民用飛機(jī)動(dòng)力裝置防火密封件設(shè)計(jì)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(jì)輸入，并重點(diǎn)總結(jié)了一套可行的防火密封件設(shè)計(jì)流程，為今后民用飛機(jī)的防火密封件設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】防火；密封件；適航

0 引言

飛機(jī)是一個(gè)由數(shù)萬(wàn)計(jì)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(guò)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(xiǎn)量的液體、氣體或火焰穿過(guò)火區(qū)到達(dá)非火區(qū)的其它零件和結(jié)構(gòu)。

動(dòng)力裝置的密封件必須設(shè)計(jì)成能夠?qū)⒒饏^(qū)與非火區(qū)完全隔離，以避免火焰進(jìn)入其他區(qū)域引起災(zāi)難性后果。同時(shí)這些密封件處于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的強(qiáng)機(jī)械振動(dòng)、高溫、強(qiáng)聲振動(dòng)環(huán)境中，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮各種復(fù)雜工況下零件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)密封件設(shè)計(jì)是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。

本文主要介紹了動(dòng)力裝置防火密封的設(shè)計(jì)要求，重點(diǎn)總結(jié)防火密封設(shè)計(jì)方案。

1 適航要求

短艙結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)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(duì)于金屬結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[1]定義的金屬材料厚度進(jìn)行適航符合性說(shuō)明。對(duì)于非金屬結(jié)構(gòu)，如橡膠密封件，只能通過(guò)對(duì)比分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的方式進(jìn)行適航符合性驗(yàn)證。對(duì)比分析是指將該型號(hào)的具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)（如截面、載荷、工作環(huán)境等）與經(jīng)過(guò)適航驗(yàn)證的成熟機(jī)型的設(shè)計(jì)相對(duì)比，若該型號(hào)設(shè)計(jì)的具體細(xì)節(jié)與成熟機(jī)型類(lèi)似，或者優(yōu)于成熟機(jī)型的設(shè)計(jì)，則認(rèn)為該設(shè)計(jì)滿足條款的要求。試驗(yàn)驗(yàn)證是在FAA AC 20-135的指導(dǎo)下進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)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(cè)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(shuō)明密封件在任意飛行包線內(nèi)均滿足要求，試驗(yàn)應(yīng)選取最嚴(yán)酷的工況開(kāi)展。

2 設(shè)計(jì)方法

2.1 設(shè)計(jì)工況

文獻(xiàn)[2]對(duì)密封件的設(shè)計(jì)和分析應(yīng)考慮的工況和著火場(chǎng)景給出了一些介紹：

a.飛行工況假設(shè)的著火場(chǎng)景是：在極熱天氣的飛行中，發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作并處于最嚴(yán)酷的飛行工況，此時(shí)發(fā)生著火，并持續(xù)5分鐘，第5分鐘時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉并處于風(fēng)車(chē)狀態(tài)，飛機(jī)依然保持飛行姿態(tài)，持續(xù)10分鐘。

b.飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)工況假設(shè)的著火場(chǎng)景是：在極熱天氣的進(jìn)場(chǎng)狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作并處于最嚴(yán)酷的正常飛行工況，此時(shí)發(fā)生著火，并持續(xù)5分鐘；第5分鐘時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉并處于風(fēng)車(chē)狀態(tài)，飛機(jī)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(dòng)機(jī)處于地面慢車(chē)工況，此時(shí)發(fā)生著火，并持續(xù)5分鐘；第5分鐘時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉并處于風(fēng)車(chē)狀態(tài)，持續(xù)10分鐘。

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

2.2 設(shè)計(jì)輸入

相對(duì)運(yùn)動(dòng)量是指壓板相對(duì)于支撐板的運(yùn)動(dòng)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(dòng)及裝配公差也發(fā)生變化，由此引起壓板相對(duì)于支撐板有一定的運(yùn)動(dòng)量d1和d2。

壓板和支撐板之間的運(yùn)動(dòng)量d1和d2主要由三部分引起：裝配公差、熱變形和機(jī)械受載變形。裝配公差由單個(gè)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(kāi)展公差累計(jì)分析得到。熱變形和機(jī)械變形通過(guò)有限元模型加載相應(yīng)的熱邊界和載荷邊界計(jì)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(duì)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(jì)時(shí)應(yīng)保證壓縮范圍介于15%-55%之間。對(duì)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(xiǎn)。

2.3 設(shè)計(jì)流程

根據(jù)以上設(shè)計(jì)輸入及要求，總結(jié)了密封件設(shè)計(jì)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(kāi)展公差累計(jì)分析工作；同時(shí)建立有限元模型，分析不同載荷工況下的機(jī)械變形和熱變形，d1和d2。

第三步，搜集飛機(jī)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(jì)尺寸、截面和形狀。

第五步，結(jié)合以上輸入，根據(jù)AC 20-135開(kāi)展試驗(yàn)測(cè)試，或基于已有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行相似性分析，完成適航符合性驗(yàn)證工作。

對(duì)民用飛機(jī)設(shè)計(jì)而言，設(shè)計(jì)的初期，各種輸入?yún)?shù)并不完全，只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)初步估計(jì)壓力、溫度、位移量等參數(shù)，進(jìn)而選擇合適的材料和截面開(kāi)展設(shè)計(jì)，待初步設(shè)計(jì)完成后，需進(jìn)一步細(xì)化設(shè)計(jì)輸入，并進(jìn)行試驗(yàn)或分析驗(yàn)證。

3 小結(jié)

本文從動(dòng)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(jì)輸入，并重點(diǎn)總結(jié)了一套可行的防火密封件設(shè)計(jì)流程，為今后民用飛機(jī)的防火密封件設(shè)計(jì)提供指導(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]Joint Aviation Authorities NPA 25E-266 Resistance to fire of nacelle cowlings proposal for NPA[Z].

[責(zé)任編輯：楊玉潔]