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

熊 晉

（中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院動(dòng)力燃油部，中國(guó) 上海201210）

1 燃油系統(tǒng)簡(jiǎn)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(chǔ)存飛機(jī)所用燃油，確保飛機(jī)在每種可能出現(xiàn)的運(yùn)行情況下、包括型號(hào)合格審定的飛行中允許發(fā)動(dòng)機(jī)和輔助動(dòng)力裝置（APU）工作的任何機(jī)動(dòng)飛行，都能向發(fā)動(dòng)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(duì)于民用飛機(jī)，最常見(jiàn)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(duì)于需要超長(zhǎng)航程的特殊應(yīng)用場(chǎng)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(gè)、三個(gè)或者更多個(gè)獨(dú)立的主油箱組成。為了安全的原因，還會(huì)設(shè)置通氣油箱來(lái)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(jì)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(shí)），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(kāi)式通氣系統(tǒng)”，使每個(gè)燃油箱內(nèi)燃油油面上方的無(wú)油空間與外界大氣相連通。具體說(shuō)來(lái)，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(zhǎng)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(gè)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(guò)下面的定性故障樹作簡(jiǎn)要并形象地表示。

3 油箱通氣設(shè)計(jì)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(jì)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(jiǎn)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(jiǎn)圖。

燃油箱為機(jī)翼結(jié)構(gòu)組成的整體油箱。共有兩個(gè)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(gè)機(jī)翼油箱外側(cè)。

通氣油箱通過(guò)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(yùn)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(shí)，火焰抑制器能在一定時(shí)間內(nèi)阻止火焰蔓延進(jìn)入通氣系統(tǒng)。火焰抑制器由蜂窩狀結(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(guò)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(shí)，在內(nèi)外壓差作用下，正/負(fù)壓旁通閥打開(kāi)，確保左、右機(jī)翼油箱的通氣。當(dāng)壓力加油溢流時(shí)，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(gè)機(jī)翼油箱都有兩個(gè)通氣入口與通氣油箱相連通。一個(gè)通氣入口在機(jī)翼油箱內(nèi)側(cè)，另一個(gè)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(gè)通氣入口對(duì)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(gè)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(gè)支路，且每個(gè)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(guò)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(diǎn)處安裝了通氣管路浮子排液閥，當(dāng)油面上升時(shí)，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(shí)，通氣管路浮子排液閥打開(kāi)，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(guò)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(shí)在飛機(jī)機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，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(jì)中的一些定性安全性考慮。特別地，對(duì)于燃油箱通氣堵塞功能失效，上述設(shè)計(jì)考慮可以歸納為通過(guò)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(jiǎn)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(jiǎn)圖。

燃油箱為機(jī)翼結(jié)構(gòu)組成的整體油箱，共有三個(gè)整體油箱，分別為左翼油箱、右翼油箱與中央翼油箱。每個(gè)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(guò)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(diǎn)火源通過(guò)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(shí)，允許空氣進(jìn)出燃油箱，油箱內(nèi)外壓差不超過(guò)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(shí)，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(guò)對(duì)通氣管路及NACA通氣口的設(shè)計(jì)與布置進(jìn)行優(yōu)化，可保證壓力加油切斷失效時(shí)油箱內(nèi)的壓力符合結(jié)構(gòu)的要求。此外，作為被動(dòng)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(dú)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(guò)中央翼油箱通氣管路互相連通。中央翼油箱通過(guò)通氣管路與通氣油箱相連接，并且該通氣管路有兩個(gè)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(gè)入口，分別布置在中央翼油箱前端與后端的頂部，且左右對(duì)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(gè)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(dòng)飛行時(shí)，中央翼油箱燃油流向通氣油箱；并在通氣管路的低點(diǎn)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(shí)，通氣管路內(nèi)聚集的任何液體都能通過(guò)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(jì)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(duì)于燃油箱通氣堵塞功能失效，上述設(shè)計(jì)考慮同樣可以歸納為通過(guò)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(jiǎn)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(jì)中的安全性考慮，同時(shí)這也是對(duì)燃油系統(tǒng)符合包括安全性要求在內(nèi)的設(shè)計(jì)要求提供支持。

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

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

［3］Reliability Workbench Manual[Z].