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民用飛機超細干粉滅火系統(tǒng)噴射試驗研究

The Research on Discharge Performance of Civil Aircraft Fine Dry Powder Fire Extinguishing System

宣揚 / Xuan Yang

(上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210)

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

0引言

隨著哈龍滅火劑被禁用，其使用范圍在不斷縮小。政府、適航當局、民用航空工業(yè)界都在積極努力地尋找哈龍滅火劑的替代產(chǎn)品。目前航空工業(yè)界比較關(guān)注HFC-125、Novec1230、CF3I和NaHCO3超細干粉滅火劑，并開展了大量的研究[1-4]。FAA也已經(jīng)對多種環(huán)保滅火劑、細水霧滅火系統(tǒng)[5]、惰化氣體抑制系統(tǒng)[6]進行了多項研究。

NaHCO3超細干粉滅火劑在發(fā)動機/APU艙的使用是一個新的研究課題。這種滅火劑具有極高的滅火效率，每立方米的保護空間僅需要100g~200g滅火劑，且完全環(huán)保。在對滅火劑添加了特殊的添加劑之后，超細干粉滅火劑能表現(xiàn)出類似流體的狀態(tài)，能夠在固定式滅火管網(wǎng)系統(tǒng)中類似于液體一樣的輸送，并能在保護空間中隨氣流迅速擴散，通過發(fā)動機艙內(nèi)的冷卻氣流來覆蓋整個火區(qū)。美國的凱德航空和防務(wù)公司(Kidde Aerospace & Defense)專門研發(fā)了用于飛機發(fā)動機艙的NaHCO3滅火劑，并已與FAA合作進行了大量試驗，包括滅火劑的最低性能試驗、小尺寸發(fā)動機火災(zāi)模擬試驗、高低通風量下的油霧火及油池火試驗、全尺寸發(fā)動機模擬艙管網(wǎng)釋放試驗和波音747試驗平臺真實滅火試驗。目前FAA初步評估該滅火劑的滅火標準為125g/m3。

滅火系統(tǒng)的管網(wǎng)設(shè)計對滅火劑的噴射性能具有決定性影響。由氮氣加壓和推動的NaHCO3超細干粉滅火劑在管網(wǎng)內(nèi)的流動是典型的氣/固兩相流動，流動情況復(fù)雜，難以通過理論分析或建模計算等手段對其性能進行分析，因此搭建基于民用飛機發(fā)動機滅火系統(tǒng)管網(wǎng)的超細干粉滅火系統(tǒng)的試驗臺，開展超細干粉滅火系統(tǒng)噴射試驗，目的是對滅火系統(tǒng)的噴射性能進行試驗評估和分析。本試驗研究基于前期的超細干粉管內(nèi)管流阻損失試驗開展[7]。

1試驗用超細干粉滅火劑物性指標

本文中試驗用NaHCO3超細干粉滅火劑的具體物性指標如表1所示。

表1　超細干粉滅火劑物性指標

2試驗方法

2.1　試驗臺及試驗設(shè)備

本試驗臺中所使用的設(shè)備包括滅火瓶、瓶頭閥、瓶頭閥啟動裝置、被測管路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。滅火瓶用于高壓存儲滅火劑，瓶頭閥用于控制滅火劑的釋放。瓶頭閥啟動裝置由高壓氣體瓶、電磁閥和氣動裝置組成，可快速開啟瓶頭閥，以模擬實際中使用爆炸帽釋放滅火劑的情況。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過布置在被測管網(wǎng)中的壓力傳感器采集管內(nèi)流動的壓力數(shù)據(jù)。試驗臺示意圖如圖1所示，主要設(shè)備如圖2所示。

2.2　試驗管網(wǎng)

本試驗中所使用的導(dǎo)管材料為不銹鋼，內(nèi)徑16mm，壁厚1mm，采用角鋼安裝支撐。管網(wǎng)走向和布局與某型飛機的左發(fā)動機滅火系統(tǒng)管網(wǎng)一致，接頭數(shù)量相同，并考慮了管網(wǎng)揚程變化。試驗管網(wǎng)上共布置了3個壓力傳感器，分別安裝在滅火瓶出口、核心艙出口和風扇艙出口，采集噴射過程中這幾處的壓力變化情況，判斷壓損和噴射時間。這三個采樣點壓力數(shù)據(jù)具有代表性。管網(wǎng)安裝如圖3所示。

本試驗管網(wǎng)約16m，試驗滅火劑9kg。

圖1　超細干粉滅火系統(tǒng)試驗臺示意圖

(a)滅火瓶

(b)壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖2　主要的試驗設(shè)備

2.3　試驗前準備及方法

(1)打開數(shù)據(jù)采集與圖像采集記錄系統(tǒng)，待系統(tǒng)穩(wěn)定；

(2)按連接被測管路，將滅火瓶安裝于機架；

(3)依次將瓶頭閥、啟動裝置、被測管路、測試儀器等相關(guān)部件接入試驗系統(tǒng)；

(4)檢查管路系統(tǒng)密封性；

(5)將準確稱量的滅火劑充入滅火瓶，并充裝至試驗壓力；

(6)檢查試驗裝置是否正確安裝；

(7)打開啟動裝置，釋放滅火劑，同時實時測量3個典型位置的壓力數(shù)據(jù)，并繪制“壓力—時間”曲線；

(8)滅火劑釋放完畢后，斷開被測管路，卸下啟動裝置和瓶頭閥，保存采集的數(shù)據(jù)；

(9)用高壓氣體沖洗滅火瓶和被測管路；

(10)重復(fù)3~9步驟三次，分別記錄試驗數(shù)據(jù)。

圖3　試驗管網(wǎng)的實際安裝

3試驗結(jié)果與分析

3.1　試驗結(jié)果

圖4是連續(xù)3次中一次試驗的壓力隨時間的變化曲線。三次試驗數(shù)據(jù)保持了良好的一致性。

圖4　試驗所測“壓力——時間”曲線圖

從壓力變化曲線可看出，隨時間變化，管路中會出現(xiàn)兩次壓力峰值，這是由于固體滅火劑和氮氣兩相流動的特點形成的，基本表征了滅火劑到達傳感器的時間和后續(xù)瓶內(nèi)高壓氮氣達到傳感器的時間，這種特征也同樣出現(xiàn)在直管沿程損失試驗之中。

由于充裝壓力很高，氣/固兩相流體在管路中的流動非常迅速，三個傳感器壓力峰值的出現(xiàn)時間幾乎相同。在兩個壓力峰值之間的壓力幾乎為線性變化，這段時間內(nèi)傳感器位置處工質(zhì)主要為固體滅火劑，氮氣混合在固體滅火劑顆粒的間隙中，持續(xù)時間約為0.5s，該段也可以看作滅火劑的穩(wěn)定流動階段。而第二個峰值之后壓力呈二次曲線變化，主要為氮氣的膨脹降壓過程，并混合有部分固體滅火劑，持續(xù)時間約為0.75s。根據(jù)曲線可以判斷出整個管網(wǎng)的噴射時間約為1.5s(下降至兩個出口處壓力為0的時間)，平均流量為6kg/s。

管網(wǎng)進口處的壓力變化較兩個出口位置的變化更為顯著，且明顯高于兩個出口處的壓力值，這主要是由兩個原因造成的：(1)管路長度較長，管網(wǎng)內(nèi)體積較大，高壓氮氣能在其中完成一定的膨脹降壓；(2)管網(wǎng)形狀較復(fù)雜，管接頭和管路彎曲多并有一段上升管路，沿程和高程壓損都較大。這對整個管網(wǎng)的噴射是不利的。

在穩(wěn)定流動階段末期，進口處與風扇艙出口處和核心艙出口處的壓力差(靜壓)分別約為2.8Mpa和3.1Mpa，絕對壓力值約為0.4Mpa和0.1Mpa?？梢娡ㄍ诵呐摐缁饑娮斓膶?dǎo)管流阻更大，這主要因為在三通接頭之后，流向風扇艙導(dǎo)管形狀比流向核心艙的導(dǎo)管簡單。同時連接風扇艙導(dǎo)管的三通接頭出口與入口為直線，而與連接核心艙導(dǎo)管的出口呈90°彎曲，這樣導(dǎo)致滅火劑更容易流向風扇艙。

根據(jù)噴嘴流量公式(見式(1)，其中q為流量，k為噴嘴的流量系數(shù)，p為噴嘴處的壓力)可知，在噴嘴幾何特征及流動介質(zhì)相同的情況下，各噴嘴處的流量與該處壓力的平方根成正比。

(1)

經(jīng)計算可得，風扇艙噴嘴處的流量與核心艙噴嘴處的流量之比約為2:1，在同時釋放的情況下，噴入風扇艙的滅火劑約為75%，噴入核心艙的滅火劑約為25%。

根據(jù)該型飛機發(fā)動機風扇艙和核心艙滅火劑的劑量分配計算，風扇艙需要約71%的滅火劑，而剩下的29%則需要輸送至核心艙?？梢姲凑漳壳暗墓芫W(wǎng)設(shè)計，輸送至風扇艙的滅火劑量較為富余而核心艙滅火劑稍有不足，但與設(shè)計目標差距較小，可修改優(yōu)化管網(wǎng)調(diào)整至目標艙的滅火劑比例。

3.2　滅火劑濃度初步分析

(2)

M=C·V

(3)

(4)

風扇艙和核心艙滅火劑濃度隨時間的變化曲線如圖5所示。通過估算可以看出兩個艙內(nèi)的滅火劑濃度基本呈線性變化。風扇艙滅火劑濃度的增加速度明顯高于核心艙滅火劑濃度。當滅火劑噴射結(jié)束時，風扇艙內(nèi)的滅火劑濃度約為2.2kg/m3，核心艙內(nèi)滅火劑濃度為1.34kg/m3，遠高于標準滅火濃度125g/m3。在實際應(yīng)用中，艙內(nèi)的滅火劑濃度分布是不夠均勻的，而且擴散過程需要一定時間，因此真實的滅火劑濃度應(yīng)低于本文的計算值。

圖5　估算的滅火劑濃度隨時間變化曲線

4結(jié)論

本文以某型飛機發(fā)動機滅火系統(tǒng)管網(wǎng)為基礎(chǔ)，搭建了一套NaHCO3超細干粉滅火系統(tǒng)試驗臺，并在該試驗臺上進行3次試驗。試驗結(jié)果初步表明滅火系統(tǒng)的噴射流量能夠滿足滅火系統(tǒng)設(shè)計要求，經(jīng)計算出的滅火劑在艙內(nèi)的濃度也高于標準NaHCO3超細干粉滅火濃度，初步驗證了該滅火系統(tǒng)的噴射性能。利用飛機上現(xiàn)有滅火系統(tǒng)管網(wǎng)可以較方便的替換為超細干粉滅火劑就能滿足滅火系統(tǒng)性能，隨著超細干粉滅火劑的研究深入和改進，將有可能應(yīng)用于民用飛機固定式滅火系統(tǒng)中。本文所使用的計算模型僅用于支持系統(tǒng)初步性能分析，滅火系統(tǒng)的實際性能仍需要通過試飛試驗進行驗證。

參考文獻：

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[7]胡博,宣揚. 管路長度對BC超細干粉滅火劑管內(nèi)流動阻力影響的試驗研究[J]. 工程與試驗，2014，54(2)：26-29.

摘要：

NaHCO3超細干粉滅火劑具有環(huán)保高效的優(yōu)點，有可能替代現(xiàn)有民用飛機上常見的哈龍1301滅火劑，應(yīng)用于未來民用飛機固定式滅火系統(tǒng)上。以某型民用飛機發(fā)動機滅火系統(tǒng)為基礎(chǔ)，搭建了NaHCO3超細干粉滅火系統(tǒng)試驗臺，開展了該滅火系統(tǒng)的噴射性能試驗研究。試驗結(jié)果表明滅火系統(tǒng)平均流量較大，性能較好，但仍需要修改管網(wǎng)設(shè)計調(diào)整滅火劑在風扇艙和核心艙的分配比例。初步的滅火劑濃度分析也表明目前的管網(wǎng)設(shè)計可以達到艙內(nèi)的滅火劑濃度要求。

關(guān)鍵詞：民用飛機；滅火系統(tǒng)；超細干粉滅火劑；試驗分析

[Abstract]NaHCO3fine dry powder is an effective and green agent which is potential alternative of Halon 1301 used in current civil aircraft fire extinguishing system. In this paper, we built a fire extinguishing system for NaHCO3fine powder agent based on a certain civil aircraft engine fire extinguishing system and performed the discharge test on it. The test result shows that the average flow rate of agent in this system is high enough, but the modification of current system is required to adjust agent splitting ratio for better performance. Preliminary agent concentration calculation demonstrates that current pipe network design can meet the agent concentration requirement.

[Key words]civil aircraft；fire extinguishing system；fine dry powder；test analysis

中圖分類號：V244.1+2

文獻標識碼：A