民用飛機短艙密封件防火試驗技術研究

劉建國 郭俊嫻

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

0 引言

渦扇發動機短艙是包裹發動機的外部結構，其作用一是為發動機提供進氣流道和氣動外表面，二是保護發動機外圍系統的管路和線纜。通常，短艙的核心艙為指定火區。如果附件齒輪箱AGB(Accessory Gear Box，簡稱AGB)布置在風扇艙，風扇艙是指定火區。短艙應滿足防火的要求，以將火區和非火區完全隔離，防止火區的火焰或高溫氣體進入到其它區域，造成危害。短艙的防火密封件需要滿足防火相關的適航條款要求，通過MOC4進行符合性驗證。

目前許多科研人員開展了關于短艙防火密封件設計及相關防火試驗的研究。談志晶[1]以核心艙的密封件為例，說明了所設計的密封件滿足防火性能。胡寅寅[2]等人從防火條款要求入手，闡述了密封件的一般設計方法。楊燕[3]等人根據CCAR 25部適航條款的要求，設計了防火墻的結構，通過試驗驗證了短艙墻的防火性能。李森[4]等人針對短艙火區典型結構設計了防火試驗件，通過試驗比較了兩種復合材料及防火涂層的防火性能，測試了防火橡膠型材進行密封防火的可行性。胡寅寅[5]等人闡述了橡膠防火密封件的設計影響因素和設計的一般流程。周頌平[6]等人研究的主要是火區的短艙結構防火墻與防火密封件的設計。張敏[7]等人根據飛機發動機短艙區密封型材的使用要求，以高強度、耐油、阻燃性好的氟硅橡膠為基材，高硅氧玻璃纖維布為骨架材料，研制出了航空用防火橡膠密封型材。馬建[8]等人給出了尾吊布局的民機發動機短艙與機身組合體的三維空氣流動與傳熱的物理和數學模型，根據發動機短艙和機身的組合模型特點，應用非結構化網格和柱狀附面層網格對計算區域進行劃分，采用湍流模型和相應的對流換熱、輻射換熱模型模擬了短艙風扇罩表面著火后對附近機身的熱影響。

1 短艙防火簡介

1.1 火區簡介

圖1為短艙火區示意圖。進氣道區域由于沒有含可燃液體的系統和管路，并通過后隔框與其它區域隔離，因此是非可燃液體泄漏區。由于AGB安裝在風扇機匣，且布置有含燃油、滑油和液壓油等可燃液體的管路和系統，因此風扇艙是指定火區。核心艙由于發動機核心機機匣表面溫度較高，且布置有含燃油等可燃液體系統和管路，為指定火區。反推滑動罩區域沒有名義點火源，但由于液壓反推作動器在該區域，因此該區域也為可燃液體的泄漏區域。

圖1 短艙火區示意圖

指定火區應滿足防火設計要求，包括防火(Fireproof)和耐火(Fire Resistant)兩種。根據AC20-135[9]的定義：

防火(Fireproof)：材料或結構在2 000 ℉±150 ℉的火焰下沖擊15 min，能夠完成設計要求的功能。

耐火(Fire Resistant)：材料或結構在2 000 ℉±150 ℉的火焰下沖擊5 min，能夠完成設計要求的功能。

1.2 防火密封件簡介

在短艙和吊掛之間，以及短艙各部件之間的界面通常設計有密封件，部分密封件位于火區的邊界，因此需要滿足相應的防火設計要求。防火密封件的設計要考慮以下因素：

1) 防火密封件是防火墻的一部分，其防火要求和防火墻相同；

2) 防火密封件必須設計成能夠承受飛行中可預計的最大壓差載荷，并滿足泄漏率的要求；

3) 防火密封件必須設計成連續的。如果需要的話，密封件的對接必須在直線段，并遠離拐角區域；

4) 防火密封件必須設計成滿足耐流體要求。

核心艙采用的防火密封件通常是球狀密封件、指形密封件和塊狀密封件。

1.3 防火適航要求

根據CCAR-25部[10]要求，防火相關的條款主要為25.1181、25.1191和25.1193。以下文件可以用作滿足適航條款的指導：

1) FAA Advisory Circular NO.20-135[9]；

2) EASA Advisory Circular Joint NPA-25E-266[11]。

短艙結構防火主要涉及的CCAR-25部[10]條款如表1所示。

表1 短艙吊掛結構防火適用條款

2 防火試驗要求

2.1 試驗件要求

試驗件的安裝必須模擬真實的安裝構型。例如，密封件的壓縮量需按設計要求的最小壓縮量進行安裝；

一般情況下，試驗件(包含夾持防護區域)尺寸應不小于24 in×24 in(610 mm×610 mm)。如果需要適應測試的關鍵特征，需要采用較大的試驗件。如果所有的設計特征都包括在內，且試樣能代表構型特征，可選取尺寸較小的試驗件，但需要對試驗件背面進行保護，以免暴露在火焰中。

2.2 試驗設備要求

防火試驗主要設備有燃燒器、熱電偶、熱流密度測試設備、攝像設備、計時器等。

燃燒器：需穩定提供輸出溫度1 100 ℃±80 ℃和熱通量密度(116 kW/m2±10 kW/m2)的火焰，采用液體燃料。

熱電偶：一個熱電偶測試設備，至少含有5根測試電偶(鉻鎳合金或鋁鎳合金材料，直徑0.6 mm～1 mm)。如果熱電偶金屬絲外層有金屬保護套，整體單個熱電偶直徑不應超過3 mm。熱電偶的排布間距25 mm±2 mm。

熱流密度測試設備：每秒鐘應可測量達到170 kW/m2熱流的裝置，用于校準燃燒器。

攝像設備：應能保證試驗全程記錄，記錄火焰噴口上的試驗件狀態、試驗件背面的狀態以及整個試驗臺架的狀態，因此一般攝像設備不少于3個。

計時器：一個秒表或其他設備，時刻記錄能夠精確到1 s內，用于記錄燃燒器火焰作用于試驗件以及校準設備的時間。

2.3 試驗環境要求

防火試驗按咨詢通告AC 20-135的要求進行。防火試驗必須滿足以下要求：

1)燃燒器火焰溫度為2 000 ℉(+/-150 ℉)；

2)燃燒器火焰熱通量為9.3 BTU/ft2-sec (10.6 W/cm2)；

3)試驗持續15 min；

4)燃燒器的溫度和熱通量在試驗前經過校準；

5)必須考慮防火墻或防火密封件所處的壓差載荷。根據AC 20-135，如果壓差載荷低于0.5 psi，可以忽略該壓差的影響；

6)前5 min，發動機仍在運行，需要考慮發動機振動的影響，一般按ISO2685的要求進行；

7)后10 min，考慮飛行員已經意識到火情并關閉發動機。在飛行條件下，假設發動機處于風車狀態；在地面狀態下，假設發動機處于停車狀態。

3 防火試驗方法

3.1 試驗工裝

密封件的試驗工裝通常采用如圖2所示的裝配體。每進行一次試驗，安裝相應密封件和壓板的裝配件，并對試驗件的裝配和面板的貼合面和緊固件進行密封，保證整個防火試驗工裝的密封性。

圖2 密封件防火試驗臺架示意圖

3.2 試驗程序

防火試驗按照AC 20-135或ISO 2685的標準進行。燃燒器采用煤油燃燒器。試驗前需進行火焰溫度和熱流密度的校準，滿足火焰溫度和熱流密度的要求。前5 min需要考慮振動的影響。防火試驗時間為15 min。試驗前后對試驗件進行檢查，拍照并記錄偏離情況，并對試驗過程進行攝像。

3.3 試驗判據

試驗判據為：1) 試驗件承受至少15 min火焰燃燒而未被燒穿；2) 整個試驗過程中，非受火側(非火區)無點燃現象；3) 火焰移除后，允許密封件繼續燃燒，但殘余火焰需在1 min內熄滅。

4 試驗結果與分析

以塊狀橡膠密封件為例，對防火試驗結果進行分析。

4.1 試驗火焰參數

試驗前燃燒器火焰校準參數如表2所示，熱流量為12.6 W/cm2。

表2 試驗前燃燒器火焰校準

4.2 試驗結果和圖片

約4 min時，試驗件背腔冒煙，3 min 45 s背部出現閃火現象。在15 min防火試驗過程中試驗件未被燒穿，非受火側未被點燃。滿足試驗判據要求，試驗通過。試驗件試驗前后照片如圖3所示。

(a) 試驗前 (b) 試驗后圖3 試驗件試驗前后實物圖

5 結論

短艙防火密封件是短艙防火墻的重要組成部分，而防火試驗驗證是目前普遍采用的適航驗證方法。本文從防火適航要求入手，分析了防火試驗的要求，包括試驗件要求、試驗設備要求、試驗環境要求，詳細闡述了密封件的防火試驗方法。最后以密封件防火試驗為例，對試驗結果進行了分析。主要結論如下：

1) 防火試驗按咨詢通告AC 20-135要求進行；

2) 防火試驗需考慮防火密封件所處的壓差載荷。根據AC 20-135，如果壓差載荷低于0.5 psi，可以忽略該壓差的影響；

3) 試驗件的安裝必須模擬真實的安裝構型。例如，密封件的壓縮量需按設計要求的最小壓縮量進行安裝；

4) 前5 min，發動機仍在運行，需要考慮發動機振動的影響；

5) 后10 min，考慮飛行員已經意識到火情并關閉發動機。在飛行條件下，假設發動機處于風車狀態；在地面狀態下，假設發動機處于停車狀態。