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環(huán)境，提升了服務質量，滿足了運力要求。

關鍵詞：熱交換器；柳絮季；空調降級；離位清潔

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

1 波音787飛機空調制冷系統(tǒng)特點和相關部件

1.1 空調制冷系統(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動，功率大、轉速高，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）和前貨艙空調系統(tǒng)（FCAC）的冷卻液散熱。

飛機在地面通電情況下，即使空調不工作，由于有其他大功率電負載工作，RAF也會一直運轉，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動，可變轉速。飛機在地面沒有沖壓空氣作為冷卻媒介，當空調系統(tǒng)工作或機載大功率負載電氣設備工作時，空調組件控制器（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最高工作轉速為13400rpm，限速后最高工作轉速降為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，流經空調主級熱交換器的冷卻氣流變得極不穩(wěn)定，可造成下游RAF在高轉速下喘振而使葉片受損，嚴重影響空調系統(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；PCU軟件控制邏輯根據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降至安全轉速（7000rpm），并降低空調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制冷能力將顯著降低，嚴重影響客艙服務質量。

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速，造成空調系統(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手冊的相關內容，提供了關于空調熱交換器組件的在翼分解拆裝程序及工裝設備。同時，經工程部門驗證，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），將空調散熱器組件更換間隔從一年延長為三年。

2020年生產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)空調降級信息連續(xù)出現(xiàn)達到3個航段后，生產部門立刻提出需求，調整航班結構，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，檢查空調降級維護信息應消失。所需停場時間10小時，空調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量。2020年4～6月間，生產部門持續(xù)監(jiān)控787機隊的空調系統(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。