寧曉蕾，王 宇，王 靖，劉 康

(中航飛機(jī)研發(fā)中心，西安，710089)

某型飛機(jī)APU艙滅火系統(tǒng)設(shè)計

寧曉蕾*，王 宇，王 靖，劉 康

(中航飛機(jī)研發(fā)中心，西安，710089)

旨在設(shè)計某型飛機(jī)的APU艙滅火系統(tǒng)。通過對已有機(jī)型的分析和適航條款的解讀，對滅火系統(tǒng)的安裝方式和滅火瓶的安裝位置進(jìn)行了研究，計算了所需的滅火劑劑量，使用FLUENT仿真軟件模擬了滅火噴嘴的位置和滅火劑噴射效果，為滅火系統(tǒng)的布局和優(yōu)化提供參考。

滅火系統(tǒng)設(shè)計；仿真計算

0 引言

安全性是飛機(jī)設(shè)計的重要依據(jù)，不管是在飛行中還是在地面上，著火對飛機(jī)來說是最危險的威脅之一。飛機(jī)防火系統(tǒng)能有效探測到飛機(jī)上的火情，并及時進(jìn)行撲滅，提高了飛機(jī)的安全性，從而保證飛機(jī)和乘客的安全。在飛機(jī)上，對于無法分離或消除潛在火源及易燃油液、油汽部件的區(qū)域，以及接近燃燒區(qū)域、高溫表面、高溫燃?xì)獾然鹪吹膮^(qū)域，都稱為火區(qū)。輔助動力艙(下文簡稱APU艙)是典型的火區(qū)，其工作溫度高，有壓縮機(jī)、燃燒室、渦輪等點火源存在，同時又有大量的可燃液體管路通過，是防火系統(tǒng)設(shè)計的重點區(qū)域。本文主要討論某型飛機(jī)APU艙內(nèi)的滅火系統(tǒng)設(shè)計以及滅火劑濃度的仿真模擬計算[1]。

由于現(xiàn)代計算技術(shù)的發(fā)展，可以使用仿真軟件模擬流動、傳熱、火災(zāi)等具有一定規(guī)律的物理現(xiàn)象。本文利用仿真軟件FLUENT對APU艙內(nèi)的空氣流場進(jìn)行模擬，對APU艙內(nèi)的火災(zāi)進(jìn)行有效的預(yù)防研究。

1 APU艙滅火系統(tǒng)設(shè)計

1.1 其他機(jī)型的APU艙滅火系統(tǒng)

APU艙滅火系統(tǒng)與APU系統(tǒng)一樣，是一個從無到有緩慢發(fā)展的系統(tǒng)，早期的飛機(jī)沒有設(shè)置APU系統(tǒng)，也不存在APU艙滅火系統(tǒng)。后來，一些飛機(jī)安裝了APU系統(tǒng)，APU艙的探測和滅火系統(tǒng)應(yīng)運而生。

目前，安裝了APU系統(tǒng)的飛機(jī)，在APU艙滅火系統(tǒng)的設(shè)計上可以大體分為兩類：

一)借助動力裝置滅火系統(tǒng)；

二)獨立的APU艙滅火系統(tǒng)。

兩種設(shè)計思路各有利弊，見表1。

兩種安裝方法均有應(yīng)用，例如MA60飛機(jī)APU艙的滅火借助于發(fā)動機(jī)艙滅火系統(tǒng)完成，如圖1所示。滅火瓶安裝在左發(fā)短艙隔板后的滅火瓶托架上，滅火管路在由滅火瓶出來后分為兩路，一路往左短艙，一路往右短艙。滅火管路到右短艙后，通過氣壓電磁閥，分別進(jìn)入APU艙和右發(fā)動機(jī)艙；氣壓電磁閥與滅火按鈕控交聯(lián)，控制滅火劑進(jìn)入APU艙滅火或進(jìn)入右發(fā)動機(jī)艙滅火。

表1 兩種APU艙滅火系統(tǒng)對比

圖1 MA60飛機(jī)滅火系統(tǒng)Fig.1 MA60 Aircraft fire extinguishing system

而EMB190飛機(jī)的APU艙則采用獨立的滅火系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 EMB190飛機(jī)APU艙滅火系統(tǒng)Fig.2 EMB190 Aircraft fire extinguishing system

EMB190飛機(jī)的APU艙滅火瓶安裝在后機(jī)身，通過按壓駕駛艙內(nèi)的滅火開關(guān)，可以向APU艙內(nèi)釋放滅火劑。駕駛艙實時監(jiān)控APU艙滅火瓶的壓力、電源、爆炸帽完整性和相關(guān)的線纜。如果發(fā)生失效，會在機(jī)組告警系統(tǒng)中發(fā)出指示。

1.2 某型飛機(jī)APU艙滅火系統(tǒng)的布置

結(jié)合某型飛機(jī)APU艙自身的特點，參考相似機(jī)型的布置，采取APU艙獨立滅火的方案，將滅火瓶安裝在APU艙前防火墻外側(cè)，如圖3所示。滅火管路穿過APU艙前防火墻進(jìn)入APU艙內(nèi)后，分成兩路，能夠向APU艙噴射滅火劑。

這樣可以避免由于安裝在APU艙內(nèi)造成的空間不足和安全性低等問題，而且就近安裝在APU艙防火墻外側(cè)，可以大大縮減管路的長度，減少滅火劑的浪費。

圖3 某型飛機(jī)APU艙滅火系統(tǒng)布置Fig.3 APU fire extinguishing system for a certain aircraft

2 APU艙滅火劑計量的理論計算

2.1 APU艙滅火劑的選擇

在APU艙滅火系統(tǒng)的設(shè)計中，一個很重要的環(huán)節(jié)就是滅火劑量的確定。在本文中的APU艙滅火系統(tǒng)使用Halon 1301作為滅火劑。Halon型滅火劑具有滅火效率高，擴(kuò)散快，低毒性，無腐蝕，噴射之后無殘留等特點，是一種十分理想的滅火劑。

2.2 APU艙滅火劑用量的計算

對于使用Halon 1301滅火劑的發(fā)動機(jī)/APU艙，可用《飛機(jī)設(shè)計手冊第13冊動力裝置系統(tǒng)設(shè)計》10.5.5.2章節(jié)中的經(jīng)驗公式，估算需要噴射的最小滅火劑量[2，3]。

本機(jī)型APU艙內(nèi)最高的隔框高度小于15 cm，為淺框的艙?？諝饬髁看?，使用如下公式進(jìn)行計算。

W=3(0.32V+0.25Wa)

式中：W——滅火劑劑量，kg；

Wa——在正常巡航狀態(tài)下通過該區(qū)的空氣流量，kg/s；

V——該區(qū)的凈容積，m3。

通過測量某型飛機(jī)APU艙的二級樣機(jī)三維數(shù)模，近似認(rèn)為APU艙的凈容積為1.5 m3。

根據(jù)公式，可算出APU艙需要噴射的最小滅火劑量為1.8 (kg)?？紤]到滅火瓶內(nèi)殘留和噴射管路內(nèi)壁上黏附的損耗，應(yīng)在以上計算的基礎(chǔ)上增加15%的滅火劑用量，則最終得出某型飛機(jī)APU艙需要噴射的最小滅火劑量約為2.07 kg。

3 APU艙滅火劑的仿真計算

為了計算APU艙內(nèi)滅火劑的濃度數(shù)據(jù)，運用FLUENT作為分析工具進(jìn)行模擬。運用FLUENT的穩(wěn)態(tài)模型來模擬計算，首先將APU艙滅火系統(tǒng)的模型進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化為FLUENT能夠處理的網(wǎng)格；然后對APU艙的進(jìn)排氣進(jìn)行仿真，計算得到穩(wěn)定的流場環(huán)境；最后設(shè)置滅火劑的參數(shù)，進(jìn)行滅火劑噴射的仿真計算[4]。

3.1 APU艙模型網(wǎng)格化

運用FLUENT軟件對APU艙進(jìn)行分析，首先需要對模型進(jìn)行網(wǎng)格化處理，本次試驗中使用ICEM CFD工具處理模型，如圖4所示[5]。

圖4 某型飛機(jī)APU艙網(wǎng)格Fig.4 Grid model for APU compartment

3.2 APU艙通風(fēng)冷卻的仿真

對本次仿真實驗中的進(jìn)排氣方案進(jìn)行簡化?？諝馔ㄟ^COOL管道穿過滑油散熱器，進(jìn)入APU艙內(nèi)，由尾噴管將艙內(nèi)空氣排出，如圖5所示。

APU艙邊界條件的具體設(shè)置如表2所示。

對APU艙流場計算的模型采用湍流標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型。圖6為整個流場的速度流線圖。從圖6中可以看出，氣流從入口進(jìn)入以后，速度最大，環(huán)繞APU艙壁面，速度慢慢下降，最后從出口處流出，在艙內(nèi)形成了一個穩(wěn)定的流場。

圖5 進(jìn)排氣方案Fig.5 Intake and exhaust scheme

入口流量0．49kg/s溫度10℃出口105PaAPU表面溫度90℃

圖6 APU艙流場速度流線圖Fig.6 APU Compartment air flow velocity flow chart

3.3 滅火劑濃度仿真計算

根據(jù)2.2節(jié)計算出的APU艙滅火劑的重量為2.07 kg，根據(jù)噴射時間的要求，在APU艙內(nèi)設(shè)置兩個滅火噴嘴。滅火噴嘴即為將管路壓扁，在1.4 MPa工作壓力下，滅火噴嘴工作流量為3.2 kg/s。

首先，取滅火噴嘴的位置如圖7所示。

圖7 APU艙滅火噴嘴位置(方案一)Fig.7 APU Fire nozzle position (plan A)

在Fluent中的設(shè)置與3.2通風(fēng)冷卻的設(shè)置相同，只是將定常流動改為非定常流動，另外增加材料和噴頭的設(shè)置。

設(shè)置離散模型，選擇噴灑模型中的droplet breakup模型，在噴頭選項中選擇液滴類型(droplet)，這一步驟使材料設(shè)置中添加了droplet partical類型，可以繼續(xù)設(shè)置液體Halon的各項數(shù)據(jù)，在噴頭設(shè)置界面，將Halon 1301滅火劑設(shè)置為從液體狀態(tài)噴出，并霧化成氣態(tài)。并開始進(jìn)行仿真模擬。

仿真結(jié)果如圖8所示。圖8為每隔0.5 s的滅火劑濃度，從深到淺，代表濃度逐漸增大，6%的濃度為APU應(yīng)該達(dá)到的濃度。

圖8 方案一的模擬結(jié)果Fig.8 Simulation results for Plan A

觀察圖8，發(fā)現(xiàn)滑油散熱器下方由于氣流速度大，幾乎沒有滅火劑，更不能達(dá)到6%的濃度要求[6]。

對噴嘴位置進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的方案如圖9所示。

優(yōu)化后的方案仿真結(jié)果如圖10所示。

圖9 APU艙滅火噴嘴位置(方案二)Fig.9 APU Fire nozzle position (plan B)

圖10 方案二的模擬結(jié)果Fig.10 Simulation results for plan B

3.4 仿真結(jié)果分析

通過對滅火噴嘴的位置進(jìn)行優(yōu)化后，整個APU艙內(nèi)的濃度基本能夠達(dá)到6%的濃度要求。在1.0 s時僅進(jìn)氣道附近的小范圍區(qū)域尚未達(dá)到6%的濃度要求，雖然1.6 s時進(jìn)氣道附近的滅火劑濃度達(dá)到了要求，但是進(jìn)氣道下方的滅火劑濃度已經(jīng)開始下降，隨著時間的推移，滅火劑下方濃度快速降低，但是其它區(qū)域的濃度已經(jīng)超過了9%。

4 結(jié)論

通過以上研究，最終確定了某型飛機(jī)APU艙的防火系統(tǒng)方案。采用獨立的APU艙滅火系統(tǒng)，將滅火瓶布置在APU艙前防火墻外側(cè)，設(shè)置兩個滅火噴嘴，位置分布如圖9所示。滅火瓶內(nèi)填充2.07 kg滅火劑。

[1] CCAR-25-R4, 運輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S], 2001.

[2] 陳嵩祿. 飛機(jī)設(shè)計手冊: 動力裝置系統(tǒng)設(shè)計(第13冊)[M]. 航空工業(yè)出版社, 2006, 467-469.

[3] MIL-E-22285, Extinguishing System, Fire, Aircraft, High-rate -discharge type, Installation and test[S].

[4] 朱紅鈞, 等. FLUENT流體分析工程案例精講[M]. 電子工業(yè)出版社, 2013.

[5] 李麗. 飛機(jī)發(fā)動機(jī)艙滅火劑濃度測量[J]. 測控技術(shù), 2008, 27:151-154.

[6] AC20-100, General Guidelines for Measuring Fire-Extinguishing Agent Concentrations in Power plant Compartments[S].

Design of fire extinguishing system for a certain type of aircraft APU compartment

NING Xiaolei, WANG Yu, WANG Jing, LIU Kang

(AVIC Research and Development Center, Xi’an 710089, China)

This paper aims to design a fire extinguishing system for a certain type of aircraft APU compartment. The installation of the fire extinguishing system and the installation position of the fire extinguisher bottle were studied based on the analysis models and the existing airworthiness clause. The required fire extinguishing agent is calculated. The Fluent simulation software is used to examine the fire extinguishing nozzle position and the effectiveness of extinguishing agent injection. The results provide useful reference for fire extinguishing system layout and optimization.

Fire fighting system design; Simulation calculation

2016-01-04；修改日期：2016-04-28

寧曉蕾(1986-)，女，中航工業(yè)研發(fā)中心設(shè)計員，研究方向為防火系統(tǒng)設(shè)計。

寧曉蕾，E-mail:ningxl148@sina.com

1004-5309(2016)-00234-05

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.12

X915.5

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