民用涡扇发动机短舱防火设计

刘钊 徐燕 丁晨

摘  要：民用涡扇发动机短舱作为动力装置火区的外部边界，必须起到火焰的隔离和包容作用，以免火焰窜出短舱蔓延至机翼油箱等重要部位，对飞行安全造成严重威胁。随着民用飞机安全性要求的不断提高，适航当局对动力装置的防火设计提出了越来越严格的要求。文章从火区分类出发，研究短舱火区及可燃液体泄漏区的防火设计。

关键词：短舱;防火;适航

中图分类号：V263          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）20-0071-02

Abstract： As the outer boundary of the fire zone of the power plant， the civil turbofan engine cabin must play the role of flame isolation and containment， so as to prevent the flame from escaping the nacelle and spreading to important parts such as the wing fuel tank， which poses a serious threat to flight safety. With the continuous improvement of the safety requirements of civil aircraft， the airworthiness authorities have put more and more strict requirements on the fire protection design of power plants. Based on the classification of fire zones， this paper studies the fire protection design of short cabin fire zones and combustible liquid leakage zones.

Keywords： short cabin; fire prevention; airworthiness

1 概述

民用涡扇发动机短舱一般包括进气道、风扇罩、反推力装置及喷管。起飞机进气、整流、降噪、减速及保护发动机等作用，是动力装置重要的组成部分。

飞机的防火设计包括“防火”和“耐火”两种。防火是指零部件曝露在热场或其他特定环境中，可以承受1100℃（约2000？埘）的平均火焰温度至少15分钟，而保持原有功能或结构完整性的能力;耐火是指零部件曝露在热场或其他特定环境中，可以承受1100℃（约2000？埘）的平均火焰温度至少5分钟，而保持原有功能或结构完整性的能力[1]。判断防/耐火的设计等级主要根据零部件在着火工况下的功能确定。短舱作为火区外部边界，必须起到火焰隔离及包容的作用，以免火焰窜出短舱，蔓延至飞机重要部位，引发灾难性后果。

2 火区划分

根据着火的3要素及火灾产生的机理，可将飞机物理区域划分为5种类型：指定火区[2]、火区、可燃液体泄漏区、易燃区和非危险区。指定火区是指CCAR 25.1181中明确列出的：（1）发动机动力部分;（2）发动机附件部分;（3）发动机动力部分和附件之间没有隔开的整个动力装置舱，（4）辅助动力装置舱;（5）燃油燃烧加温器和其它燃烧设备及其安装部分;（6）涡轮发动机的压气机和附件部分;（7）

包含输送可燃液体或气体管路或组件的涡轮发动机安装的燃烧室、涡轮和尾喷管部分;火区是指包含名义火源（正常工作情况下即被当作点火源）的可燃液体泄漏区;可燃液体泄漏区是指由于某种失效工况会产生可燃液体或蒸汽泄漏的区域;易燃区是指在正常工况下有可燃液体存在，但不存在火源的区域;非危险区是指可能存在火源，但不存在可燃物的区域。

典型涡扇发动机短舱与发动机本体构成5个独立的舱室：进气道舱、风扇舱、反推舱、核心机舱及喷管，如图1。根据火区划分定义及原则，进气道舱和喷管因不存在可燃物而被划分为非危险区;核心机舱为指定火区;风扇舱根据附件齿轮箱（AGB）的安装位置可定义为可燃液体泄漏区或指定火区，即若AGB安装在风扇舱，则定义该舱为指定火区，否则为可燃液体泄漏区;移动罩舱可根据反推类型定义为可燃液体泄漏区或非危险区，若使用液压反推则定义该舱为可燃液体泄漏区，若使用电反推则定义该舱为非危险区;喷管因没有可燃液体及蒸气存在，为非危险区。

3 指定火区防火设计

根据CCAR25.1181，指定火区必须满足25.863、25.865、25.867、25.869及25.1185～25.1203条要求，即必须有措施尽量减少液体和蒸气点燃的概率及万一点燃后的危险后果。具体设计包括火灾预防设计、火焰包容设计、着火探测及灭火设计[3]。

3.1 火灾预防

短舱指定火区的火灾预防手段包括：（1）减少易燃材料的着火危害，即使用引发着火和火焰蔓延可能性小的材料。若短舱火区使用了钛材、镁材、复合材料及吸附性材料，那必须对这几种材料的防火性能加以评估;（2）减少安装的着火隐患。尽量将电气设备和电缆安装在可燃液体管路上方，减小泄漏的可燃液体与电弧接触的几率。同时在易燃流体输送管路与电缆之间留有安全间隙，以防止两者相互摩擦损伤电缆绝缘层并导致管路泄漏，从而引发着火等;（3）对高温火源采取隔离措施，避免火源及可燃液体的接触。如在高温气体管路表面包裹一层隔热毯，或对高温引气管路采用双层套管的设计，减小管路爆破引发的着火危害等;（4）电气搭接。在短舱指定火区内任何容易产生静电的地方都必须有电搭接设计，避免闪电电弧、静电电弧、摩擦电火花等潜在火源的产生;（5）通风&排液设计。必须阻止易燃物质、腐蚀性的流体和易爆气体在发动机舱内的聚集，并达到适航接受的最小通风换气速度及短舱积液量。同时通风口不得设置在其它火区的可燃液体、蒸汽或火焰会进入的部位，使容有可燃液體的任何组件失效或故障引起的危险减至最小。

3.2 火焰包容

指定火区必须采用防火墙、防火封严等防火包容设计，防止着火工况下火焰蔓延到飞机其他区域。短舱防火墙包括风扇罩、进气道后隔框及反推扭矩盒等（风扇舱火区），反推核心机舱罩及尾喷管（核心机舱火区）。具体设计要求包括：（1）防火墙材料满足防火及防腐要求[2];（2）在防火墙设计分离面处（如风扇罩与拇指罩之间的分离面等）设计防火封严结构，防止危险量的空气、液体或火焰从该舱进入飞机其他部分;（3）防火墙上的穿墙接头（如进气道后隔框上的防冰引气管接头）都用紧配合的防火衬套或防火墙转接头进行封严;（4）防火墙上各类开口位置（如风扇罩上通风口、排液口、泄压口等）不能使得火区内的火焰穿出后危及飞机的飞行安全和着陆;（5）连接防火墙的重要

接头（如铰链和锁扣）在着火情况下必须保证15min内维持防火墙的完整性;（6）防火墙必须有防止由于闪电、静电及摩擦等导致电弧的设计。

3.3 防火探测及灭火系统

指定火区内必须设置探测系统及灭火系统。火警探测及灭火系统在指定火区内进行防火探测和监控，一旦发出危险警报信号，并经飞行员确认后开启灭火系统进行灭火。火警探测系统的数量和位置要能保证迅速探测指定火区的火警，其构造和安装必须符合25.1203中规定的要求;灭火系统、灭火剂、灭火瓶及灭火系统材料必须满足25.1195至25.1201中规定的要求[3]。

3.4 火区内短舱部件的防火设计

短舱指定火区内的短舱部件主要包括EBU系统部件，反推TRAS系统部件及安装节。

EBU及TRAS系统部件的防火等级可以根据“火灾模型”中5分钟或15分钟中需保持的功能或维护的安全性来评定防火/耐火等级来确定。即所有短舱部件必须满足发动机前5分钟内慢车运行，后10分钟内处于风车状态的要求[2]。

为避免火区内闪电电弧、静电电弧、摩擦电火花等潜在火源的产生，要求短舱指定火区内的部件必须采取电搭接设计;在存相对摩擦的部位，采取润滑设计，避免摩擦起电。

4 可燃液体泄漏区防火设计

可燃液体泄漏区域火区的主要区别在于，火区内单次失效事件可能会引发着火，可燃液体泄漏区需要两次单独的失效事件才会引发着火，即一次失效事件引发火源，另一次失效事件引发可燃流体泄漏。

不包含AGB的风扇舱及采用液压式反推的反推舱都属于可燃液体泄漏区。对于可燃液体泄漏区，首先需判断该舱是否包含潜在火源（即某些失效工况下可能会产生的火源）。若不存在潜在火源，则需对风扇舱进行通风和排液设计，以减少可燃液体或蒸汽的聚集;若存在潜在火源，则需要按照指定火区中所有火灾预防的手段开展防火设计。同时，需定量评估导致液体泄漏和高温火源发生的多个失效事件同时发生的概率，确保满足安全性设计要求。

5 结束语

本文参照CCAR适航条款的要求，根据着火机理对短舱不同舱室进行火区划分，梳理各类型火区内的短舱部件防火设计要求及方法，为民用涡扇发动机短舱防火设计提供借鉴和指导。

参考文献：

[1]AC 20-135 Power plant Installation and Propulsion System Component Fire Protection Test Methods， Standards， and Criteria[Z].

[2]CCAR-33R2.航空发动机适航规定[S].

[3]CCAR 25R4.运输类飛机适航标准[S].