氫燃料是航空業(yè)降低碳排放菠山、實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵伊屈。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)的理想動力方式执寺。

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肖婴、深冷和易制備等特點洞惕，氫燃料發(fā)動機在軍民用航空裝備領(lǐng)域都具有廣泛的應用前景刑嚷。與氫燃料電池相比，氫燃料發(fā)動機功率密度更高竟坛，可實現(xiàn)遠程跨洲際飛行闽巩；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)勢担汤，氫燃料燃氣渦輪發(fā)動機還具有起動性能好涎跨、燃料消耗低、單位推力/功率大等優(yōu)勢崭歧。因此隅很，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率碾。當然叔营，氫燃料發(fā)動機的發(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)所宰、氫燃燒绒尊、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)仔粥。隨著新能源技術(shù)的快速發(fā)展婴谱，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(jié)構(gòu)與現(xiàn)役航空發(fā)動機基本相同及苍，氫燃料在燃燒室內(nèi)燃燒决太，然后推動渦輪膨脹做功，并帶動螺旋槳或者風扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力拉鳄，如圖1所示排貌。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凳福，液氫經(jīng)過換熱器轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃庠龠M入燃燒室投谅。

圖1   氫燃料發(fā)動機原理

液氫燃料具有熱值高、熱沉大等特點则钩，既可以作為發(fā)動機燃料蘑劲，也可以作為發(fā)動機換熱工質(zhì)。按照利用方式的不同檀巡，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)似魄。

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(gòu)型基本相似宜恩，僅燃燒室作姐、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)是指液氫同時作為燃料和換熱工質(zhì)的發(fā)動機熱力循環(huán)泛范，主要包括預冷循環(huán)让虐、氫冷渦輪循環(huán)和回熱循環(huán)紊撕。其中，預冷循環(huán)是指利用低溫液氫冷卻發(fā)動機進口氣流赡突，從而減少壓氣機的壓縮功对扶，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惭缰，從而提高渦輪進口溫度浪南，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漱受，提高氫燃料的焓值络凿，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拜效，沒有碳氧化物生成喷众。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%左右紧憾，使得氫燃料發(fā)動機渦輪前后溫差及壓降更小到千。因此，在同等發(fā)動機熱力循環(huán)參數(shù)條件下块生，氫燃料發(fā)動機渦輪出口的燃氣速度稻诚、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廓蒜。然而辖狞，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(zhì)量要小于航空煤油燃燒產(chǎn)生的燃氣質(zhì)量奴妈，使得氫燃料發(fā)動機具有比傳統(tǒng)發(fā)動機更高的轉(zhuǎn)速才能補償燃氣流量減少所產(chǎn)生的功率損失孩置。因此，同等熱力循環(huán)參數(shù)下窃愿，氫燃料發(fā)動機的轉(zhuǎn)速要比傳統(tǒng)發(fā)動機更高罚栏，轉(zhuǎn)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)不同恨递，要實現(xiàn)氫燃料發(fā)動機非常規(guī)熱力循環(huán)增捻，不僅要對燃燒室、控制系統(tǒng)進行調(diào)整溺瘩，還要改進風扇增壓級锥惋、壓氣機、渦輪开伏、噴管膀跌、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(gòu)與傳統(tǒng)發(fā)動機區(qū)別較大，實現(xiàn)難度也更大淹父。歐盟早在2002年開展的低溫民用飛機項目CRYOPLANE 中株婴，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)動機的性能怎虫，如圖2所示暑认。可以看到大审，氫冷渦輪發(fā)動機的性能優(yōu)蘸际，較傳統(tǒng)發(fā)動機的推力可提升32%，推力質(zhì)量比可提升9.2%徒扶。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(zhì)量比粮彤，但是氫冷換熱循環(huán)對發(fā)動機的安全性的影響較大，比如姜骡，預冷循環(huán)就可能出現(xiàn)發(fā)動機進氣裝置結(jié)冰蓝漏、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

綜上所述勃经，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)效率吭匀，但是受發(fā)動機轉(zhuǎn)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浩铺，還需要對發(fā)動機轉(zhuǎn)子和輪盤結(jié)構(gòu)進行改進螺城；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)動機性能红骏，但由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速限制和氫冷換熱器一體化設(shè)計的安全性風險躬伐，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）星茶、零碳排放的優(yōu)點吵墅，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(shù)挑戰(zhàn)飒胜。對于吸氣式航空發(fā)動機來說公遭，其燃燒室內(nèi)的氮氧化物生成量受溫度的影響※大。當燃燒室主燃區(qū)的溫度超過1800K時段物，熱力型氮氧化物占據(jù)主導地位酵熙，隨溫度呈指數(shù)關(guān)系增長，如圖3所示驰坊。由于氫燃料的火焰溫度要比航空煤油的火焰溫度高約150K匾二，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。此外拳芙，氫的火焰?zhèn)鞑ニ俣仁呛娇彰河偷?倍左右察藐，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分飞、回火風險悴务、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(nèi)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(shù)來降低氮氧化物排放譬猫，然而氫燃料特有的易自燃讯檐、易回火等特點嚴重阻礙了貧油預混燃燒技術(shù)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)應用染服，一些在役的氫燃料地面燃機也主要是以摻氫燃燒為主别洪，還沒有實現(xiàn)純氫燃燒。以西門子公司為例菱拙，其在役的SGT-600燃機上已經(jīng)實現(xiàn)了80%摻氫比例燃燒敏栽，預計到2030年可以實現(xiàn)全部燃機100%純氫燃燒。為了實現(xiàn)100%的氫燃燒同時降低氮氧化物生成团尿，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瓦轧，并將以此技術(shù)開發(fā)的氫燃燒系統(tǒng)用于9HA燃氣輪機。此外袭澎，霍尼韋爾公司够堆、三菱重工等也在大力開發(fā)氫燃料低污染燃燒技術(shù)，主要是采用多點貧油直噴實現(xiàn)氫燃料與空氣的快速混合鸿铐，并通過非預混的方式降低氫燃料火焰回火的風險舰搜。

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)的火焰溫度胞仅。一般來說蚪桐，增加冷媒、均布燃料唁映、快速摻混紫侵、貧油燃燒是目前降低火焰溫度的主要技術(shù)途徑。貧油多點直噴燃燒技術(shù)就是兼具火焰溫度低蜂大、回火風險低和摻混效率高等優(yōu)點的新型燃燒技術(shù)闽铐，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(shù)通過將燃燒室內(nèi)的大部分空氣用于直接燃燒而不是冷卻摻混奶浦，達到燃燒室主燃區(qū)貧油燃燒并且降低火焰溫度的作用兄墅。同時，通過在燃燒室頭部布置矩陣式多點噴射單元澳叉，可以實現(xiàn)氫燃料與空氣的高效混合隙咸，減少主燃區(qū)的局部熱點，從而抑制氮氧化物的生成成洗。此外五督，采用燃料直噴藏否、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。然而充包，由于貧油多點噴射的噴口數(shù)量眾多副签、噴口尺寸小，內(nèi)部流道極為復雜基矮，未來貧油多點直噴技術(shù)的發(fā)展不僅受制于設(shè)計水平淆储，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※小棕凉、密度※低的氣體灯彩，其可壓縮性極強，在發(fā)動機燃料管路中對閥門的調(diào)節(jié)具有明顯的阻尼桃镐、遲滯效應，因此對氫氣的動態(tài)高精度計量和調(diào)節(jié)難度極大锨蹄¤就遥考慮到氫燃料在發(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努墩、壓力吠冒、溫度等參數(shù)往往處于一種動態(tài)變化、振蕩的狀態(tài)引晌，更進一步增加了氫燃料的控制和計量難度焙恬。正因如此，氫燃料發(fā)動機控制系統(tǒng)的設(shè)計難以直接參照傳統(tǒng)的航空發(fā)動機或燃氣輪機赌骏。

氫燃料控制系統(tǒng)按照氫的相變階段可以分為兩個部分琢窗，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(nèi)的液氫壓力晒杈、溫度和流量嫂伞。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)壓閥拯钻。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帖努，由液氫泵將液氫燃料增壓并送進換熱器，液氫在換熱器內(nèi)汽化導致溫度和壓力迅速增大粪般，因此在換熱器出口要設(shè)置一個穩(wěn)壓閥拼余。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(diào)整亩歹，要么采用氫氣供應方式匙监，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捆憎，主要包括減壓閥舅柜、安全閥、調(diào)節(jié)閥、過濾器致份、溫度和壓力傳感器等晶襟。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準地控制調(diào)節(jié)閥的開度，以補償氫氣的壓縮性對流量計量的影響挣仅。

氫燃料控制系統(tǒng)除了需要控制氫的溫度笼肴、壓力和流量，還需要控制燃燒室的火焰狀態(tài)胀司。如果燃燒室在發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中發(fā)生熄火峦爪，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)自燃坚达、回火甚至爆燃辅蜡。因此，相比常規(guī)發(fā)動機的控制系統(tǒng)鹦卫，氫燃料控制系統(tǒng)主要新增了以下功能：液氫泵的轉(zhuǎn)速控制迅撑；換熱器的溫度、壓力沥萄、流量控制驼功；氫氣閥門開度和切換狀態(tài)控制。

綜合來看冒窍，氫燃料控制直接關(guān)系到發(fā)動機的穩(wěn)定運行递沪、狀態(tài)切換和安全性，是研制氫燃料發(fā)動機的關(guān)鍵核心技術(shù)综液。然而款慨，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(nèi)難以通過控制算法優(yōu)化完全消除氫燃料控制精度不高意乓、計量不準確等問題樱调。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)届良，氫燃料發(fā)動機只在額定功率下運行并發(fā)電笆凌，由電驅(qū)系統(tǒng)進行功率調(diào)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士葫。因此乞而，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慢显。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)象爪模，諸如氫致裂紋、氫鼓包荚藻、白點叮褐、高溫氫腐蝕称桶、氫致滯后開裂、氫致塑性下降炕常、氫致馬氏體相變脆化和形成氫化物等枚甫。對于體心立方結(jié)構(gòu)的馬氏體和鐵素體鋼，高溫氫腐蝕贿魄、表面脫碳胎拥、氫致滯后斷裂、白點秕颖、氫壓裂紋是較為常見的氫損傷破壞形式角术；對于面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體鋼，氫致塑性損減疚函、滯后開裂持结、氫致馬氏體相變脆化、高溫氫腐蝕棵章，以及氫鼓包是更為可能的氫損傷破壞形式挨让。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)動機缓溅，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赁温。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坛怪、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股囊。對于燃燒室袜匿、渦輪等涉及高溫高壓氫服役工況的部件材料（GH3536、GH3044稚疹、GH4720Li和9Cr18Mo等）居灯，由于服役溫度高（RT≈850℃），氫會快速滲透進入合金中内狗，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怪嫌，影響部件材料的服役安全。

針對氫燃料航空發(fā)動機柳沙，其涉高壓氫部件的氫損傷問題不容忽視岩灭，這是整個產(chǎn)品安全性設(shè)計的基礎(chǔ)。目前急需開展如下幾項工作：針對涉高壓氫的管路赂鲤，推薦組織穩(wěn)定性好的奧氏體合金撰蕴，同時考慮部件材料的化學成分、冶金質(zhì)量等與其耐氫損傷能力的關(guān)系涛闺；對于燃燒室鳖灰、渦輪等涉高溫高壓氫的部件须涕，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潦春、析出相肚让、晶界結(jié)構(gòu)和類型等與氫損傷的關(guān)系；尤為迫切的是钟肴，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)庫累踱，為氫燃料航空發(fā)動機的安全性設(shè)計提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

結(jié)束語

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

（李維 曹俊 等 航空動力 期刊）

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