直升機滅火系統(tǒng)管網(wǎng)水力計算

李松松 李 春 樊曉峰

（1、中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn)333000 2、西藏軍區(qū)航空保障處，西藏 拉薩850000）

1 概述

飛行器的滅火安全性能，直接影響到飛行器在飛行中出現(xiàn)火災(zāi)時的飛行安全。因此現(xiàn)代飛行器對滅火系統(tǒng)設(shè)計有著嚴(yán)格的設(shè)計要求。直升機作為重要的飛行器之一，火災(zāi)安全性能對直升機的生存能力有著重要影響[1]。水力計算是評估直升機滅火系統(tǒng)可靠性、經(jīng)濟性及合理性的一項重要設(shè)計內(nèi)容。直升機滅火系統(tǒng)水力計算的目的，一是在滿足系統(tǒng)及噴嘴壓力的同時，選取合適的管徑，盡可能達到減重優(yōu)化設(shè)計；二是在方案階段評估管路布局是否合理；三是設(shè)計滅火劑達到發(fā)動機艙內(nèi)每個噴頭的流阻，從而控制每個噴頭滅火劑的流量分配。

直升機滅火管路設(shè)計布置是為了給防護區(qū)提供規(guī)定的滅火劑濃度，達到滅火要求。有學(xué)者做了大量哈龍1301 滅火劑釋放的試驗、仿真等，分別研究了管徑、管內(nèi)壓力、流量、噴射時間等重要參數(shù)[2]變化情況，仿真和試驗表明，管徑對滅火劑釋放有重要影響[3]。管徑大小對管內(nèi)滅火劑分布有至關(guān)重要影響，已有的對管內(nèi)哈龍滅火劑流動特性的研究表明[4-5]，管內(nèi)滅火劑密度隨壓力的變化關(guān)系直接影響管道壓降。因此對滅火系統(tǒng)水力計算，分析設(shè)計的管路系統(tǒng)中管徑、壓力、滅火劑密度等是否能達到設(shè)計要求，對之后滅火劑能否達到規(guī)定濃度是非常必要的。

2 滅火系統(tǒng)管網(wǎng)水力計算

圖1 管網(wǎng)計算流程圖

由于滅火劑釋放是由滅火瓶內(nèi)增壓氮氣驅(qū)動，在滅火劑釋放過程中驅(qū)動壓力不斷變化，因此滅火系統(tǒng)在釋放滅火劑的瞬時狀態(tài)的流體計算較為復(fù)雜，不利于工程計算。在滅火劑噴射中期，此時管網(wǎng)模型相對簡單，計算簡便，因此滅火管路設(shè)計計算主要采用中期工作狀態(tài)法。

中期工作狀態(tài)法的核心是通過管徑、壓力、流量之間的相互關(guān)系，由目標(biāo)流量可以得到設(shè)計管徑，根據(jù)已有學(xué)者研究成果，可以較為準(zhǔn)確的計算出管網(wǎng)系統(tǒng)的壓力和管徑，從而可以較為準(zhǔn)確的計算出管網(wǎng)系統(tǒng)流量和噴射速率。

滅火系統(tǒng)管網(wǎng)水力計算步驟如圖1 所示。初始流量可以根據(jù)滅火系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計要求的平均流量公式（1）估測,管徑大小直接影響管網(wǎng)系統(tǒng)水力特性，最佳管徑的確定，往往需要多次校核迭代計算得出，在全新系統(tǒng)的管網(wǎng)設(shè)計中，管徑可按照公式（2）估測進行初始化，并且管徑的選擇應(yīng)滿足公式（3）的要求。而在直升機滅火系統(tǒng)中，傳統(tǒng)設(shè)計中管徑的選擇主要根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗，選擇的幾個特定的管徑。為優(yōu)化后期的管網(wǎng)設(shè)計，增強正向設(shè)計能力，在后期的型號設(shè)計中，逐步引入管網(wǎng)水力計算，優(yōu)化滅火系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計如圖1。

式中，Qm為系統(tǒng)平均設(shè)計流量；D 為管道內(nèi)徑；Dmax為最大管道內(nèi)徑；M為滅火劑設(shè)計用量；td為滅火劑噴射時間。在水力計算時，由于管道內(nèi)壓力并不能直接確定，因此管道內(nèi)的滅火劑濃度也不能確定，工程上一般采用修正后的滅火劑百分比計算式，直升機滅火系統(tǒng)一般采用4.2MPa 充填壓力，中期管網(wǎng)滅火劑質(zhì)量百分比按公式（4）進行估算[6]，計算結(jié)果應(yīng)滿足公式（5）的限制，否則需要重新選擇管徑，布置管網(wǎng)分布。

中期管網(wǎng)壓力計算主要按照氣液兩相的特性進行推導(dǎo)其壓力損失。為方便工程應(yīng)用，已有學(xué)者通過推導(dǎo)簡化計算，適用工程計算的壓力損失公式如式（6）所示。

式中，q 為鹵代烷1301設(shè)計流量，kg/s；l 為管道長度；Z 為密度系數(shù)；Y2為管段末端壓力系統(tǒng)值，MPa·kg/m3；Z2為管段末端密度系數(shù)值；Z1為始端密度系數(shù)值；A，B 為鹵代烷1301 管道簡化系數(shù)。

3 直升機滅火系統(tǒng)工程設(shè)計實例

通過上面對管網(wǎng)水力計算流程分析，接下來以直升機某型號機作為水力計算分析對象，某發(fā)動機艙的基本設(shè)計參數(shù)表1 所示。

表1 滅火系統(tǒng)基本參數(shù)

3.1 管網(wǎng)計算參數(shù)

由于直升機動力艙內(nèi)構(gòu)型復(fù)雜，各個系統(tǒng)較多，空間有限，滅火系統(tǒng)管路在每段管路中都出現(xiàn)了90 度彎頭或者三通接頭，并且其當(dāng)量長度都大于實際的管路長度，因此在90 度彎頭和三通接頭處的壓力損失要大于管路的壓力損失。在管路設(shè)計時，應(yīng)盡量減少彎頭和三通接頭，避免沿程阻力損失。由公式（4）得到中期管內(nèi)滅火劑百分比33.37%，滿足管網(wǎng)內(nèi)滅火劑百分比不應(yīng)大于80%的要求，因此充裝密度滿足管網(wǎng)布局的要求（表2）。

3.2 管段壓力計算

表2 滅火系統(tǒng)管網(wǎng)計算

表3 各管段壓力計算

圖2 管段壓力損失

4 結(jié)論

本文通過對某直升機發(fā)動機艙滅火系統(tǒng)管網(wǎng)水力計算，分析了管網(wǎng)滅火劑百分比和整個管網(wǎng)系統(tǒng)各個管段壓損，計算結(jié)果表明，現(xiàn)有的管路設(shè)計滿足工程設(shè)計要求，并利用管網(wǎng)水力計算，分析了管網(wǎng)設(shè)計中減重的方向，提升了滅火管路系統(tǒng)的正向設(shè)計。