波音787 飞机客舱空气压缩机故障模式分析

■ 周文强 尹松 高荣斌 王棣贞/海航航空技术有限公司

0 引言

作为全新的全电飞机，波音787 宽体客机的空调供气系统采用专用的增压器——客舱空气压缩机（CAC）取代了传统的发动机引气供气系统，减轻了对发动机引气的需求，可使发动机的核心机布局更加紧凑，燃油消耗率更低[1]。在使用了最新的座舱空气系统后，波音787 飞机成为了第一款巡航时座舱高度达到6000ft（传统型为8000ft）的飞机。波音787 飞机的客舱气压由电动客舱空气压缩机维持，低的巡航客舱高度带来更高的空气氧含量、湿度，减少了压耳、头昏等症状，使部分之前不适合乘坐飞机的人员有机会实现航空旅行，满足航空运输大众化的需求[2]。

为不断提升和保持航空运输品质，本文从维修角度出发，在持续保持和改进客舱空气系统的稳定性和正常率方面进行研究和讨论。

由于客舱空气系统使用频率高以及部件的多样性，相较于其他飞机系统，故障率长期偏高。近期，波音发布的FLEET TEAM DIGEST 文件显示，对全球范围内的客户机队延误分析发现，CAC 导致的空调系统故障造成的延误仍位于TOP 榜中。在没有使用外部空调或电源的情况下，波音787 飞机客舱空气系统的使用基本覆盖所有的运行阶段，一旦出现故障会对飞机运行品质和旅客感受度造成很大影响。由于未采用发动机引气增压，客舱空气系统使用4 台电动的客舱空气压缩机提供气源，客舱空气系统在失效的同时也会导致飞机增压失效，严重危及飞行安全。

1 CAC 机队故障数据分析

1.1 机队历史数据分析

本研究需要选定一家国内航空公司波音787 机队运行维修数据进行充分调查和研究，为提高数据的可靠性和真实性，所选航司需具备足够数量的波音787 运行架次和飞行小时。A 航司自2013 年7 月引进波音787 机型，机型架次为40（包含787-8/9），截至2021 年7月累计不间断运行8余年，平均机龄4.5年，机队数量和运行历史满足研究所需。经查询，该机队历史记录中共有355 条与CAC 相关的故障历史信息。

经分析，导致CAC 损坏的故障现象可以分为6 类，如表1 所示。从中可以看出，前两类故障占了CAC 总故障数的70%，对于机队的CAC 故障影响十分明显。其中，CAC 发生喘振导致的概率接近50%，其产生的危害及对航空器运行的不利影响最为严重。

表1 CAC故障源分类表

对故障发生的时间数据进行分析，对各个年份相同月份发生的故障进行汇总，如图1 所示。从中可以看出，CAC故障发生情况呈现明显的周期性和季节性分布，冬春交替（12 月、1 月、2 月）时期CAC 的故障率偏高，夏季（6 月、7 月）CAC 的故障率也有上升趋势，其他时段则较为平衡，平均月份发生率为25 起，结合机队平均机龄（4.5 年/架次），机队平均每月发生5.6 次故障，而故障高发时段平均每月发生11 次故障，故障率翻倍。因此，季节性的环境变化对CAC故障发生频次的影响不可忽视。

图1 CAC故障各月份数据

结合波音787 机队的区域性运行特点，同时综合考虑国内季节性气候特点，受季节性影响的原因如下：

1）夏季温度高，对空调组件运转效率要求较高，部件的频繁高负荷工作导致故障。

2）该航司波音787 机队地面运行主要在北方（如京津区域），冬春交替时节北方区域降雨少、空气干燥，易形成扬沙天气，且在杨柳交替飘絮的季节，大量杨絮、柳絮及沙尘等空气污染物从飞机的冲压进气口入口和CAC 入口飘入，导致CAC 内部部件发生磨损出现损伤，进而引起部件失效。

3）夏季当地面环境温度大于43℃时，PECS 液温过高，导致其冷却的相关部件不工作（见图2），进而触发其他系统故障。PECS 冷却系统不能充分为CMSC 等相关部件散热，导致CAC 不工作。同时，在冬春季节，沙尘和柳絮都会加大PECS 散热器和相关管道的堵塞概率，导致PECS 冷却性能不足。

图2 PECS冷却系统与飞机各个系统的关系

4）当散热器堵塞严重时，会造成RAM FAN 转速与流速不匹配情况，进而使RAM FAN 发生失速或喘振，最终影响RAM FAN 工作。当RAM FAN 失效后，PECS 系统将工作在卸载模式下，主散热系统停止工作；在该模式下，为避免PECS 冷却液温度过高，同一侧的FUEL、HYD 等部件的工作被自动抑制，而ATRU、PECS 泵体冷却只能利用PECS 后段—厨房厕所通气系统来进行散热。

1.2 CAC 故障成本性分析

结合单个航材CAC 的售价、送修成本、返修、检测等费用进行综合分析。

根据厂家报价，单个CAC 价值大约为37 万美元，折合人民币大约为240万元（以汇率大约为6.484 计算）。目前，机队飞机在翼CAC 数量约为160 台，在修和备用库共计约10 台，CAC 单项航材资产占据航司资产累计约4 亿元人民币。在送修历史记录中，因故障导致送修的机队历史部件次数达到320 余次，单次送修平均价格预估约为12 万美元，折合人民币价格为78 万元，公司历史为保障CAC 的修复金额达到人民币约2.5 亿元。

由此可见，基于CAC 部件的高价值和高送修成本，对CAC 的故障率控制将影响到航司的维修成本控制。

1.3 机队SDR 数据分析

由于客舱空气系统对机队运行产生SDR 数据的情况较少，且单机中CAC部件有4 个，高裕度特点进一步降低了CAC 故障导致SDR 事件的发生。由于数据较少，不能形成有效分析，因此不对SDR 数据作进一步分析。

2 CAC 故障相关的机组操作程序和故障模式处理

2.1 与CAC 故障相关的运行操作模式

全面梳理波音787 机型的飞行机组操作手册（FCOM）[3]、快速检查单（QRH）以及最低设备清单（MEL），以便综合分析CAC 出现故障时可能导致的运行操作问题。

1）当左/右客舱空气系统中任意一侧只出现一个CAC 故障时，可以维持正常航班运行，需要将不工作的CAC解除工作，并确保出现故障的CAC 空调组件可以正常运行。但是对客舱温度的控制仍然有限制，在客舱温度较高的情况下需要选择关闭客舱娱乐系统（IFE），以降低客舱的加热负载。

2）当单侧空调两个CAC 都故障时，单侧的空调组件功能不可用，出现的运行限制较多。在满足相应条件情况下，可以维持正常航班运行。飞行航路必须保持60min 内有合适的可着陆机场；同时，空调运行降级，巡航座舱高度可能增加到8000ft，会出现客舱空气系统达不到目标客舱温度和通风速率的情况。

3）当出现两个CAC 不工作且设备冷却系统在超控方式，或者3 个CAC不工作、飞机高度受限、出现“PACK ALTITUDE LIMIT”故障信息、驾驶舱伴随“嘟嘟”警告音时，如果飞机高度在35000ft 以上，机组需要下降到35000ft 或以下，保持高度不高于35000ft。机舱温度可能比正常情况高一些。

2.2 CAC 故障对航空器运行的安全性和舒适性的影响分析

综上所述，由于空调增压系统采用的是四余度系统，4 个CAC 中一个出现故障对于飞机安全无较大影响，仍可维持航空器的适航性。但是，随着航空旅游业的不断发展，加之旅客对高舒适性需求的追求，导致CAC 故障对航空运行品质的影响十分显著[2]，主要体现在以下几点。

1）旅客易疲劳。由于787 宽体客机一般运行长远程航线，较高的座舱高度易使旅客产生压耳、缺氧、意识不清晰等不适症状，长时间的航班运行更易使旅客疲劳，对航空运行品质不利。

2）不舒适。机上客舱温度难以调节到一个舒适的范围内，对旅客的体感会造成一定的影响。

3）无娱乐。为了降低客舱产热，关闭了机上娱乐系统，以维持航空器客舱空气系统调温的正常运作，大大降低了长、远程航线旅客的旅行体验，使航空旅行变得乏味单调，在现今竞争激烈的航空市场条件下易造成客户流失。

3 CAC 故障模式分析

根据航司波音787 飞机机队健康监控报告，还有多份历史CAC 部件返厂维修报告，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，如图3 所示。

图3 CAC故障模式

3.1 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。

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。以上两种措施可以有效保障波音787 客舱空气系统的正常运行，但是，CAC 喘振仍时有发生。

3.2 CAC 硬件缺陷

波音787 飞机投入运行后，特别是自2013 年以来，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。对此，CAC 的部件生产厂商柯林斯航天工业公司（Collins Aerospace）联合波音公司多次通过服务通告（SB）的形式，就硬件改进、系统操作、飞机维护建议三个方面给出改进措施。经过调查，结合相关技术通告文件，发现现有的CAC仍存在一定的设计缺陷。航空公司应不断跟进CAC部件厂家的设计更新情况，采购最新型的CAC部件进行装机运行。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。且因CAC 设计出厂时的喘振裕度参数并不是很高，较低的喘振裕度使CAC 参数在发生不稳定的变化时很容易达到其设计的最低允许值，导致气流及叶片产生低频率的振动，形成喘振。

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。

高温还会使径向轴承O 型圈密封中的压缩永久变形，从而降低径向轴承的保持力和承载能力。O 型圈失效被认为是轴承的主要失效模式，而外部动态载荷多变是导致失效的另一个诱因[4]。

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。同时，传感器位置设计也不尽合理。有的传感器位置暴露，没有必要的保护，在特定条件下（如压力传感器口堵塞时）无法准确反馈数据，导致CAC 本体温度过高无法正常工作。

4）马达/马达静子性能衰退

根据返厂维修时厂家提供的数据和故障返修报告，波音787 飞机CAC 的故障主要来自于特定运行情况下因低热裕度造成的马达静子衰退。为此，需要采取一定的措施，尽量减少CAC 在地面的低热裕度运转。

另外，之前的调查发现CAC 本体损坏的第二大原因是马达失效。对此，柯林斯公司推出了安装Arnon 5 定子的方法，以期进一步提升马达的可靠性。

3.3 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。

4 预防CAC 不工作故障的管控措施

上述CAC 的故障数据表明，排在第1 位的是CAC 喘振导致的故障，发生概率为47.89%；排在第2 位的是飞机CAC 供电控制相关故障，其中大部分是由于CMSC 故障或本身冷却不足导致的工作卸载。综合考虑季节性和国内区域性的分布特点，相关通风口/进气口堵塞对于CAC 故障发生的影响较大。在这些研究分析的基础上，考虑建立预防CAC 不工作故障的管控机制，以期不断提升旅客满意度。

4.1 防喘

4.1.1 地域性管控

针对波音787 飞机在北方地区春/冬季沙尘季节以及飘絮期易发生CAC进气口被柳絮/沙尘堵塞的问题，北方地区维护人员需在飘絮期间确保飞机尽可能地减少柳絮吸入。航后、航前、过站保障期间应注意是否有外来物进入CAC 进气口，视情安装薄膜等封堵物品进行适当保护。

4.1.2 季节性管控

综合分析波音787 机队的CAC 故障时间，发现故障具有一定的季节性特点，夏季空调运转功率高，冬春季节易吸入空气中的外来物（如飘絮、沙尘等）。航司在波音787 机队地面运行/维护时应尽可能地使用地面空调，降低CAC 地面工作的频次。对于运行中的波音787 飞机，持续下发空调性能数据采集工作，以监控机队的CAC 故障情况。

在CAC 故障高发期，针对飞机状态监控系统中出现的关于CAC的警示，应及时安排对CAC部件本体（如叶片等）进行充分检查，保证CAC工作状态良好。4.1.3 提升客舱空调温度控制系统除水设计和气路检查实际维护工作中发现多起因客舱空调温度控制系统（CACTCS）中部件损伤，如ACM 结冰、相关部件漏气等导致的CAC 喘振。

在硬件方面，最初为确保CACTCS管道最低处没有积水，波音公司对CACTCS 的后总管排水孔实施了改装，可以更好地减少ACM结冰情况的发生。在日常维护方面，航空公司维修工程部门可以有计划地下发CACTCS 除水和气路检查工作，以便在日常维护过程中执行CAC 的运转测试。检查CAC 部件的出气口、排水口等有无堵塞，根据飞机的实际维护情况适当进行疏通。

4.1.4 改善运行阶段空调使用方式

在日常运行中，机组成员和乘务人员可以从以下几个方面对空调系统的运行进行前置保护。

1）通过客舱服务面板将旅客（含机组）人数手动设定到 318 人或更多（如果机舱内有超过 318 名旅客，则使用实际旅客人数）。软件的逻辑控制将根据数据提升CAC 的使用可靠性。

2）在飞机地面运行时，同时将两个空调组件设置在AUTO 位，这可以让客舱空调系统和温度控制系统根据系统逻辑进行配置，有助于防止机载设备温度升高。此外，在外部电源操作期间，Ground Test Switch 电门应处于NORMAL 位。如 果 不 在NORMAL 状态，CAC 马达冷却性能可能会降低，影响CAC 寿命。

3）当出现组件降级信息时，应安排对污染的散热器的清洁和维护工作[5]。

4）当使用两个外部电源时，不允许进行CAC 操作测试，必须在使用三个外部电源或接外部气源的条件下进行。

4.2 提升CAC 供电正常率

4.2.1 提升PECS 冷却系统正常率

1）在CAC 故障高发季节，有计划地推进主次级和PECS 散热器在位/离位清理程序，借助波音公司的飞机监控软件，合理关注机队散热器的清洗频次并建立预警机制，可以有效控制和维持PECS 的散热能力，降低其散热效率，减少其对飞机整体系统的影响。

2）研发散热器（包括主次级散热器和PECS 散热器）运行中的更换程序和清洁程序，减少飞机的停场时间和人力，及时恢复整体冷却系统（ICS）和客舱空气系统（CAS）的性能。

4.2.2 提升CMSC 硬/软件性能

由于CAC 供电逻辑处于CMSC 选择的最低位，当出现CAC 正常状态下不工作情况时，需要考虑是否与CMSC 供电逻辑有关。可以联系生产厂家改进CMSC软件设计逻辑，减少因逻辑供电问题出现的不必要的CAC 故障相关信息。

加强针对CMSC 部件装机时间的控制和跟踪，合理控制机队装机时间，有效减少因CMSC 故障导致触发CAC 相关信息的频次，有效提升旅客舒适度。

4.3 改进CAC 硬件设计

根据CAC 机队故障历史数据，CAC 进口加热组件和CAC 进口温度传感器失效的故障率合计为12.96%，约占1/8。有效改进CAC 的温度传感器和加热器位置，可以减少其被堵塞而导致故障的情况。

根据最新的设计，在受飘絮以及PM2.5 颗粒影响严重的情况下，在全机队范围内推广安装新构型的CAC 压力传感器J-Tube，可以提高客舱空气压缩机的运行可靠性，避免因不间断的喘振导致潜在的客舱空气压缩机进口发生过热或损伤。

同时，针对低热裕度状态下的CAC运转易对部件马达静子造成损伤和性能衰退的情况，当飞机在地面运行或维护时，应采取有效措施规避不适当的CAC使用方法。

4.4 改进PCU 软件设计

PCU 软件的逻辑问题可以通过软件升级解决。应积极向波音公司进行反馈，根据故障现象和机载维护系统给出的故障提示，核实软件逻辑是否存在问题，并要求厂家和波音公司针对性地对软件进行改进和升级。

目前，升级软件经常会造成另外一些问题。例如，根据最新通报的波音更新 的《MOM-MOM-21-0006-01B》[6]，787 飞机在PCU 软件升级至Y201 版本后，21 PCU OPS 软件号变为HAM57-21PC-2010。当发动机启动完毕后，PACK L 和PACK R 信息会出现大约20s，然后自动消失，这是正常现象，可以不执行相关维护措施，但可能对飞行员造成一定的干扰。

5 总结

鉴于波音787 飞机的特殊性，针对客舱空气压缩机故障情况，综合考虑多个飞机系统，从电源系统、软件构型、环境因素等多方面、多维度地进行分析，结合实际机队运行数据和故障现象，分析了可能的故障原因，提出了相关的解决方法，填补了这方面的空白。希望本文有助于机务维修人员更加全面地了解客舱空气系统的工作情况，从而在实际工作中做好预防性维护工作，进一步提高飞机环境控制系统的可靠性，在今后发生相关故障时可以及时进行维修或提出相关实用性建议，保证飞机的高品质运行。