【行业动态】普惠公布氢-蒸汽航空发动机细节

导读：据aviationweek网站1月24日报道，氢燃料或许为实现零碳排放目标提供了颇具吸引力的途径，但要将这一愿景转化为实用的推进系统则是另一回事。如今，普惠公司认为其可能已在这条道路上迈出了第一步，推出了氢蒸汽注入及中冷航空发动机（HySIITE）概念。这是一种新颖的混合动力发动机配置，它将氢燃料的低温特性优势与蒸汽注入带来的热力学优势相结合。

（配图：氢蒸汽注入、中冷涡轮发动机概念图。空气进入发动机后部的小型逆流核心机，驱动风扇，然后通过蒸发器、冷凝器和水分离器排出。图片来源：普惠公司）

普惠公司公布了这一概念的细节，该概念是在美国能源部下属高级研究计划署 - 能源局（ARPA - E）一项为期两年、资金380万美元的研究项目中得出的。尽管普惠公司承认该循环较为复杂，还需要更多研究，但对研究结果感到鼓舞，结果显示与当前最先进的发动机相比，该发动机有可能降低多达35%的能源消耗。

蒸汽注入是提升氢能发动机性能的关键

普惠公司表示，这项研究工作可能为一系列新型动力装置铺平道路，包括效率大幅提高的零碳排放商用齿轮传动涡扇发动机。研究还表明，该概念可以将氮氧化物（NOx）排放降至最低，氮氧化物是氢气在较高燃烧温度下产生的一种温室气体副产品。

HySIITE 项目于去年 12 月结束，主要集中在概念组件和系统设计，以及对一些关键高风险元件的可行性测试。其中包括在高蒸汽-空气混合环境中燃烧氢气，评估实用蒸发器设计，以及测试冷凝器能够产生多少水。

普惠公司先进概念技术研究员尼尔・特威利格表示：“当然，还有更多技术挑战有待解决，但通过这些测试，我们可以快速了解关键组件的情况，以判断是否值得继续推进。”

1 月 9 日，特威利格在美国航空航天学会科技论坛间隙对《航空周刊》表示：“HySIITE 项目是我们设想如果要使用氢气，并且氢气是一条可行的脱碳途径，那么什么样的发动机能最好地利用它？它应该类似现在的传统航空发动机，还是我们应该尝试不同的设计？”

特威利格进一步解释说：“我们将这个问题细化，问‘氢气的哪些特性我们可以利用？’我们有热量回收，利用低温实现超导电力电子，而且氢气燃烧时会产生更多水蒸气，这是一个有点容易被忽视的事实，但我们可以利用它。最终，这一特性让我们能够从发动机后部收集水。”

新型氢能航空发动机部件测试台

HySIITE单喷嘴燃烧室试验台测试是在普惠母公司RTX技术研究中心进行的。（图片来源：普惠公司）

从外观上看，HySIITE 概念发动机大致类似于传统发动机，但在大多数方面，其内部结构与涡扇发动机完全不同。尽管像涡扇发动机一样，大部分气流由风扇通过旁路管道加速，但它没有传统的多轴核心机或前置压气机。

相反，一些进入的空气被吸入发动机后部的一个小型核心机，然后做 180 度转向，通过反向压气机向前流动，类似于普惠加拿大公司 PT6 涡轮螺旋桨发动机的配置。特威利格解释说，由于蒸汽具有更大的功率容量，所以可以采用这种小型核心机。

当进入的空气通过压气机时，它与蒸汽混合，蒸汽在燃烧室上游的压气机之间注入。在那里，气态氢与压缩空气一起被点燃，然后燃烧产物通过动力涡轮排出，动力涡轮通过轴与齿轮驱动的风扇相连。

热废气并非通过传统的排气喷嘴向后排出发动机以产生额外推力，而是通过一个蒸发器 —— 一种热交换器。然后，废气被引导至一系列集成在旁路管道中的冷凝器，以利用该结构的大表面积。

冷凝器的部分热量用于回收将氢液化所需的部分能量，将低温燃料转化为可燃烧的气体。

同时，冷凝器由从风扇引出的旁路放气气流冷却，它们反过来冷却气流，使废气冷却成水。

水在离开冷凝器时通过离心作用被甩到气水分离器的壁上。从那里，干燥的空气被喷射到机舱后部的混合排气流中，而水则被送回蒸发器，在那里转化为蒸汽。这种对流回热过程作为蒸汽底部循环的一部分，进一步回收废气中的废热。

尽管 ARPA - E 的合同没有包括从液氢到气态氢转化过程中获取可用能量（即有效能）的演示，但普惠公司的分析表明，由于使用低温燃料存在温差，整个循环是可行的。特威利格说：“如果不使用氢气，我们无法实现这种能量转换。”

蒸汽通过作为高压喷雾注入压气机和燃烧室，完成半闭环系统，增加质量流量并提高效率，同时冷却气流，普惠公司称这能大幅降低氮氧化物排放。

普惠公司母公司 RTX 的首席科学家迈克尔・温特说：“我们首次尝试就突破了各项指标。与目前已适航认证的发动机相比，我们将氮氧化物减少了99.3%，每3秒产生1加仑的水。这是一个惊人的水量。”

HySIITE发动机测试的一个关键部分集中在氢气在高达 0.8 的高蒸汽 - 空气比下的可燃性。特威利格说：“所以当我们直接燃烧时，蒸汽量几乎与空气量相当。” 他补充说，在涡轮发动机中空气是工作流体，而在 HySIITE 中蒸汽是工作流体。

特威利格解释说：“压气机就像是一个氧气泵，我们试图将氧气注入蒸汽中，以便能够直接燃烧（氢气）。我们可以将其温度提升到比蒸汽发电厂高得多的温度，因为在这里它必须通过热交换器。”

将蒸汽直接注入压气机还有助于提高总压比（OPR），总压比是现代涡扇发动机中压气机出口压力和进口压力比的函数，用于衡量发动机的热效率。但传统上，更高的总压比受限于高压压气机出口处材料的温度承受能力。特威利格说，使用蒸汽注入作为冷却剂提供了一种绕过这一限制的方法，同时也为中冷提供了一种新的解决方案，传统的中冷是通过在流道中插入热交换器来实现的。

他说：“如果你有水，就可以将其喷入压气机，在压缩级之间冷却空气。与使用热交换器进行中冷相比，这样做压气机做功更少，体积和压力损失也小得多。我们能够进行中冷并实现更高的总压比，我认为这对性能提升几乎同样重要。”

尽管核心流和中冷过程中不可避免地会有压力损失，但特威利格表示，总体收益远远超过损失，尤其是在整体效率方面。

他解释说：“我们发现的一点是，在热回收循环中 —— 特别是在中冷且核心流非常低的情况下，那些核心流压力损失并没有那么重要。只有少量的气流存在压力损失，而且它不再影响总压比。过去，如果压气机损失 5% 的压力，那总压比就会降低 5%，因为压气机出口温度限制不变。但我们可以稍微增加一点中冷，再稍微多压缩一点，就可以回到原来的状态。”

由于水是该概念的一个关键因素，HySIITE 冷凝器技术测试的一部分集中在 “从发动机后部出来的是什么”，特威利格说。“即使从热力学角度看，你每 3 秒能冷凝出 1 加仑的水，但这些水是什么形态？是雾状吗？你是否需要用离心机分离一年才能得到真正的水，还是只需在后面拿个桶就能接到水？” 让普惠公司欣慰的是，答案是产生的水 “就像厨房水龙头流出的水一样”。

在起飞时，特别是在炎热的天气里，发动机会配备一个小水箱供水。普惠公司表示，在飞机下降过程中会积累更多的水，这意味着飞机到达时水箱会是满的，可供下一次飞行使用。温特补充说：“你可以增加更多的冷凝器，但配备一个小水箱在权衡上更有利。”

普惠公司正通过多项举措推进 HySIITE 氢推进研究，包括公司近期在 NASA “2050 年环境可持续性先进飞机概念”（AACES）项目下获得的资助。普惠公司还与荷兰代尔夫特理工大学合作开展新型热能回收发动机配置研究，而其姊妹公司普惠加拿大公司则在加拿大支持的 “氢先进设计发动机研究”（HyADES）项目下，研发一款经过改进的燃烧氢气的 PW127XT 涡轮螺旋桨发动机。

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