民用渦扇發動機短艙防火設計

劉釗 徐燕 丁晨

摘 ?要：民用渦扇發動機短艙作為動力裝置火區的外部邊界，必須起到火焰的隔離和包容作用，以免火焰竄出短艙蔓延至機翼油箱等重要部位，對飛行安全造成嚴重威脅。隨著民用飛機安全性要求的不斷提高，適航當局對動力裝置的防火設計提出了越來越嚴格的要求。文章從火區分類出發，研究短艙火區及可燃液體泄漏區的防火設計。

關鍵詞：短艙;防火;適航

中圖分類號：V263 ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）20-0071-02

Abstract： As the outer boundary of the fire zone of the power plant， the civil turbofan engine cabin must play the role of flame isolation and containment， so as to prevent the flame from escaping the nacelle and spreading to important parts such as the wing fuel tank， which poses a serious threat to flight safety. With the continuous improvement of the safety requirements of civil aircraft， the airworthiness authorities have put more and more strict requirements on the fire protection design of power plants. Based on the classification of fire zones， this paper studies the fire protection design of short cabin fire zones and combustible liquid leakage zones.

Keywords： short cabin; fire prevention; airworthiness

1 概述

民用渦扇發動機短艙一般包括進氣道、風扇罩、反推力裝置及噴管。起飛機進氣、整流、降噪、減速及保護發動機等作用，是動力裝置重要的組成部分。

飛機的防火設計包括“防火”和“耐火”兩種。防火是指零部件曝露在熱場或其他特定環境中，可以承受1100℃（約2000？塒）的平均火焰溫度至少15分鐘，而保持原有功能或結構完整性的能力;耐火是指零部件曝露在熱場或其他特定環境中，可以承受1100℃（約2000？塒）的平均火焰溫度至少5分鐘，而保持原有功能或結構完整性的能力[1]。判斷防/耐火的設計等級主要根據零部件在著火工況下的功能確定。短艙作為火區外部邊界，必須起到火焰隔離及包容的作用，以免火焰竄出短艙，蔓延至飛機重要部位，引發災難性后果。

2 火區劃分

根據著火的3要素及火災產生的機理，可將飛機物理區域劃分為5種類型：指定火區[2]、火區、可燃液體泄漏區、易燃區和非危險區。指定火區是指CCAR 25.1181中明確列出的：（1）發動機動力部分;（2）發動機附件部分;（3）發動機動力部分和附件之間沒有隔開的整個動力裝置艙，（4）輔助動力裝置艙;（5）燃油燃燒加溫器和其它燃燒設備及其安裝部分;（6）渦輪發動機的壓氣機和附件部分;（7）

包含輸送可燃液體或氣體管路或組件的渦輪發動機安裝的燃燒室、渦輪和尾噴管部分;火區是指包含名義火源（正常工作情況下即被當作點火源）的可燃液體泄漏區;可燃液體泄漏區是指由于某種失效工況會產生可燃液體或蒸汽泄漏的區域;易燃區是指在正常工況下有可燃液體存在，但不存在火源的區域;非危險區是指可能存在火源，但不存在可燃物的區域。

典型渦扇發動機短艙與發動機本體構成5個獨立的艙室：進氣道艙、風扇艙、反推艙、核心機艙及噴管，如圖1。根據火區劃分定義及原則，進氣道艙和噴管因不存在可燃物而被劃分為非危險區;核心機艙為指定火區;風扇艙根據附件齒輪箱（AGB）的安裝位置可定義為可燃液體泄漏區或指定火區，即若AGB安裝在風扇艙，則定義該艙為指定火區，否則為可燃液體泄漏區;移動罩艙可根據反推類型定義為可燃液體泄漏區或非危險區，若使用液壓反推則定義該艙為可燃液體泄漏區，若使用電反推則定義該艙為非危險區;噴管因沒有可燃液體及蒸氣存在，為非危險區。

3 指定火區防火設計

根據CCAR25.1181，指定火區必須滿足25.863、25.865、25.867、25.869及25.1185～25.1203條要求，即必須有措施盡量減少液體和蒸氣點燃的概率及萬一點燃后的危險后果。具體設計包括火災預防設計、火焰包容設計、著火探測及滅火設計[3]。

3.1 火災預防

短艙指定火區的火災預防手段包括：（1）減少易燃材料的著火危害，即使用引發著火和火焰蔓延可能性小的材料。若短艙火區使用了鈦材、鎂材、復合材料及吸附性材料，那必須對這幾種材料的防火性能加以評估;（2）減少安裝的著火隱患。盡量將電氣設備和電纜安裝在可燃液體管路上方，減小泄漏的可燃液體與電弧接觸的幾率。同時在易燃流體輸送管路與電纜之間留有安全間隙，以防止兩者相互摩擦損傷電纜絕緣層并導致管路泄漏，從而引發著火等;（3）對高溫火源采取隔離措施，避免火源及可燃液體的接觸。如在高溫氣體管路表面包裹一層隔熱毯，或對高溫引氣管路采用雙層套管的設計，減小管路爆破引發的著火危害等;（4）電氣搭接。在短艙指定火區內任何容易產生靜電的地方都必須有電搭接設計，避免閃電電弧、靜電電弧、摩擦電火花等潛在火源的產生;（5）通風&排液設計。必須阻止易燃物質、腐蝕性的流體和易爆氣體在發動機艙內的聚集，并達到適航接受的最小通風換氣速度及短艙積液量。同時通風口不得設置在其它火區的可燃液體、蒸汽或火焰會進入的部位，使容有可燃液體的任何組件失效或故障引起的危險減至最小。

3.2 火焰包容

指定火區必須采用防火墻、防火封嚴等防火包容設計，防止著火工況下火焰蔓延到飛機其他區域。短艙防火墻包括風扇罩、進氣道后隔框及反推扭矩盒等（風扇艙火區），反推核心機艙罩及尾噴管（核心機艙火區）。具體設計要求包括：（1）防火墻材料滿足防火及防腐要求[2];（2）在防火墻設計分離面處（如風扇罩與拇指罩之間的分離面等）設計防火封嚴結構，防止危險量的空氣、液體或火焰從該艙進入飛機其他部分;（3）防火墻上的穿墻接頭（如進氣道后隔框上的防冰引氣管接頭）都用緊配合的防火襯套或防火墻轉接頭進行封嚴;（4）防火墻上各類開口位置（如風扇罩上通風口、排液口、泄壓口等）不能使得火區內的火焰穿出后危及飛機的飛行安全和著陸;（5）連接防火墻的重要

接頭（如鉸鏈和鎖扣）在著火情況下必須保證15min內維持防火墻的完整性;（6）防火墻必須有防止由于閃電、靜電及摩擦等導致電弧的設計。

3.3 防火探測及滅火系統

指定火區內必須設置探測系統及滅火系統?；鹁綔y及滅火系統在指定火區內進行防火探測和監控，一旦發出危險警報信號，并經飛行員確認后開啟滅火系統進行滅火?；鹁綔y系統的數量和位置要能保證迅速探測指定火區的火警，其構造和安裝必須符合25.1203中規定的要求;滅火系統、滅火劑、滅火瓶及滅火系統材料必須滿足25.1195至25.1201中規定的要求[3]。

3.4 火區內短艙部件的防火設計

短艙指定火區內的短艙部件主要包括EBU系統部件，反推TRAS系統部件及安裝節。

EBU及TRAS系統部件的防火等級可以根據“火災模型”中5分鐘或15分鐘中需保持的功能或維護的安全性來評定防火/耐火等級來確定。即所有短艙部件必須滿足發動機前5分鐘內慢車運行，后10分鐘內處于風車狀態的要求[2]。

為避免火區內閃電電弧、靜電電弧、摩擦電火花等潛在火源的產生，要求短艙指定火區內的部件必須采取電搭接設計;在存相對摩擦的部位，采取潤滑設計，避免摩擦起電。

4 可燃液體泄漏區防火設計

可燃液體泄漏區域火區的主要區別在于，火區內單次失效事件可能會引發著火，可燃液體泄漏區需要兩次單獨的失效事件才會引發著火，即一次失效事件引發火源，另一次失效事件引發可燃流體泄漏。

不包含AGB的風扇艙及采用液壓式反推的反推艙都屬于可燃液體泄漏區。對于可燃液體泄漏區，首先需判斷該艙是否包含潛在火源（即某些失效工況下可能會產生的火源）。若不存在潛在火源，則需對風扇艙進行通風和排液設計，以減少可燃液體或蒸汽的聚集;若存在潛在火源，則需要按照指定火區中所有火災預防的手段開展防火設計。同時，需定量評估導致液體泄漏和高溫火源發生的多個失效事件同時發生的概率，確保滿足安全性設計要求。

5 結束語

本文參照CCAR適航條款的要求，根據著火機理對短艙不同艙室進行火區劃分，梳理各類型火區內的短艙部件防火設計要求及方法，為民用渦扇發動機短艙防火設計提供借鑒和指導。

參考文獻：

[1]AC 20-135 Power plant Installation and Propulsion System Component Fire Protection Test Methods， Standards， and Criteria[Z].

[2]CCAR-33R2.航空發動機適航規定[S].

[3]CCAR 25R4.運輸類飛機適航標準[S].