空气循环机原理及常见故障分析

朱明 符永

摘要：空气循环机是空调冷却系统的关键组件，由于其结构复杂且属于高速旋转件，是气动类部件维修中的重点和难点。本文通过空气循环机的原理介绍及常见故障分析，为空气循环机部件的维修和航线排故提供技术指导。

关键词：空气循环机;涡轮;压气机;风扇

空气循环机（ACM）是空调系统的核心部件，主要由压气机、涡轮和风扇等组成。来自发动机的高温、高压引气经过双级热交换器中的初级热交换器，初步冷却后进入空气循环机压气机内，使气流增压升温，再经双级热交换器中的次级热交换器，再次冷却后进入涡轮，使压力温度降低以满足飞机空调的要求，同时带动压缩机和风扇工作。为了提高波音737NG飞机空调系统可靠性，下面对空气循环机原理及其常见故障進行分析，以为航线维护和附件维修提供指导。

1 空气循环机工作原理

空气循环机的动力为高温高压的发动机/APU引气，经压气机后通过涡轮膨胀做功来制冷。释放出的机械能一部分驱动压气机，对引气进一步增压以提高系统效率，另一部分则驱动风扇。如图1所示，风扇端连接着热交换器的冷路。在地面工作时，空气循环机的风扇作为动力源，将空气从机体外吸进热交换器的冷路，冷却热路空气后经过风扇叶轮，直接排到机体外的大气中。在飞行状态中，冲压空气自动通过热交换器，并打开首级整流腔内的风扇旁通单向活门，大部分冲压空气直接排出，降低风扇的负载。首次级热交换器分别对引气和进入涡轮的高压空气进行冷却，最后在冷却涡轮中膨胀降温，带动压气机工作。冷路空气温度和压力在涡轮出口得到大幅度降低，再与热路空气按一定比例混合后通向机舱。空气循环机工作的正常与否对空调系统的制冷效果有非常重要的影响。

2 空气循环机常见故障分析

空气循环机故障具有多样性，如气动系统原因、外来物损伤原因或部件本身内部构件互相影响等，下面分别对各种常见故障进行分析。

2.1 风扇故障

风扇作为空气循环机的负载部件，消耗涡轮功的负荷，同时为空调组件的热交换器冷路抽风。风扇和涡轮、压叶轮同轴工作。因风扇原因导致空气循环机失效的比例高达60%。

空气循环机在运作过程中，转子组件的正常工作转速为53700rpm，属于高速旋转运动，因此转子组件对环境的要求较高，稍有外来物碰撞就会改变转子的平衡力系，从而改变转子的动平衡，使转子发生跳动，产生偏摆或轴向运动。继而，将加大空气轴承承受的压力，导致局部磨损。同时，磨损导致热量在局部瞬间聚集，堆积的热量会烧灼空气轴承与风扇轴的接触面。随着磨损和烧灼情况的加剧，最终导致转子失去平衡，出现大幅度跳动，使风扇叶轮的叶片与风扇导流壳体产生强烈的碰撞，导致空气循环机失效。

系统运行中，空气循环机冷路最常见的外来物是风蚀脱落的热交换器冷路叶片或环氧树脂胶等，它们直接被高速旋转的风扇吸入空气循环机中。颗粒较小的外来物会造成叶片点蚀，颗粒较大的外来物则导致空气循环机突然失效。空气循环机转子如果受较大外来物撞击，转子动平衡力系会发生改变，该撞击相当于在风扇叶轮端施加了一个矢量力，该矢量力可分解成径向力和轴向力。根据杠杆原理，以风扇轴承腔为支撑点，在风扇端多出的这个额外的径向力，使转子绕支撑点发生偏转，导致止推轴与空气轴承的接触压力骤然加大，加剧磨损并产生局部热量堆积，烧灼止推轴表面;另一个额外的轴向力则使转子产生轴向运动，导致涡轮与喷嘴组件之间的间隙变小，从而出现刮蹭。

此外，空气循环机在长时间的运行中，易受到空气的侵蚀，造成叶片尖缘磨损，根据波音737NG的AMM21-51-04尺寸检查要求（见图2），其边缘部分的长度不能短于0.38in。外场检查如果发现空气循环机叶片尖缘磨损超出标准，必须第一时间更换空气循环机，避免损伤程度加剧。

2.2 喷嘴组件磨损

喷嘴组件由喷嘴环和喷嘴基体构成。喷嘴环安装在喷嘴基体上面，形成一个完整的喷嘴组件。喷嘴组件和涡轮配合产生膨胀比，使空气迅速降温。由于喷嘴组件设计独特，喷嘴孔细密，喷嘴孔之间的距离小，加上喷嘴受高速高压高温气体的流动影响（入口气体没有过滤，容易夹杂沙尘等），非常容易出现风蚀现象，如图3所示。随着装机时间的增加，风蚀进一步加剧，导致锐边脱落，碎屑进入空气循环机内部，造成气动轴承磨损或卡阻，最终导致空气循环机卡阻或整体性能下降。

表1统计了某航空公司2017年送修的空气循环机数据，结合上一次维修报告（其中6个上次维修有更换喷嘴组件，16个没有更换喷嘴组件），对比分析发现上次维修更换过喷嘴的部件的可靠性明显优于未更换喷嘴的部件，平均使用寿命提高7000飞行小时以上。喷嘴组件导致的空气循环机故障主要表现为冷却系统温度高，结合维修数据可知，其导致空气循环机失效的占比为30%。

2.3 空气轴承失效

空气循环机里的空气轴承分为止推轴承和径向轴承。止推轴承负责旋转组件止推轴的轴向位移，径向轴承负责支撑旋转轴（包含止推轴和风扇轴）在径向的转动（见图4）。空气循环机启动前，旋转轴和轴承之间有物理接触。空气循环机启动时，轴和轴承相对运动，产生空气压力，达到一定转速后，轴承片的楔形部署结构产生气膜使轴悬浮。空气轴承与滚珠轴承等不同，无物理接触点，因此无需润滑油，旋转速度很高，因而系统的效率可以显著提高。虽然空气轴承的可靠性很高，但因为空气循环机内部引气质量不佳（风蚀带来的碎屑）或者启动时造成的工作面点蚀增加，将产生由点到线到面的磨损，也会导致空气轴承的逐步磨损，最后失效。

2.4 旁通单向阀卡阻造成空气循环机超速

根据AMM 21-51-04尺寸检查要求，风扇端连接着热交换器的冷路，空气循环机的风扇作为动力源，将冲压空气从机体外吸进热交换器的冷路，冷却热路空气后，冲压空气经过风扇叶轮直接排入机体外的大气中。首级整流腔与首级热交换器连接（见图5），将流过首级热交换器的冲压空气气流引导进入空气循环机风扇叶轮，并通过中间管路将冲压空气排走。首级整流腔中间管道壳体上有一个旁通单向阀（见图6），在地面时，在重力作用下旁通单向阀保持关闭状态;在飞行状态下，旁通单向阀在冲压空气压力作用下处于打开状态，使大部分冲压空气直接流过中间管路，而不用经过空气循环机风扇叶轮。

单向阀长时间的往复运动会造成单向阀边缘磨损，使之出现卡阻或失效。从图6可以看出，旁通单向阀扇叶的边角和中间壳体已经出现破损，显锯齿形，缺口错落有致。另外，旁通单向阀铰链销也会出现磨损，导致出现活动间隙。这两个因素导致了旁通单向阀扇叶与中间壳体的缺口出现咬合或卡阻。

涡轮压气机风扇式制冷系统的最大特点是涡轮、压气机轮和风扇叶轮三者共轴，风扇叶轮和压气机轮之间可以自动协调涡轮传导的机械能的分配比。在地面时，由于风扇的负荷增加，使之能从共轴上分配到较多的机械能，用来驱动空气流过热交换器;当达到一定飞行速度时，风扇负荷减小，压气机则从共轴上分配到更多的机械能，用来提高引气的压力和温度，形成温度差，有利于热量散出，同时，风扇分配的机械能减小，保证其工作不超速。

在飞行状态下，由于飞行速度的提高，风扇载荷需求减少，为避免超速，需要打开该旁通单向阀，避免冲压空气全部流往空气循环机风扇叶轮而形成压力堆积，造成风扇负荷增加。若旁通单向阀出现卡阻，风扇载荷增大，易导致空气循环机超速，空气轴承发生过烧蚀磨损。空气轴承一旦过热磨损，将大大降低制冷效果，还会对风扇轴和止推轴造成伤害，降低转子的平衡性能，使风扇叶轮与风扇导流壳体发生刮碰或撞击，最终导致空气循环机故障。

2.5 空气循环机涡壳吊耳断裂

涡壳断裂（见图7）比较少见，故障比率为3%～5%，主要原因是外场安装不慎，如碰撞或受力不当等，导致涡壳的吊耳断裂，从而造成返场维修。

3 总结

民航领域的安全性和可靠性决定了故障诊断的重要性。针对民用航空典型高发性故障，应通过维修资料的整合分析，理论结合实际，深入剖析工作原理，分析总结故障的成因;应结合数据模型和数据类比，分析关键零部件对可靠性的影响，对维修工作中的检查和维护提供有针对性的指引，从而提高部件的可靠性，降低航空公司维护成本。