■ 李維 曹俊 肖為/中國航發(fā)動研所

氫燃料是航空業(yè)降低碳排放、實現(xiàn)碳中和的關鍵。氫燃料燃氣渦輪發(fā)動機憑借其高功率密度和零碳排放的優(yōu)點，是未來低碳時代下航空業(yè)的理想動力方式。

氫燃料發(fā)動機是以氫作為能源并輸出軸功率或者推力的燃氣渦輪發(fā)動機。憑借液氫燃料的零碳排放、深冷和易制備等特點，氫燃料發(fā)動機在軍民用航空裝備領域都具有廣泛的應用前景。與氫燃料電池相比，氫燃料發(fā)動機功率密度更高，可實現(xiàn)遠程跨洲際飛行；與傳統(tǒng)航空發(fā)動機相比，除了碳排放方面具有明顯優(yōu)勢，氫燃料燃氣渦輪發(fā)動機還具有起動性能好、燃料消耗低、單位推力/功率大等優(yōu)勢。因此，對傳統(tǒng)航空發(fā)動機開展氫燃料適應性改造，是進一步提升性能的有效方式。當然，氫燃料發(fā)動機的發(fā)展仍面臨著許多技術上的挑戰(zhàn)，需要在氫工質循環(huán)、氫燃燒、氫控制、氫損傷和適航等諸多領域開展關鍵技術攻關。隨著新能源技術的快速發(fā)展，氫燃料發(fā)動機與氫燃料電池組合的混合動力將是未來氫能航空的主要發(fā)展方向。

氫燃料發(fā)動機熱力循環(huán)

氫燃料發(fā)動機的結構與現(xiàn)役航空發(fā)動機基本相同，氫燃料在燃燒室內燃燒，然后推動渦輪膨脹做功，并帶動螺旋槳或者風扇旋轉產(chǎn)生推力，如圖1所示。氫燃料發(fā)動機與傳統(tǒng)航空發(fā)動機不同之處在于，氫燃料以低溫液體狀態(tài)存儲于飛機的液氫罐中，液氫經(jīng)過換熱器轉變?yōu)闅錃庠龠M入燃燒室。

圖1 氫燃料發(fā)動機原理

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

非常規(guī)熱力循環(huán)是指液氫同時作為燃料和換熱工質的發(fā)動機熱力循環(huán)，主要包括預冷循環(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)動機進口氣流，從而減少壓氣機的壓縮功，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行換熱，從而提高渦輪進口溫度，提升循環(huán)效率；回熱循環(huán)是指利用氫燃料與發(fā)動機高溫排氣進行換熱，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)動機的燃氣綜合比熱容要比常規(guī)發(fā)動機燃氣的綜合比熱容高出4%左右，使得氫燃料發(fā)動機渦輪前后溫差及壓降更小。因此，在同等發(fā)動機熱力循環(huán)參數(shù)條件下，氫燃料發(fā)動機渦輪出口的燃氣速度、溫度和壓力都要高于傳統(tǒng)發(fā)動機，這使得氫燃料發(fā)動機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)生的燃氣質量要小于航空煤油燃燒產(chǎn)生的燃氣質量，使得氫燃料發(fā)動機具有比傳統(tǒng)發(fā)動機更高的轉速才能補償燃氣流量減少所產(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)動機的轉速要比傳統(tǒng)發(fā)動機更高，轉速限制是氫燃料發(fā)動機進一步提升性能的主要瓶頸。

與常規(guī)熱力循環(huán)不同，要實現(xiàn)氫燃料發(fā)動機非常規(guī)熱力循環(huán)，不僅要對燃燒室、控制系統(tǒng)進行調整，還要改進風扇增壓級、壓氣機、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)動機整體架構與傳統(tǒng)發(fā)動機區(qū)別較大，實現(xiàn)難度也更大。歐盟早在2002年開展的低溫民用飛機項目CRYOPLANE[1-2]中，就詳細對比分析了不同氫燃料熱力循環(huán)模式下渦扇發(fā)動機的性能，如圖2所示?？梢钥吹剑瑲淅錅u輪發(fā)動機的性能最優(yōu)，較傳統(tǒng)發(fā)動機的推力可提升32%，推力質量比可提升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)動機推力和推力質量比，但是氫冷換熱循環(huán)對發(fā)動機的安全性的影響較大，比如，預冷循環(huán)就可能出現(xiàn)發(fā)動機進氣裝置結冰、壓氣機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)動機性能對比

綜上所述，常規(guī)熱力循環(huán)的氫燃料發(fā)動機具有比傳統(tǒng)發(fā)動機更好的熱力循環(huán)效率，但是受發(fā)動機轉速限制，常規(guī)熱力循環(huán)的氫燃料發(fā)動機要獲得比航空煤油發(fā)動機更大的推力或者功率，還需要對發(fā)動機轉子和輪盤結構進行改進；憑借液氫的深冷特性，氫燃料發(fā)動機通過氫冷換熱循環(huán)可以顯著提升發(fā)動機性能，但由于發(fā)動機轉速限制和氫冷換熱器一體化設計的安全性風險，氫冷換熱循環(huán)的工程可行性還需要進一步探索。

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，但氫燃料發(fā)動機在降低污染物排放、穩(wěn)定燃燒等方面仍然面臨嚴峻的技術挑戰(zhàn)。對于吸氣式航空發(fā)動機來說，其燃燒室內的氮氧化物生成量受溫度的影響最大。當燃燒室主燃區(qū)的溫度超過1800K時，熱力型氮氧化物占據(jù)主導地位，隨溫度呈指數(shù)關系增長，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)設計高出約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險、回火風險、燃燒不穩(wěn)定風險和相對較高的氮氧化物生成。

圖3 燃燒室內溫度對一氧化碳及氮氧化物生成量的影響

現(xiàn)代民用航空發(fā)動機燃燒室主要通過貧油預混燃燒技術來降低氮氧化物排放，然而氫燃料特有的易自燃、易回火等特點嚴重阻礙了貧油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機也主要是以摻氫燃燒為主，還沒有實現(xiàn)純氫燃燒。以西門子公司為例，其在役的SGT-600燃機上已經(jīng)實現(xiàn)了80%摻氫比例燃燒，預計到2030年可以實現(xiàn)全部燃機100%純氫燃燒[3]。為了實現(xiàn)100%的氫燃燒同時降低氮氧化物生成，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，并將以此技術開發(fā)的氫燃燒系統(tǒng)用于9HA燃氣輪機[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，主要是采用多點貧油直噴實現(xiàn)氫燃料與空氣的快速混合，并通過非預混的方式降低氫燃料火焰回火的風險。

為降低氫燃料燃燒室熱力型氮氧化物排放，必須降低燃燒室內主燃區(qū)的火焰溫度。一般來說，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途徑。貧油多點直噴燃燒技術就是兼具火焰溫度低、回火風險低和摻混效率高等優(yōu)點的新型燃燒技術，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。該技術通過將燃燒室內的大部分空氣用于直接燃燒而不是冷卻摻混，達到燃燒室主燃區(qū)貧油燃燒并且降低火焰溫度的作用。同時，通過在燃燒室頭部布置矩陣式多點噴射單元，可以實現(xiàn)氫燃料與空氣的高效混合，減少主燃區(qū)的局部熱點，從而抑制氮氧化物的生成。此外，采用燃料直噴、擴散燃燒的方式還可以極大地降低氫燃料火焰回火的風險。然而，由于貧油多點噴射的噴口數(shù)量眾多、噴口尺寸小，內部流道極為復雜，未來貧油多點直噴技術的發(fā)展不僅受制于設計水平，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，在發(fā)動機燃料管路中對閥門的調節(jié)具有明顯的阻尼、遲滯效應，因此對氫氣的動態(tài)高精度計量和調節(jié)難度極大?？紤]到氫燃料在發(fā)動機管路中是從液態(tài)變換至氣態(tài)，氫在管路沿程的相變、壓力、溫度等參數(shù)往往處于一種動態(tài)變化、振蕩的狀態(tài)，更進一步增加了氫燃料的控制和計量難度。正因如此，氫燃料發(fā)動機控制系統(tǒng)的設計難以直接參照傳統(tǒng)的航空發(fā)動機或燃氣輪機。

氫燃料控制系統(tǒng)按照氫的相變階段可以分為兩個部分，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責控制從機載液氫罐出口到換熱器出口這一段距離內的液氫壓力、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、換熱器和穩(wěn)壓閥。機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)動機的液氫控制單元，由液氫泵將液氫燃料增壓并送進換熱器，液氫在換熱器內汽化導致溫度和壓力迅速增大，因此在換熱器出口要設置一個穩(wěn)壓閥。由于發(fā)動機在起動階段沒有高溫尾氣用于與液氫換熱，因此需要對發(fā)動機起動階段的供氫方式進行調整，要么采用氫氣供應方式，要么采用一個電加熱器用于液氫的預熱。發(fā)動機控制系統(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、調節(jié)閥、過濾器、溫度和壓力傳感器等。氫氣控制部分需要對氫氣管路沿程的壓力和溫度進行計量并精確地控制調節(jié)閥的開度，以補償氫氣的壓縮性對流量計量的影響。

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)動機運轉過程中發(fā)生熄火，氫燃料控制系統(tǒng)要馬上切斷液氫的供應，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)動機的控制系統(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。

綜合來看，氫燃料控制直接關系到發(fā)動機的穩(wěn)定運行、狀態(tài)切換和安全性，是研制氫燃料發(fā)動機的關鍵核心技術。然而，受制于氫氣本身特有的強可壓縮性和液氫相變的復雜性，短期內難以通過控制算法優(yōu)化完全消除氫燃料控制精度不高、計量不準確等問題。氫燃料發(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。將氫燃料燃氣渦輪發(fā)動機與燃料電池組合形成混合電推進系統(tǒng)，氫燃料發(fā)動機只在額定功率下運行并發(fā)電，由電驅系統(tǒng)進行功率調節(jié)，可以有效避開氫燃料發(fā)動機狀態(tài)切換不可控這一瓶頸問題。因此，氫燃料混合電推進方式將會是未來氫燃料發(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)動機長期使用的一個重要因素。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、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。對于體心立方結構的馬氏體和鐵素體鋼，高溫氫腐蝕、表面脫碳、氫致滯后斷裂、白點、氫壓裂紋是較為常見的氫損傷破壞形式；對于面心立方結構的奧氏體鋼，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

對于氫燃料發(fā)動機，由于部件服役工況不同，可能存在的氫損傷風險也有所不同。對于長時間處于室溫溫度區(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）來說，其氫損傷風險主要來源于氫鼓包/氫致裂紋和氫致塑性損失。對于燃燒室、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℃），氫會快速滲透進入合金中，導致長期服役時發(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。

針對氫燃料航空發(fā)動機，其涉高壓氫部件的氫損傷問題不容忽視，這是整個產(chǎn)品安全性設計的基礎。目前急需開展如下幾項工作：針對涉高壓氫的管路，首選組織穩(wěn)定性好的奧氏體合金，同時考慮部件材料的化學成分、冶金質量等與其耐氫損傷能力的關系；對于燃燒室、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、晶界結構和類型等與氫損傷的關系；尤為迫切的是，需要建立相關材料在涉氫服役工況下的組織與性能數(shù)據(jù)庫，為氫燃料航空發(fā)動機的安全性設計提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

結束語

氫燃料發(fā)動機是一條全新的“賽道”，不僅距離長，而且涉及領域多，涵蓋能源、基礎設施、交通等多個行業(yè)。開展氫燃料航空發(fā)動機研制工作，將極大帶動我國在能源、交通和國防領域的原始科技創(chuàng)新，將逐步顛覆現(xiàn)有航空發(fā)動機發(fā)展格局，促進我國 “雙碳”戰(zhàn)略的實施。因此，發(fā)展氫燃料發(fā)動機，既是行業(yè)發(fā)展需要，更是國家戰(zhàn)略需要。隨著氫能產(chǎn)業(yè)政策紅利、市場紅利和技術紅利的不斷釋放，低碳氫能航空時代正在向我們走來。