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      波音787飛機(jī)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(guān)鍵詞:熱交換器

      摘要:我國(guó)北方每年春季楊柳絮爆發(fā)都會(huì)造成波音787飛機(jī)空調(diào)散熱器組件的嚴(yán)重堵塞,使飛機(jī)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(jī)自然停場(chǎng)時(shí)間,將次級(jí)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(jìn)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(yùn)力要求。

      關(guān)鍵詞:熱交換器;柳絮季;空調(diào)降級(jí);離位清潔

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

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

      1.1 空調(diào)制冷系統(tǒng)特點(diǎn)、組成和存在問題

      與前代波音飛機(jī)相比,波音787飛機(jī)的空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上有三個(gè)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(dòng)機(jī)或輔助動(dòng)力裝置(APU)的壓氣機(jī)獲得,而是改由電動(dòng)的客艙空氣壓縮機(jī)(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(dú)的電馬達(dá)驅(qū)動(dòng),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(shí)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(jī)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(huì)一直運(yùn)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(jī)在運(yùn)行通電狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)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(shí),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(jìn)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(dòng),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(jí)熱交換器、次級(jí)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(jí)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(jí)熱交換器和PECS熱交換器、FCAC熱交換器,再流經(jīng)下游的主級(jí)熱交換器。

      2)次級(jí)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(jī)(ACM)壓氣機(jī)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(dòng),可變轉(zhuǎn)速。飛機(jī)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(jī)載大功率負(fù)載電氣設(shè)備工作時(shí),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(jìn)氣管道,流經(jīng)熱交換器組件后排出機(jī)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(shí),流經(jīng)空調(diào)主級(jí)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(shí)更換熱交換器組件,787機(jī)隊(duì)空調(diào)系統(tǒng)RAF葉片損傷的情況時(shí)有發(fā)生。而RAF送修周期長(zhǎng),在全球缺件的情況下有時(shí)只能向其他航司租用航材,每天的租金費(fèi)用高達(dá)十幾萬人民幣。同時(shí),熱交換器堵塞會(huì)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(jī)電源系統(tǒng)的CMSC和自動(dòng)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(jī)載電網(wǎng)用戶可能被卸載,嚴(yán)重影響飛機(jī)各系統(tǒng)的正常工作。

      2.2 空調(diào)系統(tǒng)降級(jí)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(jī)隊(duì)根據(jù)廠家方案對(duì)沖壓風(fēng)扇執(zhí)行了升級(jí)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(shí)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(shí)的空調(diào)系統(tǒng)為降級(jí)工作狀態(tài),并伴隨出現(xiàn)維護(hù)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(shí)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(yùn)行時(shí)的解決方案

      787飛機(jī)運(yùn)營(yíng)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(jìn)行徹底清潔。實(shí)際使用中,在計(jì)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(guó)北方特有的楊柳絮使787飛機(jī)空調(diào)熱交換器表面和縫隙污染嚴(yán)重。自機(jī)隊(duì)運(yùn)行以來,每年春季生產(chǎn)部門都要參考飛機(jī)維修手冊(cè)(AMM)對(duì)機(jī)隊(duì)熱交換器效率進(jìn)行專項(xiàng)監(jiān)控,通過測(cè)量記錄冷卻空氣排氣流量和監(jiān)控波音公司的飛機(jī)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(shì),以執(zhí)行預(yù)防維修措施。即拆開冷卻空氣進(jìn)口管道(見圖3),對(duì)冷卻空氣迎風(fēng)面進(jìn)行應(yīng)急的簡(jiǎn)單清潔,緩解堵塞情況的繼續(xù)惡化,同時(shí)申請(qǐng)安排專門停場(chǎng)時(shí)間,提前更換堵塞嚴(yán)重的熱交換器組件。但是,簡(jiǎn)單清潔單側(cè)熱交換器表面的效果不佳,很快堵塞又會(huì)出現(xiàn),很可能需要執(zhí)行額外的停場(chǎng)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(yùn)力損失和人力物力的嚴(yán)重浪費(fèi)。困擾著787機(jī)隊(duì)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(chǎng)指標(biāo)不能完成,機(jī)組和旅客對(duì)客艙溫度的投訴不斷。

      3.2 空調(diào)系統(tǒng)降級(jí)工作的解決方案

      RAF改裝后,當(dāng)判斷有熱交換器堵塞時(shí),PCU為保護(hù)沖壓風(fēng)扇會(huì)降低冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速,造成空調(diào)系統(tǒng)直接降級(jí)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(zhǎng),航線更換熱交換器組件所需的停場(chǎng)時(shí)間為60小時(shí),且航材備件有限,給機(jī)隊(duì)的正常運(yùn)營(yíng)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(shí)參考附件修理手冊(cè)(CMM)制定子系統(tǒng)熱交換器離位清潔方案,將次級(jí)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(jìn)行清潔。2019年春季開始試用這一新的清潔方案后,利用飛機(jī)自然停場(chǎng)進(jìn)行分解離位清潔熱交換器工作,取得了較好的實(shí)際效果,也解決了之前簡(jiǎn)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(shí)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(cè)中增加了原CMM手冊(cè)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(shí),經(jīng)工程部門驗(yàn)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(jī)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(zhǎng)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(gè)機(jī)隊(duì)的降級(jí)信息,當(dāng)發(fā)現(xiàn)空調(diào)降級(jí)信息連續(xù)出現(xiàn)達(dá)到3個(gè)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(shí)間較長(zhǎng)的自然停場(chǎng)按新方案清潔熱交換器,在不影響正常運(yùn)行的同時(shí)保障了787飛機(jī)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(jí)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(gè)散熱器縫隙之間的堵塞物,然后使用大量清水沖洗每個(gè)散熱器表面和縫隙,再干燥每個(gè)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(cè)試清潔后的冷卻空氣出口流量,驗(yàn)證清潔效果,檢查空調(diào)降級(jí)維護(hù)信息應(yīng)消失。所需停場(chǎng)時(shí)間10小時(shí),空調(diào)制冷能力可以完全恢復(fù)。

      4 總結(jié)

      對(duì)比2018年和2019年楊柳絮季之后的機(jī)隊(duì)運(yùn)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(shí)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(jī)非計(jì)劃停場(chǎng)時(shí)間、控制航材成本方面得到了顯著改善,而且對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的正常使用控制得更為有效及時(shí),維修成本更低,對(duì)機(jī)隊(duì)運(yùn)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(jī)隊(duì)的空調(diào)系統(tǒng)工作狀態(tài),及時(shí)在翼離位清潔熱交換器36架次,沒有增加額外停場(chǎng),且機(jī)組和旅客對(duì)客艙空調(diào)環(huán)境零投訴。

      作者簡(jiǎn)介

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

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