基于通气管路的民用飞机机翼油箱通气设计中的安全性考虑

2015-04-23熊晋

科技视界 2015年29期

熊晋

（中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院动力燃油部，中国上海201210）

1 燃油系统简介

燃油系统是民用飞机重要的、必不可少的组成部分。燃油系统基本功能是储存飞机所用燃油，确保飞机在每种可能出现的运行情况下、包括型号合格审定的飞行中允许发动机和辅助动力装置（APU）工作的任何机动飞行，都能向发动机和APU提供正常工作所需的燃油。

燃油箱是燃油系统中贮存分系统的重要组成部分。对于民用飞机，最常见的燃油贮存位置是在机翼结构范围内，通常在机翼的前梁和后梁之间。并且一般由机翼燃油箱结构本身构成燃油贮存区域的边界，即“整体油箱”。对于需要超长航程的特殊应用场合，可以在货舱空间内安装辅助燃油箱，或者将燃油贮存在水平尾翼内。本文主要关注采用机翼整体油箱的民用飞机燃油系统。

民用飞机的机翼整体油箱一般由两个、三个或者更多个独立的主油箱组成。为了安全的原因，还会设置通气油箱来暂存可能进入通气系统内的任何燃油，避免燃油溢出机外。民用飞机的通气油箱一般位于机翼翼尖附近。

2 油箱通气设计要求

油箱通气系统是燃油系统中贮存分系统的另一重要组成部分。燃油箱通气系统是保证飞机在地面和各种飞行状态下（包括压力加油切断装置失效时），将油箱压力维持在规定的范围内，并且防止燃油的虹吸和溢出。民用飞机使用“开式通气系统”，使每个燃油箱内燃油油面上方的无油空间与外界大气相连通。具体说来，指主油箱与通气油箱的连通，和通气油箱与外界的连通。主油箱与通气油箱的连通有两种主要方式，即通气管路和通气长桁。本文主要关注通气管路方式。

根据上述要求，产生了一个安全性要求，功能失效——燃油箱通气堵塞应尽量避免，并符合一定的概率要求。上述燃油箱通气的安全性要求可以通过下面的定性故障树作简要并形象地表示。

3 油箱通气设计中的安全性考虑

本章分别以两油箱构型和三油箱构型为例，阐述基于通气管路的民用飞机机翼油箱通气设计中的安全性考虑。

3.1 两油箱构型

图1 某典型的两油箱构型的机翼油箱通气系统布置简图

图1是某典型的两油箱构型的机翼油箱通气系统布置简图。

燃油箱为机翼结构组成的整体油箱。共有两个油箱，即左机翼油箱和右机翼油箱。通气油箱设在每个机翼油箱外侧。

通气油箱通过NACA通气口与外界大气相连通。NACA通气口布置在机翼下表面。并且在正常运行情况下，NACA通气口的布置位置能有效避免被污物或结冰堵塞。

在通气口上安装有火焰抑制器，当发生着火时，火焰抑制器能在一定时间内阻止火焰蔓延进入通气系统。火焰抑制器由蜂窝状结构元件、正/负压旁通阀以及安装支座等组成。正常情况下，通过蜂窝状结构元件进行通气；当蜂窝状结构元件被堵塞时，在内外压差作用下，正/负压旁通阀打开，确保左、右机翼油箱的通气。当压力加油溢流时，蜂窝状结构元件具有符合一定流量要求的燃油流通能力；如蜂窝状结构元件堵塞，正压旁通阀具有符合一定流量要求的燃油流通能力。

每个机翼油箱都有两个通气入口与通气油箱相连通。一个通气入口在机翼油箱内侧，另一个通气入口在机翼油箱外侧。内侧通气入口为通气管路，外侧通气入口为通气浮子阀。两个通气入口对角设置，可确保飞机在任何飞行姿态下，各燃油箱至少有一个通气入口是畅通的。

通气管路内侧在机翼翼根处分为两个支路，且每个支路的通气管入口直径都小于主通气管直径，可以防止进入支路的杂物堵塞主通气管。通气管路除满足油箱通气的要求外，在加油切断阀失效的故障状态下，提供足够的排油能力，燃油经过通气管路排出，保证油箱的内外压差在结构允许的范围以内。此外在主通气管路的最低点处安装了通气管路浮子排液阀，当油面上升时，通气管路浮子排液阀关闭，防止燃油进入通气管路；当油面下降时，通气管路浮子排液阀打开，使可能进入通气管路的燃油排出。

机翼油箱外侧通过通气浮子阀与通气油箱相连，通气浮子阀安装在机翼油箱最外侧的顶部，确保飞机在任何正常飞行情况下能有效地通气。同时在飞机机动飞行时，通气浮子阀阻止机翼油箱燃油流向通气油箱。

上述即是某典型两油箱构型的燃油箱通气系统设计中的一些定性安全性考虑。特别地，对于燃油箱通气堵塞功能失效，上述设计考虑可以归纳为通过下述的定性故障树分析表示，将图1中的定性故障树细化为图2中的定性故障树：

图2 燃油箱通气堵塞定性故障树（某典型两油箱构型）

3.2 三油箱构型

图3 某典型的三油箱构型的机翼油箱通气系统布置简图

图3是某典型的三油箱构型的机翼油箱通气系统布置简图。

燃油箱为机翼结构组成的整体油箱，共有三个整体油箱，分别为左翼油箱、右翼油箱与中央翼油箱。每个油箱翼梢处的隔舱为通气油箱。

与两油箱构型相比，三油箱构型的通气油箱同样通过NACA通气口与外界大气相连通。NACA通气口上安装有火焰抑制器，可以避免外部的点火源通过通气系统进入燃油箱。

与两油箱构型相比，三油箱构型的火焰抑制器及其旁路同样可保证在地面正常停机、加/放油及正常飞行时，允许空气进出燃油箱，油箱内外压差不超过油箱结构所能承受的压力极限值；并且当压力加油切断失效时，燃油经通气管路流至通气油箱，并经通气油箱下壁板上的NACA通气口排出至机外。通过对通气管路及NACA通气口的设计与布置进行优化，可保证压力加油切断失效时油箱内的压力符合结构的要求。此外，作为被动式通气系统的补充，通气油箱中还设有释压阀，以避免油箱超压或憋压。

与两油箱构型相比，三油箱构型的左、右翼油箱的通气系统大体相似，但是多出独立的中央翼油箱的通气系统，并且左、右通气油箱可以通过中央翼油箱通气管路互相连通。中央翼油箱通过通气管路与通气油箱相连接，并且该通气管路有两个出口，分别通往左、右机翼油箱，提高了通气系统冗余度。中央翼油箱通气管路有4个入口，分别布置在中央翼油箱前端与后端的顶部，且左右对称，确保飞机在任何飞行姿态下，都有通气入口是畅通的。在中央翼油箱后端的两个通气入口处的直径小于主通气管，可以防止进入通气入口的杂物堵塞主通气管。在中央翼油箱前端的通气入口处装有通气浮子阀，防止在飞机机动飞行时，中央翼油箱燃油流向通气油箱；并在通气管路的低点设置有浮子排漏阀，当油箱内燃油高度低于通气管路时，通气管路内聚集的任何液体都能通过浮子排漏阀重新回到燃油箱。

上述即是某典型三油箱构型的燃油箱通气系统设计中的一些定性安全性考虑，与两油箱构型有部分相似之处。特别地，对于燃油箱通气堵塞功能失效，上述设计考虑同样可以归纳为通过定性故障树分析表示，典型三油箱构型的机翼油箱的定性故障树与两油箱构型类似。