飞机发动机短舱防火墙结构和密封设计要求

胡寅寅　蒋祖武

【摘 要】短舱作为包裹发动机火区的结构，必须设计成能够将火区与非火区完全隔离，以避免火区的火焰进入到其他区域引起灾难性的后果。本文主要简述了短舱防火墙结构与防火密封件的设计要求和方法，重点介绍了防火密封件设计时要考虑的几大因素，为民用飞机发动机短舱的防火设计提供参考。

【关键词】短舱；防火；密封件

0 引言

飞机发动机短舱结构是飞机的关键部件之一，主要包括进气道、风扇罩、反推内部及外部装置、尾喷结构，其功能是包裹发动机及其系统附件，飞行时主要承受气动载荷，起整流作用。飞机动力装置着火会对飞行安全造成严重威胁，若火焰窜出发动机短舱，可能蔓延至机翼油箱，造成机毁人亡的重大事故。因此，对发动机短舱结构的防火设计进行研究是十分必要的。本文简述了短舱结构防火的设计方法，重点介绍短舱结构防火密封的设计方法及要求。

根据着火的3要素及火灾产生的机理，将民用飞机各物理区域划分为4种类型：火区、易燃区、可燃液体泄漏区和非危险区。发动机短舱核心舱和风扇舱由于同时存在点火源和可燃液体，划分为火区。短舱作为包裹风扇火区和核心火区的结构，结构承担着防火墙的功能，应满足防火要求。

1 短舱结构防火设计

1.1 防火的定义

根据FAA咨询通报AC20-135[1]对防火的定义：材料或结构，经受2000+/-150F°（即1100+/-65C°）火焰至少15分钟仍能完成其设计目的的性能。对耐火的定义：材料或结构，经受2000+/-150F°（即1100+/-65C°）火焰至少5分钟仍能完成其设计目的的性能。

1.2 设计要求

短舱结构防火设计适用的条款主要包括CCAR25.865，25.1181，

25.1191，25.1193，25.1207。

1.3 结构防火设计

适航条款CCAR-25[2]25.865要求位于指定火区或可能受到火区着火影响的邻近区域内必不可少的飞行操纵系统、发动机架和其他飞行结构，必须用防火材料制造或加以屏蔽，使之能经受住着火的影响。对于非承载防火墙，根据AC20-135，定义了以下厚度的材料可以接受：不锈钢厚度大于0.015in（0.381mm），防腐蚀低碳钢板厚度大于0.018in（0.457mm），钛合金板厚度大于0.016in（0.406mm），蒙乃尔板厚度大于0.018in（0.457mm），钢或铜基合金的防火接头/紧固件，认为其满足防火要求且不必进行附加的试验。钛合金板材料密度低、比强度高、耐腐蚀、耐高温、组织性能稳定性好，且具有综合的优良性能，是防火墙常用的材料。

对于承载防火墙，咨询通报AC25.865-1Draft提供了以下3种表明25.865条款符合性的方法：

1）采用防火材料，例如钢或镍基合金等；

2）零部件设计成在可能发生的起火状态下仍然能够满足结构功能要求，不影响飞行安全；

3）零部件采用防火墙保护以能够承受着火状态的影响。

因此，如果承力的防火墙为钢或镍基合金，则无需对着火状态下（2000±150°F火焰）15分钟内承受飞行载荷进行额外的符合性验证。如果使用的是其它材料，则需要通过强度计算分析或者试验验证，证明其在着火情况下仍能够满足载荷传递的要求。

防火墙上的小开口，不会产生重要的外部载荷，仅仅为功能部件，按照AC20-135的解释，可以选取高温材料满足防火要求。对可能引起外部载荷的结构开口，由于本身承担了结构传载的作用，一般铺设隔热毯隔离保护。

防火墙的穿墙接头，应使用防火密封件进行防火封严，防火密封件的设计与防火墙设计同等要求。

1.4 防火密封件的设计

密封件的设计要满足以下基本要求：

1.4.1 重量要求

设计应尽可能减轻密封件重量，满足相关重量指标。

1.4.2 互换性要求

密封件结构尽量简单紧凑，应满足互换要求。

1.4.3 工作环境要求

密封件应满足RTCA-DO-160G[3]要求。

1.4.4 耐久性要求

密封件的寿命应与飞机的寿命相匹配，满足飞机的长寿命使用要求。

1.4.5 性能要求

在一定的流速、压力和温度范围内具有良好的密封性能和耐介质性能。

1.4.6 安装及维护

要求易于安装和更换。要求在不拆卸部件的情况下，可以方便更换密封件为了便于维护，要求所有的密封件可方便拆卸和更换。发动机短舱接口的密封大多选用P形和Ω形截面。P形截面的密封件选用托板螺母连接。Ω形密封件通过凹槽连接，安装时，先将凹槽通过铆钉固定在结构上，然后挤压密封件将其安装在凹槽内。两种形式具有较好的维护性。

1.4.7 材料要求

密封材料应满足密封功能的要求。由于被密封的介质不同，以及工作条件不同，要求密封材料具有不同的适用性。密封零件一般采用橡胶材料，橡胶是一种弹性高分子材料。常见的有氯丁橡胶、丁腈橡胶、氟橡胶、硅橡胶等。氯丁橡胶、丁腈橡胶、氟橡胶的工作温度大约为-65°～120°C，硅橡胶的工作温度大约为-65°～230°C。由于火区的工作温度较高，因此选用硅橡胶材料，并添加织物包覆层增强其抗磨损性能。

1.4.8 压力和机械载荷要求

作为防火墙的密封，密封件承担隔离火区与非火区的功能，应确保整个飞行包线内发生着火工况时，任何危险的液体、气体或火焰不能通过火区到达非火区的零件和结构。因此，密封件要根据整个飞行包线的压力载荷和机械载荷来选择设计。

密封件上的压力载荷通常是由于密封件隔离的火区与非火区之间的压差引起的。密封件分布在吊挂腔、风扇腔、核心腔、风扇涵道等不同区域。短舱核心舱和风扇舱均有通风设计，多处设计了引气口从外涵道引气以降低核心舱和风扇舱内的温度。因此，不同位置的密封件两侧压力均不同。用于隔离风扇舱与外部自由气流之间的防火密封件，由于压力载荷小，通常采用指形或低压球型密封件，如风扇罩外侧两个半罩体之间的密封件；用于隔离核心舱与风扇涵道之间的防火密封件，由于压力载荷较大，通常采用高压球型密封件。防火密封件之间还需要布置有密封接头将每一段密封件连接在一起，以保证密封件在短舱中的连续性。

密封件上的机械载荷主要由3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。热变形和机械变形是不同工况下，结构的环境温度及结构承载发生变化，导致密封件承受的载荷也相应改变。热变形和机械变形可以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3种变形叠加在一起即为总的机械载荷。以此为设计输入，计算密封件硬度、最大/最小压缩量，从而设计合理的截面尺寸。

密封件的设计完成后，还需对其防火性能进行验证。基于国内目前的技术水平，一般采取试验的方法对其进行防火性能验证。

2 结束语

本文根据发动机短舱适航条款要求，对防火墙结构及密封件的设计要求进行了总结和解释。重点介绍了防火密封件设计时要考虑的几大因素，为民用飞机发动机短舱的防火设计提供借鉴和指导。

【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.

[2]CCAR-25-R4运输类飞机适航标准[S].北京：中国民用航空局，2011.

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

[责任编辑：王楠]