ACM：飞机空调的动力装置

HelloSky · 发表于 2020-2-16 13:10:38

熟悉飞机系统的读者，猜猜这是什么？

最前面是一个风扇；
风扇后面是压缩机；
涡轮在压缩机后面；
以上部件同轴转动。

涡轮发动机？对了！

不过，还有另一个答案……

空调组件里的空气循环机？又对了！

空气循环机（Air Cycle Machine，ACM）：飞机空调组件的动力装置。

以B737NG和A320为例，典型的飞机空调，主要部件包括两个热交换器（初级、次级）、ACM、冷凝器和各个管道、活门、传感器等附件。其中，ACM以空气为动力来源，又将能量输出给空气。

01 飞机空调：基于空气循环的制冷系统

空气循环制冷系统主要是采用由发动机带动的座舱增压器或者直接由发动机引出的高温高压空气经过热交换器初步冷却后再经过涡轮进行膨胀，对外做功，空气本身的温度和压力大大降低，由此获得满足温度和压力要求的冷空气；涡轮带动同轴的压气机、风扇或其他装置，这样，高压空气中的热能就转变为机械功，从而达到降温制冷的目的。

《涡轮发动机飞机结构与系统》（上册）

典型的家庭空调、汽车空调，以及活塞发动机飞机的空调，一般使用氟利昂作为液态冷却剂。这些空调利用氟利昂的相变来吸收空气中的热量，是基于“蒸发循环”的制冷系统。

在蒸发循环冷却系统中，工作介质是液态冷却剂。驱动工作介质、使之在管道中运动的动力装置，是一台压缩机。它周而复始地对低压、气态化了的冷却剂进行压缩，然后推动它流向高压端的冷凝器，工作介质在闭环管路中流动。压缩机是蒸发循环冷却系统的动力装置，而压缩机本身则需要由系统外部的动力来驱动。

▲ 蒸发循环以压缩机为动力装置

装备涡轮发动机的现代民航飞机，其空调系统有着完全不同的工作原理。它以空气为工作介质，空气在开放的管路中流动，不发生相变。

▲ 空调原理图。不同颜色代表了管道中空气温度的相对关系。红色代表高温、蓝色代表低温。

▲ 技术细节。框中的3个部件构成ACM

	蒸发循环	空气循环
工作介质	氟利昂	空气
管路类型	闭环	开环
介质相变	液体/气态	无
动力装置	压缩机	ACM

▲ 两种冷却系统的对比

02 ACM：空调的内部动力装置

在蒸发循环中，作为动力装置的压缩机只有一个空气入口和一个空气出口。而在空气循环中，组件内部管道中的同一股空气两次进入和离开ACM，一次是作为动力的涡轮空气，一次是作为工作介质的压缩机空气；在地面时，飞机外部的空气从冲压空气管道的入口进入，受ACM风扇部分的驱动而离开冲压空气管道。

▲ ACM：内部空气2次进入、2次离开；风扇驱动的是外部空气

ACM的功能，与蒸发循环中的压缩机相似，是一个动力装置，但又有明显区别。在它的动力输出端（ACM的压缩机和风扇），引气和外部空气被加速，但在它的动力输入端（ACM的涡轮），同一股引气提供了动力。在这一点上，它也是一个能量转换装置：把同一股引气的内能变成机械能。

此外，它不是整个制冷过程的唯一动力。首先，工作介质必须是本身就具有动力的高温气体，而不能是普通空气。它被称为“引气”。参阅笔者的《引气：发动机“泵”出的“3高”气体》。其次，飞机与外界空气的相对运动产生了冲压，这是空调工作所依赖的另一个外部动力。

事实上，ACM是“三位一体”的：涡轮、压缩机、风扇是它的主要部件，它们各有叶片，而又固定在同一根轴上，成为一个转子。

▲ ACM：三位一体的动力装置

空调组件内部的管道与冲压空气的管道完全没有连通。两股空气互不混合，外部空气通过两级热交换器带走内部空气中多余的热量，从而将热引气变成空调气。这个关系可以通过下面这幅图中的标记来说明。

▲ 两股空气互不混合、转移热量。这张图的右侧，有两个部件马上要介绍到：FSCOV和风扇旁通单向活门（FAN BYPASS CHECK VALVE）

但是，假如这两股空气都是静止的，热量就无法被有效转移，此时空调是不工作的。

为了使空气动起来，一方面需要打开位于空调组件入口处的流量控制关断活门（FCSOV，这是B737NG的术语，A320称为“流量控制活门”，FCV），发动机或APU推动预先增压的热引气，浩浩荡荡地穿过内部管道系统；另一方面，飞机的飞行使冲压空气也相对于空调组件运动起来。两股空气都充分地流过热交换器，完成热量的转移。

但是在地面，飞机与外部空气相对静止了。此时ACM产生的内部动力被用来推动冲压空气。这就是ACM风扇部分的作用。回到空中，相对运动产生的空气冲压推开一个单向活门，可以把风扇旁通掉，使之处于基本空转的无负载状态。

▲ 右侧ACM风扇和风扇旁通单向活门

因此，当我们提到ACM是空调的内部动力装置时，别忘了空调还有两个外部动力：发动机或APU是其一，飞机的运动是其二。与之相反，蒸发循环的工作既不依赖于发动机，也不依赖于飞机的运行。

假如内外空气的任何一股不能顺畅地流动了，空调就无法正常工作。特别是，当冲压空气发生堵塞，组件会因为内部过热而保护性关断（组件跳开）。在《界面与逻辑：B737NG组件跳开如何复位》中讲述了组件过热跳开的细节。

案例&分析
2018年8月X日，B-XXXX起飞滑跑时左组件跳开，航后检查发现左组件ACM风扇旁通单向活门丢失。
断轴、叶片断裂或风扇旁通单向活门丢失，都会使风扇在地面无法正常工作，造成冲压空气堵塞。对于B737NG而言，此时负责温度控制活门（TCV）即使是完全关闭了，也无法将组件内部充分地冷却下来，因而组件发生保护性关断。这与TCV发生内漏的后果一样。计算机根据TCV全关以及组件过热跳开这两个信号，将故障原因判断为TCV失效，然而这是典型的“开错药方”。相关原理参阅笔者《头痛何以医脚：代码TCV，故障ACM》一文。

通过了解冲压空气的状态，有助于定位到组件跳开的真实原因。

在地面，风扇对冲压空气做功，使之流动起来。那么它的动力来源是什么？

前面我们提到涡轮、压缩机、风扇三者固定在同一根轴上。当空气进入涡轮时，对涡轮叶片的冲击使得它的内能被转换为整个ACM转子的转动，因而是进入涡轮的空气为风扇提供了动力。这股空气释放了内能，因而冷却下来，可以低至-50℃，而内能转换为转子的机械能，通过风扇对冲压空气做功，因此最后变成冲压空气的机械能。

涡轮同样驱动了压缩机的叶片，使进入压缩机空气被增压、加热和加速。这极大地提高了压缩机空气的内能，但是不要担心，它很快又会被进入第二级热交换器，可以被有效地冷却。

在空中，冲压空气推开了单向活门，风扇被旁通，处于空转状态。假如没有压缩机作为负载，那么涡轮也会空转。涡轮空气的内能无法转移出去，因而无法被冷却。可见，压气机是涡轮空气得以冷却的保障。

由于能量守恒，涡轮空气释放掉的内能并不会消失，而是转移到了相对位于上游管道的压缩机空气中，表现为温度和密度的升高。压缩机空气随后进入第二级热交换器，将其中的内能又转移给了冲压空气。

总结下来，ACM的动力来源是引气，它的涡轮是动力输入端，压气机和风扇是动力输出端。引气在涡轮里做功以后冷却下来，成为温度很低的空气。涡轮做功而释放掉的内能，以热量的形式转移到给冲压空气（内能和机械能），从冲压空气管道出口被带走。

再进一步梳理能量转移的路径，方便理解：

1、（空中和地面）涡轮入口空气内能 - （借助涡轮叶片） → 转子机械能 - （借助压缩机叶片） → 压缩机空气内能 - （借助第二级热交换器） → 冲压空气内能。

2、（仅地面）涡轮入口空气内能 - （借助涡轮叶片） → 转子机械能 - （借助风扇叶片） → 冲压空气机械能。

03 三位一体：发动机与ACM的比较

篇首的谜题，暗示了涡轮发动机与ACM的高度相似。为抓住重点，我们假定这是一个单转子涡轮发动机，来作一个对比。这部分适合于对发动机已经有一定了解的读者，也适合于希望借助于ACM来理解发动机的读者。

部件		涡轮	压缩机	风扇
相同	动力来源	引气	涡轮	涡轮
	动力对象	涡轮和风扇	空气	空气
	能量变化	空气的内能转换为ACM涡轮的机械能	ACM的机械能转化为空气的能量	ACM的机械能转换为空气的机械能
	空气变化	降压、降温；内能降低	增压；内能增加	加速；机械能增加
差异	发动机	动力来源是燃烧室的热燃气；能量转换的目的是获得推动飞机前进和发动机内部运动的机械动力；出口空气温度可达500℃以上；	多级轴流式；空气升温；空气内能增加	在地面和空中都驱动空气；
差异	ACM	动力来源是引气；能量转换的目的既是降低输出空气的温度，也是获得空调内部的空气和部件运动所需的机械动力；出口空气温度在0℃以下、最低-50℃；	单级离心式；空气升温、加速；空气的内能和机械能都增加	仅在地面驱动空气；