氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

■ 李維 曹俊 肖為/中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所

氫燃料是航空業(yè)降低碳排放、實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵。氫燃料燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)憑借其高功率密度和零碳排放的優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)低碳時(shí)代下航空業(yè)的理想動(dòng)力方式。

氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是以氫作為能源并輸出軸功率或者推力的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。憑借液氫燃料的零碳排放、深冷和易制備等特點(diǎn)，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在軍民用航空裝備領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。與氫燃料電池相比，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度更高，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程跨洲際飛行；與傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)相比，除了碳排放方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，氫燃料燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)還具有起動(dòng)性能好、燃料消耗低、單位推力/功率大等優(yōu)勢(shì)。因此，對(duì)傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)開展氫燃料適應(yīng)性改造，是進(jìn)一步提升性能的有效方式。當(dāng)然，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展仍面臨著許多技術(shù)上的挑戰(zhàn)，需要在氫工質(zhì)循環(huán)、氫燃燒、氫控制、氫損傷和適航等諸多領(lǐng)域開展關(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)與氫燃料電池組合的混合動(dòng)力將是未來(lái)氫能航空的主要發(fā)展方向。

氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)

氫燃料發(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，氫燃料在燃燒室內(nèi)燃燒，然后推動(dòng)渦輪膨脹做功，并帶動(dòng)螺旋槳或者風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力，如圖1所示。氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)不同之處在于，氫燃料以低溫液體狀態(tài)存儲(chǔ)于飛機(jī)的液氫罐中，液氫經(jīng)過(guò)換熱器轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃庠龠M(jìn)入燃燒室。

圖1 氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)原理

液氫燃料具有熱值高、熱沉大等特點(diǎn)，既可以作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，也可以作為發(fā)動(dòng)機(jī)換熱工質(zhì)。按照利用方式的不同，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)是指僅利用液氫作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)。采用常規(guī)熱力循環(huán)的氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型基本相似，僅燃燒室、控制系統(tǒng)和換熱器等相關(guān)部件系統(tǒng)有所區(qū)別。

非常規(guī)熱力循環(huán)是指液氫同時(shí)作為燃料和換熱工質(zhì)的發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)，主要包括預(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)進(jìn)口氣流，從而減少壓氣機(jī)的壓縮功，提升循環(huán)效率；氫冷渦輪循環(huán)是指利用低溫液氫與渦輪冷卻空氣進(jìn)行換熱，從而提高渦輪進(jìn)口溫度，提升循環(huán)效率；回?zé)嵫h(huán)是指利用氫燃料與發(fā)動(dòng)機(jī)高溫排氣進(jìn)行換熱，提高氫燃料的焓值，從而降低燃料消耗。

氫燃料的燃燒產(chǎn)物只有水和少量的氮氧化物，沒有碳氧化物生成。由于水的比熱容要高于碳氧化物，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)饩C合比熱容要比常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獾木C合比熱容高出4%左右，使得氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前后溫差及壓降更小。因此，在同等發(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)渦輪出口的燃?xì)馑俣?、溫度和壓力都要高于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，這使得氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具有更大的推力或功率。然而，在同等熱力循環(huán)參數(shù)條件下，由于氫燃燒產(chǎn)生的燃?xì)赓|(zhì)量要小于航空煤油燃燒產(chǎn)生的燃?xì)赓|(zhì)量，使得氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具有比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)更高的轉(zhuǎn)速才能補(bǔ)償燃?xì)饬髁繙p少所產(chǎn)生的功率損失。因此，同等熱力循環(huán)參數(shù)下，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速要比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)更高，轉(zhuǎn)速限制是氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步提升性能的主要瓶頸。

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)非常規(guī)熱力循環(huán)，不僅要對(duì)燃燒室、控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，還要改進(jìn)風(fēng)扇增壓級(jí)、壓氣機(jī)、渦輪、噴管、空氣系統(tǒng)等部件。因此非常規(guī)熱力循環(huán)的氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)整體架構(gòu)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)區(qū)別較大，實(shí)現(xiàn)難度也更大。歐盟早在2002年開展的低溫民用飛機(jī)項(xiàng)目CRYOPLANE[1-2]中，就詳細(xì)對(duì)比分析了不同氫燃料熱力循環(huán)模式下渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，如圖2所示?？梢钥吹?，氫冷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的性能最優(yōu)，較傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力可提升32%，推力質(zhì)量比可提升9.2%。盡管基于氫冷換熱的非常規(guī)熱力循環(huán)可以顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力和推力質(zhì)量比，但是氫冷換熱循環(huán)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性的影響較大，比如，預(yù)冷循環(huán)就可能出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣裝置結(jié)冰、壓氣機(jī)吞入氫燃料等極端情況。

圖2 不同氫燃料熱力循環(huán)模式下的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比

綜上所述，常規(guī)熱力循環(huán)的氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具有比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)更好的熱力循環(huán)效率，但是受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速限制，常規(guī)熱力循環(huán)的氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)要獲得比航空煤油發(fā)動(dòng)機(jī)更大的推力或者功率，還需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和輪盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)；憑借液氫的深冷特性，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)氫冷換熱循環(huán)可以顯著提升發(fā)動(dòng)機(jī)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)的安全性風(fēng)險(xiǎn)，氫冷換熱循環(huán)的工程可行性還需要進(jìn)一步探索。

氫燃料燃燒

盡管液氫燃料具有熱值高（是傳統(tǒng)航空煤油的2.8倍）、零碳排放的優(yōu)點(diǎn)，但氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在降低污染物排放、穩(wěn)定燃燒等方面仍然面臨嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。對(duì)于吸氣式航空發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，其燃燒室內(nèi)的氮氧化物生成量受溫度的影響最大。當(dāng)燃燒室主燃區(qū)的溫度超過(guò)1800K時(shí)，熱力型氮氧化物占據(jù)主導(dǎo)地位，隨溫度呈指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)，如圖3所示。由于氫燃料的火焰溫度要比航空煤油的火焰溫度高約150K，氫燃料燃燒產(chǎn)生的氮氧化物要比航空煤油燃燒產(chǎn)生的氮氧化物高出數(shù)倍。此外，氫的火焰?zhèn)鞑ニ俣仁呛娇彰河偷?倍左右，可燃極限范圍非常寬（4%～75%vol），氫氣噴嘴的射流速度要比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)高出約6倍才能防止回火。這些特征使得氫燃燒面臨很高的自燃風(fēng)險(xiǎn)、回火風(fēng)險(xiǎn)、燃燒不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)和相對(duì)較高的氮氧化物生成。

圖3 燃燒室內(nèi)溫度對(duì)一氧化碳及氮氧化物生成量的影響

現(xiàn)代民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室主要通過(guò)貧油預(yù)混燃燒技術(shù)來(lái)降低氮氧化物排放，然而氫燃料特有的易自燃、易回火等特點(diǎn)嚴(yán)重阻礙了貧油預(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機(jī)也主要是以摻氫燃燒為主，還沒有實(shí)現(xiàn)純氫燃燒。以西門子公司為例，其在役的SGT-600燃機(jī)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了80%摻氫比例燃燒，預(yù)計(jì)到2030年可以實(shí)現(xiàn)全部燃機(jī)100%純氫燃燒[3]。為了實(shí)現(xiàn)100%的氫燃燒同時(shí)降低氮氧化物生成，GE公司開發(fā)了基于小尺度橫向射流混合概念的氫燃料低污染燃燒室，并將以此技術(shù)開發(fā)的氫燃燒系統(tǒng)用于9HA燃?xì)廨啓C(jī)[4]。此外，霍尼韋爾公司、三菱重工等也在大力開發(fā)氫燃料低污染燃燒技術(shù)，主要是采用多點(diǎn)貧油直噴實(shí)現(xiàn)氫燃料與空氣的快速混合，并通過(guò)非預(yù)混的方式降低氫燃料火焰回火的風(fēng)險(xiǎn)。

為降低氫燃料燃燒室熱力型氮氧化物排放，必須降低燃燒室內(nèi)主燃區(qū)的火焰溫度。一般來(lái)說(shuō)，增加冷媒、均布燃料、快速摻混、貧油燃燒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)就是兼具火焰溫度低、回火風(fēng)險(xiǎn)低和摻混效率高等優(yōu)點(diǎn)的新型燃燒技術(shù)，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)通過(guò)將燃燒室內(nèi)的大部分空氣用于直接燃燒而不是冷卻摻混，達(dá)到燃燒室主燃區(qū)貧油燃燒并且降低火焰溫度的作用。同時(shí)，通過(guò)在燃燒室頭部布置矩陣式多點(diǎn)噴射單元，可以實(shí)現(xiàn)氫燃料與空氣的高效混合，減少主燃區(qū)的局部熱點(diǎn)，從而抑制氮氧化物的生成。此外，采用燃料直噴、擴(kuò)散燃燒的方式還可以極大地降低氫燃料火焰回火的風(fēng)險(xiǎn)。然而，由于貧油多點(diǎn)噴射的噴口數(shù)量眾多、噴口尺寸小，內(nèi)部流道極為復(fù)雜，未來(lái)貧油多點(diǎn)直噴技術(shù)的發(fā)展不僅受制于設(shè)計(jì)水平，更受制于制造工藝水平。

氫燃料控制

氫氣作為自然界分子量最小、密度最低的氣體，其可壓縮性極強(qiáng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃料管路中對(duì)閥門的調(diào)節(jié)具有明顯的阻尼、遲滯效應(yīng)，因此對(duì)氫氣的動(dòng)態(tài)高精度計(jì)量和調(diào)節(jié)難度極大?？紤]到氫燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)管路中是從液態(tài)變換至氣態(tài)，氫在管路沿程的相變、壓力、溫度等參數(shù)往往處于一種動(dòng)態(tài)變化、振蕩的狀態(tài)，更進(jìn)一步增加了氫燃料的控制和計(jì)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)難以直接參照傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)。

氫燃料控制系統(tǒng)按照氫的相變階段可以分為兩個(gè)部分，分別是液氫控制部分和氫氣控制部分。液氫控制部分主要負(fù)責(zé)控制從機(jī)載液氫罐出口到換熱器出口這一段距離內(nèi)的液氫壓力、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、換熱器和穩(wěn)壓閥。機(jī)載液氫罐中的液氫可以由高壓氦氣或者氫氣擠壓的方式輸送給發(fā)動(dòng)機(jī)的液氫控制單元，由液氫泵將液氫燃料增壓并送進(jìn)換熱器，液氫在換熱器內(nèi)汽化導(dǎo)致溫度和壓力迅速增大，因此在換熱器出口要設(shè)置一個(gè)穩(wěn)壓閥。由于發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)階段沒有高溫尾氣用于與液氫換熱，因此需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)階段的供氫方式進(jìn)行調(diào)整，要么采用氫氣供應(yīng)方式，要么采用一個(gè)電加熱器用于液氫的預(yù)熱。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的氫氣控制部分位于換熱器與燃燒室之間，主要包括減壓閥、安全閥、調(diào)節(jié)閥、過(guò)濾器、溫度和壓力傳感器等。氫氣控制部分需要對(duì)氫氣管路沿程的壓力和溫度進(jìn)行計(jì)量并精確地控制調(diào)節(jié)閥的開度，以補(bǔ)償氫氣的壓縮性對(duì)流量計(jì)量的影響。

氫燃料控制系統(tǒng)除了需要控制氫的溫度、壓力和流量，還需要控制燃燒室的火焰狀態(tài)。如果燃燒室在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生熄火，氫燃料控制系統(tǒng)要馬上切斷液氫的供應(yīng)，防止氫氣傳播至高溫部件引發(fā)自燃、回火甚至爆燃。因此，相比常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，氫燃料控制系統(tǒng)主要新增了以下功能：液氫泵的轉(zhuǎn)速控制；換熱器的溫度、壓力、流量控制；氫氣閥門開度和切換狀態(tài)控制。

綜合來(lái)看，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)切換和安全性，是研制氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵核心技術(shù)。然而，受制于氫氣本身特有的強(qiáng)可壓縮性和液氫相變的復(fù)雜性，短期內(nèi)難以通過(guò)控制算法優(yōu)化完全消除氫燃料控制精度不高、計(jì)量不準(zhǔn)確等問(wèn)題。氫燃料發(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。將氫燃料燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)與燃料電池組合形成混合電推進(jìn)系統(tǒng)，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)只在額定功率下運(yùn)行并發(fā)電，由電驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，可以有效避開氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)切換不可控這一瓶頸問(wèn)題。因此，氫燃料混合電推進(jìn)方式將會(huì)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)期使用的一個(gè)重要因素。氫損傷是指由氫與材料相互作用引起的材料性能受損的現(xiàn)象，諸如氫致裂紋、氫鼓包、白點(diǎn)、高溫氫腐蝕、氫致滯后開裂、氫致塑性下降、氫致馬氏體相變脆化和形成氫化物等。對(duì)于體心立方結(jié)構(gòu)的馬氏體和鐵素體鋼，高溫氫腐蝕、表面脫碳、氫致滯后斷裂、白點(diǎn)、氫壓裂紋是較為常見的氫損傷破壞形式；對(duì)于面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體鋼，氫致塑性損減、滯后開裂、氫致馬氏體相變脆化、高溫氫腐蝕，以及氫鼓包是更為可能的氫損傷破壞形式。典型氫損傷如圖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)，由于部件服役工況不同，可能存在的氫損傷風(fēng)險(xiǎn)也有所不同。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間處于室溫溫度區(qū)間服役的涉高壓氫部件（如321、304和316等奧氏體不銹鋼輸氫管路）來(lái)說(shuō)，其氫損傷風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)源于氫鼓包/氫致裂紋和氫致塑性損失。對(duì)于燃燒室、渦輪等涉及高溫高壓氫服役工況的部件材料（GH3536、GH3044、GH4720Li和9Cr18Mo等），由于服役溫度高（RT≈850℃），氫會(huì)快速滲透進(jìn)入合金中，導(dǎo)致長(zhǎng)期服役時(shí)發(fā)生高溫氫腐蝕開裂失效和氫致表面脫碳，影響部件材料的服役安全。

針對(duì)氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)，其涉高壓氫部件的氫損傷問(wèn)題不容忽視，這是整個(gè)產(chǎn)品安全性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。目前急需開展如下幾項(xiàng)工作：針對(duì)涉高壓氫的管路，首選組織穩(wěn)定性好的奧氏體合金，同時(shí)考慮部件材料的化學(xué)成分、冶金質(zhì)量等與其耐氫損傷能力的關(guān)系；對(duì)于燃燒室、渦輪等涉高溫高壓氫的部件，則著重考慮材料的耐高溫氫腐蝕能力，建立材料中的碳含量、析出相、晶界結(jié)構(gòu)和類型等與氫損傷的關(guān)系；尤為迫切的是，需要建立相關(guān)材料在涉氫服役工況下的組織與性能數(shù)據(jù)庫(kù)，為氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性設(shè)計(jì)提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

結(jié)束語(yǔ)

氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是一條全新的“賽道”，不僅距離長(zhǎng)，而且涉及領(lǐng)域多，涵蓋能源、基礎(chǔ)設(shè)施、交通等多個(gè)行業(yè)。開展氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制工作，將極大帶動(dòng)我國(guó)在能源、交通和國(guó)防領(lǐng)域的原始科技創(chuàng)新，將逐步顛覆現(xiàn)有航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展格局，促進(jìn)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)，既是行業(yè)發(fā)展需要，更是國(guó)家戰(zhàn)略需要。隨著氫能產(chǎn)業(yè)政策紅利、市場(chǎng)紅利和技術(shù)紅利的不斷釋放，低碳?xì)淠芎娇諘r(shí)代正在向我們走來(lái)。