■ 李明 陳健 / 中國(guó)航發(fā)研究院

英國(guó)零碳飛行（FlyZero）研究項(xiàng)目的重點(diǎn)是氫能在未來(lái)航空上的應(yīng)用，熱管理技術(shù)是氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)能否實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效工作的關(guān)鍵。

氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理主要是指在以氫為燃料的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，利用換熱器將液氫燃料從低儲(chǔ)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(dòng)機(jī)的整體性能，見(jiàn)圖1。液氫的加熱一方面通過(guò)與高溫滑油換熱來(lái)實(shí)現(xiàn)，另一方面還須通過(guò)其他途徑進(jìn)行額外加熱。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中的回?zé)崞髂芴峁┯行У募訜?，同時(shí)還能帶來(lái)額外的發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhì)并降低需求量。換熱器是其中的核心部件，應(yīng)具備高效率、輕質(zhì)量、低阻力、長(zhǎng)壽命以及結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。鑒于氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)的難度與重要性，英國(guó)航空航天研究院（ATI）的零碳飛行（FlyZero）研究項(xiàng)目發(fā)布了換熱器關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展路線圖，描繪了所涉及的關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)使能要素的發(fā)展途徑，同時(shí)指出了在不同時(shí)間階段要開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)性和競(jìng)爭(zhēng)性技術(shù)要素。

圖1 氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)示意

熱管理主要技術(shù)指標(biāo)

熱管理主要技術(shù)指標(biāo)包括氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)、換熱器、換熱器對(duì)總效率的貢獻(xiàn)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(gè)方面，見(jiàn)表1。

表1 氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)指標(biāo)

氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)。氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)是在傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)基礎(chǔ)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?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)不同的高溫?zé)崃黧w加熱。按時(shí)間階段，三代氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)分別采用不同的換熱器組合形式，復(fù)雜度逐次增加，發(fā)動(dòng)機(jī)性能隨之提高。第一代（2025年）采用兩級(jí)換熱，滑油/氫換熱器與回?zé)崞?。第二代?035年）采用3級(jí)換熱，在第一代基礎(chǔ)上增加“冷氣冷卻換熱器”。第三代（2050年）仍采用3級(jí)換熱，但增加了一個(gè)增壓循環(huán)來(lái)進(jìn)一步提高性能。

換熱器。滑油/氫換熱器，高溫介質(zhì)為渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的滑油?；?zé)崞?，即燃?xì)?氫換熱器，高溫介質(zhì)為渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高溫燃?xì)?。冷氣冷卻換熱器，即冷卻空氣/氫換熱器，高溫介質(zhì)是用于保護(hù)高溫渦輪葉片的冷卻空氣，一般引自壓氣機(jī)，具有較高溫度。氫渦輪增壓循環(huán)，是指經(jīng)過(guò)加熱后的高溫高壓氫燃料在獨(dú)立的渦輪內(nèi)膨脹做功，驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，利用軸帶動(dòng)高壓燃料泵，驅(qū)動(dòng)并壓縮氫氣，提高氫燃料壓力；這樣能進(jìn)一步提高整體性能，但換熱器需要承受更高的內(nèi)部氣壓。

換熱器對(duì)總效率的貢獻(xiàn)率。氫燃料作為換熱器冷卻介質(zhì)，為燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)總效率帶來(lái)的凈貢獻(xiàn)率。具有低密度氣體管路的換熱器對(duì)氣體側(cè)壓降特別敏感，需要將該現(xiàn)象最小化，以免抵消了通過(guò)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(zhì)量之比，滑油/氫燃料換熱器和回?zé)崞鞯膯挝粨Q熱能力將面臨挑戰(zhàn)，需要進(jìn)行壁溫管理，以防止滑油凝固以及壁面結(jié)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(zhì)的泵送功率。

換熱器首翻期。換熱器第一次返廠大修前的運(yùn)行時(shí)間。回?zé)崞骱屠錃饫鋮s換熱器將同時(shí)受到氫和高溫的影響，需要開(kāi)發(fā)耐高溫/高強(qiáng)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^(guò)制造技術(shù)進(jìn)步、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化和大批量生產(chǎn)等方法持續(xù)降低成本。

關(guān)鍵技術(shù)分析

氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理主要涉及在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的不同部位、使用不同高溫介質(zhì)的3類換熱器技術(shù)，見(jiàn)圖2。

圖2 換熱器關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展路線圖（ 來(lái)源：ATI ）

滑油/氫換熱器技術(shù)

低溫燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)基本任務(wù)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(shí)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)度冷卻。如果存在重大風(fēng)險(xiǎn)，則可以使用溫度稍高的中間流體介質(zhì)。第二代滑油/氫換熱器需要減輕質(zhì)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(shè)計(jì)，以便與氫渦輪增壓循環(huán)兼容。

回?zé)崞骷夹g(shù)

渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)一步降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗?；?zé)崞骼脺u輪排出的高溫燃?xì)鈦?lái)加熱氫燃料。為使系統(tǒng)的質(zhì)量更輕，氫氣可以直接通過(guò)回?zé)崞?，但需要相?yīng)地調(diào)整尺寸以便將燃?xì)鈧?cè)的壁溫保持在零度以上，防止結(jié)霜?；?zé)崞鞯膲航底畹?，?duì)最大化輸送燃料的溫度至關(guān)重要，需要重點(diǎn)設(shè)計(jì)安裝管路以引導(dǎo)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(huì)給可操作性和安全管理帶來(lái)挑戰(zhàn)，則可以使用中間流體，但會(huì)增大系統(tǒng)的質(zhì)量。第二代回?zé)崞鞯难兄埔獪p輕質(zhì)量和降低壓力損失。第三代回?zé)崞鞯难兄菩枰怪m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(shù)

以氫燃料作為冷源，通過(guò)換熱器技術(shù)，降低用于保護(hù)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(jī)，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(gè)額外的冷氣冷卻換熱器會(huì)增加循環(huán)的復(fù)雜性，因此被認(rèn)為是第二代技術(shù)。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?？紤]氫氣進(jìn)入該換熱器時(shí)已變熱，因此壁溫管理不再是問(wèn)題；由于換熱器需要在氫環(huán)境和高溫條件下運(yùn)行，會(huì)對(duì)材料強(qiáng)度和使用壽命構(gòu)成重大挑戰(zhàn)。

使能要素分析

氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的換熱器開(kāi)發(fā)，要涉及材料、制造、數(shù)值仿真和試驗(yàn)等方面的能力，見(jiàn)圖3。

圖3 換熱器使能要素 （ 來(lái)源：ATI ）

材料

氫兼容性。對(duì)于實(shí)現(xiàn)零碳飛行所需的大多數(shù)換熱器，其運(yùn)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(dòng)機(jī)回?zé)崞骱屠錃饫鋮s換熱器的運(yùn)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(yàn)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(jìn)行。

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

第二代材料。開(kāi)發(fā)如鎳基合金等更抗氫脆的新型高強(qiáng)度合金，對(duì)于開(kāi)發(fā)高溫氫換熱器至關(guān)重要，如冷氣冷卻換熱器和第二代氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)用的回?zé)崞鳌?/p>

制造

零部件。新型高性能換熱器需要輕質(zhì)、高強(qiáng)度和復(fù)雜的架構(gòu)，見(jiàn)圖4。為實(shí)現(xiàn)可拓展性以支持發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)率，換熱器每個(gè)零部件的簡(jiǎn)單性、質(zhì)量和供應(yīng)鏈都會(huì)受到挑戰(zhàn)。

圖4 下一代超高涵道比渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)用輕型超緊湊換熱器（ 來(lái)源：Meggitt ）

接頭。針對(duì)具有薄壁特征、氫流動(dòng)環(huán)境的新型高性能換熱器，需要開(kāi)發(fā)可重復(fù)使用的接頭，應(yīng)仔細(xì)選擇接頭材料并盡可能簡(jiǎn)化。

裝配與自動(dòng)化。多個(gè)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(zhì)的新穎架構(gòu)能實(shí)現(xiàn)所需的流線型流場(chǎng)，需要與之相應(yīng)的、定制的復(fù)雜裝配工具。還需開(kāi)發(fā)換熱器設(shè)計(jì)和裝配技術(shù)，并盡可能簡(jiǎn)化，以確保可拓展性以支持零碳飛機(jī)的生產(chǎn)要求。

檢測(cè)。換熱器的新型架構(gòu)會(huì)給檢測(cè)過(guò)程帶來(lái)挑戰(zhàn)。需要開(kāi)發(fā)自動(dòng)化或?qū)ｉT的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，以便在制造和裝配過(guò)程中盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。檢查薄壁材料和接頭將是確保使用壽命的關(guān)鍵。

數(shù)值仿真

多尺度流場(chǎng)仿真。換熱器的高效安裝可以減少氣動(dòng)阻力，因而需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙內(nèi)外、微通道換熱器內(nèi)部及周圍流場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行數(shù)值仿真。實(shí)現(xiàn)在不依賴過(guò)多計(jì)算資源的情況下準(zhǔn)確捕捉這些復(fù)雜流場(chǎng)的多尺度特征，是對(duì)數(shù)值仿真的新挑戰(zhàn)。換熱器流場(chǎng)的仿真對(duì)實(shí)現(xiàn)換熱器性能最大化和降低制造與試驗(yàn)成本至關(guān)重要。

熱機(jī)械的過(guò)渡態(tài)仿真。換熱器不僅需要適應(yīng)出入口之間較大的穩(wěn)態(tài)溫差（-253 ～500℃），而且在系統(tǒng)啟動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和停機(jī)場(chǎng)景中，換熱器的熱梯度會(huì)發(fā)生急劇的變化。過(guò)渡態(tài)場(chǎng)景的系統(tǒng)級(jí)仿真，需要與部件級(jí)熱機(jī)械非線性結(jié)構(gòu)分析一起開(kāi)發(fā)，以便更好地預(yù)測(cè)換熱器壽命。

試驗(yàn)

氣動(dòng)熱試驗(yàn)。在與發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)集成試驗(yàn)前，需要在典型環(huán)境中驗(yàn)證每臺(tái)換熱器的氣動(dòng)和機(jī)械熱力學(xué)性能。換熱器通常分為兩類：第一類是兩種相對(duì)高密度的流體通過(guò)管道流入/流出換熱器；第二類是一側(cè)是低壓空氣，另一側(cè)為密度相對(duì)較高的流體。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的回?zé)崞?、冷氣冷卻換熱器都是第二類換熱器，其關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)是使空氣側(cè)的阻力最小，需要在一個(gè)較寬的溫度范圍（-50 ～500℃）進(jìn)行試驗(yàn)，并能完全復(fù)現(xiàn)實(shí)際安裝使用工況。氫燃料的換熱器試驗(yàn)臺(tái)提出了新的挑戰(zhàn)，需要能儲(chǔ)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(jī)試驗(yàn)之前進(jìn)行模塊或零部件的試驗(yàn)，以降低冷熱介質(zhì)需求。

氣動(dòng)熱研究與開(kāi)發(fā)。換熱器臺(tái)架試驗(yàn)提供了驗(yàn)證換熱器整機(jī)性能的能力，并允許進(jìn)行一定程度的氣動(dòng)熱力學(xué)模型驗(yàn)證。該研究通常是利用縮比換熱器的風(fēng)洞試驗(yàn)，以及研發(fā)用于測(cè)量流場(chǎng)和驗(yàn)證模型的新儀器設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。

泄漏試驗(yàn)。泄漏試驗(yàn)是換熱器完整性驗(yàn)證工作的標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)設(shè)施并安全地表征換熱器的泄漏率是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。

振動(dòng)試驗(yàn)。振動(dòng)試驗(yàn)也是換熱器完整性驗(yàn)證工作中的標(biāo)準(zhǔn)步驟，須用具有典型質(zhì)量和剛度特征的換熱器來(lái)表征其動(dòng)態(tài)響應(yīng)。要進(jìn)行具有代表性的溫度、壓力和動(dòng)力學(xué)等振動(dòng)試驗(yàn)，以及與流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)的耦合。

結(jié)束語(yǔ)

氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)需要新型熱管理系統(tǒng)來(lái)加熱氫燃料并利用其低溫品質(zhì)提高渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)自身性能。由于缺乏低溫以及典型飛行工況的試驗(yàn)，當(dāng)前低溫氫介質(zhì)換熱器的全球技術(shù)成熟度約為3級(jí)，處于關(guān)鍵功能和特征的概念驗(yàn)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(kāi)發(fā)，除關(guān)注設(shè)計(jì)外，尤其要重視相關(guān)的試驗(yàn)測(cè)試、制造工藝、材料與數(shù)值仿真，要提前開(kāi)展相關(guān)研究工作。增加換熱器更是改變了傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，還需重新設(shè)計(jì)氣體流路，優(yōu)化換熱器安裝布局，確定一個(gè)合理的發(fā)動(dòng)機(jī)總體架構(gòu)。