民用飛機動力裝置防火密封件設(shè)計及適航要求

胡寅寅

【摘 要】本文介紹了防火密封件的適航要求和設(shè)計輸入，并重點總結(jié)了一套可行的防火密封件設(shè)計流程，為今后民用飛機的防火密封件設(shè)計提供指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】防火；密封件；適航

0 引言

飛機是一個由數(shù)萬計的零部件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，各零部件之間不可避免地存在縫隙，因此大部分結(jié)構(gòu)之間的接口均涉及到密封件。密封件主要功能是消除氣體或液體的泄露，阻止腐蝕，并防止空氣、灰塵、沙粒、雨水和火焰等通過零件的界面向其他區(qū)域泄露。防火密封常用于防火墻結(jié)構(gòu)處，阻止危險量的液體、氣體或火焰穿過火區(qū)到達非火區(qū)的其它零件和結(jié)構(gòu)。

動力裝置的密封件必須設(shè)計成能夠?qū)⒒饏^(qū)與非火區(qū)完全隔離，以避免火焰進入其他區(qū)域引起災(zāi)難性后果。同時這些密封件處于發(fā)動機運行的強機械振動、高溫、強聲振動環(huán)境中，設(shè)計時需要考慮各種復(fù)雜工況下零件之間的相對運動，對密封件設(shè)計是一個新的挑戰(zhàn)。

本文主要介紹了動力裝置防火密封的設(shè)計要求，重點總結(jié)防火密封設(shè)計方案。

1 適航要求

短艙結(jié)構(gòu)防火設(shè)計適用的條款主要有：

CCAR 25.1181 指定火區(qū)

CCAR 25.1191防火墻

CCAR 25.1193短艙和蒙皮

CCAR 25.1207符合性

短艙的防火密封件需要滿足防火墻相關(guān)的適航條款，對于金屬結(jié)構(gòu)，文獻[1]定義的金屬材料厚度進行適航符合性說明。對于非金屬結(jié)構(gòu)，如橡膠密封件，只能通過對比分析和試驗驗證的方式進行適航符合性驗證。對比分析是指將該型號的具體設(shè)計細節(jié)（如截面、載荷、工作環(huán)境等）與經(jīng)過適航驗證的成熟機型的設(shè)計相對比，若該型號設(shè)計的具體細節(jié)與成熟機型類似，或者優(yōu)于成熟機型的設(shè)計，則認為該設(shè)計滿足條款的要求。試驗驗證是在FAA AC 20-135的指導(dǎo)下進行，試驗時將密封件放在距離火焰1/4英寸距離內(nèi)，火焰溫度范圍2000°F+/-150°F的，熱通量密度不小于9.3BTU/ft2-sec。測試防火密封件飛行載荷下承受15分鐘的火焰而不被燒穿。為了說明密封件在任意飛行包線內(nèi)均滿足要求，試驗應(yīng)選取最嚴酷的工況開展。

2 設(shè)計方法

2.1 設(shè)計工況

文獻[2]對密封件的設(shè)計和分析應(yīng)考慮的工況和著火場景給出了一些介紹：

a.飛行工況假設(shè)的著火場景是：在極熱天氣的飛行中，發(fā)動機正常工作并處于最嚴酷的飛行工況，此時發(fā)生著火，并持續(xù)5分鐘，第5分鐘時，發(fā)動機關(guān)閉并處于風(fēng)車狀態(tài)，飛機依然保持飛行姿態(tài)，持續(xù)10分鐘。

b.飛機進場工況假設(shè)的著火場景是：在極熱天氣的進場狀態(tài)，發(fā)動機正常工作并處于最嚴酷的正常飛行工況，此時發(fā)生著火，并持續(xù)5分鐘；第5分鐘時，發(fā)動機關(guān)閉并處于風(fēng)車狀態(tài)，飛機依然保持空中姿態(tài)，持續(xù)10分鐘。

c.地面著火：在極熱天氣的地面狀態(tài)，發(fā)動機處于地面慢車工況，此時發(fā)生著火，并持續(xù)5分鐘；第5分鐘時，發(fā)動機關(guān)閉并處于風(fēng)車狀態(tài)，持續(xù)10分鐘。

綜上，密封件的設(shè)計必須考慮且驗證以上三種著火工況下都能滿足防火要求。然而國內(nèi)目前比較缺乏成熟的防火設(shè)計應(yīng)用經(jīng)驗，現(xiàn)階段一般通過零部件試驗，參照文獻[1]的試驗方法開展適航符合性驗證工作。

2.2 設(shè)計輸入

相對運動量是指壓板相對于支撐板的運動量，如壓板和支撐板的名義間隙為D，如圖1，不同工況下，溫度、載荷、振動及裝配公差也發(fā)生變化，由此引起壓板相對于支撐板有一定的運動量d1和d2。

壓板和支撐板之間的運動量d1和d2主要由三部分引起：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，需要開展公差累計分析得到。熱變形和機械變形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。將這三種變形按照矢量方向疊加在一起即為壓板和支撐板的相對位移。

假設(shè)密封件的直徑Φ，則密封件的最大壓縮量為：Φ-D+d2，最小壓縮量為：Φ-D-d1。設(shè)計時應(yīng)保證壓縮范圍介于15%-55%之間。對防火密封件而言，小于15%的壓縮量通常是不可接受的，容易在著火工況下發(fā)生火焰泄漏的危險。

2.3 設(shè)計流程

根據(jù)以上設(shè)計輸入及要求，總結(jié)了密封件設(shè)計流程如圖2所示。

第一步，明確結(jié)構(gòu)方案，確定火區(qū)和非火區(qū)的分界面結(jié)構(gòu)，定義壓板和支撐板的間隙D。

第二步，收集各零件、部件的制造公差和裝配公差，開展公差累計分析工作；同時建立有限元模型，分析不同載荷工況下的機械變形和熱變形，d1和d2。

第三步，搜集飛機不同飛行工況下密封件兩側(cè)火區(qū)和非火區(qū)的的溫度、壓力，得到壓差。

第四步，根據(jù)位移、溫度、壓力載荷選擇密封件材料并設(shè)計尺寸、截面和形狀。

第五步，結(jié)合以上輸入，根據(jù)AC 20-135開展試驗測試，或基于已有經(jīng)驗進行相似性分析，完成適航符合性驗證工作。

對民用飛機設(shè)計而言，設(shè)計的初期，各種輸入?yún)?shù)并不完全，只能通過經(jīng)驗初步估計壓力、溫度、位移量等參數(shù)，進而選擇合適的材料和截面開展設(shè)計，待初步設(shè)計完成后，需進一步細化設(shè)計輸入，并進行試驗或分析驗證。

3 小結(jié)

本文從動力裝置防火密封件出發(fā)，主要介紹了防火密封件的適航要求和設(shè)計輸入，并重點總結(jié)了一套可行的防火密封件設(shè)計流程，為今后民用飛機的防火密封件設(shè)計提供指導(dǎo)。

【參考文獻】

[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]Joint Aviation Authorities NPA 25E-266 Resistance to fire of nacelle cowlings proposal for NPA[Z].

[責(zé)任編輯：楊玉潔]