某型飞机APU舱灭火系统设计

宁晓蕾，王 宇，王 靖，刘 康

(中航飞机研发中心，西安，710089)

某型飞机APU舱灭火系统设计

宁晓蕾*，王 宇，王 靖，刘 康

(中航飞机研发中心，西安，710089)

旨在设计某型飞机的APU舱灭火系统。通过对已有机型的分析和适航条款的解读，对灭火系统的安装方式和灭火瓶的安装位置进行了研究，计算了所需的灭火剂剂量，使用FLUENT仿真软件模拟了灭火喷嘴的位置和灭火剂喷射效果，为灭火系统的布局和优化提供参考。

灭火系统设计；仿真计算

0 引言

安全性是飞机设计的重要依据，不管是在飞行中还是在地面上，着火对飞机来说是最危险的威胁之一。飞机防火系统能有效探测到飞机上的火情，并及时进行扑灭，提高了飞机的安全性，从而保证飞机和乘客的安全。在飞机上，对于无法分离或消除潜在火源及易燃油液、油汽部件的区域，以及接近燃烧区域、高温表面、高温燃气等火源的区域，都称为火区。辅助动力舱(下文简称APU舱)是典型的火区，其工作温度高，有压缩机、燃烧室、涡轮等点火源存在，同时又有大量的可燃液体管路通过，是防火系统设计的重点区域。本文主要讨论某型飞机APU舱内的灭火系统设计以及灭火剂浓度的仿真模拟计算[1]。

由于现代计算技术的发展，可以使用仿真软件模拟流动、传热、火灾等具有一定规律的物理现象。本文利用仿真软件FLUENT对APU舱内的空气流场进行模拟，对APU舱内的火灾进行有效的预防研究。

1 APU舱灭火系统设计

1.1 其他机型的APU舱灭火系统

APU舱灭火系统与APU系统一样，是一个从无到有缓慢发展的系统，早期的飞机没有设置APU系统，也不存在APU舱灭火系统。后来，一些飞机安装了APU系统，APU舱的探测和灭火系统应运而生。

目前，安装了APU系统的飞机，在APU舱灭火系统的设计上可以大体分为两类：

一)借助动力装置灭火系统；

二)独立的APU舱灭火系统。

两种设计思路各有利弊，见表1。

两种安装方法均有应用，例如MA60飞机APU舱的灭火借助于发动机舱灭火系统完成，如图1所示。灭火瓶安装在左发短舱隔板后的灭火瓶托架上，灭火管路在由灭火瓶出来后分为两路，一路往左短舱，一路往右短舱。灭火管路到右短舱后，通过气压电磁阀，分别进入APU舱和右发动机舱；气压电磁阀与灭火按钮控交联，控制灭火剂进入APU舱灭火或进入右发动机舱灭火。

表1 两种APU舱灭火系统对比

图1 MA60飞机灭火系统Fig.1 MA60 Aircraft fire extinguishing system

而EMB190飞机的APU舱则采用独立的灭火系统，如图2所示。

图2 EMB190飞机APU舱灭火系统Fig.2 EMB190 Aircraft fire extinguishing system

EMB190飞机的APU舱灭火瓶安装在后机身，通过按压驾驶舱内的灭火开关，可以向APU舱内释放灭火剂。驾驶舱实时监控APU舱灭火瓶的压力、电源、爆炸帽完整性和相关的线缆。如果发生失效，会在机组告警系统中发出指示。

1.2 某型飞机APU舱灭火系统的布置

结合某型飞机APU舱自身的特点，参考相似机型的布置，采取APU舱独立灭火的方案，将灭火瓶安装在APU舱前防火墙外侧，如图3所示。灭火管路穿过APU舱前防火墙进入APU舱内后，分成两路，能够向APU舱喷射灭火剂。

这样可以避免由于安装在APU舱内造成的空间不足和安全性低等问题，而且就近安装在APU舱防火墙外侧，可以大大缩减管路的长度，减少灭火剂的浪费。

图3 某型飞机APU舱灭火系统布置Fig.3 APU fire extinguishing system for a certain aircraft

2 APU舱灭火剂计量的理论计算

2.1 APU舱灭火剂的选择

在APU舱灭火系统的设计中，一个很重要的环节就是灭火剂量的确定。在本文中的APU舱灭火系统使用Halon 1301作为灭火剂。Halon型灭火剂具有灭火效率高，扩散快，低毒性，无腐蚀，喷射之后无残留等特点，是一种十分理想的灭火剂。

2.2 APU舱灭火剂用量的计算

对于使用Halon 1301灭火剂的发动机/APU舱，可用《飞机设计手册第13册动力装置系统设计》10.5.5.2章节中的经验公式，估算需要喷射的最小灭火剂量[2，3]。

本机型APU舱内最高的隔框高度小于15 cm，为浅框的舱。空气流量大，使用如下公式进行计算。

W=3(0.32V+0.25Wa)

式中：W——灭火剂剂量，kg；

Wa——在正常巡航状态下通过该区的空气流量，kg/s；

V——该区的净容积，m3。

通过测量某型飞机APU舱的二级样机三维数模，近似认为APU舱的净容积为1.5 m3。

根据公式，可算出APU舱需要喷射的最小灭火剂量为1.8 (kg)。考虑到灭火瓶内残留和喷射管路内壁上黏附的损耗，应在以上计算的基础上增加15%的灭火剂用量，则最终得出某型飞机APU舱需要喷射的最小灭火剂量约为2.07 kg。

3 APU舱灭火剂的仿真计算

为了计算APU舱内灭火剂的浓度数据，运用FLUENT作为分析工具进行模拟。运用FLUENT的稳态模型来模拟计算，首先将APU舱灭火系统的模型进行处理，转化为FLUENT能够处理的网格；然后对APU舱的进排气进行仿真，计算得到稳定的流场环境；最后设置灭火剂的参数，进行灭火剂喷射的仿真计算[4]。

3.1 APU舱模型网格化

运用FLUENT软件对APU舱进行分析，首先需要对模型进行网格化处理，本次试验中使用ICEM CFD工具处理模型，如图4所示[5]。

图4 某型飞机APU舱网格Fig.4 Grid model for APU compartment

3.2 APU舱通风冷却的仿真

对本次仿真实验中的进排气方案进行简化。空气通过COOL管道穿过滑油散热器，进入APU舱内，由尾喷管将舱内空气排出，如图5所示。

APU舱边界条件的具体设置如表2所示。

对APU舱流场计算的模型采用湍流标准κ-ε模型。图6为整个流场的速度流线图。从图6中可以看出，气流从入口进入以后，速度最大，环绕APU舱壁面，速度慢慢下降，最后从出口处流出，在舱内形成了一个稳定的流场。

图5 进排气方案Fig.5 Intake and exhaust scheme

入口流量0．49kg/s温度10℃出口105PaAPU表面温度90℃

图6 APU舱流场速度流线图Fig.6 APU Compartment air flow velocity flow chart

3.3 灭火剂浓度仿真计算

根据2.2节计算出的APU舱灭火剂的重量为2.07 kg，根据喷射时间的要求，在APU舱内设置两个灭火喷嘴。灭火喷嘴即为将管路压扁，在1.4 MPa工作压力下，灭火喷嘴工作流量为3.2 kg/s。

首先，取灭火喷嘴的位置如图7所示。

图7 APU舱灭火喷嘴位置(方案一)Fig.7 APU Fire nozzle position (plan A)

在Fluent中的设置与3.2通风冷却的设置相同，只是将定常流动改为非定常流动，另外增加材料和喷头的设置。

设置离散模型，选择喷洒模型中的droplet breakup模型，在喷头选项中选择液滴类型(droplet)，这一步骤使材料设置中添加了droplet partical类型，可以继续设置液体Halon的各项数据，在喷头设置界面，将Halon 1301灭火剂设置为从液体状态喷出，并雾化成气态。并开始进行仿真模拟。

仿真结果如图8所示。图8为每隔0.5 s的灭火剂浓度，从深到浅，代表浓度逐渐增大，6%的浓度为APU应该达到的浓度。

图8 方案一的模拟结果Fig.8 Simulation results for Plan A

观察图8，发现滑油散热器下方由于气流速度大，几乎没有灭火剂，更不能达到6%的浓度要求[6]。

对喷嘴位置进行优化，优化后的方案如图9所示。

优化后的方案仿真结果如图10所示。

图9 APU舱灭火喷嘴位置(方案二)Fig.9 APU Fire nozzle position (plan B)

图10 方案二的模拟结果Fig.10 Simulation results for plan B

3.4 仿真结果分析

通过对灭火喷嘴的位置进行优化后，整个APU舱内的浓度基本能够达到6%的浓度要求。在1.0 s时仅进气道附近的小范围区域尚未达到6%的浓度要求，虽然1.6 s时进气道附近的灭火剂浓度达到了要求，但是进气道下方的灭火剂浓度已经开始下降，随着时间的推移，灭火剂下方浓度快速降低，但是其它区域的浓度已经超过了9%。

4 结论

通过以上研究，最终确定了某型飞机APU舱的防火系统方案。采用独立的APU舱灭火系统，将灭火瓶布置在APU舱前防火墙外侧，设置两个灭火喷嘴，位置分布如图9所示。灭火瓶内填充2.07 kg灭火剂。

[1] CCAR-25-R4, 运输类飞机适航标准[S], 2001.

[2] 陈嵩禄. 飞机设计手册: 动力装置系统设计(第13册)[M]. 航空工业出版社, 2006, 467-469.

[3] MIL-E-22285, Extinguishing System, Fire, Aircraft, High-rate -discharge type, Installation and test[S].

[4] 朱红钧, 等. FLUENT流体分析工程案例精讲[M]. 电子工业出版社, 2013.

[5] 李丽. 飞机发动机舱灭火剂浓度测量[J]. 测控技术, 2008, 27:151-154.

[6] AC20-100, General Guidelines for Measuring Fire-Extinguishing Agent Concentrations in Power plant Compartments[S].

Design of fire extinguishing system for a certain type of aircraft APU compartment

NING Xiaolei, WANG Yu, WANG Jing, LIU Kang

(AVIC Research and Development Center, Xi’an 710089, China)

This paper aims to design a fire extinguishing system for a certain type of aircraft APU compartment. The installation of the fire extinguishing system and the installation position of the fire extinguisher bottle were studied based on the analysis models and the existing airworthiness clause. The required fire extinguishing agent is calculated. The Fluent simulation software is used to examine the fire extinguishing nozzle position and the effectiveness of extinguishing agent injection. The results provide useful reference for fire extinguishing system layout and optimization.

Fire fighting system design; Simulation calculation

2016-01-04；修改日期：2016-04-28

宁晓蕾(1986-)，女，中航工业研发中心设计员，研究方向为防火系统设计。

宁晓蕾，E-mail:ningxl148@sina.com

1004-5309(2016)-00234-05

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.12

X915.5

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