直升机灭火系统管网压力和阻力特性试验研究
时间：2023-01-18 14:50:12 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李松松，李 春，吴燕燕
(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)
灭火系统灭火性能直接影响飞行器在飞行中出现火灾时的飞行安全。卤代烷1301灭火剂具有高效、低毒，腐蚀性低，灭火后不留痕迹，对设备不会造成二次危害等优点，以及防火、防爆抑等性能，因此在20世纪很长时间都是航空领域首选灭火剂，并且未来很长时间内仍会是。在火灾发生时，快速将灭火剂喷射到指定着火区域，对初期火灾的扑灭至关重要。哈龙1301灭火剂主要是破坏燃烧过程中的链式反应，实现灭火的目的。哈龙1301灭火剂必须达到一定浓度才能实现有效灭火，适航CCAR29条款以及HB7879[1]等标准规定了哈龙1301灭火剂体积设计浓度必须不低于6%且需维持0.5 s。由于直升机动力舱并非密闭空间，设计有通风冷却系统，不利于灭火剂聚集，因此灭火剂的快速释放对飞机动力舱内灭火剂有效浓度的形成有至关重要的影响。而灭火剂快速释放取决于灭火系统管网压力和阻力特性，因此开展对系统压力特性和阻力特性的研究具有重要意义。
现有研究中[2-3]，对1211灭火剂在管网内的阻力特性研究较为充分。由于卤代烷1211灭火剂在管网内流动较为稳定，且喷射时间相对较长，因此卤代烷1211灭火剂喷射过程容易描述。而哈龙1301灭火剂在管内流动状态为复杂的气液两相状态，并且在不同管路段，由于压力不同，两相流状态也随之变化，因此流动更为复杂，释放过程更难准确描述。徐才林[4]通过一元粘性流体微分方程给出哈龙1301灭火剂在管路内压降的理论值，主要给出稳态情况下，管路内的压降计算公式。Elliott[5]分析了灭火瓶内压力变化曲线，给出灭火剂释放的四个重要时刻，并分析了四个重要时刻灭火瓶内的气液状态特性。Pitts[6]等做了大量灭火剂喷射试验，研究了包含哈龙1301等多种灭火剂的喷射时间、灭火瓶压力等参数变化规律，而对带有管路的灭火系统研究较少。李淑艳[7]通过逐秒迭代方法，开发了管网计算的程序，可得到管网喷射时间计算值，而对管网压力采用测试结果经验值。徐可[8]主要通过计算方法分析了不同管径对灭火剂释放时间的影响，主要是针对船用灭火剂的研究，灭火系统释放时间相对较长，与直升机灭火系统设计要求也有较大差异。蔡宇武等[9]研究了超细干粉在直管段的喷放特性，发现压力时间特性存在三个阶段。
目前，灭火系统设计中对系统释放过程中压力阻力特性的研究较少，大多是研究灭火剂释放后的浓度分布[10-12]。而在非封闭的动力舱中，要使灭火剂在动力舱各部位形成设计浓度并维持一定时间，灭火剂快速释放是重要设计要求。研究灭火剂瞬态释放规律对优化灭火系统中灭火瓶设计、管网布置及喷嘴构型设计具有重要意义。本文主要通过试验研究了灭火瓶充装压力对灭火剂释放特性的影响，以及管网不同位置处的灭火剂释放特性变化规律。
本试验是在直升机所实验室进行，试验系统如图1所示。该系统主要由以下几部分组成：灭火瓶及释放系统，试验管路，数据采集系统，动力舱，抽风系统。灭火瓶采用直升机机载灭火瓶，灭火瓶释放由引爆装置引爆安全膜释放灭火剂。试验管路由不锈钢管和铝合金管组成，与机上管路构型保持一致，最后在动力舱释放灭火剂。
试验温度常温常压，灭火瓶充装压力两种状态分别为2.4 MPa和4.2 MPa，分别测试高压和低压两种对灭火剂释放时间的影响。通风系统流量范围0～3215 m3/h，通风量控制精度为±2%，可模拟直升机真实飞行时的通风状态。在试验段共布置3个压力传感器，如图中所示。压力传感器经直升机所理化室进行标定，采样频率20 Hz。
图1 试验系统回路图
本文通过灭火系统灭火剂释放试验，研究灭火瓶压力变化对灭火剂喷施过程中压力特性变化的影响，以及在不同压力下灭火系统管网不同位置处的压力特性的变化。
2.1 压力时间特性
在不同的试验条件下，灭火系统从喷放开始到喷放结束的过程中，管网的压力时间特性变化不同。在充装压力2.4 MPa系统中，管网压力时间特性与蔡宇武[9]等人研究的干粉灭火剂的释放规律基本一致，如图2所示。灭火剂释放过程可以分为三个阶段：
1)喷放前期：当触发灭火瓶保护膜后，灭火剂迅速释放在管网系统中，充填整个管网系统。这个过程是自由膨胀的过程，哈龙1301灭火剂进入管网中，压缩管路中的空气，同时克服管路各段阻力，使管内各点压力迅速上升。当管网充满灭火剂后，由于喷头的流量特性，流速趋于稳定，管路中压力也趋于稳定。
2)平稳喷放阶段：当灭火剂从喷嘴处开始释放后，由于喷嘴处流量限制，在该段时间内管网内的灭火剂流动基本为稳定流动，灭火剂流经管网系统需克服的阻力基本稳定，因此在管路各处压力也基本趋于稳定，此时的压力时间曲线基本为平行于时间轴的直线。而喷嘴出口处从开始喷射到喷射稳定，压力平缓上升。此阶段是液态灭火剂有效释放的重要阶段，灭火瓶内大部分灭火剂在此阶段释放到动力舱中形成有效灭火浓度。
3)喷放后期：当哈龙1301液态灭火剂喷射完后，瓶内氮气驱动哈龙蒸汽以及管内残留的哈龙灭火剂继续喷射。由于此阶段氮气和哈龙蒸汽占比较多，并且气相释放速度要远低于液相释放速度[6]，如图2所示，因此此阶段持续时间也相对较长。
而在充装压力4.2 MPa的系统中，灭火剂的压力特性与2.4 MPa系统有很大差异，释放过程中压力特性只有两个阶段，如图3所示。由4.2 MPa系统压力时间特性可以看出，在喷放前期1#、2#和3#压力传感器压力几乎是同步变化，此时灭火剂充满管路的过程几乎是瞬时完成的。当喷嘴处压力达到最大值后，管网各处的压力缓慢下降，直至喷射过程完成，各处压力几乎同步变化。因此在4.2 MPa系统中，哈龙灭火剂并没有发生明显的气化过程，喷射过程没有明显的变慢。由图4可知，在4.2 MPa系统，管网系统中压力下降到系统最大压力的25%，历时1.7 s；
而在2.4 MPa系统中，管网系统中压力下降到系统最大压力的25%，历时2.2 s。从图5对比可知，4.2 MPa系统中大部分灭火剂释放在中前期已完成；
而2.4 MPa系统中，灭火剂释放主要集中在中后期。这是由于低压系统中灭火剂气相占比较高，灭火剂释放较为缓慢。通过以上分析可得出，2.4 MPa系统中，灭火剂喷射后形成的平均灭火剂浓度要低于4.2 MPa系统。表1中灭火剂浓度维持6%以上时间可印证此现象，从表中数据可知，4.2 MPa系统中灭火剂维持6%以上浓度的时间基本为2.4 MPa系统的2倍。因此减少系统阻力，提高灭火剂释放速度，对维持灭火剂有效浓度至关重要。
图2 灭火剂在2.4 MPa充装压力下管网流动
图3 灭火剂在4.2 MPa充装压力下管网流动
图4 典型工况下灭火瓶内压力时间曲线
图5 压力变化对比图
表1 动力舱灭火剂浓度维持时间
2.2 阻力特性
由上节可知，在不同充装压力条件下，灭火剂释放过程差异较大。灭火剂从灭火瓶释放到管网中，经过了渐缩的局部阻力损失。由图2和图3可知，在4.2 MPa系统中该阻力损失最大约为0.4 MPa，约为充填压力的9.5%；
而在2.4 MPa系统中该阻力损失最大约为1.1 MPa，约为充填压力的45.8%。单相流突缩局部损失可由公式(1)评估。单相流突缩的局部阻力损失约为0.28 MPa，因此在2.4 MPa系统中，灭火剂从灭火瓶喷出时气相含气率较高。气液两相流通过突缩部件时的局部压力损失可由公式(2)评估。由公式(2)可知，含气率越高，阻力损失越大，这是因为含气率越高，气液两相之间摩擦损失越大。
(1)
(2)
由图3可知，4.2 MPa时，系统在双单向活门处最大压力损失约为0.6 MPa，而在双单向活门和灭火管路出口之间的压力损失约为0.3 MPa，其中包含约3 m的管路阻力损失和三通局部阻力损失，约占充装系统压力的21%，如表2所示。在灭火剂释放过程中，流经双单向活门时局部阻力损失较大(主要包括三通的局部阻力损失和克服弹簧压力的阻力损失)，双单向活门会导致灭火剂释放后期压力降低时，较多灭火剂滞留灭火瓶内。但灭火管路出口处达到最大压力的时间相比灭火瓶出口处和双单向活门出口最大压力的时间要延迟0.1 s，而最大压力后，系统内压力基本一致。因此在4.2 MPa系统中，由于系统驱动力较大，液态灭火剂会快速释放，液态灭火剂在喷放前期已完成喷射。
表2 部件阻力
由图3可知，在2.4 MPa系统中，系统克服双单向活门的局部阻力损失约0.26 MPa，流经双单向活门后克服管路阻力损失约0.6 MPa，约占低压系统压力35%。由表2可知，在低压系统中，释放阀门和管路造成的阻力损失占系统充填压力的70%。可看出，在灭火系统中，气液两相存在会极大地增加系统阻力，不利于灭火剂喷射过程。因此，为保证在低压系统中灭火剂能尽可能快速释放，应尽量保证系统阻力最低。
本文通过对直升机灭火系统管网的试验研究，分析了灭火剂释放时压力时间特性和阻力特性。分析结果表明，灭火瓶阀门与管路接口形状变化造成的局部阻力损失，对气液两相影响极大，应尽可能减少接口形状变化。同时，合理设计灭火系统管网布置，应使管网系统阻力尽可能小，保证系统驱动力能够将尽可能多的灭火剂喷射到动力舱中，从而保证灭火剂在动力舱的浓度维持时间。
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