造公差、工裝定義以及零件的裝配順序決定。熱變形和機械變形是不同工況下，結(jié)構(gòu)的環(huán)境溫度及結(jié)構(gòu)承載發(fā)生變化，導(dǎo)致密封件承受的載荷也相應(yīng)改變。熱變形和機械變形可以通過有限元模型加載相應(yīng)的熱邊界和載荷邊界計算分析得到。將這3種變形疊加在一起即為總的機械載荷。以此為設(shè)計輸入，計算密封件硬度、最大/最小壓縮量，從而設(shè)計合理的截面尺寸。

密封件的設(shè)計完成后，還需對其防火性能進(jìn)行驗證?；趪鴥?nèi)目前的技術(shù)水平，一般采取試驗的方法對其進(jìn)行防火性能驗證。

2 結(jié)束語

本文根據(jù)發(fā)動機短艙適航條款要求，對防火墻結(jié)構(gòu)及密封件的設(shè)計要求進(jìn)行了總結(jié)和解釋。重點介紹了防火密封件設(shè)計時要考慮的幾大因素，為民用飛機發(fā)動機短艙的防火設(shè)計提供借鑒和指導(dǎo)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]FAA Advisory Circular NO.20-135 Powerplant installation and propulsion system component fire protection test methods， standards， and criteria[S].USA： Federal Aviation Administration，1990.

[2]CCAR-25-R4運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國民用航空局，2011.

[3]RTCA Inc， DO-160G， Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment.2010[S].

[責(zé)任編輯：王楠]