英國零碳飛行氫渦輪發(fā)動機熱管理技術

■ 李明 陳健 / 中國航發(fā)研究院

英國零碳飛行（FlyZero）研究項目的重點是氫能在未來航空上的應用，熱管理技術是氫渦輪發(fā)動機能否實現(xiàn)穩(wěn)定高效工作的關鍵。

氫渦輪發(fā)動機的熱管理主要是指在以氫為燃料的燃氣渦輪發(fā)動機中，利用換熱器將液氫燃料從低儲存溫度（-253℃）加熱到適宜溫度，既有利于燃燒又能提高渦輪發(fā)動機的整體性能，見圖1。液氫的加熱一方面通過與高溫滑油換熱來實現(xiàn)，另一方面還須通過其他途徑進行額外加熱。發(fā)動機排氣系統(tǒng)中的回熱器能提供有效的加熱，同時還能帶來額外的發(fā)動機性能提升。渦輪葉片冷卻空氣也適用于加熱，且能提高冷卻空氣的品質并降低需求量。換熱器是其中的核心部件，應具備高效率、輕質量、低阻力、長壽命以及結構緊湊等特點。鑒于氫渦輪發(fā)動機熱管理技術的難度與重要性，英國航空航天研究院（ATI）的零碳飛行（FlyZero）研究項目發(fā)布了換熱器關鍵技術發(fā)展路線圖，描繪了所涉及的關鍵技術和相關使能要素的發(fā)展途徑，同時指出了在不同時間階段要開發(fā)的基礎性和競爭性技術要素。

圖1 氫渦輪發(fā)動機循環(huán)示意

熱管理主要技術指標

熱管理主要技術指標包括氫渦輪發(fā)動機循環(huán)、換熱器、換熱器對總效率的貢獻率、換熱器單位換熱率、換熱器功率損失、換熱器首翻期及換熱器單位成本等7個方面，見表1。

表1 氫渦輪發(fā)動機熱管理技術指標

氫渦輪發(fā)動機循環(huán)。氫渦輪發(fā)動機循環(huán)是在傳統(tǒng)燃氣渦輪發(fā)動機循環(huán)基礎上增加氫燃料的加熱器/換熱器，低溫氫燃料根據(jù)需要利用燃氣渦輪發(fā)動機內不同的高溫熱流體加熱。按時間階段，三代氫渦輪發(fā)動機循環(huán)分別采用不同的換熱器組合形式，復雜度逐次增加，發(fā)動機性能隨之提高。第一代（2025年）采用兩級換熱，滑油/氫換熱器與回熱器。第二代（2035年）采用3級換熱，在第一代基礎上增加“冷氣冷卻換熱器”。第三代（2050年）仍采用3級換熱，但增加了一個增壓循環(huán)來進一步提高性能。

換熱器?；?氫換熱器，高溫介質為渦輪發(fā)動機的滑油。回熱器，即燃氣/氫換熱器，高溫介質為渦輪發(fā)動機排出的高溫燃氣。冷氣冷卻換熱器，即冷卻空氣/氫換熱器，高溫介質是用于保護高溫渦輪葉片的冷卻空氣，一般引自壓氣機，具有較高溫度。氫渦輪增壓循環(huán)，是指經過加熱后的高溫高壓氫燃料在獨立的渦輪內膨脹做功，驅動渦輪旋轉，利用軸帶動高壓燃料泵，驅動并壓縮氫氣，提高氫燃料壓力；這樣能進一步提高整體性能，但換熱器需要承受更高的內部氣壓。

換熱器對總效率的貢獻率。氫燃料作為換熱器冷卻介質，為燃氣渦輪發(fā)動機總效率帶來的凈貢獻率。具有低密度氣體管路的換熱器對氣體側壓降特別敏感，需要將該現(xiàn)象最小化，以免抵消了通過氫換熱而獲得的燃燒收益。

換熱器單位換熱率。換熱器的換熱功率與其質量之比，滑油/氫燃料換熱器和回熱器的單位換熱能力將面臨挑戰(zhàn)，需要進行壁溫管理，以防止滑油凝固以及壁面結霜。

換熱器功率損失。換熱器每發(fā)生單位換熱功率所需冷熱介質的泵送功率。

換熱器首翻期。換熱器第一次返廠大修前的運行時間?；責崞骱屠錃饫鋮s換熱器將同時受到氫和高溫的影響，需要開發(fā)耐高溫/高強度和抗氫脆的材料。

換熱器單位成本。換熱器成本與換熱功率之比?？赏ㄟ^制造技術進步、設計簡化和大批量生產等方法持續(xù)降低成本。

關鍵技術分析

氫渦輪發(fā)動機的熱管理主要涉及在渦輪發(fā)動機的不同部位、使用不同高溫介質的3類換熱器技術，見圖2。

圖2 換熱器關鍵技術發(fā)展路線圖（ 來源：ATI ）

滑油/氫換熱器技術

低溫燃料系統(tǒng)設計的一個基本任務就是要在燃燒前將燃料加熱到可接受的水平?；?氫換熱器能同時滿足發(fā)動機中的滑油冷卻和燃料加熱的需求，該換熱器既要能承受氫氣的低溫（約-253 ～-233 ℃），還要確保足夠高的壁溫，以免滑油過度冷卻。如果存在重大風險，則可以使用溫度稍高的中間流體介質。第二代滑油/氫換熱器需要減輕質量和降低壓力損失。第三代滑油/氫換熱器需要更高的工作壓力設計，以便與氫渦輪增壓循環(huán)兼容。

回熱器技術

渦輪發(fā)動機滑油的熱容量可能不足以將氫加熱到所需的燃燒條件。在收益不被換熱器的壓力損失抵消的前提下，加熱燃料可以進一步降低發(fā)動機的燃料消耗?；責崞骼脺u輪排出的高溫燃氣來加熱氫燃料。為使系統(tǒng)的質量更輕，氫氣可以直接通過回熱器，但需要相應地調整尺寸以便將燃氣側的壁溫保持在零度以上，防止結霜。回熱器的壓降最低，對最大化輸送燃料的溫度至關重要，需要重點設計安裝管路以引導換熱器流體的流入流出。如果壁溫管理或在排氣路徑中直接加熱氫會給可操作性和安全管理帶來挑戰(zhàn)，則可以使用中間流體，但會增大系統(tǒng)的質量。第二代回熱器的研制要減輕質量和降低壓力損失。第三代回熱器的研制需要使之適用于更高的工作壓力，以便與氫渦輪增壓循環(huán)兼容。

冷氣冷卻換熱器技術

以氫燃料作為冷源，通過換熱器技術，降低用于保護渦輪葉片的冷卻空氣的溫度。冷卻空氣通常引自高壓壓氣機，具有高溫高壓的特征，如果能降低其溫度，可減少引氣量，降低燃料消耗。換熱器要盡可能減少壓力損失，以利于冷卻空氣在渦輪葉片表面形成合適的冷卻氣膜。但這個額外的冷氣冷卻換熱器會增加循環(huán)的復雜性，因此被認為是第二代技術。第三代的冷氣冷卻換熱器由于引入了氫渦輪增壓循環(huán)，同樣需要更高的工作壓力。考慮氫氣進入該換熱器時已變熱，因此壁溫管理不再是問題；由于換熱器需要在氫環(huán)境和高溫條件下運行，會對材料強度和使用壽命構成重大挑戰(zhàn)。

使能要素分析

氫渦輪發(fā)動機的換熱器開發(fā)，要涉及材料、制造、數(shù)值仿真和試驗等方面的能力，見圖3。

圖3 換熱器使能要素 （ 來源：ATI ）

材料

氫兼容性。對于實現(xiàn)零碳飛行所需的大多數(shù)換熱器，其運行環(huán)境要求使用那些能最大限度地減少氫脆的材料，如奧氏體不銹鋼和鋁合金。渦輪發(fā)動機回熱器和冷氣冷卻換熱器的運行溫度范圍適宜采用鎳基合金等材料，其抗氫脆能力要小得多。合金材料的試驗與鑒定，以及換熱器接頭的材料及其增材制造用的原材料，需要在-253 ～500℃、0.1 ～10MPa的氫環(huán)境下進行。

微尺度力學性能。微觀尺度下的材料特性與宏觀的不同，特別是當換熱器管/板的壁厚與晶粒尺寸在同一量級時，這些影響將變得尤為重要。為持續(xù)減輕換熱器質量，需要不斷縮小微型管/板的厚度，但當前關于薄壁材料的數(shù)據(jù)不足。

第二代材料。開發(fā)如鎳基合金等更抗氫脆的新型高強度合金，對于開發(fā)高溫氫換熱器至關重要，如冷氣冷卻換熱器和第二代氫渦輪發(fā)動機循環(huán)用的回熱器。

制造

零部件。新型高性能換熱器需要輕質、高強度和復雜的架構，見圖4。為實現(xiàn)可拓展性以支持發(fā)動機的生產率，換熱器每個零部件的簡單性、質量和供應鏈都會受到挑戰(zhàn)。

圖4 下一代超高涵道比渦輪發(fā)動機用輕型超緊湊換熱器（ 來源：Meggitt ）

接頭。針對具有薄壁特征、氫流動環(huán)境的新型高性能換熱器，需要開發(fā)可重復使用的接頭，應仔細選擇接頭材料并盡可能簡化。

裝配與自動化。多個換熱器直接安裝在主空氣流路中，需要盡量降低其空氣阻力。薄壁、輕質的新穎架構能實現(xiàn)所需的流線型流場，需要與之相應的、定制的復雜裝配工具。還需開發(fā)換熱器設計和裝配技術，并盡可能簡化，以確?？赏卣剐砸灾С至闾硷w機的生產要求。

檢測。換熱器的新型架構會給檢測過程帶來挑戰(zhàn)。需要開發(fā)自動化或專門的無損檢測技術，以便在制造和裝配過程中盡早發(fā)現(xiàn)問題。檢查薄壁材料和接頭將是確保使用壽命的關鍵。

數(shù)值仿真

多尺度流場仿真。換熱器的高效安裝可以減少氣動阻力，因而需對發(fā)動機短艙內外、微通道換熱器內部及周圍流場同時進行數(shù)值仿真。實現(xiàn)在不依賴過多計算資源的情況下準確捕捉這些復雜流場的多尺度特征，是對數(shù)值仿真的新挑戰(zhàn)。換熱器流場的仿真對實現(xiàn)換熱器性能最大化和降低制造與試驗成本至關重要。

熱機械的過渡態(tài)仿真。換熱器不僅需要適應出入口之間較大的穩(wěn)態(tài)溫差（-253 ～500℃），而且在系統(tǒng)啟動、發(fā)動機起動和停機場景中，換熱器的熱梯度會發(fā)生急劇的變化。過渡態(tài)場景的系統(tǒng)級仿真，需要與部件級熱機械非線性結構分析一起開發(fā)，以便更好地預測換熱器壽命。

試驗

氣動熱試驗。在與發(fā)動機整機集成試驗前，需要在典型環(huán)境中驗證每臺換熱器的氣動和機械熱力學性能。換熱器通常分為兩類：第一類是兩種相對高密度的流體通過管道流入/流出換熱器；第二類是一側是低壓空氣，另一側為密度相對較高的流體。渦輪發(fā)動機的回熱器、冷氣冷卻換熱器都是第二類換熱器，其關鍵設計目標是使空氣側的阻力最小，需要在一個較寬的溫度范圍（-50 ～500℃）進行試驗，并能完全復現(xiàn)實際安裝使用工況。氫燃料的換熱器試驗臺提出了新的挑戰(zhàn)，需要能儲存液態(tài)氫以及能將氫泵入/泵出換熱器的裝置?？梢栽趽Q熱器整機試驗之前進行模塊或零部件的試驗，以降低冷熱介質需求。

氣動熱研究與開發(fā)。換熱器臺架試驗提供了驗證換熱器整機性能的能力，并允許進行一定程度的氣動熱力學模型驗證。該研究通常是利用縮比換熱器的風洞試驗，以及研發(fā)用于測量流場和驗證模型的新儀器設備來實現(xiàn)。

泄漏試驗。泄漏試驗是換熱器完整性驗證工作的標準程序。需要盡量減少在接頭和密封處的氫氣泄漏。建立氫氣泄漏試驗設施并安全地表征換熱器的泄漏率是一個新的挑戰(zhàn)。

振動試驗。振動試驗也是換熱器完整性驗證工作中的標準步驟，須用具有典型質量和剛度特征的換熱器來表征其動態(tài)響應。要進行具有代表性的溫度、壓力和動力學等振動試驗，以及與流場動力學的耦合。

結束語

氫渦輪發(fā)動機需要新型熱管理系統(tǒng)來加熱氫燃料并利用其低溫品質提高渦輪發(fā)動機自身性能。由于缺乏低溫以及典型飛行工況的試驗，當前低溫氫介質換熱器的全球技術成熟度約為3級，處于關鍵功能和特征的概念驗證階段。與傳統(tǒng)換熱器不同，液氫燃料催生了全新的換熱器開發(fā)，除關注設計外，尤其要重視相關的試驗測試、制造工藝、材料與數(shù)值仿真，要提前開展相關研究工作。增加換熱器更是改變了傳統(tǒng)發(fā)動機的結構，還需重新設計氣體流路，優(yōu)化換熱器安裝布局，確定一個合理的發(fā)動機總體架構。