基于污染機理的飛機空調過熱故障解決方案

侯立國

摘要：介紹了波音737等窄體飛機因空氣污染引發的空調組件地面過熱故障現有技術措施的不足，從大氣污染和結垢機理進行分析，搭建飛機空調組件的系統仿真模型，基于污垢洗脫機理研制空調熱交換器清洗設備，并建立了空調組件健康管理系統。

關鍵詞：大氣污染；污垢；熱交換器性能；故障診斷；清洗技術

Keywords：air pollution；dirt；heat exchanger performance；fault diagnosis；cleaning technology

0 引言

從20世紀80年代開始，以波音737為代表的窄體飛機在運行中由空氣污染引發的空調組件地面過熱故障在夏季高發，是國內航空公司普遍存在的長期難以解決的故障，航空公司、飛機制造商及附件制造商在工程管理、航線、車間等方面研發的多種技術以及采用熱交換器整體換芯等方法都不能對此有效解決，該故障給飛行帶來嚴重安全隱患、服務品質差、可靠性差等問題。

經過多年對該故障的觀察分析和技術探索，航司和飛機制造商已經意識到中國的大氣污染物嚴重污染飛機空調組件熱交換器是引發空調組件過熱故障的元兇。

1 航司解決過熱故障的技術措施及分析

1.1 航空公司普遍采取的措施

1）在外場維護中采用多種技術解決方法，如逆向水沖洗、氮氣吹掃、手感排氣等。

2）對廠商（OEM）提供的熱交換器車間清洗中的浸泡清洗方法進行改進，研究出鼓泡、加熱、振動等具有自主知識產權的技術；對熱交換器局部發生的堵塞采取堵膠和局部換芯方法，對腐蝕嚴重的進行整體換芯；國內某骨干航空公司甚至對裝機熱交換器采取每1.8萬飛行小時強制進行換芯的措施。

3）在維修工程管理方面，對每年4～9月的夏季維修間隔進行控制，采取每15天進行航線沖洗和增加定期車間清洗的方法。

但是，采取以上措施后故障頻發現象不僅沒有明顯改觀，反而使空氣循環機（ACM）的拆換率增高。

1.2 現有技術手段分析

1）外場水沖洗熱交換器技術

在外場用水和氣對熱交換器進行反向沖洗或吹除，可以清除進入熱交換器內部的浮塵，同時也具有直接降溫的作用，達到短時降溫效果。但這種方法難以清除已經形成并粘附在翅片上的污垢，而且，進入熱交換器的水溶脹了附著在散熱翅片上的污垢，脫落的細小垢塊落入其下游ACM高速旋轉的葉片上，易將葉片擊傷，導致ACM故障。

2）車間清洗熱交換器技術

按照OEM手冊提供的清洗方法，將熱交換器在規定的清洗液中浸泡和漂洗并輔助加熱和鼓泡，對清洗祛除一般性的污染有作用，但對已經形成的污垢特別是頑固污垢效果欠佳。某維修單位統計，平均每批次熱交換器清洗不達標率超過20%。

3）對熱交換器腐蝕和堵塞的處理技術

大氣中含有的工業污染物所形成的污垢中大多數有一定的腐蝕性，輕則導致鋁制散熱翅片腐蝕，重則導致穿孔。穿孔會造成熱交換器冷熱路空氣互滲，直接降低散熱效果。對污染物導致的散熱翅片腐蝕的修理，在發生經常性過熱的情況下，仍然采用手冊推薦的用膠封堵方法，在污垢堵塞減少冷卻通道面積而使散熱面積減少的前提下，進一步降低冷卻效果。

4）在工程管理上采取的定時維修方式

對于污染程度較輕的熱交換器，定期清洗反而增加了工作量，而污染較為嚴重的熱交換器，其散熱性能衰退至無法在維修間隔期內正常工作。粗放式的管理造成維修不足與過度維修問題同時并存。

上述維修措施不僅沒能有效地解決問題，還因發生次生災害和過度維修增加了大量的維修成本。

2 結垢機理及其對空調組件性能的影響

2.1 技術需求分析

波音737飛機空調組件中熱交換器的結構是板翅式的，每套組件各有一臺初級熱交換器和次級熱交換器，每臺空調熱交換器均有兩組引氣管路，分別為熱空氣的進出口。熱交換器冷路沖壓空氣側翅片為波紋型，散熱翅的密度高，翅間間隙小，容易附著污染物，且清洗困難。在高溫的情況下，長期附著在熱交換器的散熱翅表面的污染物會形成污垢，導致熱交換器散熱性能下降，散熱效率降低，極易造成空調組件發生過熱關斷。維修經驗還表明，外場水洗熱交換器后其上的污垢容易脫落，被沖壓空氣帶到熱交換器下游，擊傷ACM風扇葉片，引起ACM故障。另外，熱交換器中長時間存在的污垢還會對散熱芯造成腐蝕，導致其冷熱路氣流互滲。也就是說，污染物（或污垢）對熱交換器乃至空調組件的負面影響是多方面的，必須全面研究綜合評價。

對熱交換器污染和污染物結垢的動力學機理進行研究，一方面可直接支持清洗技術的改進，另一方面可用于表征熱交換器污染狀態的演變。而污染或結垢狀態與熱交換器效能的對應關系是空調組件故障模式的核心內容，空調組件故障模式是實現空調組件，特別是熱交換器狀態監測技術的重要基礎。

2.2 污染物和污垢形成機理

1）大氣污染物在飛機熱交換器表面結垢過程

為研究不同因素對于污垢生長速率的影響，搭建戶外模擬試驗臺。試驗臺主要由風機和仿照飛機換熱器冷路結構設計的模擬裝置構成。

根據18個月的連續試驗和每隔6個月對污染物在鋁板上的附著狀況測量的結果，隨著暴露于氣流中時間的延長，污染物在鋁片表面能持續附著。18個月后，用激光顯微鏡拍攝了各組試樣的表面形貌，通過觀察和比對得出：污垢的誘導期隨換熱面表面粗糙度的增大而減小，但表面粗糙度對污垢形成的影響僅限于污垢形成的誘導期內，對污垢生長的其他階段沒有影響。

2）污染物的結垢行為

頑固污垢積存造成熱交換器介質流道堵塞和機體腐蝕，是比松散附著的污染物更嚴重的問題。借鑒薄液膜法研究潮濕大氣環境下大氣溶膠中主要可溶性離子所形成的析晶垢的生長特性，發現當鋁金屬的表面有柳絮為代表的大體積污染物附著時，析晶垢的生長最快，而表面有油污和殘留清洗劑時，污垢的生長受到了一定的抑制。

2.3 污染物和污垢對熱交換器性能的影響

1）大氣污染物對流阻的影響

污染物的附著導致熱交換器冷路的流通面積減小，在流量恒定的情況下，流體流速增大將引起換熱器壓降增大（流阻增大）。壓力試驗表明，污染物附著對大流量下的壓降影響顯著，驗證了表面粗糙度對污垢的沉積速率及結垢速率無影響，而油污和定期噴水可阻礙污垢生長。

2）大氣污染物對熱阻的影響

用平板穩態法測量模擬裝置上的試片與空氣的熱阻，發現大氣污染物附著18個月后，貢獻的污垢熱阻可達0.003m2·K·W-1量級，且熱阻貢獻受金屬表面的初始狀態影響較大。

3）析晶垢和模擬污垢對鋁合金/空氣界面熱阻的影響

根據結晶形成污垢的機理，通過薄液膜蒸發試驗并測得載有析晶垢的試樣的表面與空氣的熱阻數據，如圖1所示。可以看出，隨著析晶垢的生長，熱阻增長速率先快后慢，且不同初始狀態下試片的熱阻總體增加速率相差不大。當析晶垢附著于柳絮上生長時，熱阻處于較高水平，其他依次為表面有殘留清洗劑的狀態、有油污的狀態以及潔凈表面。

2.4 熱交換器故障模型

1）熱交換器性能測試

搭建由高壓引氣、沖壓空氣、換熱器及測控單元組成的試驗臺，分析污染物在潔凈和結垢條件下對熱交換器性能的影響，在1000kg/h和1500kg/h的熱路流量下，分別測量潔凈和結垢的熱交換器的熱路出口溫度、冷路壓降和換熱效率。

2）熱交換器故障模型

根據737NG飛機的空調組件構造和原理，分別建立熱交換器數值模型與空調組件仿真模型。考慮到熱交換器存在水蒸汽的相變過程，相變對換熱效率有影響，采用適于非線性大系統分析的分塊參數集結方法對濕熱交換器進行數學建模。同時，由于熱交換器換熱面上的實際污垢常常是多種污垢的混合物，需要給出污垢的厚度與導熱系數，根據公式換算出結垢后的污垢熱阻及流通面積，代入到熱交換器數值模型中，進行結垢仿真計算與分析。

首先對單個干凈熱交換器在與試驗相同的條件下進行仿真計算，從計算結果（表1）可以看到，所建立的熱交換器模型與試驗結果吻合較好，可以用于后續的系統仿真與分析。

在熱交換器模型的基礎上搭建飛機空調組件系統仿真模型（見圖2）。分別建立加熱器、冷凝器和渦輪—風扇—壓氣機三輪空氣循環機（ACM）以及水分離器模型，將其與熱交換器模型進行軸功率匹配，獲得系統仿真模型。

模擬地面較熱天氣狀態，改變換熱器冷邊的結垢程度，獲得污垢對飛機空調系統功能的影響規律（見圖3、圖4），為建立故障模型及故障診斷提供支撐。

通過采用多種手段的試驗和計算研究，提取了飛機空調熱交換器污染行為和機理相關的大數據，建立了大氣污染物附著、污染物結垢以及污垢導致熱交換器故障機理和數學模型，為基于機理的清洗技術和狀態監測等技術的開發提供了支撐。

3 基于污垢洗脫機理的空調熱交換器清洗技術

3.1 熱交換器污染物/污垢洗脫機理

為充分調動洗凈力，必須綜合采納工業清洗中廣泛采用的清洗技術，同時依據洗凈力構成因素對污垢洗脫率的影響規律，對清洗工藝進行優化。優化清洗工藝必須控制清洗工藝對器件的負面作用，其中最重要的是清洗劑對金屬材質（鋁合金）的腐蝕問題。清洗工藝的核心是以復配的表面活性劑水溶液浸漬溶脹污垢。研究中采用某型號的適航清洗劑，并針對污垢來源和特征通過添加檸檬酸的方式適度降低其pH值，以改善其崩解污垢的效力。

經研究，酸度（pH值）、浸泡時間、超聲波功率和溫度等因素對改善洗凈力都有顯著影響。

3.2 熱交換器離位清洗工藝和設備

1）清洗工藝優化——正交試驗結果

在洗脫機理研究結論的基礎上，對影響清洗效果的各因素顯著性水平進行了考察。試驗中的可變因素為：清洗劑PH值（5、6、7），浸泡在清洗劑中的時間（0h、12h、24h），超聲波功率（為滿功率的50%、60%、80%），清洗溫度（24℃、40℃、60℃）。將清洗劑原液按15%的體積濃度與水混合，超聲波作用時間為20min。極差分析表明，各因素對污垢洗脫率的影響程度大小依次為：超聲波功率、浸泡時間、清洗劑PH值和清洗溫度。超聲波功率對污垢洗脫率具有極其顯著影響。圖5為各因素與洗脫率關系的趨勢圖，從中可看出最佳的清洗條件組合為PH=5，浸泡12h，功率80W（超聲波清洗劑滿功率的80%），溫度40℃。

2）離位清洗設備

設計的離位清洗設備如圖6所示，工作原理圖見圖7，共分為5個部分：

a. 清洗艙，內部可同時安置2件737飛機空調熱交換器；

b. 儲液箱，用于容納清洗液，并配有超聲換能器、加溫和過濾裝置；

c. 動力部分，包含水泵、風機和加溫器；

d. 閥門管路部分，用于控制清洗液、清水和熱風的流向；

e. 控制部分，采用基于X86架構計

算機的觸控系統，接受設備各個位置傳感器信號，經處理后，按程序控制水泵、風機、加溫器和閥門等設備運行。

該設備能實現清洗液的加注、浸泡、超聲振蕩、溫度調節，還具有清洗液和漂洗水循環功能，能對熱交換器內部復雜流道進行沖洗，可以更好地清除溶脹崩解的污垢。可對熱交換器進行烘干，避免了現有工藝清洗過程中在不同工位間手動遷運熱交換器的麻煩，實現了一站式程控化的全流程自動清洗，提升了效率。同時，能通過測量流體壓降實時判斷熱交換器的清潔程度，達到基于狀態的清洗。

3）熱交換器離位清洗工藝的應用驗證

自動清洗設備上的清洗方法：注入清洗液后浸泡1～2h，循環沖洗1～2h，漂洗1h，烘干視情。根據清洗后壓降測量結果判斷是否符合手冊要求，如清潔度未達要求，視情補充沖洗0.5h，一般均可滿足標準。

傳統工藝整體耗時多達10h以上，使用自動清洗設備結合新工藝可在6h內完成清洗。其中，熱交換器接觸清洗液的時間由4h縮短到1～2h，進一步降低了清洗劑對熱交換器材質的腐蝕。

從在役空調熱交換器中選擇累計裝機時間較為接近的10件熱交換器，分為兩組，每組5件，采用優化工藝在自動清洗設備上清洗的為“優化組”，采用傳統工藝清洗的為“對照組”。圖8、圖9為試驗結果，可以看出優化組洗后的壓降（藍色曲線）總體水平，特別是高流量下的壓降（藍色曲線高點）低于對照組，其中低流量和高流量下的壓降，優化組比對照組分別低約11%和 8%。

4 空調組件健康管理系統

飛機健康管理是將機載傳感器獲取的飛機狀態信息的采集和處理、故障診斷預測功能以及地面維修保障決策執行集成在一起的工程管理系統。之前由于缺少性能參數和對故障機理的了解，飛機健康管理系統不能對空調組件進行健康監視和故障診斷，提不出基于狀態維修的方案，造成維修不足和過度維修的困境。在破解了污垢對空調組件性能影響關系后，研發組件性能參數采集技術和設備、故障診斷和性能預測技術及系統，可實現對空調組件的基于狀態的維修。

4.1 空調組件狀態感知技術和設備

研制地面人工空調組件狀態監測設備，以獲得組件狀態的參數。受飛機構型難以改變的限制，對感知設備的總體要求是：適配多型管徑、測外知內、數據無線傳送；可精確獲取多部位的狀態數據（溫度、壓力和流速）。

1）測量點的選擇

參數的合理選擇是測試工作的基礎。參數選擇要求：仿真模型或性能監控故障判斷模型需要；具有可操作性，易于接近，可準確測量。根據數學建模需求及在翼試驗選擇的測量點如圖10所示。

2）數據采集和設備

a. 測量對象和測量環境。確定需測量管道內的空氣溫度和沖壓空氣流速，溫度范圍在-30℃～+210℃之間，空氣流速在20～35m/s之間。

b.傳感器選型。通過綜合性能對比，裸露的熱電偶較適合在翼測試設備的溫度測量要求。相對溫度的測量范圍是0～100%，分辨力達0.03%RH，測量露點的精度<±1℃。受條件所限，僅測量沖壓空氣入口處的流速，根據實際狀況選擇均速管流量計用于流量測量。

c.數據采集硬件完成信號的輸入和輸出、數據的處理和存儲，選用模塊化單元組成，數據采集硬件組成結構圖如圖11所示。監測夾具的作用是使傳感器與監測點進行穩定的貼合，根據夾持位置的不同，分為管式夾具和板片式夾具，多管徑可調夾具的三維設計圖如圖12所示。

3）ACM 風扇葉片狀態檢測設備

垢塊脫落擊傷ACM風扇葉片造成的葉片損傷破壞了ACM的動平衡，是ACM高拆換率的主要原因之一。利用孔探方式制作風扇葉片狀態檢測設備，可以觀察葉片的損傷狀態，為視情維修提供狀態信息。

4.2 熱交換器狀態監測系統關鍵技術

1）狀態分析和性能預測方法

熱交換器性能預測的基本思路：在得到污垢厚度、環境溫度、制冷系統進口處風壓三個因素對熱交換器性能的影響規律的基礎上，結合初級與次級熱交換器的參數，可以對熱交換器性能進行預測。熱交換器的污垢厚度不能直接獲取，但已知結垢會影響熱交換器出口的溫度，初次級出口溫度可作為預測污垢厚度的參數。在對熱交換器污垢厚度預測后再實現對熱交換器性能的預測。

狀態分析是狀態監測系統的關鍵組成部分，利用數據庫對熱交換器的運行狀態進行分析，分為即時判別（用于狀態監測和故障診斷）和狀態預測；采用三種手段對熱交換器進行全面分析，即按照分析點的范圍，分為單點告警、多點判別和綜合分析；為了實現對熱交換器運行狀態的判別和預測，采用兩種方法，即閾值法和最小二乘法，其中，判別采用閾值法完成，預測采用最小二乘法實現。

2）狀態預測

狀態預測包括狀態預測和對預測數據的狀態判別。具體的狀態預測與預判工作流程如圖13所示。首先，根據預測的數據類別提取相關數據，以目前的數據為基礎進行預測；預測完成后，判斷預測值是否在閾值范圍內，如果在，則顯示正常，完成預測，如果不在，則顯示預警信息，保存信息，便于指導技術人員進行下一步工作。狀態預測與預判界面如圖14所示。

3）系統的驗證

首先對現場采集到的數據進行分析，預測出污垢厚度和熱交換器性能；然后在仿真模型中，設置相同的參數，將污垢厚度添加到模型中進行仿真，可以得到初級與次級熱交換器出口溫度，并根據相關數據預測出熱交換器性能。對現場采集到的與仿真得到的初級熱交換器與次級熱交換器出口溫度進行對比，由這兩個對比結果來判斷該系統的精度與可靠性。

從表2中可以看出，現場采集到的數據與通過仿真得到的數據之間的誤差不大，滿足即時判別的要求，而且表格中的環境溫度、制冷系統進氣口風壓、熱交換器污染情況涉及到了大部分情況，可以說明熱交換器污垢厚度的預測方法的精度較高，監測系統的可靠性強，可用于對熱交換器的性能監測上。

4.3空調組件健康綜合管控方案

1）綜合管控方案的設計與實施

基于對污垢機理的破解、熱交換器狀態監控和性能預測技術的開發，結合清洗技術改進和驗證的成果，以及對空調性能及故障數據特點的分析積累和對空調故障機理的研究分析，形成了一整套波音737機隊空調系統的管控方法，即基于運行環境和飛機空調系統數據的空調基本狀態分析和排故方法，包括：數據采集；系統自動預測；確定間隔；熱交換器清洗。數據采集即應用監測系統測量性能數據，系統根據數據自動預測熱交換器的狀態，根據預測確定將來的維修（即清洗熱交換器）周期，到期視情采取原位清洗或離位清洗。

北京為北溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。四五月份北方地區的楊柳絮對空調熱交換器冷路的堵塞情況嚴重影響空調性能，且發展周期短。根據監測系統測量、分析和預測的結果，在維修方案要求的15天為周期的在翼清潔工作的基礎上，進一步調整為視情將單機清洗間隔縮短為7～10天。調整后，4～6月熱交換器的在翼（即原位）清洗次數由原來的6輪增加至7～8輪，結果表明監測系統根據分析和預報建議的維修方案與機隊的運行環境匹配良好。

2）綜合管控方案的執行效果和系統表現

個性化的方案有效降低了熱交換器非計劃拆換次數，提高了空調系統可靠性。從圖15可以看出，非計劃拆換熱交換器數量從2014年的10臺/年減少到了2016年以來的不超過1臺/年。由于避免了污染嚴重的熱交換器長期運行，方案實施后ACM故障率也顯著降低，非計劃拆換ACM數量由2014年的20個/年逐漸降低，自2017年起保持在不多于7個/年的低位（見圖16）。從機隊運行效率來看，方案實施以來空調系統導致的延誤率顯著下降，由2014年的0.54‰下降至2019年的0.15‰，2017—2019年穩定居于低位（見圖17）。而且，同期月度延誤率逐漸變得相對平均（見圖18），因天氣原因在春末夏初出現的高延誤峰值被削平，有效緩解了對維修能力和航材保障的沖擊。

空調熱交換器狀態監測、故障診斷和性能預測系統的應用，以及與其他措施的有機結合，使737NG飛機空調系統故障顯著減少，空調故障由機隊主要問題下降為季節性關注問題。因此，通過項目內連續數年的持續應用和改進，驗證了該系統的技術成果應用于維修生產實際的有效性。

5 結束語

解決大氣污染對飛機運行的影響是一個集科學探索和技術創新的系統工程。探索大氣污染物在飛機內附著的行為和機理以及對相關系統性能的影響規律是一個科學的問題，是解決飛機故障的前提，克服飛機設計的缺陷和工程管理技術的不足，開發基于故障機理的關鍵技術是解決飛機故障的落腳點。在中國大氣污染短期內不能扭轉的情況下，本文的成果可以為解決用飛機健康管理系統不能診斷飛機故障和預測性能趨勢變化的特殊故障提供借鑒。本文的解題方法可以為探索、解決大氣污染發動機性能的問題提供參考。