本文以B737NG的發(fā)動機CFM56-7B為例，深入淺出地介紹發(fā)動機引氣調(diào)制壓力和控制溫度的原理。B737NG和CFM56-7B是眾多后來者的“樣板機”，因此，通過理解它們，也可以幫助理解需要其他機型。

大家都知道，高處不勝寒。在大氣對流層頂部、飛機運行于其中的萬米高空，稀薄的外界空氣可以達到零下40℃以下。那么在這樣的嚴寒環(huán)境下，飛機如何保障客艙中乘員的生存呢？空調(diào)？是的！

▲ 高處不勝寒

在B787誕生以前的所有主流客機，由于需要在這樣一個空氣稀薄其極其寒冷的嚴酷環(huán)境中運行，必須依賴于“發(fā)動機引氣”技術(shù)來提供空調(diào)用氣。由于環(huán)?？紤]、可靠性以及技術(shù)成熟度等原因，基于蒸發(fā)冷卻循環(huán)或者沖壓空氣壓縮循環(huán)的空調(diào)系統(tǒng)在過去幾十年技術(shù)演化的歷史中被邊緣化。盡管引氣污染空調(diào)用氣歷來備受詬病，但B787是否能帶來新的曙光尚待觀察。

發(fā)動機引氣技術(shù)利用發(fā)動機的高速運轉(zhuǎn)，將稀薄空氣壓縮并引出到各個用戶系統(tǒng)。童年經(jīng)歷能幫助讀者回憶起電扇最大檔位時高風(fēng)拂面的壓力感，以及自行車打氣筒因為反復(fù)壓縮空氣而變得發(fā)燙——這些印象，有助于理解發(fā)動機對如何空氣對進行壓縮以及獲得了什么效果。

“壓氣機”（compressor，也稱為“壓縮機”）是發(fā)動機核心機的重要部分，事實上它確實很像是被串聯(lián)起來的一組風(fēng)扇，每一級都能增加空氣的壓力和熱量。最終，經(jīng)過9級“風(fēng)扇”的作用，在“高壓壓氣機”最后一級的出口，空氣被壓縮到20倍于地表大氣的壓力，溫度則可以達到500℃以上。

這樣致密和炙熱的空氣，能為發(fā)動機燃油帶來卓越的熱效率，但也大大地超出了發(fā)動機外部用戶系統(tǒng)的需要?？照{(diào)自然不用說，它最終只需要人體舒適區(qū)24℃左右的空氣；而對溫度要求最高的大翼前緣熱防冰系統(tǒng)，由于材料（鋁合金）的限制，在缺少對流冷空氣的情況，只能承受不超過127℃的加熱。在多種因素的綜合之下，發(fā)動機引氣的輸出溫度被設(shè)定在大約200℃左右。

用戶需要根據(jù)各自的情況進一步為它降溫，例如空調(diào)系統(tǒng)通過空調(diào)組件來把熱引氣冷卻到24℃左右。但空調(diào)不需要為過大的壓力而發(fā)愁，高壓力可以轉(zhuǎn)化為高流量，飛機空調(diào)因此得以為客艙提供每小時置換20-30次的空氣。

引氣的熱量來自于燃油，任何不產(chǎn)生效用的熱量損失都意味著在天上撒錢，因而如果只在溫度最高的壓氣機最后一級（對于CFM56-7B是第9級）引出空氣，效率是比較低的。當(dāng)轉(zhuǎn)速足夠低時，從最后一級引出空氣更好；而正常運轉(zhuǎn)時，使用中間的第5級就足夠了。此外，第4級的引氣也用于發(fā)動機內(nèi)部（高壓渦輪主動間隙控制）。

▲ 9級“風(fēng)扇”，3個出口

▲ 或9或5，任何時候、自動選一

在飛機的正常運行中，引氣輸出開始于9級，穩(wěn)定于5級?！俺磐砦濉痹谶@里有了成語新解。在發(fā)動機從起動到正常運行的過程中，引氣出口的選擇，全過程是這樣的：

1. 極為短暫的5級引氣階段。當(dāng)發(fā)動機剛剛起動時候，9級引氣低于名義值（32 psi）時，還不能通過高級活門（High Stage Valve，HSV）被輸出。此時5級引氣比9級壓力更低，但是理論上，只要引氣壓力稍為大于下游，就足以推開單向活門流向壓力調(diào)定關(guān)斷活門（PRSOV）。如果不存在“未調(diào)定的9級引氣”，那么下游壓力與大氣壓力（14.7 psi）相當(dāng)，因此這個打開壓力大約為15 psi。但是HSV的設(shè)計特性使得它可以在9級引氣達到18 psi時就打開，而在發(fā)動機的正常運行中從大氣壓達到此狀態(tài)可以說是“秒開”。HSV一旦打開就可以使5級單向活門關(guān)閉，因而起動時的5級引氣階段通?？梢院雎浴１憩F(xiàn)在指示表上，管道引氣壓力從0到18 psi的過程是一蹴而就的。

2. 未調(diào)定的9級壓力階段。HSV在18 psi時打開（對應(yīng)于N1大約22%），但此時在控制HSV的高級調(diào)定器（HSR）內(nèi)部，基準(zhǔn)壓力調(diào)定器未打開，HSV作動筒的打開腔未獲得控制壓力，因而9級通過HSV輸出的是未調(diào)定的引氣。這個引氣將PRSOV完全打開。

3. 調(diào)定的9級壓力階段。9級引氣達到32 psi以后，HSV作動筒的打開腔獲得控制壓力，此后HSV將引氣壓力維持在32 psi，其開度是動態(tài)的。

4. 未調(diào)定的5級壓力階段。當(dāng)發(fā)動機繼續(xù)加速，5級壓力最終超過了被調(diào)定的9級壓力（32 psi），HSV被關(guān)閉，PRSOV在42 psi以前保持完全打開。

5. 調(diào)定的5級壓力階段。在5級輸出達到42 psi以后，PRSOV作動筒的關(guān)閉腔獲得控制壓力，此后PRSOV將壓力維持在42 psi，其開度也是動態(tài)的。

▲ FIM 36-10：引氣管道壓力/N1對應(yīng)表（推油門方向）

單向活門，意味著經(jīng)過這個活動小門的氣流是“只出不進”的。當(dāng)發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)時，5級單向活門對5級引氣放行，而當(dāng)?shù)退贂r，來自相反方向的9級引氣雖然壓力更大，仍然被攔截在外。這就是單向活門的反流保護功能（Reverse Flow Protection Function）。

▲ 在單向活門處，引氣只出不進

進入壓氣機的反流將造成喘振和失速，9級同樣需要反流保護。當(dāng)預(yù)冷器（Precooler）出口的壓力超過了調(diào)定的9級引氣，高級調(diào)定器（High Stage Regulator，HSR）內(nèi)部的反流檢查機構(gòu)（Reverse Flow Check Mechanism）也發(fā)揮保護功能。細節(jié)請參照下圖來理解。

▲ 方框中是供氣管，標(biāo)有箭頭的其他細小管路，是控制管或傳感管

上圖中，一根細小的傳感管從HSR延伸到供氣管位于預(yù)冷器出口的位置，從那里感受壓力信號。而下圖展示了在HSR內(nèi)的反流檢查機構(gòu)中，來自傳感管的信號與來自基準(zhǔn)壓力調(diào)定器的壓力進行比較。當(dāng)信號超過一個閾值，它推開機構(gòu)中的活門，使通往高級活門作動筒打開腔的控制管被旁通，從而確保HSV被關(guān)閉。

▲ 同一種顏色的箭頭表示相連通的氣流，其壓力相同

借助上圖，我們還可以理解到使9級引氣HSV關(guān)閉的各種情況：

1. 9級出口無壓力或小于18 psi時，基準(zhǔn)壓力調(diào)定器未打開，HSV作動筒的打開腔得不到控制壓力。

2. 當(dāng)9級壓力隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升并被調(diào)定為32 psi，5級壓力同樣上升，超過9級時通過關(guān)閉腔來關(guān)閉HSV。

3. 如果基準(zhǔn)壓力調(diào)定器失效在打開位置，當(dāng)控制管上的壓力超過名義值，釋放活門（relief valve）將控制管的壓力旁通掉。

4. 發(fā)動機使用5級引氣以后，當(dāng)9級達到110 psi時，引氣關(guān)斷機構(gòu)（pneumatic shutoff）關(guān)閉控制管。這可以延長基準(zhǔn)壓力調(diào)定器的壽命。

5. 當(dāng)預(yù)冷器出口壓力大于名義值時，反流檢查機構(gòu)將打開腔的壓力旁通掉。這種情況使發(fā)動機不受其他氣源（例如APU和對側(cè)發(fā)動機）反流的傷害。使用APU起動左發(fā)期間，如果左發(fā)引氣電門也打開了，空調(diào)引氣控制面板上的琥珀色雙引氣燈（DUAL BLEED）將亮起，提示反流保護的存在。

6. 當(dāng)HSV下游的PRSOV失效而未能正常關(guān)閉時，供氣管上的反流也通過關(guān)閉腔來關(guān)閉HSV，避免倒灌的引氣傷害發(fā)動機。

可以看到，除了兩種正常情況（壓力不足和9級/5級轉(zhuǎn)換），還有對應(yīng)發(fā)動機運轉(zhuǎn)各階段的4種保護性關(guān)斷。這樣的設(shè)計確保了9級調(diào)定的可靠性。

▲ 雙引氣燈并非故障指示，但它表明高壓調(diào)制器可能啟動了反流保護；飛行員應(yīng)及時解除雙引氣狀態(tài)

當(dāng)9級引氣被調(diào)定為32 psi，5級引氣隨著N1而繼續(xù)上升，超過9級時通過關(guān)閉腔來關(guān)閉HSV。此后5級引氣繼續(xù)上升到42 psi以上并由PRSOV控制，成為唯一的引氣來源。轉(zhuǎn)速上升增加了5級引氣出口的壓力，因此PRSOV的開度變小，以便調(diào)定出42 psi。經(jīng)過壓力調(diào)定的引氣仍然有很高的溫度，但PRSOV只有一個自由度，不能兼顧溫度的控制，這時候來自風(fēng)扇的冷空氣可以幫上大忙。

▲ PRSOV和預(yù)冷器：攜手控制引氣溫度

預(yù)冷器是一個熱交換器。它使得熱引氣與來自風(fēng)扇的冷空氣既在物理上保持隔絕，又能讓熱量從前者轉(zhuǎn)移給后者，并排入大氣。這實在是不得已的浪費。

▲ 即使是被空氣冷卻了，引氣依然是足夠熱（圖中“冷氣”應(yīng)為“冷卻”）

風(fēng)扇空氣在進入預(yù)冷器之前，先由預(yù)冷器控制活門（PCCV）的開度決定參與冷卻的流量。在發(fā)動機起動以前，活門被內(nèi)部的彈簧加載在關(guān)位。發(fā)動機剛開始運轉(zhuǎn)的時候，PCCV的控制管獲得控制壓力，使PCCV關(guān)閉，預(yù)冷器此時不工作。

▲ 3個傳感器都在供氣管上位于預(yù)冷器出口的位置，這里的溫度即是管道溫度或用戶獲得的溫度。這里用綠、黃、紅三種顏色作為溫控機制的代碼。

隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高，PRSOV出口的溫度終于達到了390℉（199℃），此時借助第一個傳感器的作用，PCCV內(nèi)部部件的平衡開始發(fā)生移動，PCCV逐漸打開，使風(fēng)扇空氣涌入預(yù)冷器。這便開始了引氣溫度的“三級溫控”。

第一級：“綠色控制”。一個傳感器在390℉（199℃）時開始工作，將PCCV控制管中的空氣旁通掉，使PCCV打開，風(fēng)扇冷卻空氣得以涌入。當(dāng)壓力被調(diào)定為42 psi的引氣流量上升了，其溫度也隨之上升，因而就需求更多的冷卻空氣。如何滿足這個需求呢？由于傳感器的作用，PCCV的開度隨著引氣溫度升高而變大，在440℉（227℃）使達到最大開度。在這個溫度區(qū)間，PCCV始終滿足必要的冷卻空氣。這個傳感器被稱為“390傳感器”（390℉ sensor）。如果引氣系統(tǒng)足夠健康，那么只需要第一級溫控，就可以使引氣的壓力和溫度維持在理想狀態(tài)（42 psi和199℃-232℃）。

第二級：“黃色警戒”。如果PCCV的開度已經(jīng)達到最大，溫度仍然繼續(xù)上升，這可能意味著引氣系統(tǒng)的整體性能有所下降（例如預(yù)冷器效果不佳或者實際上發(fā)生了卡阻，具體原因則需要回到地面進行“引氣系統(tǒng)健康測試”才能知道）。當(dāng)溫度持續(xù)上升到450℉（232℃），另一個傳感器開始旁通掉PRSOV作動筒打開腔的控制壓力，使PCCV的開度變小，通過犧牲壓力來確保溫度不再上升。如果情況可控，那么引氣的參數(shù)相對于理想值偏差不大：溫度略高、壓力略小。

第三級：“紅色熔斷”。這是一個“熔斷機制”，規(guī)范的術(shù)語實際上是“保護性關(guān)斷”。當(dāng)引氣溫度持續(xù)上升，情況將要失控。在溫度達到490℉（254℃）時，第三個傳感器不做任何控制，而是無條件地將PRSOV完全關(guān)斷。由于傳感器把電子信號報告給了計算機（空調(diào)附件組件），因此可以產(chǎn)生警告性的駕駛艙效應(yīng)：頭頂板上空調(diào)引氣控制面板的琥珀色“引氣跳開燈”（BLEED TRIP OFF）點亮；遮光板上的主警告燈（MASTER CAUTION）與空調(diào)（AIR COND）通告燈也點亮。在這個過程中，電子信號要“翻譯”成氣控信號才能作用于PRSOV，這是由引氣調(diào)定器（BAR）來實現(xiàn)的。

▲ QRH：引氣跳開讓飛行員感到頭疼

在以上三級溫控中，各有一個傳感器發(fā)揮核心作用。在本文篇末附上它們的詳細資料。

最后是——