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        波音787飛機空調(diào)熱交換器離位清潔

        2020-04-12 12:41:17田續(xù)中
        航空維修與工程 2020年11期
        關鍵詞:熱交換器

        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,提升了服務質(zhì)量,滿足了運力要求。

        關鍵詞: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扇(RAF)改由單獨的電馬達驅(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 沖壓空氣風扇(RAF)

        沖壓空氣風扇由電馬達驅(qū)動,可變轉(zhuǎn)速。飛機在地面沒有沖壓空氣作為冷卻媒介,當空調(diào)系統(tǒng)工作或機載大功率負載電氣設備工作時,空調(diào)組件控制器(PCU)指令通用馬達控制器(CMSC)或沖壓風扇馬達控制器(RFMC)控制沖壓空氣風扇工作,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,溫度偏高將導致飛機電源系統(tǒng)的CMSC和自動變壓整流器(ATRU)等大功率設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致的RAF損傷,2018以后787機隊根據(jù)廠家方案對沖壓風扇執(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,嚴重影響客艙服務質(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,預先判斷熱交換器組件是否有堵塞的趨勢,以執(zhí)行預防維修措施。即拆開冷卻空氣進口管道(見圖3),對冷卻空氣迎風面進行應急的簡單清潔,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,導致非例行停場指標不能完成,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,當判斷有熱交換器堵塞時,PCU為保護沖壓風扇會降低冷卻風扇的轉(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手冊的相關內(nèi)容,提供了關于空調(diào)熱交換器組件的在翼分解拆裝程序及工裝設備。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,當發(fā)現(xiàn)空調(diào)降級信息連續(xù)出現(xiàn)達到3個航段后,生產(chǎn)部門立刻提出需求,調(diào)整航班結構,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)降級維護信息應消失。所需停場時間10小時,空調(diào)制冷能力可以完全恢復。

        4 總結

        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飛機機電維修技術支援工作。

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