787飞机客舱空气压缩机故障模式分析

787飞机客舱空气压缩机故障模式分析

李欣乘

东航技术公司云南分公司 650200

摘要：在波音787飞机新形式的空调供气系统原理的基础上，介绍了客舱空气压缩机（CAC）的基本原理，分析CAC不正常工作的原因和可能的严重程度，并给出了具有一定参考价值的维护建议。

关键词：波音787飞机；空调供气系统原理；CAC

作为新型全电动飞机，波音787宽体飞机的空调系统采用专用增压器——客舱空气压缩机（CAC）取代传统的发动机引气供气系统，减少了对发动机引气的需求，可使核心发动机布局更加紧凑，燃油消耗率更低[1]。波音787飞机的客舱压力由电动客舱空压机维持，较低的巡航客舱高度带来较高的空气含氧量和湿度，减轻了耳压、头晕等症状，让一些不适合坐飞机的人有机会实现空中旅行，满足航空运输的需求。为了持续提高和保持航空运输的质量，本文从维修的角度研究和探讨了如何持续保持和提高客舱空气系统的稳定性和正常性。

1 CAC的基本原理

客舱空气压缩机的组成：电动马达、压缩机、可变的扩散器、加热活门和管路，如图1 所示。

图1客舱空气压缩机的组成

当空调系统接通后，组件控制组件（PCU）发出控制指令，输出供电到CAC 马达控制器（CMSC），CMSC 接通CAC 马达运转，同轴带动压缩机部分。CAC 压缩机运转后产生强大的吸力，将外部空气从CAC 进气口吸入进行压缩[2]。经过CAC 压缩机增温和增压后，高温高压的气体通过臭氧转换器转换，作为气源提供给飞机各个需求系统。组件控制组件（PCU）通过有效控制CAC 的可变扩散器来改变扩散器压缩机进口截面来保证CAC 运转平稳不会喘振。辅助运行功能方面，PCU 通过AHV 控制CAC 出口的温度，为了增加出口的空气温度，PCU 控制AHV 打开，让热空气再次回到CAC进口。正常操作模式下，PCU 控制CAC 出口温度不超过196℃，当温度超过204℃两分钟，PCU 将控制CAC 关断。CAC 由空调控制组件（PCU）控制，PCU 通过对CAC出口温度、进出口的压力、流量数据、压缩机过热数据等有效监控，参考飞机空调需求对CAC 进行指令调节，确保CAC 正常运转满足空调流量需求。

2CAC故障模式分析

根据该航空公司的波音787机队健康监测报告，还有几个历史CAC部件返回工厂维护报告。通过数据分析和对比发现，导致CAC不能正常工作的故障模式可以归纳为5类[3]。如图2所示。

图2故障模式

2.1 CAC 工作时气流不稳定造成喘振

由于压缩机是根据设计点的气动参数进行设计的，当工作在非既定状态时，各级的速度三角形和设计点不同，即非设计状态点的参数与压缩机的几何形状不协调，这时各级流量系数与设计值不相符，将造成气流攻角过大或过小，产生喘振或堵塞。CAC 目前设计的防喘主要措施有两种[4]。1）提供放气通道。CAC 侧端安装有Add heat valve（AHV） 加热活门，在高空中通过加热CAC 进口空气提高其温度来提高进口的空气工作系数，同时在发生CAC 发生喘振时可以旁通CAC，为防喘提供备用控制。2）调整可调扩散器叶片。该叶片安装在CAC 静子叶片处，通过一个Variable Diffuser Actuator 进行推动，以改变静子叶片的安装角。在CAC 工作中，可调扩散器叶片是主要的防喘措施，其由PCU 控制，进行有效防喘。当可调扩散器叶片失效无法正常工作时，加热活门为CAC 的防喘提供了一个备用控制。

2.2 CAC 硬件缺陷

波音787 飞机投入运行后，世界机队不断发现即使飞机在状态正常的情况下仍然会发生客舱空气压缩机喘振或故障的情况[5]。目前，发现的设计问题主要有以下几类。1）CAC 叶片磨损。因CAC 本身设计原因，空调组件运行中会发生CAC 叶片磨损情况。当CAC 叶片出现损伤后，CAC 压缩机出口压力会突然下降，造成外界空气无法及时从出口排除，使压缩机叶轮流动通道形成时堵时通的情况，增大了产生喘振的概率。2）CAC/轴承过热。一项关键发现表明，定子高温可能是CAC 损伤的一个根本原因。高温不仅降低了定子的绝缘性能，导致短路，而且由于不可接受的热负载和电机相位不平衡，定子故障还会蔓延到径向轴承，导致轴承上的过大负载。3）线路或传感器布局。因设计原因，CAC 马达静子电路布局不合理导致电路经常发生短路、断路、过热，甚至烧穿CAC 壳体的事故时有发生，这些情况都会引起CAC 结构部件的故障。

2.3 CAC 软件缺陷

CAC 的主要控制软件在PCU 中。PCU 作为空调组件工作的大脑，在机队运行中仍存在需要提升的地方，通过协调和更正逻辑关系来控制CAC 合理高效地工作。根据目前情况分析得出，位于同一侧空调组件的两个压缩机同时运转时，PCU 才能发挥应有的作用，对压缩机工作发生的喘振进行监控。而当只有一个压缩机工作时，则无法进行监控。只有一个压缩机工作时，压缩机工作参数（如出口温度、进口压力、流量等）发生变化，空调控制组件无法及时调节控制CAC 转速和CAC 压缩机扩压器的调节开度，导致CAC 流量降低到相同转速下工作稳定区内的喘振流量，从而造成喘振，并在喘振故障发生后无法提供及时有效的保护，进一步导致CAC损坏。这是属于PCU 软件本身设计的逻辑问题。在实际商业航班运行中，确实存在因为软件与硬件未能有效配合而导致故障发生的案例。

参考文献

[1] 梁剑武，梁伟杰.基于波音787飞机电子冷却系统的空气滤芯动态监控手段[J].航空维修与工程，2022(07):101-103.

[2] 叶飞. 787飞机空调空气压缩系统关键机电设备故障诊断研究[D].华南理工大学，2021.

[3] 田续中.波音787飞机空调热交换器离位清洁[J].航空维修与工程，2020(11):84-86.

[4] 张仁杰，林亚炳.波音787飞机前起落架隔离活门故障分析[J].航空维修与工程，2019(07):90-92.

[5] 陈才.787飞机液压能源系统研究[J].科技创新与应用，2017(15):12-13.