北部湾航空工程师浅谈A320飞机空调性能监控

(通讯员 胡志稳)概述:本文主要介绍A320飞机空调性能监控方案,旨在提前预警空调性能下降趋势,进行预防性排故,避免空调突发故障造成的航班延误/取消。该方案是通过分析空调原理和维护经验,设置性能参数下降的门槛进行预警。根据参数预警进行综合分析判定,从而快速的找到故障源,提高排故效率。

一、 A320空调组成

A320飞机空调系统主要有4大部分组成:区域温度控制、电子设备通风、增压系统、货舱通风/加热(选装)。其中冷却空气由两个制冷组件来提供,组件是涡轮增压制冷的原理,其性能的好坏直接影响客舱和驾驶舱的舒适度。

制冷组件主要包括:主、次级热交换器、再加热器、冷凝器、水分离器、ACM、流量控制活门(FCV),旁通活门(BPV),配平热空气压力调节活门。

在夏季高温天气下,由于地面冲压空气温度高,则需要有更高的制冷效率,才能确保空调组件出口温度满足舱内的需求。一旦飞机空调性能逐渐变差,虽然未出现故障信息,但造成客舱/驾驶舱温度高,会导致飞机航前/过站航班延误。因此需要必要的空调参数监控和预警,预防性排故更换性能差部件,提高空调的制冷效率。

图1 制冷组件原理图

 

二、监控参数

A320 空调组件的制冷效率主要在地面高温的环境下体现,因此对于所有采集的参数需确保飞机在地面、APU/发动机引气状态下,并且环境温度在25℃以上时才有效。

对于空客系列飞机空调参数主要来自于ECS 19报文,可通过ISI 21.00.00031查看相关参数所表示的意义。也可通过建立ACARS报文获取实时参数,以及译码QAR参数进行监控。

图2 ECS 19 主要参数

因空调组件内各部件的性能与参数间没有直接的联系,无法通过参数直接判断性能的好坏。则通过筛选主要参数,设置参数正常区间进行监控:

Precooler outlet temperature–PIT (引气温度)

Pack Flow–PF   (空调流量)

Ram inlet –RI     (冲压空气进口)

Pack compressor outlet temperature-COT (压气机出口温度)

Pack water extract temperature-TW   (冷凝器出口温度)

BY-PASS VLV —BPV   (旁通活门活门)

Pack outlet temperature-TP  (空调出口温度)


图3 参数涉及的活门和传感器

(一)TP监控区间:  TP<15℃

因空调制冷状态下的出口温度由混合室的需求温度确定,并且通过RI和PBV的开度进行调节, 当条件为RI全开和PBV全关时为最大的制冷量,此时对于A320系列飞机正常流量下TP<15℃。

图4 TP控制原理

(二)COT监控区间:110℃ < COT < 180 ℃。

COT数值取决于RI的开度、次级热交换性能及压气机做功。当RI在正常开度的调节下,COT温度小于180℃;反之若RI全开,仍无法确保COT低于180℃,则断定上游部件性能下降。则COT监控区间可设置110℃ < COT < 180 ℃。


图5 COT控制原理

(三)PF 监控区间:45% < PF < 65%

根据ISI 21.00.00031中的流量控制原理,空调流量随着座舱高度的变化而变化,在地面状态下基本处于一个定值。由于是在飞机在地面状态下进行参数取值,则区间45% < PF < 65%

(四)ΔT1 和 ΔT1 监控区间

根据空客给出的理想状态下,APU和发动机引气时,热空气流经各部件后的温度分布,PIT、COT、TW之间的温降可近似间接的反应了次级热交换器(PHX)和主级热交换器(MHX)的性能(如下图)。因此根据实际维护经验可设置:

ΔT1 =PHX= PIT – COT > 15 ℃

ΔT2 =MHX= COT – TW > 80 ℃

注释: 1、通过ΔT1 和 ΔT2 间接反映 PHX 和 MHX性能 。

       2、以上数值均为参考值,需考虑当时的OAT、湿度、引气状态等因素。


图6  APU引气时空调制冷参考值

图7 发动机引气时空调制冷参考值

三、根据参数预警判定故障

以上描述的是各参数正常的监控区间,一旦超门槛可以设置相应的预警。但是,某个参数的超限并非直接指向某个部件,需要综合原理分析判定故障。以下为实际验证案例:

(一)案例1:某飞机右侧组件ΔT1<15℃预警,核实COT长期接近于180℃,其他参数正常,如下图。判断为PHX热交换性能差,导致温降低。更换PHX后,ΔT1出现转折,伴随着COT降低。


图8  ΔT1、ΔT2、COT 监控曲线

(二)案例2:某飞机左组件地面工作时,流量PF=36(右侧61)预警。核实RI全开,TP及其他参数均正常。经分析PF在地面是个定值,正常情况下不会随着客舱的条件进行主动变化,因此可能为堵塞造成其被动的改变,热空气的堵塞通常在再加热器和冷凝器(格栅相对较密集)。拆除冷凝器发现内部毛絮堵塞。

图 9  ECS 19及冷凝器堵塞

(二)案例3:某飞机左组件TP>15℃预警,核实ΔT1、ΔT2、COT均处于正常水平参数正常。经分析TP降低是由于涡轮做功小,涡轮做功小原因可能是热交换器下游的问题,结果检查发现冷凝器与水分离器之间出现漏气,更换封圈后,TP好转低于15℃。因此,TP的异常主要体现在涡轮做功,由于ACM的可靠性较高,暂不考虑ACM故障的情况下,只有漏气或堵塞造成耗损。但是由于PF也是正常,则主要原因为漏气。


图10  TP监控曲线

图11  ΔT1、ΔT2、COT 监控曲线

综合以上监控案例,不同的参数预警反映了不同的故障类别:

ΔT1、ΔT2、COT通常指向的是PHX和MHX。热交换器的性能主要体现在温降的大小。其内部很多细密的格栅,冲压空气流经时,携带灰尘和杂质被隔离吸附在上面,导致热交换性能下降。通常经历了大的风沙和柳絮季节时,表现较明显。


图12 热交换器表面

PF通常指向的是再加热器和冷凝器堵塞现象;流量的大小可以是下游决定上游,当FCV正常时,地面状态下PF受逻辑的限制会在固定的区间内,即使漏气也不会变化,因为FCV的控制,因此只有是堵塞导致变小的可能。再加热器和冷凝器的格栅相对比较密集,较容易堵塞。

TP通常指向冷凝器、再加热器、管路的内漏/外漏。TP的升高,其他参数均正常时,说明涡轮做功的量小,导致涡轮出口温度无法下降。根据热力学原理,气体的压力、温度和流量决定功率的大小,因此气压和流量的丢失可能是主要原因。再加热器和冷凝器器的内部格栅容易出现裂纹和穿孔,造成冷热空气混掺。并且外部壳体属于焊接件,在焊接处常出现裂纹导致漏气。都会造成涡轮做功降低,影响空调组件出口温度。

图13 壳体裂纹和方形封严破损漏

但是并非所有故障都包含在内,需要CASE BY CASE 的分析。对于各参数之间存在必然的联系,也可能会出现多个参数同时预警,则需要综合原理分析找到真正诱因。

四、总结

当前对于空调参数的采集、监控和预警已逐步转向自动化和智能化,各航空公司均开发了自身的监控系统。简单的设置参数门槛值就可以达到预警判断故障的目的。但是门槛值的设置往往需要大量数据分析以及维护经验来验证。如何设置更精确的预警门槛,如何准确的定位故障源提高排故效率是一直以来研究的方向。

如果没有监控预警,航空公司为了避免突发故障带来的运行影响,往往需要定期更换热交器、冷凝器、再加热器等部件杜绝性能下降的隐患。通过有效的监控预警,结合针对性的预防性排故,可以有效避免客舱和驾驶舱过热,造成的航班延误;同时大大的降低了部件拆换的维修成本。

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