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[原创] 关于提高空气循环机使用寿命的分析

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发表于 2014-6-8 14:46:12 | 显示全部楼层 |阅读模式

关于提高空气循环机使用寿命的分析

   (分析:邓奎  助理工程师)  2014.6.8

摘   要

 737NG飞机的空调系统故障率偏高一直困扰着航空技术工程师们,由于系统涉及的部件繁多,当空调制冷系统出现故障时,首先表现的是组件跳开(PACK灯亮)或温度高,多数的做法是清洁热交换器、更换水分离器布袋或更换相关控制部件,而对于故障原因很难提供足够的分析依据,也耗费了大量的人力资源和维修控制成本。

空调系统主要是制冷降温,将热空气调节到适合的温度提供给用户,而空调制冷系统的主要部件之一是空气循环机(ACM)和热交换器,如果ACM失效将直接造成空调系统失效,一旦ACM损坏将直接造成修理成本增加(单体修理约30万人民币),为了提高ACM的使用寿命,减少维修成本,同时也使其能准确判断故障原因,通过大量的数据采样和理论分析,结合空调系统的工作原理和实践维护结果,得出以下分析结果和维护方法,希望对技术工程师们有所帮助。

关键词:空调,737,空气循环机,ACM

1.737NG空调制冷系统工作原理

737NG飞机的空调制冷系统有两种构型,737-700飞机的空调系统由冲压空气作动器、主/次热交换器、空气循环机(ACM)、混合活门、水分离器、35℉温控活门、温度控制器、控制面板和传感器等组成;737-800飞机的空调系统由冲压空气作动器、主/次热交换器、空气循环机(ACM)、回热器、冷凝器、水分离器、温度控制活门(TCV)、备用温度控制活门(STCV)、区域空气压力调节和关断活门(PRSOV)、区域温度控制活门(ZTCV)、区域温度控制器(ZTC)、控制面板和传感器等组成。

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水分离器是将冷却空气中的水分分离出来并通过引射喷嘴喷入冲压进气道,这样有利于提供热交换器的散热效果。

35℉控制系统包括35℉传感器、控制器和活门,当35℉传感器探测到水分离器内的空气温度低于35℉(2℃)时,控制器指令活门打开进入热空气,防止水分离器结冰。

温度控制混合活门是控制空调供气的温度,它是同轴双向活门,同时控制着冷/热两个气路,当需要温度低时关小热气路开大冷气路,反之则开大热气路关小冷气路。冲压空气系统是制度外界大气进行热交换器的空气流量。

1.2 737-800空调制冷原理概述(见示图1.2)

当空调系统接通时,从APU或发动机引来的热空气通过空调流量控制关断活门(FCSOV)分为两路,一路热空气通过区域配平压力调节关断活门(PRSOV)到三个区域温度配平活门,分别控制到驾驶舱、前客舱和后客舱供气管道的温度调节;另一路热空气进入主级热交换器进行第一次降温,降温后的空气进入到ACM的压气机,经压气机增压增温后进入次级热交换器进行第二次降温,降温后的空气进入回热器再到冷凝器,冷凝器冷却后的空气通过水分离器后再通过回热器到ACM涡轮,空气在涡轮腔中膨胀做功并再次降温,ACM涡轮在空气的扩散做功的作用下旋转带动压气机和叶轮转动;制冷空气通过涡轮降温后通过单向活门向用户提供制冷空气。

温度控制活门(TCV)控制空调组件的出口温度;备用温度控制活门(STCV)有如下功用:

A、当温度控制活门(TCV)故障时,参与控制组件输出温度调节;

B、当冷凝器结冰时,打开热气路去加温,防止冷凝器结冰。

回热器的作用是加温冷凝器出来冷却空气,防止过冷的空气进入ACM涡轮;水分离器是一个离心式分离器,将冷却空气中的水分分离出来并通过引射喷嘴喷入冲压进气道,这样有利于提供热交换器的散热效果。冲压空气系统是制度外界大气进行热交换器的空气流量。

1.3空气循环机(ACM)

空气循环机是一个三级离心式空气轴承循环机。空气进入涡轮并在涡轮腔中膨胀做功,使热能转为动能带动涡轮旋转,由于气体内能转换成外功,故其温度和压力都必然降低,从而获得低温低压空气进入供气管道,涡轮通过传动轴带动压气机和风扇叶轮旋转,当压气机旋转时,增压从主级热交换器来的空气进入次级热交换器进行二次散热。风扇叶轮使冲压空气出口产生负压,将外界空气吸入冲压空气管路提供散热空气流。

3.ACM运行环境分析

3.1热交换器的散热效能分析

空调系统的热交换器主要对引气源进行两级散热并向ACM提供适当的制冷压缩空气。如果热交换器太脏,会造成冲压空气流通截面变小使散热效能下降,正常情况下主级热交换器的散热比在60%以上,次级热交换器的散热比在55%以上,当两级热交换器的散热比不能满足上述值时,说明热交换器脏或散热通道变小造成散热效能下降,当热交换器不能有效降低引气温度时,必然会造成ACM涡轮进口温度高,高温热空气在涡轮腔中做功使ACM高功率旋转,同时也会使压气机增压比和增温比下降,严重影响ACM使用寿命。

散热比的计算公式如下:

      (进口温度-出口温度)÷进口温度×100

例如:当进口温度为165℃,出口温度为85℃时,散热比为48.5%。

                (165-85)÷165×100=48.5%

当热交换器脏还会影响到冲压空气流量,如果流量不足,会造成ACM叶轮在涡轮的高速带转下产生抽真空负压,使叶轮轴乘载过高的扭矩。由于叶轮的高速旋转,当热交换器通道内长期集存脏物并凝结到一定程度时,如果被冲压空气吹落时,极小的硬颗粒也容易打坏ACM叶轮。

3.2 ACM运行分析

A、当ACM正常运行时,压气机的空气压缩比为1.05,通过压气机后的增温比一般为25%以上,空气通过涡轮做功后的降温比一般为66%以上,降温效率好的ACM可以达到140%;由于压气机的增温比与进口空气温度有直接关系,进口温度越高,空气压缩越难,压缩比随之减小。涡轮降温比能反映出涡轮做功的效率,当空气在涡轮腔中完全扩散做功后,ACM涡轮的出口空气温度能达到-5℃以下,因而涡轮降温比能反映出ACM效率。

a、压气机增温比计算公式如下:

      (出口温度-进口温度)÷出口温度×100

例如:当进口温度为60℃,出口温度为82℃时,散热比为26.8%。

                (82-60)÷82×100=26.8%

b、涡轮降温比计算公式如下:

      (进口温度-出口温度)÷进口温度×100

例如:当进口温度为37℃,出口温度为-4℃时,散热比为110.8%。

                [37-(-4)]÷37×100=110.8%

B、由于ACM的效率好坏与热交换器的散热效果有直接关系,因此在维护空调系统时,尤其是进入夏季前对空调系统进行温度数据采集,找出性能差的部件,有针对性的进行维护或更换部件,这样有助于维修成本的控制,也能准确判断性能下降的原因。

C、由于ACM的时间/循环计算取值是飞机的空地运行时间(开关车时间),确将ACM在地面的运行时间被忽略掉,实际上在地面的运行时是相关长的,当ACM在地面运行时,由于运行环境(空气清洁程度和温度)的影响,加大了ACM使用寿命的损耗。

   4.空调温度数据采集、分析和维护措施

4.1 温度数据采集和分析

为了更好的掌握空调系统运行情况,了解制冷系统部件的实际工作状态,并有针对性的对性能下降的部件进行预防性维护,有助于了解热交换器的离位清洗效果和减少ACM损坏后的修理成本。

以737-800飞机采集的空调数据进行分析为例(如图表4.1),从下例数据表上反映出左空调系统的主级热交换器散热效率有问题,从第三条和第四条数据上反映出该架飞机的左右空调热交换器也存在问题,经使用氮气清洁散热器后,测量温度和降温效果非常明显,进出温度达到正常值。实践证明,空调温度数据采集为故障的判断起到了决定性作用。

那么,如何保证采集的数据真实有效并能准确分析故障原因呢?首先是编写可操作性强的工作单,使维修人员能准确找到测量点;其次是维修人员正常使用测量仪(TESTO 905-T2或925或其它同等测量设备);最后是工程师熟悉空调系统的工作原理并结合各部件在系统的作用和相互间的逻辑关系进行分析。以737-800为例如示图4.2的温度采集参照示图,图中①、③是为热交换器的进口温度采集点,②、④是为热交换器的出口温度采集点,⑤是ACM出口温度采集点,⑥是空调供气总管(冷凝器后)的温度采集点。采集完数据并将数据进行计算和分析后,得出空调制冷系统的健康状况,这样就可以有针对性的对性能差的部件进行维护。

4.2 空调制冷系统维护措施

当主级热交换器的降温比小于60%时或次级热交换器的降温比小于50%时,对热交换器使用氮气进行气吹清洁,如果清洁后温度下降不满意,更换热交换器;正常情况主级出口温度大约在40-60℃左右,次级出口温度大约在25-35℃左右。如果新换上的热交换器降温比不满意,说明热交换器离位清洁效果不理想或需要对热交换器进行换芯修理(修理费用约5万人民币)。

当ACM出口温度大于5℃或涡轮降温比小于50%时,说明ACM性能下降,如果次级热交换器出口温度在25-35℃左右,说明空气在涡轮腔的没有完全实现能量转换使温度降至正常范围,需立即更换,否则长期使用会造成ACM损坏而增加修理成本。

5、总结

综合上述分析, 空调系统热交换器的散热效果至关重要,离位清洁一个热交换器的费用约6000人民币,热交换器换一个芯约5万人民币,如果损坏一个ACM将会损失30万人民币;如果能有效减少空调在地面的运行时间,同时航空公司财务部门能制定出有效的成本控制和激励机制,鼓励维修一线部门合理使用空调系统或提供地面空调设备,以此增加ACM的使用寿命,也能减少APU的燃油消耗和飞机维修成本。

对于上述分析结论,有些推理和判断值已通过实践证明可以准确判定其故障原因,个别数据还需要通过维修实践来证实数据定量的准确性,因此,本分析成果仅供参考。

 

参考文献:

[1]BOEING COMPANY,USAAIRCRAFT MAINTENANCE MANUAL[P] D633A101 JUNE 10,2002.

[2] 飞机空气循环机的建模与故障仿真,天津民航大学自动化学院[E]文号:1006-9348(2012)08-0072-04.
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