定容燃燒在未來燃氣輪機熱力循環(huán)中的應(yīng)用前景

張恩慧

【摘 要】近年來燃氣輪機效率連年創(chuàng)造新記錄，但接近了布雷頓循環(huán)的極限，必須有熱力學(xué)上的突破才能更進一步。本文介紹了使用布雷頓循環(huán)的燃氣輪機的發(fā)展史，分析計算了采用定容燃燒的漢弗萊循環(huán)比布雷頓循環(huán)效率上的優(yōu)勢，介紹了使用漢弗萊循環(huán)熱機的現(xiàn)狀和發(fā)展前景。

【關(guān)鍵字】漢弗萊循環(huán)；燃氣輪機；定壓燃燒；定容燃燒；爆震燃燒；脈沖爆震燃燒室；波轉(zhuǎn)子

中圖分類號： TK478 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）32-0042-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.32.018

【Abstract】Efficiency of gas turbine has created new world records year after year， but it closes to the limits of the Brayton cycle， there must be a breakthrough in thermodynamics to go further. This paper introduces the history of gas turbines with Brayton cycle， analyzes and calculates the advantages of Humphrey cycle with constant volume combustion， and introduces the current situation and development prospects of engine with Humphrey cycle.

【Key words】Humphrey cycle； Gas turbine； Constant pressure combustion（CPC）； Constant volume combustion（CVC）； Detonation； Pulse detonation Combustion（PDC）； Wave rotor

0 引言

近年來陸續(xù)看到燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)效率突破60%，61%，62%的新聞，而且世界三大燃氣輪機制造商都有在未來幾年突破聯(lián)合循環(huán)效率65%的計劃，雖然這表明燃氣輪機技術(shù)得到了快速的提高，但也暴露了一個嚴重的問題，燃機的效率已經(jīng)接近了布雷頓循環(huán)的極限，這意味著未來燃機的發(fā)展必須在熱力循環(huán)上有所突破，否則不會再有大的進步。本文嘗試探討一下定容燃燒的漢弗萊循環(huán)在未來燃氣輪機熱力循環(huán)中的應(yīng)用前景。

1 熱力循環(huán)分析

燃氣輪機裝置定壓加熱理想循環(huán)叫布雷頓循環(huán)，引用空氣標(biāo)準假設(shè)（文中所有的熱力循環(huán)分析均基于空氣標(biāo)準假設(shè)），布雷頓循環(huán)可簡化為由絕熱壓縮，定壓加熱，絕熱膨脹，定壓放熱四個可逆過程組成。[4]它是美國人G.B.Brayton于1872年提出并制造，這臺機器的壓縮機和膨脹機還都是活塞式的。直到1939年，世界第一臺發(fā)電用工業(yè)燃氣輪機“Neuchatel”才由瑞士的BBC公司（ABB公司前身）制造出來，它的出力為4000kw，效率18%，已經(jīng)采用了軸流壓氣機和透平技術(shù)[1]。經(jīng)過近80年的發(fā)展，目前最先進的燃氣輪機如GE公司的9HA.02燃機單機出力已經(jīng)達557MW，簡單循環(huán)效率44.0%，聯(lián)合循環(huán)效率64.2%（9HA.02二拖一三壓再熱聯(lián)合循環(huán)）[2]。在這80年中，重型燃機的壓比從4.5發(fā)展到25，初溫從400℃發(fā)展到超過1500℃，燃氣輪機設(shè)計和制造技術(shù)取得了長足的進步。但是，燃氣輪機的發(fā)展也即將遭遇重大的瓶頸——到達布雷頓循環(huán)的極限（見圖1）。

那么如何才能突破這個極限呢，我們用定容加熱替換了布雷頓循環(huán)（圖3 1-2-3-4-1）的定壓加熱過程，這個新循環(huán)就是漢弗萊循環(huán)（1-2-3‘-4‘-1）。我們可以看到，漢弗萊循環(huán)的效率始終高于布雷頓循環(huán)（圖2），為了分析其中的原因，我們來看看兩個循環(huán)的溫-熵圖（圖3）。由于對設(shè)備限制最大的是最高溫度和壓力，所以我們選定兩個循環(huán)具有相同的最高溫度（T3）；而燃氣輪機的壓力相對較低，對設(shè)備的限制較小，而壓比對兩個循環(huán)的效率影響都很大，所以我們選定兩個循環(huán)具有相同的壓比。從圖3上我們可以看出，漢弗萊循環(huán)的4‘點在1-4這根定壓線上且位置低于4點，所以漢弗萊循環(huán)的平均放熱溫度（METL）明顯低于布雷頓循環(huán)；同時在溫熵圖上，定壓線的斜率為T/Cp，而定容線的斜率為T/Cv，而Cp是大于Cv的，所以定容線2-3‘的斜率是大于定壓線2-3的，所以漢弗萊循環(huán)的平均吸熱溫度（METH）也高于布雷頓循環(huán)，而由公式η=1-T平均放熱/T平均吸熱，可知相同壓比、相同透平初溫情況下，漢弗萊循環(huán)的效率高于布雷頓循環(huán)。再看看相同壓比和相同最高溫度的其他循環(huán)，迪塞爾循環(huán)（1-2-3-4‘‘-1）的平均吸熱溫度低于漢弗萊循環(huán)，而且平均放熱溫度高于漢弗萊循環(huán)，所以效率低于漢弗萊循環(huán)；奧拓循環(huán)（1-2-3‘-4‘‘‘-1）平均吸熱溫度與漢弗萊循環(huán)相同，而平均放熱溫度高于漢弗萊循環(huán)，效率也低于漢弗萊循環(huán)。

由此可以看出，定容加熱的漢弗萊循環(huán)效率高，比功大，有替代現(xiàn)有各種常見熱力循環(huán)的潛力。

2 定容燃燒的歷史及目前研究水平

現(xiàn)在利用定容燃燒技術(shù)的發(fā)動機主要有各種類型的爆震發(fā)動機，其中脈沖爆震發(fā)動機（PDE）技術(shù)最為成熟。脈沖爆震發(fā)動機的研究工作可以追溯到20世紀40年代，蘇聯(lián)科學(xué)家Zeldovich首次提出可以使用爆震燃燒能量的可能性理論，德國人Hoffmann寫出了第一個有關(guān)間隙式或脈沖式爆震波發(fā)動機的研究報告，隨后又有一些科學(xué)家進行了一些研究，到1960年代末由于經(jīng)費不足研究工作被擱置起來。1986年Helman等人在美國海軍研究生院重新考察了脈沖爆震發(fā)動機概念，又激起了人們對脈沖爆震發(fā)動機的興趣。由于脈沖爆震發(fā)動機的熱力循環(huán)效率高，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性等方面的優(yōu)勢，美國、俄羅斯、日本、法國、中國等國家都在積極實施脈沖爆震發(fā)動機的研究項目。而且爆震發(fā)動機可以以吸氣式和火箭式兩種模式工作，這就更增加了它的應(yīng)用范圍。[5]

如果我們將傳統(tǒng)燃氣輪機的燃燒室和部分甚至全部壓氣機更換為爆震燃燒室，這樣我們就可以得到一個應(yīng)用定容加熱的漢弗萊循環(huán)熱機，我們稱之為爆震燃氣輪機，主要由壓氣機（可無）、爆震燃燒室、燃氣透平等組成。整個系統(tǒng)的核心為爆震燃燒室，也就是爆震發(fā)動機的部分。目前美國走在世界前列，在幾種形式的爆震發(fā)動機上都有很多研究成果。

在美國，PDE的研究主要由NASA（美國國家宇航局）、AFRL（美國空軍研究實驗室）和DARPA（美國國防部高級研究計劃局）資助。資助項目由主要航空發(fā)動機廠商（如GE，普惠和羅羅）、各大高校和政府研發(fā)機構(gòu)執(zhí)行。這其中又分為吸氣式脈沖爆震發(fā)動機（PDE）和波轉(zhuǎn)子脈沖爆震發(fā)動機（WRPDE）。

吸氣式脈沖爆震發(fā)動機方面：

在美國GE和NASA合作建造一套脈沖爆震燃燒室（PDC）—透平系統(tǒng)Hybrid。這個系統(tǒng)由一個環(huán)形布置的有八個管的多管PDC與一個單級軸流式透平組成。系統(tǒng)額定流量8lbm/s、轉(zhuǎn)速25000RPM、出力1000 馬力。在第一次系列實驗中，系統(tǒng)累計運行總共96分鐘，為了使裝置達到熱穩(wěn)定狀態(tài)、透平達到恒定速度，每次運行都在5分鐘以上。在最高8lbm/s，18500RPM和350hp的多種工況下，使用化學(xué)當(dāng)量比的乙烯-空氣混合物，在不同的燃燒模式下，裝置以高達30 Hz（每管）的頻率運行，在透平上累積了大約近100萬個爆震脈沖循環(huán)的運行經(jīng)驗。[6-7]

國內(nèi)，西北工業(yè)大學(xué)試驗了2種不同尺寸的以汽油為燃料、空氣為氧化劑的6管并聯(lián)吸氣式PDE，其中單管內(nèi)徑為68mm的PDE可以在單管6Hz的頻率下平穩(wěn)工作20s以上[8]；而單管內(nèi)徑為35mm的PDE 整體最高工作頻率可達210Hz[9]。

波轉(zhuǎn)子方面，ABB、Rolls-Royce、GE等公司都曾進行波轉(zhuǎn)子發(fā)動機的嘗試。

ABB公司的前身BBC公司在1940年代設(shè)計了一個1640kW的波轉(zhuǎn)子用于鐵路機車燃氣輪機，這個波轉(zhuǎn)子有30個通道，額定轉(zhuǎn)速6000轉(zhuǎn)/分。這個世界首臺波轉(zhuǎn)子在實驗中運行穩(wěn)定，雖然由于設(shè)計不匹配和粗糙的裝配，最終裝配在燃機上后效果并不理想。1980年代，由這個波轉(zhuǎn)子發(fā)展出來的Comprex技術(shù)最終應(yīng)用在汽車發(fā)動機上，并銷售了150000臺。

GE曾在1950年代研究一種在通道內(nèi)燃燒的波轉(zhuǎn)子，藉此減輕燃機的重量，減少管道，縮小燃機的尺寸。1956～1959期間，GE利用NASA的分析方法改進了該波轉(zhuǎn)子的設(shè)計并制造了一臺驗證機。1961～1963年，GE還制造并測試了氣隙密封技術(shù)的波轉(zhuǎn)子，由于流場的計算不夠精確，最終該發(fā)動機沒能輸出軸功，但它明確證明了在波轉(zhuǎn)子內(nèi)部完成能量轉(zhuǎn)換的可能性。

Rolls-Royce公司1995年收購的艾利遜發(fā)動機公司是NASA的合作伙伴，艾利遜發(fā)動機公司在1996年利用艾利遜250型渦軸發(fā)動機作為波轉(zhuǎn)子技術(shù)驗證平臺，預(yù)估波轉(zhuǎn)子技術(shù)的應(yīng)用會提高發(fā)動機比功18%～20%，減少燃料消耗15%～22%。其波轉(zhuǎn)子直徑和長度約等于高壓透平的葉頂直徑，波轉(zhuǎn)子在一個單獨的軸上旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速大約為透平轉(zhuǎn)子的1/3。

NASA格倫研究中心在1988年與美國陸軍研究實驗室（ARL）和艾利遜公司合作，研究和驗證波轉(zhuǎn)子技術(shù)對于未來飛機推進系統(tǒng)的好處。研究證明，對于0.8馬赫的飛機，在相同的總壓比和透平進口溫度條件下，利用波轉(zhuǎn)子技術(shù)的發(fā)動機可以使效率提高1%～2%，比功增加10%～16%。1995年，韋爾奇團隊測算出對于小型（300kW～500kW）、中型（2000kW～3000kW）的渦軸發(fā)動機，使用波轉(zhuǎn)子技術(shù)可以提高19%～21%的比功、減少16%～17%的燃料消耗。同時還獲得不少別的研究成果，根據(jù)這些成果，設(shè)計并制造了一個新的四通道波轉(zhuǎn)子，并在實驗室?；瘲l件下進行了試驗，做了一些改進。[9]

3 結(jié)論

定容燃燒的漢弗萊在理論上具有明顯的優(yōu)勢，熱效率高，比功大，利用定容燃燒的脈沖爆震發(fā)動機具有結(jié)構(gòu)簡單、推重比大、工作范圍寬、質(zhì)量輕，以吸氣式和火箭式兩種模態(tài)工作等優(yōu)點，獲得了世界各國的重視。近十多年來 世界各國對脈沖爆震發(fā)動機的研究進入了全面發(fā)展時期， 已完成了概念驗證， 開始進行原型機的發(fā)展和試驗。但是脈沖爆震波的高頻觸發(fā)和起爆、爆震混合物的高速噴注與混合、各系統(tǒng)的匹配和控制方面仍有很大難度，沒有取得實質(zhì)性進展，還需要一個較長的研究周期才能實際應(yīng)用。

【參考文獻】

[1]Tony Giampaolo，Gas Turbine Handbook： Principles and Practices 3rd ，Taylor & Francis Ltd.

[2]Gas Turbine Word 2018 GTW Handbook，January 2018 Vol.33.

[3]劉桂玉、劉志剛、陰建民、何雅玲，《工程熱力學(xué)》1998年6月第1版，高等教育出版社.

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[6]Dean，A.J.，Rasheed，A.，Tangirala，V.E.，and Pinard，P.F.， “Operation and Noise Transmission of an Axial Turbine Driven by a Pulse Detonation Combustor”，GT-2005-69141，Proceedings of International Gas Turbine Institute，ASME Turbine Expo 2005，June 6-9，2005.

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[8]袁成，范瑋，彭暢新，等.六管吸氣式脈沖爆震發(fā)動機試驗[J].航空動力學(xué)報，2011，26（9）：1981-1985.

[9]張群，范瑋.多管吸氣式兩相脈沖爆震發(fā)動機實驗[J].航空動力學(xué)報，2012，27（9）：1935-1938.

[10]Akbari P，Mueller N，Nalim R.A Review of Wave Rotor Technology and Its Applications[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2006.