直升机灭火系统管网水力计算

2021-04-24李松松樊晓峰

科学技术创新 2021年8期

李松松李春樊晓峰

（1、中国直升机设计研究所，江西景德镇333000 2、西藏军区航空保障处，西藏拉萨850000）

1 概述

飞行器的灭火安全性能，直接影响到飞行器在飞行中出现火灾时的飞行安全。因此现代飞行器对灭火系统设计有着严格的设计要求。直升机作为重要的飞行器之一，火灾安全性能对直升机的生存能力有着重要影响[1]。水力计算是评估直升机灭火系统可靠性、经济性及合理性的一项重要设计内容。直升机灭火系统水力计算的目的，一是在满足系统及喷嘴压力的同时，选取合适的管径，尽可能达到减重优化设计；二是在方案阶段评估管路布局是否合理；三是设计灭火剂达到发动机舱内每个喷头的流阻，从而控制每个喷头灭火剂的流量分配。

直升机灭火管路设计布置是为了给防护区提供规定的灭火剂浓度，达到灭火要求。有学者做了大量哈龙1301 灭火剂释放的试验、仿真等，分别研究了管径、管内压力、流量、喷射时间等重要参数[2]变化情况，仿真和试验表明，管径对灭火剂释放有重要影响[3]。管径大小对管内灭火剂分布有至关重要影响，已有的对管内哈龙灭火剂流动特性的研究表明[4-5]，管内灭火剂密度随压力的变化关系直接影响管道压降。因此对灭火系统水力计算，分析设计的管路系统中管径、压力、灭火剂密度等是否能达到设计要求，对之后灭火剂能否达到规定浓度是非常必要的。

2 灭火系统管网水力计算

图1 管网计算流程图

由于灭火剂释放是由灭火瓶内增压氮气驱动，在灭火剂释放过程中驱动压力不断变化，因此灭火系统在释放灭火剂的瞬时状态的流体计算较为复杂，不利于工程计算。在灭火剂喷射中期，此时管网模型相对简单，计算简便，因此灭火管路设计计算主要采用中期工作状态法。

中期工作状态法的核心是通过管径、压力、流量之间的相互关系，由目标流量可以得到设计管径，根据已有学者研究成果，可以较为准确的计算出管网系统的压力和管径，从而可以较为准确的计算出管网系统流量和喷射速率。

灭火系统管网水力计算步骤如图1 所示。初始流量可以根据灭火系统管网设计要求的平均流量公式（1）估测,管径大小直接影响管网系统水力特性，最佳管径的确定，往往需要多次校核迭代计算得出，在全新系统的管网设计中，管径可按照公式（2）估测进行初始化，并且管径的选择应满足公式（3）的要求。而在直升机灭火系统中，传统设计中管径的选择主要根据以往的设计经验，选择的几个特定的管径。为优化后期的管网设计，增强正向设计能力，在后期的型号设计中，逐步引入管网水力计算，优化灭火系统管网设计如图1。

式中，Qm为系统平均设计流量；D 为管道内径；Dmax为最大管道内径；M为灭火剂设计用量；td为灭火剂喷射时间。在水力计算时，由于管道内压力并不能直接确定，因此管道内的灭火剂浓度也不能确定，工程上一般采用修正后的灭火剂百分比计算式，直升机灭火系统一般采用4.2MPa 充填压力，中期管网灭火剂质量百分比按公式（4）进行估算[6]，计算结果应满足公式（5）的限制，否则需要重新选择管径，布置管网分布。

中期管网压力计算主要按照气液两相的特性进行推导其压力损失。为方便工程应用，已有学者通过推导简化计算，适用工程计算的压力损失公式如式（6）所示。

式中，q 为卤代烷1301设计流量，kg/s；l 为管道长度；Z 为密度系数；Y2为管段末端压力系统值，MPa·kg/m3；Z2为管段末端密度系数值；Z1为始端密度系数值；A，B 为卤代烷1301 管道简化系数。

3 直升机灭火系统工程设计实例

通过上面对管网水力计算流程分析，接下来以直升机某型号机作为水力计算分析对象，某发动机舱的基本设计参数表1 所示。

表1 灭火系统基本参数

3.1 管网计算参数

由于直升机动力舱内构型复杂，各个系统较多，空间有限，灭火系统管路在每段管路中都出现了90 度弯头或者三通接头，并且其当量长度都大于实际的管路长度，因此在90 度弯头和三通接头处的压力损失要大于管路的压力损失。在管路设计时，应尽量减少弯头和三通接头，避免沿程阻力损失。由公式（4）得到中期管内灭火剂百分比33.37%，满足管网内灭火剂百分比不应大于80%的要求，因此充装密度满足管网布局的要求（表2）。