直升機滅火系統管網水力計算

李松松 李 春 樊曉峰

（1、中國直升機設計研究所，江西 景德鎮333000 2、西藏軍區航空保障處，西藏 拉薩850000）

1 概述

飛行器的滅火安全性能，直接影響到飛行器在飛行中出現火災時的飛行安全。因此現代飛行器對滅火系統設計有著嚴格的設計要求。直升機作為重要的飛行器之一，火災安全性能對直升機的生存能力有著重要影響[1]。水力計算是評估直升機滅火系統可靠性、經濟性及合理性的一項重要設計內容。直升機滅火系統水力計算的目的，一是在滿足系統及噴嘴壓力的同時，選取合適的管徑，盡可能達到減重優化設計；二是在方案階段評估管路布局是否合理；三是設計滅火劑達到發動機艙內每個噴頭的流阻，從而控制每個噴頭滅火劑的流量分配。

直升機滅火管路設計布置是為了給防護區提供規定的滅火劑濃度，達到滅火要求。有學者做了大量哈龍1301 滅火劑釋放的試驗、仿真等，分別研究了管徑、管內壓力、流量、噴射時間等重要參數[2]變化情況，仿真和試驗表明，管徑對滅火劑釋放有重要影響[3]。管徑大小對管內滅火劑分布有至關重要影響，已有的對管內哈龍滅火劑流動特性的研究表明[4-5]，管內滅火劑密度隨壓力的變化關系直接影響管道壓降。因此對滅火系統水力計算，分析設計的管路系統中管徑、壓力、滅火劑密度等是否能達到設計要求，對之后滅火劑能否達到規定濃度是非常必要的。

2 滅火系統管網水力計算

圖1 管網計算流程圖

由于滅火劑釋放是由滅火瓶內增壓氮氣驅動，在滅火劑釋放過程中驅動壓力不斷變化，因此滅火系統在釋放滅火劑的瞬時狀態的流體計算較為復雜，不利于工程計算。在滅火劑噴射中期，此時管網模型相對簡單，計算簡便，因此滅火管路設計計算主要采用中期工作狀態法。

中期工作狀態法的核心是通過管徑、壓力、流量之間的相互關系，由目標流量可以得到設計管徑，根據已有學者研究成果，可以較為準確的計算出管網系統的壓力和管徑，從而可以較為準確的計算出管網系統流量和噴射速率。

滅火系統管網水力計算步驟如圖1 所示。初始流量可以根據滅火系統管網設計要求的平均流量公式（1）估測,管徑大小直接影響管網系統水力特性，最佳管徑的確定，往往需要多次校核迭代計算得出，在全新系統的管網設計中，管徑可按照公式（2）估測進行初始化，并且管徑的選擇應滿足公式（3）的要求。而在直升機滅火系統中，傳統設計中管徑的選擇主要根據以往的設計經驗，選擇的幾個特定的管徑。為優化后期的管網設計，增強正向設計能力，在后期的型號設計中，逐步引入管網水力計算，優化滅火系統管網設計如圖1。

式中，Qm為系統平均設計流量；D 為管道內徑；Dmax為最大管道內徑；M為滅火劑設計用量；td為滅火劑噴射時間。在水力計算時，由于管道內壓力并不能直接確定，因此管道內的滅火劑濃度也不能確定，工程上一般采用修正后的滅火劑百分比計算式，直升機滅火系統一般采用4.2MPa 充填壓力，中期管網滅火劑質量百分比按公式（4）進行估算[6]，計算結果應滿足公式（5）的限制，否則需要重新選擇管徑，布置管網分布。

中期管網壓力計算主要按照氣液兩相的特性進行推導其壓力損失。為方便工程應用，已有學者通過推導簡化計算，適用工程計算的壓力損失公式如式（6）所示。

式中，q 為鹵代烷1301設計流量，kg/s；l 為管道長度；Z 為密度系數；Y2為管段末端壓力系統值，MPa·kg/m3；Z2為管段末端密度系數值；Z1為始端密度系數值；A，B 為鹵代烷1301 管道簡化系數。

3 直升機滅火系統工程設計實例

通過上面對管網水力計算流程分析，接下來以直升機某型號機作為水力計算分析對象，某發動機艙的基本設計參數表1 所示。

表1 滅火系統基本參數

3.1 管網計算參數

由于直升機動力艙內構型復雜，各個系統較多，空間有限，滅火系統管路在每段管路中都出現了90 度彎頭或者三通接頭，并且其當量長度都大于實際的管路長度，因此在90 度彎頭和三通接頭處的壓力損失要大于管路的壓力損失。在管路設計時，應盡量減少彎頭和三通接頭，避免沿程阻力損失。由公式（4）得到中期管內滅火劑百分比33.37%，滿足管網內滅火劑百分比不應大于80%的要求，因此充裝密度滿足管網布局的要求（表2）。

3.2 管段壓力計算

表2 滅火系統管網計算

表3 各管段壓力計算

圖2 管段壓力損失

4 結論

本文通過對某直升機發動機艙滅火系統管網水力計算，分析了管網滅火劑百分比和整個管網系統各個管段壓損，計算結果表明，現有的管路設計滿足工程設計要求，并利用管網水力計算，分析了管網設計中減重的方向，提升了滅火管路系統的正向設計。