空氣循環機原理及常見故障分析

朱明 符永

摘要：空氣循環機是空調冷卻系統的關鍵組件，由于其結構復雜且屬于高速旋轉件，是氣動類部件維修中的重點和難點。本文通過空氣循環機的原理介紹及常見故障分析，為空氣循環機部件的維修和航線排故提供技術指導。

關鍵詞：空氣循環機;渦輪;壓氣機;風扇

空氣循環機（ACM）是空調系統的核心部件，主要由壓氣機、渦輪和風扇等組成。來自發動機的高溫、高壓引氣經過雙級熱交換器中的初級熱交換器，初步冷卻后進入空氣循環機壓氣機內，使氣流增壓升溫，再經雙級熱交換器中的次級熱交換器，再次冷卻后進入渦輪，使壓力溫度降低以滿足飛機空調的要求，同時帶動壓縮機和風扇工作。為了提高波音737NG飛機空調系統可靠性，下面對空氣循環機原理及其常見故障進行分析，以為航線維護和附件維修提供指導。

1 空氣循環機工作原理

空氣循環機的動力為高溫高壓的發動機/APU引氣，經壓氣機后通過渦輪膨脹做功來制冷。釋放出的機械能一部分驅動壓氣機，對引氣進一步增壓以提高系統效率，另一部分則驅動風扇。如圖1所示，風扇端連接著熱交換器的冷路。在地面工作時，空氣循環機的風扇作為動力源，將空氣從機體外吸進熱交換器的冷路，冷卻熱路空氣后經過風扇葉輪，直接排到機體外的大氣中。在飛行狀態中，沖壓空氣自動通過熱交換器，并打開首級整流腔內的風扇旁通單向活門，大部分沖壓空氣直接排出，降低風扇的負載。首次級熱交換器分別對引氣和進入渦輪的高壓空氣進行冷卻，最后在冷卻渦輪中膨脹降溫，帶動壓氣機工作。冷路空氣溫度和壓力在渦輪出口得到大幅度降低，再與熱路空氣按一定比例混合后通向機艙。空氣循環機工作的正常與否對空調系統的制冷效果有非常重要的影響。

2 空氣循環機常見故障分析

空氣循環機故障具有多樣性，如氣動系統原因、外來物損傷原因或部件本身內部構件互相影響等，下面分別對各種常見故障進行分析。

2.1 風扇故障

風扇作為空氣循環機的負載部件，消耗渦輪功的負荷，同時為空調組件的熱交換器冷路抽風。風扇和渦輪、壓葉輪同軸工作。因風扇原因導致空氣循環機失效的比例高達60%。

空氣循環機在運作過程中，轉子組件的正常工作轉速為53700rpm，屬于高速旋轉運動，因此轉子組件對環境的要求較高，稍有外來物碰撞就會改變轉子的平衡力系，從而改變轉子的動平衡，使轉子發生跳動，產生偏擺或軸向運動。繼而，將加大空氣軸承承受的壓力，導致局部磨損。同時，磨損導致熱量在局部瞬間聚集，堆積的熱量會燒灼空氣軸承與風扇軸的接觸面。隨著磨損和燒灼情況的加劇，最終導致轉子失去平衡，出現大幅度跳動，使風扇葉輪的葉片與風扇導流殼體產生強烈的碰撞，導致空氣循環機失效。

系統運行中，空氣循環機冷路最常見的外來物是風蝕脫落的熱交換器冷路葉片或環氧樹脂膠等，它們直接被高速旋轉的風扇吸入空氣循環機中。顆粒較小的外來物會造成葉片點蝕，顆粒較大的外來物則導致空氣循環機突然失效。空氣循環機轉子如果受較大外來物撞擊，轉子動平衡力系會發生改變，該撞擊相當于在風扇葉輪端施加了一個矢量力，該矢量力可分解成徑向力和軸向力。根據杠桿原理，以風扇軸承腔為支撐點，在風扇端多出的這個額外的徑向力，使轉子繞支撐點發生偏轉，導致止推軸與空氣軸承的接觸壓力驟然加大，加劇磨損并產生局部熱量堆積，燒灼止推軸表面;另一個額外的軸向力則使轉子產生軸向運動，導致渦輪與噴嘴組件之間的間隙變小，從而出現刮蹭。

此外，空氣循環機在長時間的運行中，易受到空氣的侵蝕，造成葉片尖緣磨損，根據波音737NG的AMM21-51-04尺寸檢查要求（見圖2），其邊緣部分的長度不能短于0.38in。外場檢查如果發現空氣循環機葉片尖緣磨損超出標準，必須第一時間更換空氣循環機，避免損傷程度加劇。

2.2 噴嘴組件磨損

噴嘴組件由噴嘴環和噴嘴基體構成。噴嘴環安裝在噴嘴基體上面，形成一個完整的噴嘴組件。噴嘴組件和渦輪配合產生膨脹比，使空氣迅速降溫。由于噴嘴組件設計獨特，噴嘴孔細密，噴嘴孔之間的距離小，加上噴嘴受高速高壓高溫氣體的流動影響（入口氣體沒有過濾，容易夾雜沙塵等），非常容易出現風蝕現象，如圖3所示。隨著裝機時間的增加，風蝕進一步加劇，導致銳邊脫落，碎屑進入空氣循環機內部，造成氣動軸承磨損或卡阻，最終導致空氣循環機卡阻或整體性能下降。

表1統計了某航空公司2017年送修的空氣循環機數據，結合上一次維修報告（其中6個上次維修有更換噴嘴組件，16個沒有更換噴嘴組件），對比分析發現上次維修更換過噴嘴的部件的可靠性明顯優于未更換噴嘴的部件，平均使用壽命提高7000飛行小時以上。噴嘴組件導致的空氣循環機故障主要表現為冷卻系統溫度高，結合維修數據可知，其導致空氣循環機失效的占比為30%。

2.3 空氣軸承失效

空氣循環機里的空氣軸承分為止推軸承和徑向軸承。止推軸承負責旋轉組件止推軸的軸向位移，徑向軸承負責支撐旋轉軸（包含止推軸和風扇軸）在徑向的轉動（見圖4）。空氣循環機啟動前，旋轉軸和軸承之間有物理接觸。空氣循環機啟動時，軸和軸承相對運動，產生空氣壓力，達到一定轉速后，軸承片的楔形部署結構產生氣膜使軸懸浮。空氣軸承與滾珠軸承等不同，無物理接觸點，因此無需潤滑油，旋轉速度很高，因而系統的效率可以顯著提高。雖然空氣軸承的可靠性很高，但因為空氣循環機內部引氣質量不佳（風蝕帶來的碎屑）或者啟動時造成的工作面點蝕增加，將產生由點到線到面的磨損，也會導致空氣軸承的逐步磨損，最后失效。

2.4 旁通單向閥卡阻造成空氣循環機超速

根據AMM 21-51-04尺寸檢查要求，風扇端連接著熱交換器的冷路，空氣循環機的風扇作為動力源，將沖壓空氣從機體外吸進熱交換器的冷路，冷卻熱路空氣后，沖壓空氣經過風扇葉輪直接排入機體外的大氣中。首級整流腔與首級熱交換器連接（見圖5），將流過首級熱交換器的沖壓空氣氣流引導進入空氣循環機風扇葉輪，并通過中間管路將沖壓空氣排走。首級整流腔中間管道殼體上有一個旁通單向閥（見圖6），在地面時，在重力作用下旁通單向閥保持關閉狀態;在飛行狀態下，旁通單向閥在沖壓空氣壓力作用下處于打開狀態，使大部分沖壓空氣直接流過中間管路，而不用經過空氣循環機風扇葉輪。

單向閥長時間的往復運動會造成單向閥邊緣磨損，使之出現卡阻或失效。從圖6可以看出，旁通單向閥扇葉的邊角和中間殼體已經出現破損，顯鋸齒形，缺口錯落有致。另外，旁通單向閥鉸鏈銷也會出現磨損，導致出現活動間隙。這兩個因素導致了旁通單向閥扇葉與中間殼體的缺口出現咬合或卡阻。

渦輪壓氣機風扇式制冷系統的最大特點是渦輪、壓氣機輪和風扇葉輪三者共軸，風扇葉輪和壓氣機輪之間可以自動協調渦輪傳導的機械能的分配比。在地面時，由于風扇的負荷增加，使之能從共軸上分配到較多的機械能，用來驅動空氣流過熱交換器;當達到一定飛行速度時，風扇負荷減小，壓氣機則從共軸上分配到更多的機械能，用來提高引氣的壓力和溫度，形成溫度差，有利于熱量散出，同時，風扇分配的機械能減小，保證其工作不超速。

在飛行狀態下，由于飛行速度的提高，風扇載荷需求減少，為避免超速，需要打開該旁通單向閥，避免沖壓空氣全部流往空氣循環機風扇葉輪而形成壓力堆積，造成風扇負荷增加。若旁通單向閥出現卡阻，風扇載荷增大，易導致空氣循環機超速，空氣軸承發生過燒蝕磨損。空氣軸承一旦過熱磨損，將大大降低制冷效果，還會對風扇軸和止推軸造成傷害，降低轉子的平衡性能，使風扇葉輪與風扇導流殼體發生刮碰或撞擊，最終導致空氣循環機故障。

2.5 空氣循環機渦殼吊耳斷裂

渦殼斷裂（見圖7）比較少見，故障比率為3%～5%，主要原因是外場安裝不慎，如碰撞或受力不當等，導致渦殼的吊耳斷裂，從而造成返場維修。

3 總結

民航領域的安全性和可靠性決定了故障診斷的重要性。針對民用航空典型高發性故障，應通過維修資料的整合分析，理論結合實際，深入剖析工作原理，分析總結故障的成因;應結合數據模型和數據類比，分析關鍵零部件對可靠性的影響，對維修工作中的檢查和維護提供有針對性的指引，從而提高部件的可靠性，降低航空公司維護成本。