張恩慧

【摘 要】近年來燃?xì)廨啓C(jī)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(jìn)一步。本文介紹了使用布雷頓循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展史，分析計(jì)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(jī)的現(xiàn)狀和發(fā)展前景。

【關(guān)鍵字】漢弗萊循環(huán)；燃?xì)廨啓C(jī)；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(xiàn)標(biāo)識(shí)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?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)效率突破60%，61%，62%的新聞，而且世界三大燃?xì)廨啓C(jī)制造商都有在未來幾年突破聯(lián)合循環(huán)效率65%的計(jì)劃，雖然這表明燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)得到了快速的提高，但也暴露了一個(gè)嚴(yán)重的問題，燃機(jī)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(jī)的發(fā)展必須在熱力循環(huán)上有所突破，否則不會(huì)再有大的進(jìn)步。本文嘗試探討一下定容燃燒的漢弗萊循環(huán)在未來燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)中的應(yīng)用前景。

1 熱力循環(huán)分析

燃?xì)廨啓C(jī)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(zhǔn)假設(shè)（文中所有的熱力循環(huán)分析均基于空氣標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(tái)機(jī)器的壓縮機(jī)和膨脹機(jī)還都是活塞式的。直到1939年，世界第一臺(tái)發(fā)電用工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)“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(jī)和透平技術(shù)[1]。經(jīng)過近80年的發(fā)展，目前最先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)如GE公司的9HA.02燃機(jī)單機(jī)出力已經(jīng)達(dá)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(jī)的壓比從4.5發(fā)展到25，初溫從400℃發(fā)展到超過1500℃，燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)取得了長足的進(jìn)步。但是，燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展也即將遭遇重大的瓶頸——到達(dá)布雷頓循環(huán)的極限（見圖1）。

那么如何才能突破這個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)循環(huán)具有相同的最高溫度（T3）；而燃?xì)廨啓C(jī)的壓力相對較低，對設(shè)備的限制較小，而壓比對兩個(gè)循環(huán)的效率影響都很大，所以我們選定兩個(gè)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(diǎn)在1-4這根定壓線上且位置低于4點(diǎn)，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(shí)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(dòng)機(jī)主要有各種類型的爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，其中脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)（PDE）技術(shù)最為成熟。脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的研究工作可以追溯到20世紀(jì)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(gè)有關(guān)間隙式或脈沖式爆震波發(fā)動(dòng)機(jī)的研究報(bào)告，隨后又有一些科學(xué)家進(jìn)行了一些研究，到1960年代末由于經(jīng)費(fèi)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(dòng)機(jī)概念，又激起了人們對脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的興趣。由于脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)施脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的研究項(xiàng)目。而且爆震發(fā)動(dòng)機(jī)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?xì)廨啓C(jī)的燃燒室和部分甚至全部壓氣機(jī)更換為爆震燃燒室，這樣我們就可以得到一個(gè)應(yīng)用定容加熱的漢弗萊循環(huán)熱機(jī)，我們稱之為爆震燃?xì)廨啓C(jī)，主要由壓氣機(jī)（可無）、爆震燃燒室、燃?xì)馔钙降冉M成。整個(gè)系統(tǒng)的核心為爆震燃燒室，也就是爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的部分。目前美國走在世界前列，在幾種形式的爆震發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)驗(yàn)室）和DARPA（美國國防部高級研究計(jì)劃局）資助。資助項(xiàng)目由主要航空發(fā)動(dòng)機(jī)廠商（如GE，普惠和羅羅）、各大高校和政府研發(fā)機(jī)構(gòu)執(zhí)行。這其中又分為吸氣式脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)（PDE）和波轉(zhuǎn)子脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)（WRPDE）。

吸氣式脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)系統(tǒng)由一個(gè)環(huán)形布置的有八個(gè)管的多管PDC與一個(gè)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(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)累計(jì)運(yùn)行總共96分鐘，為了使裝置達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)、透平達(dá)到恒定速度，每次運(yùn)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(dá)30 Hz（每管）的頻率運(yùn)行，在透平上累積了大約近100萬個(gè)爆震脈沖循環(huán)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。[6-7]

國內(nèi)，西北工業(yè)大學(xué)試驗(yàn)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(dá)210Hz[9]。

波轉(zhuǎn)子方面，ABB、Rolls-Royce、GE等公司都曾進(jìn)行波轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的嘗試。

ABB公司的前身BBC公司在1940年代設(shè)計(jì)了一個(gè)1640kW的波轉(zhuǎn)子用于鐵路機(jī)車燃?xì)廨啓C(jī)，這個(gè)波轉(zhuǎn)子有30個(gè)通道，額定轉(zhuǎn)速6000轉(zhuǎn)/分。這個(gè)世界首臺(tái)波轉(zhuǎn)子在實(shí)驗(yàn)中運(yùn)行穩(wěn)定，雖然由于設(shè)計(jì)不匹配和粗糙的裝配，最終裝配在燃機(jī)上后效果并不理想。1980年代，由這個(gè)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(dòng)機(jī)上，并銷售了150000臺(tái)。

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(jī)的重量，減少管道，縮小燃機(jī)的尺寸。1956～1959期間，GE利用NASA的分析方法改進(jìn)了該波轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)并制造了一臺(tái)驗(yàn)證機(jī)。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(jì)算不夠精確，最終該發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)公司是NASA的合作伙伴，艾利遜發(fā)動(dòng)機(jī)公司在1996年利用艾利遜250型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)作為波轉(zhuǎn)子技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)，預(yù)估波轉(zhuǎn)子技術(shù)的應(yīng)用會(huì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)單獨(dú)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(shí)驗(yàn)室（ARL）和艾利遜公司合作，研究和驗(yàn)證波轉(zhuǎn)子技術(shù)對于未來飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的好處。研究證明，對于0.8馬赫的飛機(jī)，在相同的總壓比和透平進(jìn)口溫度條件下，利用波轉(zhuǎn)子技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)可以使效率提高1%～2%，比功增加10%～16%。1995年，韋爾奇團(tuán)隊(duì)測算出對于小型（300kW～500kW）、中型（2000kW～3000kW）的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，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(shí)還獲得不少別的研究成果，根據(jù)這些成果，設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)新的四通道波轉(zhuǎn)子，并在實(shí)驗(yàn)室模化條件下進(jìn)行了試驗(yàn)，做了一些改進(jìn)。[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(dòng)機(jī)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(diǎn)，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(dòng)機(jī)的研究進(jìn)入了全面發(fā)展時(shí)期， 已完成了概念驗(yàn)證， 開始進(jìn)行原型機(jī)的發(fā)展和試驗(yàn)。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(shí)質(zhì)性進(jìn)展，還需要一個(gè)較長的研究周期才能實(shí)際應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

[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.

[4]沈維道、蔣智敏、童鈞耕，《工程熱力學(xué)》第三版，高等教育出版社，1982.

[5]嚴(yán)傳??；范瑋；鄭龍席，《脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)原理及關(guān)鍵技術(shù)》，西北工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

[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.

[7]Anthony J.Dean，A Review of PDE Development for Propulsion Applications.

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

[9]張群，范瑋.多管吸氣式兩相脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，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.