空氣循環(huán)機原理及常見故障分析

朱明 符永

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

關鍵詞：空氣循環(huán)機;渦輪;壓氣機;風扇

空氣循環(huán)機（ACM）是空調(diào)系統(tǒng)的核心部件，主要由壓氣機、渦輪和風扇等組成。來自發(fā)動機的高溫、高壓引氣經(jīng)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(huán)機壓氣機內(nèi)，使氣流增壓升溫，再經(jīng)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(diào)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(diào)系統(tǒng)可靠性，下面對空氣循環(huán)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(huán)機工作原理

空氣循環(huán)機的動力為高溫高壓的發(fā)動機/APU引氣，經(jīng)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(qū)動壓氣機，對引氣進一步增壓以提高系統(tǒng)效率，另一部分則驅(qū)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(huán)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(jīng)過風扇葉輪，直接排到機體外的大氣中。在飛行狀態(tài)中，沖壓空氣自動通過熱交換器，并打開首級整流腔內(nèi)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?？諝庋h(huán)機工作的正常與否對空調(diào)系統(tǒng)的制冷效果有非常重要的影響。

2 空氣循環(huán)機常見故障分析

空氣循環(huán)機故障具有多樣性，如氣動系統(tǒng)原因、外來物損傷原因或部件本身內(nèi)部構(gòu)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(huán)機的負載部件，消耗渦輪功的負荷，同時為空調(diào)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?qū)е驴諝庋h(huán)機失效的比例高達60%。

空氣循環(huán)機在運作過程中，轉(zhuǎn)子組件的正常工作轉(zhuǎn)速為53700rpm，屬于高速旋轉(zhuǎn)運動，因此轉(zhuǎn)子組件對環(huán)境的要求較高，稍有外來物碰撞就會改變轉(zhuǎn)子的平衡力系，從而改變轉(zhuǎn)子的動平衡，使轉(zhuǎn)子發(fā)生跳動，產(chǎn)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(zhuǎn)子失去平衡，出現(xiàn)大幅度跳動，使風扇葉輪的葉片與風扇導流殼體產(chǎn)生強烈的碰撞，導致空氣循環(huán)機失效。

系統(tǒng)運行中，空氣循環(huán)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(huán)氧樹脂膠等，它們直接被高速旋轉(zhuǎn)的風扇吸入空氣循環(huán)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(huán)機突然失效?？諝庋h(huán)機轉(zhuǎn)子如果受較大外來物撞擊，轉(zhuǎn)子動平衡力系會發(fā)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(jù)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(zhuǎn)子繞支撐點發(fā)生偏轉(zhuǎn)，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(chǎn)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(zhuǎn)子產(chǎn)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(xiàn)刮蹭。

此外，空氣循環(huán)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(jù)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(fā)現(xiàn)空氣循環(huán)機葉片尖緣磨損超出標準，必須第一時間更換空氣循環(huán)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(huán)和噴嘴基體構(gòu)成。噴嘴環(huán)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(chǎn)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(xiàn)風蝕現(xiàn)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(huán)機內(nèi)部，造成氣動軸承磨損或卡阻，最終導致空氣循環(huán)機卡阻或整體性能下降。

表1統(tǒng)計了某航空公司2017年送修的空氣循環(huán)機數(shù)據(jù)，結(jié)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(fā)現(xiàn)上次維修更換過噴嘴的部件的可靠性明顯優(yōu)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(huán)機故障主要表現(xiàn)為冷卻系統(tǒng)溫度高，結(jié)合維修數(shù)據(jù)可知，其導致空氣循環(huán)機失效的占比為30%。

2.3 空氣軸承失效

空氣循環(huán)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(zhuǎn)組件止推軸的軸向位移，徑向軸承負責支撐旋轉(zhuǎn)軸（包含止推軸和風扇軸）在徑向的轉(zhuǎn)動（見圖4）?？諝庋h(huán)機啟動前，旋轉(zhuǎn)軸和軸承之間有物理接觸?？諝庋h(huán)機啟動時，軸和軸承相對運動，產(chǎn)生空氣壓力，達到一定轉(zhuǎn)速后，軸承片的楔形部署結(jié)構(gòu)產(chǎn)生氣膜使軸懸浮?？諝廨S承與滾珠軸承等不同，無物理接觸點，因此無需潤滑油，旋轉(zhuǎn)速度很高，因而系統(tǒng)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(huán)機內(nèi)部引氣質(zhì)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(chǎn)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(huán)機超速

根據(jù)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(huán)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(jīng)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(huán)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(tài);在飛行狀態(tài)下，旁通單向閥在沖壓空氣壓力作用下處于打開狀態(tài)，使大部分沖壓空氣直接流過中間管路，而不用經(jīng)過空氣循環(huán)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(xiàn)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(jīng)出現(xiàn)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(xiàn)磨損，導致出現(xiàn)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(xiàn)咬合或卡阻。

渦輪壓氣機風扇式制冷系統(tǒng)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(xié)調(diào)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(qū)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(tài)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(huán)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(xiàn)卡阻，風扇載荷增大，易導致空氣循環(huán)機超速，空氣軸承發(fā)生過燒蝕磨損?？諝廨S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(zhuǎn)子的平衡性能，使風扇葉輪與風扇導流殼體發(fā)生刮碰或撞擊，最終導致空氣循環(huán)機故障。

2.5 空氣循環(huán)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?shù)龋瑢е聹u殼的吊耳斷裂，從而造成返場維修。

3 總結(jié)

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(fā)性故障，應通過維修資料的整合分析，理論結(jié)合實際，深入剖析工作原理，分析總結(jié)故障的成因;應結(jié)合數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)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。