氫氣是航空工業(yè)減少碳排放、實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵。氫氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)具有高功率密度和零碳排放的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)低碳時(shí)代航空工業(yè)的理想動(dòng)力模式。
氫發(fā)動(dòng)機(jī)是以氫氣為能源，輸出軸功率或推力的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具有零碳排放、低溫、液態(tài)氫燃料易于制備等特點(diǎn)，在**和民用航空裝備領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。與氫燃料電池相比，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的功率密度，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離洲際飛行。與傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)相比，氫燃料燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在碳排放、起動(dòng)性能好、油耗低、比推力/功率高等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，采用氫燃料是進(jìn)一步提高傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的有效途徑。當(dāng)然，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，需要在氫工質(zhì)循環(huán)、氫燃燒、氫控制、氫損傷、適航性等諸多領(lǐng)域進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。隨著新能源技術(shù)的快速發(fā)展，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和氫燃料電池的混合動(dòng)力將是未來(lái)氫航空的主要發(fā)展方向。
氫發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)
氫發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)役航空發(fā)動(dòng)機(jī)基本相同。氫燃料在燃燒室燃燒，然后推動(dòng)渦輪膨脹做功，帶動(dòng)螺旋槳或風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力，如圖1所示。氫發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的區(qū)別在于，氫燃料以低溫液態(tài)儲(chǔ)存在飛機(jī)的液氫箱中，液氫通過(guò)熱交換器轉(zhuǎn)化為氫氣后進(jìn)入燃燒室。
圖1氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)原理
液體燃料具有熱值高、散熱量大的特點(diǎn)。它可用作發(fā)動(dòng)機(jī)燃料和傳熱介質(zhì)。根據(jù)利用方式的不同，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)可以分為常規(guī)熱力循環(huán)和非常規(guī)熱力循環(huán)。
常規(guī)熱力循環(huán)是指只用液氫作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)。常規(guī)熱力循環(huán)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的配置與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)基本相似，只有燃燒室、控制系統(tǒng)和熱交換器不同。
非常規(guī)熱力循環(huán)是指以液氫同時(shí)作為燃料和傳熱介質(zhì)的發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)，包括預(yù)冷循環(huán)、氫冷渦輪循環(huán)和回?zé)嵫h(huán)。其中，預(yù)冷循環(huán)是指利用低溫液氫冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣氣流，從而減少壓縮機(jī)的壓縮功，提高循環(huán)效率；冷渦輪循環(huán)是指利用低溫液氫與渦輪冷卻空氣進(jìn)行熱交換，從而提高渦輪進(jìn)口溫度，提高循環(huán)效率?；?zé)嵫h(huán)是指利用氫燃料與發(fā)動(dòng)機(jī)高溫廢氣進(jìn)行熱交換，從而提高氫燃料的焓值，降低油耗。氫氣的燃燒產(chǎn)物只有水和少量的氮氧化物，沒(méi)有碳氧化物產(chǎn)生。由于水的比熱容高于碳氧化物，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獾木C合比熱容比常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)飧?%左右，使得氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前后的溫差和壓降更小。因此，在相同的發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)參數(shù)條件下，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪出口的氣體速度、溫度和壓力都高于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，使得氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具有更大的推力或功率。但是，在相同的熱力循環(huán)參數(shù)下，氫氣燃燒產(chǎn)生的燃?xì)赓|(zhì)量小于航空煤油燃燒產(chǎn)生的燃?xì)赓|(zhì)量，這樣，由于燃?xì)饬髁繙p少而造成的功率損失可以通過(guò)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)更高的轉(zhuǎn)速來(lái)補(bǔ)償。因此，在相同的熱力循環(huán)參數(shù)下，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，而轉(zhuǎn)速極限是氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)一步提高的主要瓶頸。
與常規(guī)熱力循環(huán)不同，要實(shí)現(xiàn)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的非常規(guī)熱力循環(huán)，不僅需要對(duì)燃燒室和控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，還需要對(duì)風(fēng)扇增壓級(jí)、壓氣機(jī)、渦輪、噴嘴、空氣系統(tǒng)等部件進(jìn)行改進(jìn)。因此，非常規(guī)熱力循環(huán)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)有很大不同，實(shí)現(xiàn)難度更大。早在2002年，歐盟推出的低溫民用飛機(jī)項(xiàng)目CRYOPLANE就詳細(xì)對(duì)比分析了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在不同氫燃料熱力循環(huán)模式下的性能，如圖2所示。可以看出，氫冷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)異，與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，推力可提高32%，推重比可提高9.2%。雖然基于氫冷卻換熱的非常規(guī)熱力循環(huán)可以顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和推重比，但氫冷卻換熱循環(huán)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的**性影響很大。例如，在預(yù)冷循環(huán)中可能出現(xiàn)極端情況，如發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣裝置凍結(jié)和壓縮機(jī)吞掉氫燃料。
不同氫燃料熱力循環(huán)模式下渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)性能比較。
綜上所述，常規(guī)熱力循環(huán)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)具有更好的熱力循環(huán)效率，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的限制，常規(guī)熱力循環(huán)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)需要改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和輪 盤的結(jié)構(gòu)，才能獲得比航空煤油發(fā)動(dòng)機(jī)更大的推力或功率。利用液氫的低溫特性，氫冷換熱循環(huán)可以顯著提高氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。但由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速限制和氫冷換熱器一體化設(shè)計(jì)的**風(fēng)險(xiǎn)，氫冷換熱循環(huán)的工程可行性有待進(jìn)一步探索。
氫燃料燃燒
雖然液氫燃料具有高熱值(是傳統(tǒng)航空煤油的2.8倍)和零碳排放的優(yōu)勢(shì)，但氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在降低污染物排放和穩(wěn)定燃燒方面仍面臨嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。對(duì)于吸氣式航空發(fā)動(dòng)機(jī)，其燃燒室產(chǎn)生的氮氧化物量受溫度影響很大。當(dāng)燃燒室主燃燒區(qū)溫度超過(guò)1800K時(shí)，熱氮氧化物占主導(dǎo)地位，并隨溫度呈指數(shù)增長(zhǎng)，如圖3所示。因?yàn)闅淙剂系幕鹧鏈囟缺群娇彰河透?50K左右，所以氫燃料燃燒產(chǎn)生的氮氧化物比航空煤油燃燒產(chǎn)生的氮氧化物高幾倍。此外，氫氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣燃s為航空煤油的6倍，可燃極限范圍很寬(4% ~ 75% vol)。氫氣噴嘴的噴射速度比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)提高約6倍，以防止回火。這些特征使得氫氣燃燒面臨自燃、回火、燃燒不穩(wěn)定和相對(duì)高的氮氧化物生成的高風(fēng)險(xiǎn)。微信
圖3燃燒室溫度對(duì)一氧化碳和氮氧化物的影響
現(xiàn)代民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室主要采用貧油預(yù)混燃燒技術(shù)來(lái)降低NOx排放。然而，氫燃料特有的易自燃、易回火等特性嚴(yán)重阻礙了稀薄預(yù)混燃燒技術(shù)在氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用。目前還沒(méi)有成熟的氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)投入商業(yè)應(yīng)用，一些在役的氫燃料地面燃?xì)廨啓C(jī)主要摻氫，還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)純氫燃燒。以西門子為例，其在役SGT-600燃?xì)廨啓C(jī)已實(shí)現(xiàn)80%摻氫比例燃燒，預(yù)計(jì)到2030年所有燃?xì)廨啓C(jī)將實(shí)現(xiàn)100%純氫燃燒。為了實(shí)現(xiàn)100%的氫氣燃燒，減少氮氧化物的生成，GE公司開(kāi)發(fā)了基于小尺度橫向射流混合概念的氫燃料低污染燃燒器，并將該技術(shù)開(kāi)發(fā)的氫氣燃燒系統(tǒng)應(yīng)用于9HA燃?xì)廨啓C(jī)。此外，霍尼韋爾、三菱重工等。也在大力發(fā)展氫燃料低污染燃燒技術(shù)，主要采用多點(diǎn)稀薄直噴實(shí)現(xiàn)氫燃料與空氣的快速混合，通過(guò)不預(yù)混降低氫燃料火焰回火的風(fēng)險(xiǎn)。
為了減少氫燃料燃燒室內(nèi)熱氮氧化物的排放，必須降低燃燒室內(nèi)主燃燒區(qū)的火焰溫度。總的來(lái)說(shuō)，增加制冷劑、均勻分配燃料、快速混合和燃燒貧油是目前降低火焰溫度的主要技術(shù)途徑。貧油多點(diǎn)直噴燃燒技術(shù)是一種**燃燒技術(shù)，具有火焰溫度低、回火風(fēng)險(xiǎn)小、混合效率高的優(yōu)點(diǎn)。它是未來(lái)氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。該技術(shù)利用燃燒室中的大部分空氣進(jìn)行直接燃燒，而不是冷卻和混合，可以達(dá)到燃燒室主燃燒區(qū)稀薄燃燒的效果，降低火焰溫度。同時(shí)，通過(guò)在燃燒室頭部布置矩陣多點(diǎn)噴射單元，可以實(shí)現(xiàn)氫燃料和空氣的高效混合，減少主燃燒區(qū)的局部熱點(diǎn)，從而抑制氮氧化物的生成。此外，直接燃料噴射和擴(kuò)散燃燒也可以大大降低氫燃料火焰回火的風(fēng)險(xiǎn)。但是，由于噴嘴數(shù)量多、噴嘴尺寸小、內(nèi)部流道極其復(fù)雜，未來(lái)貧油多點(diǎn)直噴技術(shù)的發(fā)展不僅受到設(shè)計(jì)水平的限制，還受到制造工藝水平的限制。
氫燃料控制
氫氣作為一種分子量小、密度低的天然氣，具有極強(qiáng)的可壓縮性，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油管路中對(duì)閥門調(diào)節(jié)具有明顯的阻尼和遲滯效應(yīng)，動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確地測(cè)量和調(diào)節(jié)氫氣極其困難?？紤]到氫燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)管路中由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，氫氣沿管路的相變、壓力、溫度等參數(shù)往往處于動(dòng)態(tài)變化和振蕩狀態(tài)，進(jìn)一步增加了氫燃料的控制和測(cè)量難度。正因如此，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很難直接參照傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)。根據(jù)氫氣的相變，燃料控制系統(tǒng)可分為液氫控制部分和氫氣控制部分。液控部分主要負(fù)責(zé)控制從機(jī)載液氫罐出口到熱交換器出口的液氫的壓力、溫度和流量。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的液氫控制主要包括液氫泵、熱交換器和穩(wěn)壓閥。機(jī)載液氫箱中的液氫可通過(guò)高壓氦氣或氫氣擠壓輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)的液氫控制單元，液氫燃料由液氫泵加壓后送入熱交換器。液氫在換熱器中汽化，溫度和壓力迅速升高，因此應(yīng)在換熱器出口設(shè)置穩(wěn)壓閥。由于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段沒(méi)有高溫尾氣與液氫進(jìn)行熱交換，因此需要在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段調(diào)整供氫方式，要么是供氫方式，要么是電加熱器預(yù)熱液氫。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的氫氣控制部分位于熱交換器和燃燒室之間，主要包括減壓閥、**閥、調(diào)節(jié)閥、過(guò)濾器、溫度和壓力傳感器等。氫氣控制部分需要測(cè)量氫氣管道沿線的壓力和溫度，精 確控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，以補(bǔ)償氫氣的可壓縮性對(duì)流量測(cè)量的影響。
氫氣控制系統(tǒng)不僅需要控制氫氣的溫度、壓力和流量，還需要控制燃燒室的火焰狀態(tài)。如果在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生燃燒室熄火，氫燃料控制系統(tǒng)應(yīng)立即切斷液氫的供應(yīng)，防止氫氣擴(kuò)散到高溫部位引起自燃、回火甚至爆燃。因此，與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)相比，氫燃料控制系統(tǒng)主要增加了以下功能：液氫泵的速度控制；熱交換器的溫度、壓力和流量控制；氫氣閥開(kāi)啟和開(kāi)關(guān)狀態(tài)的控制。
總的來(lái)說(shuō)，氫燃料控制直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行、狀態(tài)切換和**性，是發(fā)展氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵核心技術(shù)。但由于氫氣特有的可壓縮性和液氫相變的復(fù)雜性，很難在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)控制算法的優(yōu)化完全消除氫燃料控制精度低、測(cè)量不準(zhǔn)確的問(wèn)題。氫發(fā)動(dòng)機(jī)的控制問(wèn)題將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)切換和穩(wěn)定運(yùn)行?；旌想娏ν七M(jìn)系統(tǒng)通過(guò)將氫燃料燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)與燃料電池相結(jié)合而形成。氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)只在額定功率下運(yùn)行發(fā)電，功率由電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)，可以有效避免氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)切換不可控的瓶頸問(wèn)題。因此，氫燃料混合電力推進(jìn)方式將是未來(lái)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的主要發(fā)展趨勢(shì)。
氫損傷
材料的氫損傷是制約氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期使用的重要因素。氫損傷是指氫與材料相互作用引起材料性能損傷的現(xiàn)象，如氫致開(kāi)裂、氫鼓包、白點(diǎn)、高溫氫腐蝕、氫致延遲開(kāi)裂、氫致塑性降低、氫致馬氏體相變脆化、氫化物形成等。對(duì)于具有體心立方結(jié)構(gòu)的馬氏體和鐵素體鋼，高溫氫腐蝕、表面脫碳、氫致延遲斷裂、白點(diǎn)和氫壓裂紋是常見(jiàn)的氫損傷失效形式。對(duì)于具有面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體鋼，氫致塑性損失、延遲開(kāi)裂、氫致馬氏體相變脆化、高溫氫腐蝕和氫膨脹是更可能的氫損傷和失效形式。典型的氫損傷如圖4所示。
圖4幾種典型的氫損傷
對(duì)于氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，由于部件的使用條件不同，氫損傷的可能風(fēng)險(xiǎn)也不同。用于高壓氫相關(guān)部件(如奧氏體不銹鋼氫管道321、304和316等。)在室溫下長(zhǎng)期服役，氫損傷的風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自氫脹/氫致開(kāi)裂和氫致塑性損失。對(duì)于燃燒室、渦輪等高溫高壓氫服役條件相關(guān)的部件和材料(GH3536、GH3044、GH4720Li和9Cr18Mo)，由于服役溫度較高(RT850)，氫會(huì)迅速滲入合金中，導(dǎo)致高溫氫腐蝕開(kāi)裂失效和長(zhǎng)期服役時(shí)氫致表面脫碳，影響部件和材料的服役**。
對(duì)于氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)，其高壓氫部件的氫損傷不容忽視，是整個(gè)產(chǎn)品**設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。目前迫切需要開(kāi)展以下工作：涉及高壓氫氣的管道推薦采用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好的奧氏體合金，同時(shí)考慮部件的化學(xué)成分和冶金質(zhì)量與其抗氫損傷能力的關(guān)系；對(duì)于燃燒室、渦輪等涉及高溫高壓氫的部件，應(yīng)著重考慮材料的抗高溫氫腐蝕性能，建立材料的碳含量、析出相、晶界結(jié)構(gòu)和類型與氫損傷的關(guān)系。特別是迫切需要建立氫相關(guān)服役條件下相關(guān)材料的顯微組織和性能數(shù)據(jù)庫(kù)，為氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)的**設(shè)計(jì)提供理論和數(shù)據(jù)支持。
結(jié)束語(yǔ)
氫發(fā)動(dòng)機(jī)是一條全新的“賽道”，不僅路程長(zhǎng)，而且涉及領(lǐng)域多，涵蓋能源、基建、交通等行業(yè)。氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展將極大推動(dòng)我國(guó)在能源、交通、國(guó)防等領(lǐng)域的原始科技創(chuàng) 新，逐步顛覆現(xiàn)有航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展格局，推動(dòng)我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)施。因此，發(fā)展氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不僅是行業(yè)發(fā)展的需要，也是國(guó)家戰(zhàn)略的需要。隨著氫能產(chǎn)業(yè)政策紅利、市場(chǎng)紅利、技術(shù)紅利的不斷釋放，低碳?xì)淠芎娇諘r(shí)代正向我們走來(lái)。
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