[民用飞机动力装置防火密封件设计及适航要求]防火密封胶

时间:2020-01-13 07:17:50 来源:易达学习网 本文已影响 易达学习网

民用飞机动力装置防火密封件设计及适航要求

民用飞机动力装置防火密封件设计及适航要求 【摘 要】本文介绍了防火密封件的适航要求和设计 输入,并重点总结了一套可行的防火密封件设计流程,为今 后民用飞机的防火密封件设计提供指导。

0 引言 飞机是一个由数万计的零部件组成的复杂系统,各零部 件之间不可避免地存在缝隙,因此大部分结构之间的接口均 涉及到密封件。密封件主要功能是消除气体或液体的泄露, 阻止腐蚀,并防止空气、灰尘、沙粒、雨水和火焰等通过零 件的界面向其他区域泄露。防火密封常用于防火墙结构处, 阻止危险量的液体、气体或火焰穿过火区到达非火区的其它 零件和结构。

动力装置的密封件必须设计成能够将火区与非火区完 全隔离,以避免火焰进入其他区域引起灾难性后果。同时这 些密封件处于发动机运行的强机械振动、高温、强声振动环 境中,设计时需要考虑各种复杂工况下零件之间的相对运动, 对密封件设计是一个新的挑战。

本文主要介绍了动力装置防火密封的设计要求,重点总结防火密封设计方案。

1 适航要求 短舱结构防火设计适用的条款主要有:
CCAR 25.1181 指定火区 CCAR 25.1191防火墙 CCAR 25.1193短舱和蒙皮 CCAR 25.1207符合性 短舱的防火密封件需要满足防火墙相关的适航条款,对 于金属结构,文献[1]定义的金属材料厚度进行适航符合性 说明。对于非金属结构,如橡胶密封件,只能通过对比分析 和试验验证的方式进行适航符合性验证。对比分析是指将该 型号的具体设计细节(如截面、载荷、工作环境等)与经过 适航验证的成熟机型的设计相对比,若该型号设计的具体细 节与成熟机型类似,或者优于成熟机型的设计,则认为该设 计满足条款的要求。试验验证是在FAA AC 20-135的指导下 进行,试验时将密封件放在距离火焰1/4英寸距离内,火焰温度范围2000°F+/-150°F的,热通量密度不小于 9.3BTU/ft2-sec。测试防火密封件飞行载荷下承受15分钟的 火焰而不被烧穿。为了说明密封件在任意飞行包线内均满足 要求,试验应选取最严酷的工况开展。

2 设计方法 2.1 设计工况 文献[2]对密封件的设计和分析应考虑的工况和着火场 景给出了一些介绍:
a.飞行工况假设的着火场景是:在极热天气的飞行中, 发动机正常工作并处于最严酷的飞行工况,此时发生着火, 并持续5分钟,第5分钟时,发动机关闭并处于风车状态,飞 机依然保持飞行姿态,持续10分钟。

b.飞机进场工况假设的着火场景是:在极热天气的进场 状态,发动机正常工作并处于最严酷的正常飞行工况,此时 发生着火,并持续5分钟;
第5分钟时,发动机关闭并处于风 车状态,飞机依然保持空中姿态,持续10分钟。

c.地面着火:在极热天气的地面状态,发动机处于地面慢车工况,此时发生着火,并持续5分钟;
第5分钟时,发动 机关闭并处于风车状态,持续10分钟。

综上,密封件的设计必须考虑且验证以上三种着火工况 下都能满足防火要求。然而国内目前比较缺乏成熟的防火设 计应用经验,现阶段一般通过零部件试验,参照文献[1]的 试验方法开展适航符合性验证工作。

2.2 设计输入 相对运动量是指压板相对于支撑板的运动量,如压板和 支撑板的名义间隙为D,如图1,不同工况下,温度、载荷、 振动及装配公差也发生变化,由此引起压板相对于支撑板有 一定的运动量d1和d2。

压板和支撑板之间的运动量d1和d2主要由三部分引 起:装配公差、热变形和机械受载变形。装配公差由单个零 件的制造公差、工装定义以及零件的装配顺序决定,需要开 展公差累计分析得到。热变形和机械变形通过有限元模型加 载相应的热边界和载荷边界计算分析得到。将这三种变形按 照矢量方向叠加在一起即为压板和支撑板的相对位移。

假设密封件的直径Φ,则密封件的最大压缩量为:Φ-D+d2,最小压缩量为:Φ-D-d1。设计时应保证压缩范围介 于15%-55%之间。对防火密封件而言,小于15%的压缩量通常 是不可接受的,容易在着火工况下发生火焰泄漏的危险。

2.3 设计流程 根据以上设计输入及要求,总结了密封件设计流程如图 2所示。

第一步,明确结构方案,确定火区和非火区的分界面结 构,定义压板和支撑板的间隙D。

第二步,收集各零件、部件的制造公差和装配公差,开 展公差累计分析工作;
同时建立有限元模型,分析不同载荷 工况下的机械变形和热变形,d1和d2。

第三步,搜集飞机不同飞行工况下密封件两侧火区和非 火区的的温度、压力,得到压差。

第四步,根据位移、温度、压力载荷选择密封件材料并 设计尺寸、截面和形状。

第五步,结合以上输入,根据AC 20-135开展试验测试,或基于已有经验进行相似性分析,完成适航符合性验证工作。

对民用飞机设计而言,设计的初期,各种输入参数并不 完全,只能通过经验初步估计压力、温度、位移量等参数, 进而选择合适的材料和截面开展设计,待初步设计完成后, 需进一步细化设计输入,并进行试验或分析验证。

3 小结 本文从动力装置防火密封件出发,主要介绍了防火密封 件的适航要求和设计输入,并重点总结了一套可行的防火密 封件设计流程,为今后民用飞机的防火密封件设计提供指导。

【参考文献】 [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.

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