氫氣是航空工業(yè)減少碳排放、實現(xiàn)碳中和的關鍵。氫氣渦輪發(fā)動機具有高功率密度和零碳排放的優(yōu)勢，是未來低碳時代航空工業(yè)的理想動力模式。
氫發(fā)動機是以氫氣為能源，輸出軸功率或推力的燃氣渦輪發(fā)動機。氫燃料發(fā)動機具有零碳排放、低溫、液態(tài)氫燃料易于制備等特點，在**和民用航空裝備領域具有廣闊的應用前景。與氫燃料電池相比，氫燃料發(fā)動機具有更高的功率密度，可以實現(xiàn)長距離洲際飛行。與傳統(tǒng)航空發(fā)動機相比，氫燃料燃氣渦輪發(fā)動機在碳排放、起動性能好、油耗低、比推力/功率高等方面具有明顯優(yōu)勢。因此，采用氫燃料是進一步提高傳統(tǒng)航空發(fā)動機性能的有效途徑。當然，氫燃料發(fā)動機的發(fā)展仍面臨諸多技術挑戰(zhàn)，需要在氫工質(zhì)循環(huán)、氫燃燒、氫控制、氫損傷、適航性等諸多領域進行關鍵技術攻關。隨著新能源技術的快速發(fā)展，氫燃料發(fā)動機和氫燃料電池的混合動力將是未來氫航空的主要發(fā)展方向。
氫發(fā)動機的熱力循環(huán)
氫發(fā)動機的結構與現(xiàn)役航空發(fā)動機基本相同。氫燃料在燃燒室燃燒，然后推動渦輪膨脹做功，帶動螺旋槳或風扇旋轉產(chǎn)生推力，如圖1所示。氫發(fā)動機與傳統(tǒng)航空發(fā)動機的區(qū)別在于，氫燃料以低溫液態(tài)儲存在飛機的液氫箱中，液氫通過熱交換器轉化為氫氣后進入燃燒室。
圖1氫燃料發(fā)動機原理
液體燃料具有熱值高、散熱量大的特點。它可用作發(fā)動機燃料和傳熱介質(zhì)。根據(jù)利用方式的不同，氫燃料發(fā)動機的熱力循環(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)動機燃料的發(fā)動機熱力循環(huán)。常規(guī)熱力循環(huán)氫燃料發(fā)動機的配置與傳統(tǒng)發(fā)動機基本相似，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)是指以液氫同時作為燃料和傳熱介質(zhì)的發(fā)動機熱力循環(huán)，包括預冷循環(huán)、氫冷渦輪循環(huán)和回熱循環(huán)。其中，預冷循環(huán)是指利用低溫液氫冷卻發(fā)動機的進氣氣流，從而減少壓縮機的壓縮功，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行熱交換，從而提高渦輪進口溫度，提高循環(huán)效率?；責嵫h(huán)是指利用氫燃料與發(fā)動機高溫廢氣進行熱交換，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)動機燃氣的綜合比熱容比常規(guī)發(fā)動機燃氣高4%左右，使得氫燃料發(fā)動機渦輪前后的溫差和壓降更小。因此，在相同的發(fā)動機熱力循環(huán)參數(shù)條件下，氫燃料發(fā)動機渦輪出口的氣體速度、溫度和壓力都高于傳統(tǒng)發(fā)動機，使得氫燃料發(fā)動機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)生的燃氣質(zhì)量小于航空煤油燃燒產(chǎn)生的燃氣質(zhì)量，這樣，由于燃氣流量減少而造成的功率損失可以通過氫燃料發(fā)動機比傳統(tǒng)發(fā)動機更高的轉速來補償。因此，在相同的熱力循環(huán)參數(shù)下，氫燃料發(fā)動機的轉速高于傳統(tǒng)發(fā)動機，而轉速極限是氫燃料發(fā)動機性能進一步提高的主要瓶頸。
與常規(guī)熱力循環(huán)不同，要實現(xiàn)氫燃料發(fā)動機的非常規(guī)熱力循環(huán)，不僅需要對燃燒室和控制系統(tǒng)進行調(diào)整，還需要對風扇增壓級、壓氣機、渦輪、噴嘴、空氣系統(tǒng)等部件進行改進。因此，非常規(guī)熱力循環(huán)氫燃料發(fā)動機的整體結構與傳統(tǒng)發(fā)動機有很大不同，實現(xiàn)難度更大。早在2002年，歐盟推出的低溫民用飛機項目CRYOPLANE就詳細對比分析了渦扇發(fā)動機在不同氫燃料熱力循環(huán)模式下的性能，如圖2所示?？梢钥闯?，氫冷渦輪發(fā)動機性能優(yōu)異，與傳統(tǒng)發(fā)動機相比，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)動機的推力和推重比，但氫冷卻換熱循環(huán)對發(fā)動機的**性影響很大。例如，在預冷循環(huán)中可能出現(xiàn)極端情況，如發(fā)動機進氣裝置凍結和壓縮機吞掉氫燃料。
不同氫燃料熱力循環(huán)模式下渦扇發(fā)動機性能比較。
綜上所述，常規(guī)熱力循環(huán)氫燃料發(fā)動機比傳統(tǒng)發(fā)動機具有更好的熱力循環(huán)效率，但由于發(fā)動機轉速的限制，常規(guī)熱力循環(huán)氫燃料發(fā)動機需要改進發(fā)動機轉子和輪 盤的結構，才能獲得比航空煤油發(fā)動機更大的推力或功率。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)動機的性能。但由于發(fā)動機轉速限制和氫冷換熱器一體化設計的**風險，氫冷換熱循環(huán)的工程可行性有待進一步探索。
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，但氫燃料發(fā)動機在降低污染物排放和穩(wěn)定燃燒方面仍面臨嚴峻的技術挑戰(zhàn)。對于吸氣式航空發(fā)動機，其燃燒室產(chǎn)生的氮氧化物量受溫度影響很大。當燃燒室主燃燒區(qū)溫度超過1800K時，熱氮氧化物占主導地位，并隨溫度呈指數(shù)增長，如圖3所示。因為氫燃料的火焰溫度比航空煤油高150K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)設計提高約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)定和相對高的氮氧化物生成的高風險。微信
圖3燃燒室溫度對一氧化碳和氮氧化物的影響
現(xiàn)代民用航空發(fā)動機燃燒室主要采用貧油預混燃燒技術來降低NOx排放。然而，氫燃料特有的易自燃、易回火等特性嚴重阻礙了稀薄預混燃燒技術在氫燃料發(fā)動機中的應用。目前還沒有成熟的氫燃料發(fā)動機投入商業(yè)應用，一些在役的氫燃料地面燃氣輪機主要摻氫，還沒有實現(xiàn)純氫燃燒。以西門子為例，其在役SGT-600燃氣輪機已實現(xiàn)80%摻氫比例燃燒，預計到2030年所有燃氣輪機將實現(xiàn)100%純氫燃燒。為了實現(xiàn)100%的氫氣燃燒，減少氮氧化物的生成，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器，并將該技術開發(fā)的氫氣燃燒系統(tǒng)應用于9HA燃氣輪機。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，主要采用多點稀薄直噴實現(xiàn)氫燃料與空氣的快速混合，通過不預混降低氫燃料火焰回火的風險。
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?？偟膩碚f，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途徑。貧油多點直噴燃燒技術是一種**燃燒技術，具有火焰溫度低、回火風險小、混合效率高的優(yōu)點。它是未來氫燃料航空發(fā)動機燃燒室的主要發(fā)展趨勢之一。該技術利用燃燒室中的大部分空氣進行直接燃燒，而不是冷卻和混合，可以達到燃燒室主燃燒區(qū)稀薄燃燒的效果，降低火焰溫度。同時，通過在燃燒室頭部布置矩陣多點噴射單元，可以實現(xiàn)氫燃料和空氣的高效混合，減少主燃燒區(qū)的局部熱點，從而抑制氮氧化物的生成。此外，直接燃料噴射和擴散燃燒也可以大大降低氫燃料火焰回火的風險。但是，由于噴嘴數(shù)量多、噴嘴尺寸小、內(nèi)部流道極其復雜，未來貧油多點直噴技術的發(fā)展不僅受到設計水平的限制，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，具有極強的可壓縮性，在發(fā)動機燃油管路中對閥門調(diào)節(jié)具有明顯的阻尼和遲滯效應，動態(tài)準確地測量和調(diào)節(jié)氫氣極其困難。考慮到氫燃料在發(fā)動機管路中由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，氫氣沿管路的相變、壓力、溫度等參數(shù)往往處于動態(tài)變化和振蕩狀態(tài)，進一步增加了氫燃料的控制和測量難度。正因如此，氫燃料發(fā)動機控制系統(tǒng)的設計很難直接參照傳統(tǒng)的航空發(fā)動機或燃氣輪機。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。液控部分主要負責控制從機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)動機控制系統(tǒng)的液氫控制主要包括液氫泵、熱交換器和穩(wěn)壓閥。機載液氫箱中的液氫可通過高壓氦氣或氫氣擠壓輸送到發(fā)動機的液氫控制單元，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，因此應在換熱器出口設置穩(wěn)壓閥。由于發(fā)動機啟動階段沒有高溫尾氣與液氫進行熱交換，因此需要在發(fā)動機啟動階段調(diào)整供氫方式，要么是供氫方式，要么是電加熱器預熱液氫。發(fā)動機控制系統(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、過濾器、溫度和壓力傳感器等。氫氣控制部分需要測量氫氣管道沿線的壓力和溫度，精 確控制調(diào)節(jié)閥的開度，以補償氫氣的可壓縮性對流量測量的影響。
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)動機運轉過程中發(fā)生燃燒室熄火，氫燃料控制系統(tǒng)應立即切斷液氫的供應，防止氫氣擴散到高溫部位引起自燃、回火甚至爆燃。因此，與常規(guī)發(fā)動機控制系統(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；氫氣閥開啟和開關狀態(tài)的控制。
總的來說，氫燃料控制直接關系到發(fā)動機的穩(wěn)定運行、狀態(tài)切換和**性，是發(fā)展氫燃料發(fā)動機的關鍵核心技術。但由于氫氣特有的可壓縮性和液氫相變的復雜性，很難在短時間內(nèi)通過控制算法的優(yōu)化完全消除氫燃料控制精度低、測量不準確的問題。氫發(fā)動機的控制問題將直接影響發(fā)動機的狀態(tài)切換和穩(wěn)定運行?；旌想娏ν七M系統(tǒng)通過將氫燃料燃氣渦輪發(fā)動機與燃料電池相結合而形成。氫燃料發(fā)動機只在額定功率下運行發(fā)電，功率由電驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)節(jié)，可以有效避免氫燃料發(fā)動機狀態(tài)切換不可控的瓶頸問題。因此，氫燃料混合電力推進方式將是未來氫燃料發(fā)動機的主要發(fā)展趨勢。
氫損傷
材料的氫損傷是制約氫燃料發(fā)動機長期使用的重要因素。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，如氫致開裂、氫鼓包、白點、高溫氫腐蝕、氫致延遲開裂、氫致塑性降低、氫致馬氏體相變脆化、氫化物形成等。對于具有體心立方結構的馬氏體和鐵素體鋼，高溫氫腐蝕、表面脫碳、氫致延遲斷裂、白點和氫壓裂紋是常見的氫損傷失效形式。對于具有面心立方結構的奧氏體鋼，氫致塑性損失、延遲開裂、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
對于氫燃料發(fā)動機，由于部件的使用條件不同，氫損傷的可能風險也不同。用于高壓氫相關部件(如奧氏體不銹鋼氫管道321、304和316等。)在室溫下長期服役，氫損傷的風險主要來自氫脹/氫致開裂和氫致塑性損失。對于燃燒室、渦輪等高溫高壓氫服役條件相關的部件和材料(GH3536、GH3044、GH4720Li和9Cr18Mo)，由于服役溫度較高(RT850)，氫會迅速滲入合金中，導致高溫氫腐蝕開裂失效和長期服役時氫致表面脫碳，影響部件和材料的服役**。
對于氫燃料航空發(fā)動機，其高壓氫部件的氫損傷不容忽視，是整個產(chǎn)品**設計的基礎。目前迫切需要開展以下工作：涉及高壓氫氣的管道推薦采用結構穩(wěn)定性好的奧氏體合金，同時考慮部件的化學成分和冶金質(zhì)量與其抗氫損傷能力的關系；對于燃燒室、渦輪等涉及高溫高壓氫的部件，應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、晶界結構和類型與氫損傷的關系。特別是迫切需要建立氫相關服役條件下相關材料的顯微組織和性能數(shù)據(jù)庫，為氫燃料航空發(fā)動機的**設計提供理論和數(shù)據(jù)支持。
結束語
氫發(fā)動機是一條全新的“賽道”，不僅路程長，而且涉及領域多，涵蓋能源、基建、交通等行業(yè)。氫燃料航空發(fā)動機的發(fā)展將極大推動我國在能源、交通、國防等領域的原始科技創(chuàng) 新，逐步顛覆現(xiàn)有航空發(fā)動機發(fā)展格局，推動我國“雙碳”戰(zhàn)略的實施。因此，發(fā)展氫燃料發(fā)動機不僅是行業(yè)發(fā)展的需要，也是國家戰(zhàn)略的需要。隨著氫能產(chǎn)業(yè)政策紅利、市場紅利、技術紅利的不斷釋放，低碳氫能航空時代正向我們走來。
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