波音787飛機空調(diào)熱交換器離位清潔

摘要：我國北方每年春季楊柳絮爆發(fā)都會造成波音787飛機空調(diào)散熱器組件的嚴(yán)重堵塞，使飛機在地面的制冷能力變差。為此，研究制定了空調(diào)子系統(tǒng)熱交換器離位清潔方案，利用飛機自然停場時間，將次級空調(diào)熱交換器和子系統(tǒng)熱交換器從組件上分解拆卸后進行清潔，有效改善了客艙空調(diào)環(huán)境，提升了服務(wù)質(zhì)量，滿足了運力要求。

關(guān)鍵詞：熱交換器；柳絮季；空調(diào)降級；離位清潔

Keywords：heat exchanger；catkin season；conditioning pack degraded；off-site cleaning

1 波音787飛機空調(diào)制冷系統(tǒng)特點和相關(guān)部件

1.1 空調(diào)制冷系統(tǒng)特點、組成和存在問題

與前代波音飛機相比，波音787飛機的空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計上有三個明顯變化（見圖1）。一是取消了引氣系統(tǒng)，客艙增壓和空調(diào)系統(tǒng)所需的壓力空氣不再從發(fā)動機或輔助動力裝置（APU）的壓氣機獲得，而是改由電動的客艙空氣壓縮機（CAC）提供，壓縮空氣溫度較高，需要熱交換器組件具備高效的降溫能力；二是沖壓冷卻空氣風(fēng)扇（RAF）改由單獨的電馬達(dá)驅(qū)動，功率大、轉(zhuǎn)速高，可為熱交換器組件提供的冷卻空氣流量更大；三是熱交換器組件不再只是空調(diào)系統(tǒng)的散熱器，同時也為電源冷卻系統(tǒng)（PECS）和前貨艙空調(diào)系統(tǒng)（FCAC）的冷卻液散熱。

飛機在地面通電情況下，即使空調(diào)不工作，由于有其他大功率電負(fù)載工作，RAF也會一直運轉(zhuǎn)，將外界空氣吸入熱交換器組件，為子系統(tǒng)的冷卻液降溫。飛機在運行通電狀態(tài)下長時間抽吸外界包含雜質(zhì)的空氣，尤其是楊柳絮爆發(fā)期間，將導(dǎo)致熱交換器散熱片表面很快被飛絮覆蓋且深入散熱片縫隙。同時，空調(diào)水分離器分離出的水噴灑到此處，使得飛絮和灰塵混合成凝結(jié)物，進一步加重了散熱器的堵塞，很快各子系統(tǒng)熱交換器之間和縫隙中都充滿了污染物，阻隔了冷卻空氣向下游的流動，嚴(yán)重影響了熱交換器組件的冷卻效率。

1.2 熱交換器組件

熱交換器組件由主級熱交換器、次級熱交換器、PECS熱交換器和FCAC熱交換器構(gòu)成，如圖2所示。

1）主級熱交換器是熱交換器組件的主要部分，利用沖壓冷卻空氣作為交換媒介為來自CAC的熱空氣降溫。沖壓冷卻空氣首先流過次級熱交換器和PECS熱交換器、FCAC熱交換器，再流經(jīng)下游的主級熱交換器。

2）次級熱交換器利用沖壓冷卻空氣作為交換媒介來降低空氣循環(huán)機（ACM）壓氣機出口的熱空氣溫度。

3）PECS熱交換器和FCAC熱交換器分別是熱交換器組件的一部分，利用沖壓冷卻空氣作為交換媒介來降低PECS系統(tǒng)和FCAC系統(tǒng)的冷卻液溫度。

1.3 沖壓空氣風(fēng)扇（RAF）

沖壓空氣風(fēng)扇由電馬達(dá)驅(qū)動，可變轉(zhuǎn)速。飛機在地面沒有沖壓空氣作為冷卻媒介，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)工作或機載大功率負(fù)載電氣設(shè)備工作時，空調(diào)組件控制器（PCU）指令通用馬達(dá)控制器（CMSC）或沖壓風(fēng)扇馬達(dá)控制器（RFMC）控制沖壓空氣風(fēng)扇工作，將外部環(huán)境空氣作為冷卻媒介吸入沖壓冷卻空氣進氣管道，流經(jīng)熱交換器組件后排出機外。在地面工作狀態(tài)，RAF最高工作轉(zhuǎn)速為13400rpm，限速后最高工作轉(zhuǎn)速降為7000rpm。

2 熱交換器嚴(yán)重堵塞引發(fā)的問題

2.1 RAF葉片損傷和PECS冷卻液溫度高

熱交換器堵塞嚴(yán)重時，流經(jīng)空調(diào)主級熱交換器的冷卻氣流變得極不穩(wěn)定，可造成下游RAF在高轉(zhuǎn)速下喘振而使葉片受損，嚴(yán)重影響空調(diào)系統(tǒng)在地面的使用。由于不能及時更換熱交換器組件，787機隊空調(diào)系統(tǒng)RAF葉片損傷的情況時有發(fā)生。而RAF送修周期長，在全球缺件的情況下有時只能向其他航司租用航材，每天的租金費用高達(dá)十幾萬人民幣。同時，熱交換器堵塞會造成冷卻空氣流量不足，使PECS冷卻液得不到有效冷卻，溫度偏高將導(dǎo)致飛機電源系統(tǒng)的CMSC和自動變壓整流器（ATRU）等大功率設(shè)備的工作溫度得不到有效控制而被限制正常工作，部分機載電網(wǎng)用戶可能被卸載，嚴(yán)重影響飛機各系統(tǒng)的正常工作。

2.2 空調(diào)系統(tǒng)降級工作狀態(tài)

為避免上游冷卻空氣堵塞導(dǎo)致的RAF損傷，2018以后787機隊根據(jù)廠家方案對沖壓風(fēng)扇執(zhí)行了升級改裝。新的RAF安裝了監(jiān)控硬件，包括氣流壓差傳感器和溫度傳感器，為PCU提供冷卻空氣的壓力和溫度數(shù)據(jù)；PCU軟件控制邏輯根據(jù)RAF風(fēng)扇流道前后的氣流壓差和溫度來確定RAF的工作狀態(tài)和喘振條件，當(dāng)感受到氣流不穩(wěn)定時將RAF降至安全轉(zhuǎn)速（7000rpm），并降低空調(diào)組件供往客艙的空氣流量，以避免CAC馬達(dá)過熱。那么，此時的空調(diào)系統(tǒng)為降級工作狀態(tài)，并伴隨出現(xiàn)維護信息“LEFT/RIGHT CONDITIONING PACK IS DEGRADED”。在這種工作狀態(tài)下，特別是天氣炎熱時的空調(diào)制冷能力將顯著降低，嚴(yán)重影響客艙服務(wù)質(zhì)量。

3 熱交換器堵塞問題的解決方案

3.1 初始運行時的解決方案

787飛機運營初期的持續(xù)適航維修方案（CAMP）規(guī)定，每年定期更換熱交換器組件，拆下的組件送到附件修理廠，使用超聲波進行徹底清潔。實際使用中，在計劃更換周期內(nèi)熱交換器堵塞發(fā)生的頻率卻比預(yù)期的要高，尤其是我國北方特有的楊柳絮使787飛機空調(diào)熱交換器表面和縫隙污染嚴(yán)重。自機隊運行以來，每年春季生產(chǎn)部門都要參考飛機維修手冊（AMM）對機隊熱交換器效率進行專項監(jiān)控，通過測量記錄冷卻空氣排氣流量和監(jiān)控波音公司的飛機健康系統(tǒng)（AHM）等方法，預(yù)先判斷熱交換器組件是否有堵塞的趨勢，以執(zhí)行預(yù)防維修措施。即拆開冷卻空氣進口管道（見圖3），對冷卻空氣迎風(fēng)面進行應(yīng)急的簡單清潔，緩解堵塞情況的繼續(xù)惡化，同時申請安排專門停場時間，提前更換堵塞嚴(yán)重的熱交換器組件。但是，簡單清潔單側(cè)熱交換器表面的效果不佳，很快堵塞又會出現(xiàn)，很可能需要執(zhí)行額外的停場以更換熱交換器組件，而在提前更換熱交換器組件后，在CAMP更換間隔要求下，不久又要再次執(zhí)行更換，造成了運力損失和人力物力的嚴(yán)重浪費。困擾著787機隊維修生產(chǎn)部門的熱交換器堵塞問題連續(xù)兩年都沒有得到有效解決，導(dǎo)致非例行停場指標(biāo)不能完成，機組和旅客對客艙溫度的投訴不斷。

3.2 空調(diào)系統(tǒng)降級工作的解決方案

RAF改裝后，當(dāng)判斷有熱交換器堵塞時，PCU為保護沖壓風(fēng)扇會降低冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，造成空調(diào)系統(tǒng)直接降級工作，使制冷能力嚴(yán)重下降，解決此問題的最佳方案還是更換熱交換器組件。但是熱交換器組件整體拆裝工作周期較長，航線更換熱交換器組件所需的停場時間為60小時，且航材備件有限，給機隊的正常運營造成了很大壓力。

為了緩解這一矛盾，在一系列分析和研究后，決定暫時參考附件修理手冊（CMM）制定子系統(tǒng)熱交換器離位清潔方案，將次級空調(diào)熱交換器和子系統(tǒng)熱交換器從組件上分解下來進行清潔。2019年春季開始試用這一新的清潔方案后，利用飛機自然停場進行分解離位清潔熱交換器工作，取得了較好的實際效果，也解決了之前簡單清潔單側(cè)熱交換器表面效果不佳的問題。

3.3 最終方案的實施

2019年底，工程部門向廠家尋求了熱交換器組件在翼分拆的操作程序，波音在AMM手冊中增加了原CMM手冊的相關(guān)內(nèi)容，提供了關(guān)于空調(diào)熱交換器組件的在翼分解拆裝程序及工裝設(shè)備。同時，經(jīng)工程部門驗證，在翼分解離位清潔可以做到徹底去除污染物，航空公司接受了新的離位清潔方案，更新了787飛機的CAMP條目（21-071-00），將空調(diào)散熱器組件更換間隔從一年延長為三年。

2020年生產(chǎn)部門正式采取了新的預(yù)防性維修措施。在楊柳絮爆發(fā)期間，持續(xù)使用AHM監(jiān)控整個機隊的降級信息，當(dāng)發(fā)現(xiàn)空調(diào)降級信息連續(xù)出現(xiàn)達(dá)到3個航段后，生產(chǎn)部門立刻提出需求，調(diào)整航班結(jié)構(gòu)，利用間隔時間較長的自然停場按新方案清潔熱交換器，在不影響正常運行的同時保障了787飛機空調(diào)系統(tǒng)的正常使用。

3.4 在翼分解離位清潔子系統(tǒng)熱交換器

如圖4所示，首先從熱交換器組件拆卸次級空調(diào)熱交換器、PECS熱交換器和FCAC熱交換器，使用壓力<20psi的清潔壓縮氣體吹除每個散熱器縫隙之間的堵塞物，然后使用大量清水沖洗每個散熱器表面和縫隙，再干燥每個子系統(tǒng)散熱器，檢查散熱片之間有無變形。安裝恢復(fù)子系統(tǒng)熱交換器后，打開空調(diào)工作，測試清潔后的冷卻空氣出口流量，驗證清潔效果，檢查空調(diào)降級維護信息應(yīng)消失。所需停場時間10小時，空調(diào)制冷能力可以完全恢復(fù)。

4 總結(jié)

對比2018年和2019年楊柳絮季之后的機隊運行情況，分解拆卸子系統(tǒng)熱交換器并清潔的方法能有效解決楊柳絮造成的空調(diào)熱交換器嚴(yán)重堵塞后制冷效果差問題。實施在翼拆卸子系統(tǒng)熱交換器離位清潔的新方法，在減少飛機非計劃停場時間、控制航材成本方面得到了顯著改善，而且對空調(diào)系統(tǒng)的正常使用控制得更為有效及時，維修成本更低，對機隊運行造成的影響更小，滿足了客艙的舒適度需求，大幅度提升了服務(wù)質(zhì)量。2020年4～6月間，生產(chǎn)部門持續(xù)監(jiān)控787機隊的空調(diào)系統(tǒng)工作狀態(tài)，及時在翼離位清潔熱交換器36架次，沒有增加額外停場，且機組和旅客對客艙空調(diào)環(huán)境零投訴。

作者簡介

田續(xù)中，工程師，主要從事波音787-9飛機機電維修技術(shù)支援工作。