飛機發動機短艙防火墻結構和密封設計要求

胡寅寅　蔣祖武

【摘 要】短艙作為包裹發動機火區的結構，必須設計成能夠將火區與非火區完全隔離，以避免火區的火焰進入到其他區域引起災難性的后果。本文主要簡述了短艙防火墻結構與防火密封件的設計要求和方法，重點介紹了防火密封件設計時要考慮的幾大因素，為民用飛機發動機短艙的防火設計提供參考。

【關鍵詞】短艙；防火；密封件

0 引言

飛機發動機短艙結構是飛機的關鍵部件之一，主要包括進氣道、風扇罩、反推內部及外部裝置、尾噴結構，其功能是包裹發動機及其系統附件，飛行時主要承受氣動載荷，起整流作用。飛機動力裝置著火會對飛行安全造成嚴重威脅，若火焰竄出發動機短艙，可能蔓延至機翼油箱，造成機毀人亡的重大事故。因此，對發動機短艙結構的防火設計進行研究是十分必要的。本文簡述了短艙結構防火的設計方法，重點介紹短艙結構防火密封的設計方法及要求。

根據著火的3要素及火災產生的機理，將民用飛機各物理區域劃分為4種類型：火區、易燃區、可燃液體泄漏區和非危險區。發動機短艙核心艙和風扇艙由于同時存在點火源和可燃液體，劃分為火區。短艙作為包裹風扇火區和核心火區的結構，結構承擔著防火墻的功能，應滿足防火要求。

1 短艙結構防火設計

1.1 防火的定義

根據FAA咨詢通報AC20-135[1]對防火的定義：材料或結構，經受2000+/-150F°（即1100+/-65C°）火焰至少15分鐘仍能完成其設計目的的性能。對耐火的定義：材料或結構，經受2000+/-150F°（即1100+/-65C°）火焰至少5分鐘仍能完成其設計目的的性能。

1.2 設計要求

短艙結構防火設計適用的條款主要包括CCAR25.865，25.1181，

25.1191，25.1193，25.1207。

1.3 結構防火設計

適航條款CCAR-25[2]25.865要求位于指定火區或可能受到火區著火影響的鄰近區域內必不可少的飛行操縱系統、發動機架和其他飛行結構，必須用防火材料制造或加以屏蔽，使之能經受住著火的影響。對于非承載防火墻，根據AC20-135，定義了以下厚度的材料可以接受：不銹鋼厚度大于0.015in（0.381mm），防腐蝕低碳鋼板厚度大于0.018in（0.457mm），鈦合金板厚度大于0.016in（0.406mm），蒙乃爾板厚度大于0.018in（0.457mm），鋼或銅基合金的防火接頭/緊固件，認為其滿足防火要求且不必進行附加的試驗。鈦合金板材料密度低、比強度高、耐腐蝕、耐高溫、組織性能穩定性好，且具有綜合的優良性能，是防火墻常用的材料。

對于承載防火墻，咨詢通報AC25.865-1Draft提供了以下3種表明25.865條款符合性的方法：

1）采用防火材料，例如鋼或鎳基合金等；

2）零部件設計成在可能發生的起火狀態下仍然能夠滿足結構功能要求，不影響飛行安全；

3）零部件采用防火墻保護以能夠承受著火狀態的影響。

因此，如果承力的防火墻為鋼或鎳基合金，則無需對著火狀態下（2000±150°F火焰）15分鐘內承受飛行載荷進行額外的符合性驗證。如果使用的是其它材料，則需要通過強度計算分析或者試驗驗證，證明其在著火情況下仍能夠滿足載荷傳遞的要求。

防火墻上的小開口，不會產生重要的外部載荷，僅僅為功能部件，按照AC20-135的解釋，可以選取高溫材料滿足防火要求。對可能引起外部載荷的結構開口，由于本身承擔了結構傳載的作用，一般鋪設隔熱毯隔離保護。

防火墻的穿墻接頭，應使用防火密封件進行防火封嚴，防火密封件的設計與防火墻設計同等要求。

1.4 防火密封件的設計

密封件的設計要滿足以下基本要求：

1.4.1 重量要求

設計應盡可能減輕密封件重量，滿足相關重量指標。

1.4.2 互換性要求

密封件結構盡量簡單緊湊，應滿足互換要求。

1.4.3 工作環境要求

密封件應滿足RTCA-DO-160G[3]要求。

1.4.4 耐久性要求

密封件的壽命應與飛機的壽命相匹配，滿足飛機的長壽命使用要求。

1.4.5 性能要求

在一定的流速、壓力和溫度范圍內具有良好的密封性能和耐介質性能。

1.4.6 安裝及維護

要求易于安裝和更換。要求在不拆卸部件的情況下，可以方便更換密封件為了便于維護，要求所有的密封件可方便拆卸和更換。發動機短艙接口的密封大多選用P形和Ω形截面。P形截面的密封件選用托板螺母連接。Ω形密封件通過凹槽連接，安裝時，先將凹槽通過鉚釘固定在結構上，然后擠壓密封件將其安裝在凹槽內。兩種形式具有較好的維護性。

1.4.7 材料要求

密封材料應滿足密封功能的要求。由于被密封的介質不同，以及工作條件不同，要求密封材料具有不同的適用性。密封零件一般采用橡膠材料，橡膠是一種彈性高分子材料。常見的有氯丁橡膠、丁腈橡膠、氟橡膠、硅橡膠等。氯丁橡膠、丁腈橡膠、氟橡膠的工作溫度大約為-65°～120°C，硅橡膠的工作溫度大約為-65°～230°C。由于火區的工作溫度較高，因此選用硅橡膠材料，并添加織物包覆層增強其抗磨損性能。

1.4.8 壓力和機械載荷要求

作為防火墻的密封，密封件承擔隔離火區與非火區的功能，應確保整個飛行包線內發生著火工況時，任何危險的液體、氣體或火焰不能通過火區到達非火區的零件和結構。因此，密封件要根據整個飛行包線的壓力載荷和機械載荷來選擇設計。

密封件上的壓力載荷通常是由于密封件隔離的火區與非火區之間的壓差引起的。密封件分布在吊掛腔、風扇腔、核心腔、風扇涵道等不同區域。短艙核心艙和風扇艙均有通風設計，多處設計了引氣口從外涵道引氣以降低核心艙和風扇艙內的溫度。因此，不同位置的密封件兩側壓力均不同。用于隔離風扇艙與外部自由氣流之間的防火密封件，由于壓力載荷小，通常采用指形或低壓球型密封件，如風扇罩外側兩個半罩體之間的密封件；用于隔離核心艙與風扇涵道之間的防火密封件，由于壓力載荷較大，通常采用高壓球型密封件。防火密封件之間還需要布置有密封接頭將每一段密封件連接在一起，以保證密封件在短艙中的連續性。

密封件上的機械載荷主要由3部分引起：裝配公差、熱變形和機械受載變形。裝配公差由單個零件的制造公差、工裝定義以及零件的裝配順序決定。熱變形和機械變形是不同工況下，結構的環境溫度及結構承載發生變化，導致密封件承受的載荷也相應改變。熱變形和機械變形可以通過有限元模型加載相應的熱邊界和載荷邊界計算分析得到。將這3種變形疊加在一起即為總的機械載荷。以此為設計輸入，計算密封件硬度、最大/最小壓縮量，從而設計合理的截面尺寸。

密封件的設計完成后，還需對其防火性能進行驗證。基于國內目前的技術水平，一般采取試驗的方法對其進行防火性能驗證。

2 結束語

本文根據發動機短艙適航條款要求，對防火墻結構及密封件的設計要求進行了總結和解釋。重點介紹了防火密封件設計時要考慮的幾大因素，為民用飛機發動機短艙的防火設計提供借鑒和指導。

【參考文獻】

[1]FAA Advisory Circular NO.20-135 Powerplant installation and propulsion system component fire protection test methods， standards， and criteria[S].USA： Federal Aviation Administration，1990.

[2]CCAR-25-R4運輸類飛機適航標準[S].北京：中國民用航空局，2011.

[3]RTCA Inc， DO-160G， Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment.2010[S].

[責任編輯：王楠]