波音787飞机空调热交换器离位清洁

摘要：我国北方每年春季杨柳絮爆发都会造成波音787飞机空调散热器组件的严重堵塞，使飞机在地面的制冷能力变差。为此，研究制定了空调子系统热交换器离位清洁方案，利用飞机自然停场时间，将次级空调热交换器和子系统热交换器从组件上分解拆卸后进行清洁，有效改善了客舱空调环境，提升了服务质量，满足了运力要求。

关键词：热交换器；柳絮季；空调降级；离位清洁

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

1 波音787飞机空调制冷系统特点和相关部件

1.1 空调制冷系统特点、组成和存在问题

与前代波音飞机相比，波音787飞机的空调系统在设计上有三个明显变化（见图1）。一是取消了引气系统，客舱增压和空调系统所需的压力空气不再从发动机或辅助动力装置（APU）的压气机获得，而是改由电动的客舱空气压缩机（CAC）提供，压缩空气温度较高，需要热交换器组件具备高效的降温能力；二是冲压冷却空气风扇（RAF）改由单独的电马达驱动，功率大、转速高，可为热交换器组件提供的冷却空气流量更大；三是热交换器组件不再只是空调系统的散热器，同时也为电源冷却系统（PECS）和前货舱空调系统（FCAC）的冷却液散热。

飞机在地面通电情况下，即使空调不工作，由于有其他大功率电负载工作，RAF也会一直运转，将外界空气吸入热交换器组件，为子系统的冷却液降温。飞机在运行通电状态下长时间抽吸外界包含杂质的空气，尤其是杨柳絮爆发期间，将导致热交换器散热片表面很快被飞絮覆盖且深入散热片缝隙。同时，空调水分离器分离出的水喷洒到此处，使得飞絮和灰尘混合成凝结物，进一步加重了散热器的堵塞，很快各子系统热交换器之间和缝隙中都充满了污染物，阻隔了冷却空气向下游的流动，严重影响了热交换器组件的冷却效率。

1.2 热交换器组件

热交换器组件由主级热交换器、次级热交换器、PECS热交换器和FCAC热交换器构成，如图2所示。

1）主级热交换器是热交换器组件的主要部分，利用冲压冷却空气作为交换媒介为来自CAC的热空气降温。冲压冷却空气首先流过次级热交换器和PECS热交换器、FCAC热交换器，再流经下游的主级热交换器。

2）次级热交换器利用冲压冷却空气作为交换媒介来降低空气循环机（ACM）压气机出口的热空气温度。

3）PECS热交换器和FCAC热交换器分别是热交换器组件的一部分，利用冲压冷却空气作为交换媒介来降低PECS系统和FCAC系统的冷却液温度。

1.3 冲压空气风扇（RAF）

冲压空气风扇由电马达驱动，可变转速。飞机在地面没有冲压空气作为冷却媒介，当空调系统工作或机载大功率负载电气设备工作时，空调组件控制器（PCU）指令通用马达控制器（CMSC）或冲压风扇马达控制器（RFMC）控制冲压空气风扇工作，将外部环境空气作为冷却媒介吸入冲压冷却空气进气管道，流经热交换器组件后排出机外。在地面工作状态，RAF最高工作转速为13400rpm，限速后最高工作转速降为7000rpm。

2 热交换器严重堵塞引发的问题

2.1 RAF叶片损伤和PECS冷却液温度高

热交换器堵塞严重时，流经空调主级热交换器的冷却气流变得极不稳定，可造成下游RAF在高转速下喘振而使叶片受损，严重影响空调系统在地面的使用。由于不能及时更换热交换器组件，787机队空调系统RAF叶片损伤的情况时有发生。而RAF送修周期长，在全球缺件的情况下有时只能向其他航司租用航材，每天的租金费用高达十几万人民币。同时，热交换器堵塞会造成冷却空气流量不足，使PECS冷却液得不到有效冷却，温度偏高将导致飞机电源系统的CMSC和自动变压整流器（ATRU）等大功率设备的工作温度得不到有效控制而被限制正常工作，部分机载电网用户可能被卸载，严重影响飞机各系统的正常工作。

2.2 空调系统降级工作状态

为避免上游冷却空气堵塞导致的RAF损伤，2018以后787机队根据厂家方案对冲压风扇执行了升级改装。新的RAF安装了监控硬件，包括气流压差传感器和温度传感器，为PCU提供冷却空气的压力和温度数据；PCU软件控制逻辑根据RAF风扇流道前后的气流压差和温度来确定RAF的工作状态和喘振条件，当感受到气流不稳定时将RAF降至安全转速（7000rpm），并降低空调组件供往客舱的空气流量，以避免CAC马达过热。那么，此时的空调系统为降级工作状态，并伴随出现维护信息“LEFT/RIGHT CONDITIONING PACK IS DEGRADED”。在这种工作状态下，特别是天气炎热时的空调制冷能力将显著降低，严重影响客舱服务质量。

3 热交换器堵塞问题的解决方案

3.1 初始运行时的解决方案

787飞机运营初期的持续适航维修方案（CAMP）规定，每年定期更换热交换器组件，拆下的组件送到附件修理厂，使用超声波进行彻底清洁。实际使用中，在计划更换周期内热交换器堵塞发生的频率却比预期的要高，尤其是我国北方特有的杨柳絮使787飞机空调热交换器表面和缝隙污染严重。自机队运行以来，每年春季生产部门都要参考飞机维修手册（AMM）对机队热交换器效率进行专项监控，通过测量记录冷却空气排气流量和监控波音公司的飞机健康系统（AHM）等方法，预先判断热交换器组件是否有堵塞的趋势，以执行预防维修措施。即拆开冷却空气进口管道（见图3），对冷却空气迎风面进行应急的简单清洁，缓解堵塞情况的继续恶化，同时申请安排专门停场时间，提前更换堵塞严重的热交换器组件。但是，简单清洁单侧热交换器表面的效果不佳，很快堵塞又会出现，很可能需要执行额外的停场以更换热交换器组件，而在提前更換热交换器组件后，在CAMP更换间隔要求下，不久又要再次执行更换，造成了运力损失和人力物力的严重浪费。困扰着787机队维修生产部门的热交换器堵塞问题连续两年都没有得到有效解决，导致非例行停场指标不能完成，机组和旅客对客舱温度的投诉不断。

3.2 空调系统降级工作的解决方案

RAF改装后，当判断有热交换器堵塞时，PCU为保护冲压风扇会降低冷却风扇的转速，造成空调系统直接降级工作，使制冷能力严重下降，解决此问题的最佳方案还是更换热交换器组件。但是热交换器组件整体拆装工作周期较长，航线更换热交换器组件所需的停场时间为60小时，且航材备件有限，给机队的正常运营造成了很大压力。

为了缓解这一矛盾，在一系列分析和研究后，决定暂时参考附件修理手册（CMM）制定子系统热交换器离位清洁方案，将次级空调热交换器和子系统热交换器从组件上分解下来进行清洁。2019年春季开始试用这一新的清洁方案后，利用飞机自然停场进行分解离位清洁热交换器工作，取得了较好的实际效果，也解决了之前简单清洁单侧热交换器表面效果不佳的问题。

3.3 最终方案的实施

2019年底，工程部门向厂家寻求了热交换器组件在翼分拆的操作程序，波音在AMM手册中增加了原CMM手册的相关内容，提供了关于空调热交换器组件的在翼分解拆装程序及工装设备。同时，经工程部门验证，在翼分解离位清洁可以做到彻底去除污染物，航空公司接受了新的离位清洁方案，更新了787飞机的CAMP条目（21-071-00），将空调散热器组件更换间隔从一年延长为三年。

2020年生产部门正式采取了新的预防性维修措施。在杨柳絮爆发期间，持续使用AHM监控整个机队的降级信息，当发现空调降级信息连续出现达到3个航段后，生产部门立刻提出需求，调整航班结构，利用间隔时间较长的自然停场按新方案清洁热交换器，在不影响正常运行的同时保障了787飞机空调系统的正常使用。

3.4 在翼分解离位清洁子系统热交换器

如图4所示，首先从热交换器组件拆卸次级空调热交换器、PECS热交换器和FCAC热交换器，使用压力<20psi的清洁压缩气体吹除每个散热器缝隙之间的堵塞物，然后使用大量清水冲洗每个散热器表面和缝隙，再干燥每个子系统散热器，检查散热片之间有无变形。安装恢复子系统热交换器后，打开空调工作，测试清洁后的冷却空气出口流量，验证清洁效果，检查空调降级维护信息应消失。所需停场时间10小时，空调制冷能力可以完全恢复。

4 总结

对比2018年和2019年杨柳絮季之后的机队运行情况，分解拆卸子系统热交换器并清洁的方法能有效解决杨柳絮造成的空调热交换器严重堵塞后制冷效果差问题。实施在翼拆卸子系统热交换器离位清洁的新方法，在减少飞机非计划停场时间、控制航材成本方面得到了显著改善，而且对空调系统的正常使用控制得更为有效及时，维修成本更低，对机队运行造成的影响更小，满足了客舱的舒适度需求，大幅度提升了服务质量。2020年4～6月间，生产部门持续监控787机队的空调系统工作状态，及时在翼离位清洁热交换器36架次，没有增加额外停场，且机组和旅客对客舱空调环境零投訴。

作者简介

田续中，工程师，主要从事波音787-9飞机机电维修技术支援工作。