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民用飛機(jī)超細(xì)干粉滅火系統(tǒng)噴射試驗(yàn)研究

The Research on Discharge Performance of Civil Aircraft Fine Dry Powder Fire Extinguishing System

宣揚(yáng) / Xuan Yang

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

0引言

隨著哈龍滅火劑被禁用，其使用范圍在不斷縮小。政府、適航當(dāng)局、民用航空工業(yè)界都在積極努力地尋找哈龍滅火劑的替代產(chǎn)品。目前航空工業(yè)界比較關(guān)注HFC-125、Novec1230、CF3I和NaHCO3超細(xì)干粉滅火劑，并開展了大量的研究[1-4]。FAA也已經(jīng)對(duì)多種環(huán)保滅火劑、細(xì)水霧滅火系統(tǒng)[5]、惰化氣體抑制系統(tǒng)[6]進(jìn)行了多項(xiàng)研究。

NaHCO3超細(xì)干粉滅火劑在發(fā)動(dòng)機(jī)/APU艙的使用是一個(gè)新的研究課題。這種滅火劑具有極高的滅火效率，每立方米的保護(hù)空間僅需要100g~200g滅火劑，且完全環(huán)保。在對(duì)滅火劑添加了特殊的添加劑之后，超細(xì)干粉滅火劑能表現(xiàn)出類似流體的狀態(tài)，能夠在固定式滅火管網(wǎng)系統(tǒng)中類似于液體一樣的輸送，并能在保護(hù)空間中隨氣流迅速擴(kuò)散，通過發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的冷卻氣流來覆蓋整個(gè)火區(qū)。美國(guó)的凱德航空和防務(wù)公司(Kidde Aerospace & Defense)專門研發(fā)了用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的NaHCO3滅火劑，并已與FAA合作進(jìn)行了大量試驗(yàn)，包括滅火劑的最低性能試驗(yàn)、小尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)火災(zāi)模擬試驗(yàn)、高低通風(fēng)量下的油霧火及油池火試驗(yàn)、全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)模擬艙管網(wǎng)釋放試驗(yàn)和波音747試驗(yàn)平臺(tái)真實(shí)滅火試驗(yàn)。目前FAA初步評(píng)估該滅火劑的滅火標(biāo)準(zhǔn)為125g/m3。

滅火系統(tǒng)的管網(wǎng)設(shè)計(jì)對(duì)滅火劑的噴射性能具有決定性影響。由氮?dú)饧訅汉屯苿?dòng)的NaHCO3超細(xì)干粉滅火劑在管網(wǎng)內(nèi)的流動(dòng)是典型的氣/固兩相流動(dòng)，流動(dòng)情況復(fù)雜，難以通過理論分析或建模計(jì)算等手段對(duì)其性能進(jìn)行分析，因此搭建基于民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)滅火系統(tǒng)管網(wǎng)的超細(xì)干粉滅火系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)，開展超細(xì)干粉滅火系統(tǒng)噴射試驗(yàn)，目的是對(duì)滅火系統(tǒng)的噴射性能進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)估和分析。本試驗(yàn)研究基于前期的超細(xì)干粉管內(nèi)管流阻損失試驗(yàn)開展[7]。

1試驗(yàn)用超細(xì)干粉滅火劑物性指標(biāo)

本文中試驗(yàn)用NaHCO3超細(xì)干粉滅火劑的具體物性指標(biāo)如表1所示。

表1　超細(xì)干粉滅火劑物性指標(biāo)

2試驗(yàn)方法

2.1　試驗(yàn)臺(tái)及試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)臺(tái)中所使用的設(shè)備包括滅火瓶、瓶頭閥、瓶頭閥啟動(dòng)裝置、被測(cè)管路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。滅火瓶用于高壓存儲(chǔ)滅火劑，瓶頭閥用于控制滅火劑的釋放。瓶頭閥啟動(dòng)裝置由高壓氣體瓶、電磁閥和氣動(dòng)裝置組成，可快速開啟瓶頭閥，以模擬實(shí)際中使用爆炸帽釋放滅火劑的情況。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過布置在被測(cè)管網(wǎng)中的壓力傳感器采集管內(nèi)流動(dòng)的壓力數(shù)據(jù)。試驗(yàn)臺(tái)示意圖如圖1所示，主要設(shè)備如圖2所示。

2.2　試驗(yàn)管網(wǎng)

本試驗(yàn)中所使用的導(dǎo)管材料為不銹鋼，內(nèi)徑16mm，壁厚1mm，采用角鋼安裝支撐。管網(wǎng)走向和布局與某型飛機(jī)的左發(fā)動(dòng)機(jī)滅火系統(tǒng)管網(wǎng)一致，接頭數(shù)量相同，并考慮了管網(wǎng)揚(yáng)程變化。試驗(yàn)管網(wǎng)上共布置了3個(gè)壓力傳感器，分別安裝在滅火瓶出口、核心艙出口和風(fēng)扇艙出口，采集噴射過程中這幾處的壓力變化情況，判斷壓損和噴射時(shí)間。這三個(gè)采樣點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)具有代表性。管網(wǎng)安裝如圖3所示。

本試驗(yàn)管網(wǎng)約16m，試驗(yàn)滅火劑9kg。

圖1　超細(xì)干粉滅火系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)示意圖

(a)滅火瓶

(b)壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖2　主要的試驗(yàn)設(shè)備

2.3　試驗(yàn)前準(zhǔn)備及方法

(1)打開數(shù)據(jù)采集與圖像采集記錄系統(tǒng)，待系統(tǒng)穩(wěn)定；

(2)按連接被測(cè)管路，將滅火瓶安裝于機(jī)架；

(3)依次將瓶頭閥、啟動(dòng)裝置、被測(cè)管路、測(cè)試儀器等相關(guān)部件接入試驗(yàn)系統(tǒng)；

(4)檢查管路系統(tǒng)密封性；

(5)將準(zhǔn)確稱量的滅火劑充入滅火瓶，并充裝至試驗(yàn)壓力；

(6)檢查試驗(yàn)裝置是否正確安裝；

(7)打開啟動(dòng)裝置，釋放滅火劑，同時(shí)實(shí)時(shí)測(cè)量3個(gè)典型位置的壓力數(shù)據(jù)，并繪制“壓力—時(shí)間”曲線；

(8)滅火劑釋放完畢后，斷開被測(cè)管路，卸下啟動(dòng)裝置和瓶頭閥，保存采集的數(shù)據(jù)；

(9)用高壓氣體沖洗滅火瓶和被測(cè)管路；

(10)重復(fù)3~9步驟三次，分別記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖3　試驗(yàn)管網(wǎng)的實(shí)際安裝

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1　試驗(yàn)結(jié)果

圖4是連續(xù)3次中一次試驗(yàn)的壓力隨時(shí)間的變化曲線。三次試驗(yàn)數(shù)據(jù)保持了良好的一致性。

圖4　試驗(yàn)所測(cè)“壓力——時(shí)間”曲線圖

從壓力變化曲線可看出，隨時(shí)間變化，管路中會(huì)出現(xiàn)兩次壓力峰值，這是由于固體滅火劑和氮?dú)鈨上嗔鲃?dòng)的特點(diǎn)形成的，基本表征了滅火劑到達(dá)傳感器的時(shí)間和后續(xù)瓶?jī)?nèi)高壓氮?dú)膺_(dá)到傳感器的時(shí)間，這種特征也同樣出現(xiàn)在直管沿程損失試驗(yàn)之中。

由于充裝壓力很高，氣/固兩相流體在管路中的流動(dòng)非常迅速，三個(gè)傳感器壓力峰值的出現(xiàn)時(shí)間幾乎相同。在兩個(gè)壓力峰值之間的壓力幾乎為線性變化，這段時(shí)間內(nèi)傳感器位置處工質(zhì)主要為固體滅火劑，氮?dú)饣旌显诠腆w滅火劑顆粒的間隙中，持續(xù)時(shí)間約為0.5s，該段也可以看作滅火劑的穩(wěn)定流動(dòng)階段。而第二個(gè)峰值之后壓力呈二次曲線變化，主要為氮?dú)獾呐蛎浗祲哼^程，并混合有部分固體滅火劑，持續(xù)時(shí)間約為0.75s。根據(jù)曲線可以判斷出整個(gè)管網(wǎng)的噴射時(shí)間約為1.5s(下降至兩個(gè)出口處壓力為0的時(shí)間)，平均流量為6kg/s。

管網(wǎng)進(jìn)口處的壓力變化較兩個(gè)出口位置的變化更為顯著，且明顯高于兩個(gè)出口處的壓力值，這主要是由兩個(gè)原因造成的：(1)管路長(zhǎng)度較長(zhǎng)，管網(wǎng)內(nèi)體積較大，高壓氮?dú)饽茉谄渲型瓿梢欢ǖ呐蛎浗祲海?2)管網(wǎng)形狀較復(fù)雜，管接頭和管路彎曲多并有一段上升管路，沿程和高程壓損都較大。這對(duì)整個(gè)管網(wǎng)的噴射是不利的。

在穩(wěn)定流動(dòng)階段末期，進(jìn)口處與風(fēng)扇艙出口處和核心艙出口處的壓力差(靜壓)分別約為2.8Mpa和3.1Mpa，絕對(duì)壓力值約為0.4Mpa和0.1Mpa。可見通往核心艙滅火噴嘴的導(dǎo)管流阻更大，這主要因?yàn)樵谌ń宇^之后，流向風(fēng)扇艙導(dǎo)管形狀比流向核心艙的導(dǎo)管簡(jiǎn)單。同時(shí)連接風(fēng)扇艙導(dǎo)管的三通接頭出口與入口為直線，而與連接核心艙導(dǎo)管的出口呈90°彎曲，這樣導(dǎo)致滅火劑更容易流向風(fēng)扇艙。

根據(jù)噴嘴流量公式(見式(1)，其中q為流量，k為噴嘴的流量系數(shù)，p為噴嘴處的壓力)可知，在噴嘴幾何特征及流動(dòng)介質(zhì)相同的情況下，各噴嘴處的流量與該處壓力的平方根成正比。

(1)

經(jīng)計(jì)算可得，風(fēng)扇艙噴嘴處的流量與核心艙噴嘴處的流量之比約為2:1，在同時(shí)釋放的情況下，噴入風(fēng)扇艙的滅火劑約為75%，噴入核心艙的滅火劑約為25%。

根據(jù)該型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇艙和核心艙滅火劑的劑量分配計(jì)算，風(fēng)扇艙需要約71%的滅火劑，而剩下的29%則需要輸送至核心艙。可見按照目前的管網(wǎng)設(shè)計(jì)，輸送至風(fēng)扇艙的滅火劑量較為富余而核心艙滅火劑稍有不足，但與設(shè)計(jì)目標(biāo)差距較小，可修改優(yōu)化管網(wǎng)調(diào)整至目標(biāo)艙的滅火劑比例。

3.2　滅火劑濃度初步分析

(2)

M=C·V

(3)

(4)

風(fēng)扇艙和核心艙滅火劑濃度隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。通過估算可以看出兩個(gè)艙內(nèi)的滅火劑濃度基本呈線性變化。風(fēng)扇艙滅火劑濃度的增加速度明顯高于核心艙滅火劑濃度。當(dāng)滅火劑噴射結(jié)束時(shí)，風(fēng)扇艙內(nèi)的滅火劑濃度約為2.2kg/m3，核心艙內(nèi)滅火劑濃度為1.34kg/m3，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)滅火濃度125g/m3。在實(shí)際應(yīng)用中，艙內(nèi)的滅火劑濃度分布是不夠均勻的，而且擴(kuò)散過程需要一定時(shí)間，因此真實(shí)的滅火劑濃度應(yīng)低于本文的計(jì)算值。

圖5　估算的滅火劑濃度隨時(shí)間變化曲線

4結(jié)論

本文以某型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)滅火系統(tǒng)管網(wǎng)為基礎(chǔ)，搭建了一套NaHCO3超細(xì)干粉滅火系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，并在該試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行3次試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果初步表明滅火系統(tǒng)的噴射流量能夠滿足滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，經(jīng)計(jì)算出的滅火劑在艙內(nèi)的濃度也高于標(biāo)準(zhǔn)NaHCO3超細(xì)干粉滅火濃度，初步驗(yàn)證了該滅火系統(tǒng)的噴射性能。利用飛機(jī)上現(xiàn)有滅火系統(tǒng)管網(wǎng)可以較方便的替換為超細(xì)干粉滅火劑就能滿足滅火系統(tǒng)性能，隨著超細(xì)干粉滅火劑的研究深入和改進(jìn)，將有可能應(yīng)用于民用飛機(jī)固定式滅火系統(tǒng)中。本文所使用的計(jì)算模型僅用于支持系統(tǒng)初步性能分析，滅火系統(tǒng)的實(shí)際性能仍需要通過試飛試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

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摘要：

NaHCO3超細(xì)干粉滅火劑具有環(huán)保高效的優(yōu)點(diǎn)，有可能替代現(xiàn)有民用飛機(jī)上常見的哈龍1301滅火劑，應(yīng)用于未來民用飛機(jī)固定式滅火系統(tǒng)上。以某型民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)滅火系統(tǒng)為基礎(chǔ)，搭建了NaHCO3超細(xì)干粉滅火系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，開展了該滅火系統(tǒng)的噴射性能試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明滅火系統(tǒng)平均流量較大，性能較好，但仍需要修改管網(wǎng)設(shè)計(jì)調(diào)整滅火劑在風(fēng)扇艙和核心艙的分配比例。初步的滅火劑濃度分析也表明目前的管網(wǎng)設(shè)計(jì)可以達(dá)到艙內(nèi)的滅火劑濃度要求。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī)；滅火系統(tǒng)；超細(xì)干粉滅火劑；試驗(yàn)分析

[Abstract]NaHCO3fine dry powder is an effective and green agent which is potential alternative of Halon 1301 used in current civil aircraft fire extinguishing system. In this paper, we built a fire extinguishing system for NaHCO3fine powder agent based on a certain civil aircraft engine fire extinguishing system and performed the discharge test on it. The test result shows that the average flow rate of agent in this system is high enough, but the modification of current system is required to adjust agent splitting ratio for better performance. Preliminary agent concentration calculation demonstrates that current pipe network design can meet the agent concentration requirement.

[Key words]civil aircraft；fire extinguishing system；fine dry powder；test analysis

中圖分類號(hào)：V244.1+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A