氢能源发动机技术及发展趋势

日期：2024-07-24 19:28

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摘要：氢气是航空工业减少碳排放、实现碳中和的关键。氢气涡轮发动机具有高功率密度和零碳排放的优势，是未来低碳时代航空工业的理想动力模式。氢发动机是以氢气为能源，输出轴功率或推力的燃气涡轮发动机。氢燃料发动机具有零碳排放、低温、液态氢燃料易于制备等特点，在**和民用航空装备领域具有广阔的应用前景。与氢燃料电池相比，氢燃料发动机具有更高的功率密度，可以实现长距离洲际飞行。与传统航空发动机相比，氢燃料燃气涡轮发动机在碳排放、起动性能好、油耗低、比推力/功率高等方面具有明显优势。因此，采用氢燃料是进一步提...

氢气是航空工业减少碳排放、实现碳中和的关键。氢气涡轮发动机具有高功率密度和零碳排放的优势，是未来低碳时代航空工业的理想动力模式。

氢发动机是以氢气为能源，输出轴功率或推力的燃气涡轮发动机。氢燃料发动机具有零碳排放、低温、液态氢燃料易于制备等特点，在**和民用航空装备领域具有广阔的应用前景。与氢燃料电池相比，氢燃料发动机具有更高的功率密度，可以实现长距离洲际飞行。与传统航空发动机相比，氢燃料燃气涡轮发动机在碳排放、起动性能好、油耗低、比推力/功率高等方面具有明显优势。因此，采用氢燃料是进一步提高传统航空发动机性能的有效途径。当然，氢燃料发动机的发展仍面临诸多技术挑战，需要在氢工质循环、氢燃烧、氢控制、氢损伤、适航性等诸多领域进行关键技术攻关。随着新能源技术的快速发展，氢燃料发动机和氢燃料电池的混合动力将是未来氢航空的主要发展方向。

氢发动机的热力循环

氢发动机的结构与现役航空发动机基本相同。氢燃料在燃烧室燃烧，然后推动涡轮膨胀做功，带动螺旋桨或风扇旋转产生推力，如图1所示。氢发动机与传统航空发动机的区别在于，氢燃料以低温液态储存在飞机的液氢箱中，液氢通过热交换器转化为氢气后进入燃烧室。

图1氢燃料发动机原理

液体燃料具有热值高、散热量大的特点。它可用作发动机燃料和传热介质。根据利用方式的不同，氢燃料发动机的热力循环可以分为常规热力循环和非常规热力循环。

常规热力循环是指只用液氢作为发动机燃料的发动机热力循环。常规热力循环氢燃料发动机的配置与传统发动机基本相似，只有燃烧室、控制系统和热交换器不同。

非常规热力循环是指以液氢同时作为燃料和传热介质的发动机热力循环，包括预冷循环、氢冷涡轮循环和回热循环。其中，预冷循环是指利用低温液氢冷却发动机的进气气流，从而减少压缩机的压缩功，提高循环效率；冷涡轮循环是指利用低温液氢与涡轮冷却空气进行热交换，从而提高涡轮进口温度，提高循环效率。回热循环是指利用氢燃料与发动机高温废气进行热交换，从而提高氢燃料的焓值，降低油耗。氢气的燃烧产物只有水和少量的氮氧化物，没有碳氧化物产生。由于水的比热容高于碳氧化物，氢燃料发动机燃气的综合比热容比常规发动机燃气高4%左右，使得氢燃料发动机涡轮前后的温差和压降更小。因此，在相同的发动机热力循环参数条件下，氢燃料发动机涡轮出口的气体速度、温度和压力都高于传统发动机，使得氢燃料发动机具有更大的推力或功率。但是，在相同的热力循环参数下，氢气燃烧产生的燃气质量小于航空煤油燃烧产生的燃气质量，这样，由于燃气流量减少而造成的功率损失可以通过氢燃料发动机比传统发动机更高的转速来补偿。因此，在相同的热力循环参数下，氢燃料发动机的转速高于传统发动机，而转速极限是氢燃料发动机性能进一步提高的主要瓶颈。

与常规热力循环不同，要实现氢燃料发动机的非常规热力循环，不仅需要对燃烧室和控制系统进行调整，还需要对风扇增压级、压气机、涡轮、喷嘴、空气系统等部件进行改进。因此，非常规热力循环氢燃料发动机的整体结构与传统发动机有很大不同，实现难度更大。早在2002年，欧盟推出的低温民用飞机项目CRYOPLANE就详细对比分析了涡扇发动机在不同氢燃料热力循环模式下的性能，如图2所示。可以看出，氢冷涡轮发动机性能优异，与传统发动机相比，推力可提高32%，推重比可提高9.2%。虽然基于氢冷却换热的非常规热力循环可以显著提高发动机的推力和推重比，但氢冷却换热循环对发动机的**性影响很大。例如，在预冷循环中可能出现极端情况，如发动机进气装置冻结和压缩机吞掉氢燃料。

不同氢燃料热力循环模式下涡扇发动机性能比较。

综上所述，常规热力循环氢燃料发动机比传统发动机具有更好的热力循环效率，但由于发动机转速的限制，常规热力循环氢燃料发动机需要改进发动机转子和轮盘的结构，才能获得比航空煤油发动机更大的推力或功率。利用液氢的低温特性，氢冷换热循环可以显著提高氢燃料发动机的性能。但由于发动机转速限制和氢冷换热器一体化设计的**风险，氢冷换热循环的工程可行性有待进一步探索。

氢燃料燃烧

虽然液氢燃料具有高热值(是传统航空煤油的2.8倍)和零碳排放的优势，但氢燃料发动机在降低污染物排放和稳定燃烧方面仍面临严峻的技术挑战。对于吸气式航空发动机，其燃烧室产生的氮氧化物量受温度影响很大。当燃烧室主燃烧区温度超过1800K时，热氮氧化物占主导地位，并随温度呈指数增长，如图3所示。因为氢燃料的火焰温度比航空煤油高150K左右，所以氢燃料燃烧产生的氮氧化物比航空煤油燃烧产生的氮氧化物高几倍。此外，氢气的火焰传播速度约为航空煤油的6倍，可燃极限范围很宽(4% ~ 75% vol)。氢气喷嘴的喷射速度比传统设计提高约6倍，以防止回火。这些特征使得氢气燃烧面临自燃、回火、燃烧不稳定和相对高的氮氧化物生成的高风险。微信

图3燃烧室温度对一氧化碳和氮氧化物的影响

现代民用航空发动机燃烧室主要采用贫油预混燃烧技术来降低NOx排放。然而，氢燃料特有的易自燃、易回火等特性严重阻碍了稀薄预混燃烧技术在氢燃料发动机中的应用。目前还没有成熟的氢燃料发动机投入商业应用，一些在役的氢燃料地面燃气轮机主要掺氢，还没有实现纯氢燃烧。以西门子为例，其在役SGT-600燃气轮机已实现80%掺氢比例燃烧，预计到2030年所有燃气轮机将实现100%纯氢燃烧。为了实现100%的氢气燃烧，减少氮氧化物的生成，GE公司开发了基于小尺度横向射流混合概念的氢燃料低污染燃烧器，并将该技术开发的氢气燃烧系统应用于9HA燃气轮机。此外，霍尼韦尔、三菱重工等。也在大力发展氢燃料低污染燃烧技术，主要采用多点稀薄直喷实现氢燃料与空气的快速混合，通过不预混降低氢燃料火焰回火的风险。

为了减少氢燃料燃烧室内热氮氧化物的排放，必须降低燃烧室内主燃烧区的火焰温度。总的来说，增加制冷剂、均匀分配燃料、快速混合和燃烧贫油是目前降低火焰温度的主要技术途径。贫油多点直喷燃烧技术是一种**燃烧技术，具有火焰温度低、回火风险小、混合效率高的优点。它是未来氢燃料航空发动机燃烧室的主要发展趋势之一。该技术利用燃烧室中的大部分空气进行直接燃烧，而不是冷却和混合，可以达到燃烧室主燃烧区稀薄燃烧的效果，降低火焰温度。同时，通过在燃烧室头部布置矩阵多点喷射单元，可以实现氢燃料和空气的高效混合，减少主燃烧区的局部热点，从而抑制氮氧化物的生成。此外，直接燃料喷射和扩散燃烧也可以大大降低氢燃料火焰回火的风险。但是，由于喷嘴数量多、喷嘴尺寸小、内部流道极其复杂，未来贫油多点直喷技术的发展不仅受到设计水平的限制，还受到制造工艺水平的限制。

氢燃料控制

氢气作为一种分子量小、密度低的天然气，具有极强的可压缩性，在发动机燃油管路中对阀门调节具有明显的阻尼和迟滞效应，动态准确地测量和调节氢气极其困难。考虑到氢燃料在发动机管路中由液态变为气态，氢气沿管路的相变、压力、温度等参数往往处于动态变化和振荡状态，进一步增加了氢燃料的控制和测量难度。正因如此，氢燃料发动机控制系统的设计很难直接参照传统的航空发动机或燃气轮机。根据氢气的相变，燃料控制系统可分为液氢控制部分和氢气控制部分。液控部分主要负责控制从机载液氢罐出口到热交换器出口的液氢的压力、温度和流量。发动机控制系统的液氢控制主要包括液氢泵、热交换器和稳压阀。机载液氢箱中的液氢可通过高压氦气或氢气挤压输送到发动机的液氢控制单元，液氢燃料由液氢泵加压后送入热交换器。液氢在换热器中汽化，温度和压力迅速升高，因此应在换热器出口设置稳压阀。由于发动机启动阶段没有高温尾气与液氢进行热交换，因此需要在发动机启动阶段调整供氢方式，要么是供氢方式，要么是电加热器预热液氢。发动机控制系统的氢气控制部分位于热交换器和燃烧室之间，主要包括减压阀、**阀、调节阀、过滤器、温度和压力传感器等。氢气控制部分需要测量氢气管道沿线的压力和温度，精确控制调节阀的开度，以补偿氢气的可压缩性对流量测量的影响。

氢气控制系统不仅需要控制氢气的温度、压力和流量，还需要控制燃烧室的火焰状态。如果在发动机运转过程中发生燃烧室熄火，氢燃料控制系统应立即切断液氢的供应，防止氢气扩散到高温部位引起自燃、回火甚至爆燃。因此，与常规发动机控制系统相比，氢燃料控制系统主要增加了以下功能：液氢泵的速度控制；热交换器的温度、压力和流量控制；氢气阀开启和开关状态的控制。

总的来说，氢燃料控制直接关系到发动机的稳定运行、状态切换和**性，是发展氢燃料发动机的关键核心技术。但由于氢气特有的可压缩性和液氢相变的复杂性，很难在短时间内通过控制算法的优化完全消除氢燃料控制精度低、测量不准确的问题。氢发动机的控制问题将直接影响发动机的状态切换和稳定运行。混合电力推进系统通过将氢燃料燃气涡轮发动机与燃料电池相结合而形成。氢燃料发动机只在额定功率下运行发电，功率由电驱动系统调节，可以有效避免氢燃料发动机状态切换不可控的瓶颈问题。因此，氢燃料混合电力推进方式将是未来氢燃料发动机的主要发展趋势。

氢损伤

材料的氢损伤是制约氢燃料发动机长期使用的重要因素。氢损伤是指氢与材料相互作用引起材料性能损伤的现象，如氢致开裂、氢鼓包、白点、高温氢腐蚀、氢致延迟开裂、氢致塑性降低、氢致马氏体相变脆化、氢化物形成等。对于具有体心立方结构的马氏体和铁素体钢，高温氢腐蚀、表面脱碳、氢致延迟断裂、白点和氢压裂纹是常见的氢损伤失效形式。对于具有面心立方结构的奥氏体钢，氢致塑性损失、延迟开裂、氢致马氏体相变脆化、高温氢腐蚀和氢膨胀是更可能的氢损伤和失效形式。典型的氢损伤如图4所示。

图4几种典型的氢损伤

对于氢燃料发动机，由于部件的使用条件不同，氢损伤的可能风险也不同。用于高压氢相关部件(如奥氏体不锈钢氢管道321、304和316等。)在室温下长期服役，氢损伤的风险主要来自氢胀/氢致开裂和氢致塑性损失。对于燃烧室、涡轮等高温高压氢服役条件相关的部件和材料(GH3536、GH3044、GH4720Li和9Cr18Mo)，由于服役温度较高(RT850)，氢会迅速渗入合金中，导致高温氢腐蚀开裂失效和长期服役时氢致表面脱碳，影响部件和材料的服役**。

对于氢燃料航空发动机，其高压氢部件的氢损伤不容忽视，是整个产品**设计的基础。目前迫切需要开展以下工作：涉及高压氢气的管道推荐采用结构稳定性好的奥氏体合金，同时考虑部件的化学成分和冶金质量与其抗氢损伤能力的关系；对于燃烧室、涡轮等涉及高温高压氢的部件，应着重考虑材料的抗高温氢腐蚀性能，建立材料的碳含量、析出相、晶界结构和类型与氢损伤的关系。特别是迫切需要建立氢相关服役条件下相关材料的显微组织和性能数据库，为氢燃料航空发动机的**设计提供理论和数据支持。

结束语

氢发动机是一条全新的“赛道”，不仅路程长，而且涉及领域多，涵盖能源、基建、交通等行业。氢燃料航空发动机的发展将极大推动我国在能源、交通、国防等领域的原始科技创新，逐步颠覆现有航空发动机发展格局，推动我国“双碳”战略的实施。因此，发展氢燃料发动机不仅是行业发展的需要，也是国家战略的需要。随着氢能产业政策红利、市场红利、技术红利的不断释放，低碳氢能航空时代正向我们走来。

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