（配圖：氫蒸汽注入,、中冷渦輪發(fā)動機概念圖,。空氣進入發(fā)動機后部的小型逆流核心機,，驅(qū)動風扇,，然后通過蒸發(fā)器、冷凝器和水分離器排出,。圖片來源：普惠公司）

普惠公司公布了這一概念的細節(jié),，該概念是在美國能源部下屬高級研究計劃署 - 能源局（ARPA - E）一項為期兩年、資金380萬美元的研究項目中得出的,。盡管普惠公司承認該循環(huán)較為復雜,，還需要更多研究，但對研究結(jié)果感到鼓舞,，結(jié)果顯示與當前最先進的發(fā)動機相比,，該發(fā)動機有可能降低多達35%的能源消耗。

蒸汽注入是提升氫能發(fā)動機性能的關鍵

普惠公司表示,，這項研究工作可能為一系列新型動力裝置鋪平道路,，包括效率大幅提高的零碳排放商用齒輪傳動渦扇發(fā)動機。研究還表明,，該概念可以將氮氧化物（NOx）排放降至最低,，氮氧化物是氫氣在較高燃燒溫度下產(chǎn)生的一種溫室氣體副產(chǎn)品,。

HySIITE 項目于去年 12 月結(jié)束，主要集中在概念組件和系統(tǒng)設計,，以及對一些關鍵高風險元件的可行性測試,。其中包括在高蒸汽-空氣混合環(huán)境中燃燒氫氣，評估實用蒸發(fā)器設計,，以及測試冷凝器能夠產(chǎn)生多少水,。

普惠公司先進概念技術研究員尼爾?特威利格表示：“當然，還有更多技術挑戰(zhàn)有待解決,，但通過這些測試,，我們可以快速了解關鍵組件的情況，以判斷是否值得繼續(xù)推進,?！?/span>

1 月 9 日，特威利格在美國航空航天學會科技論壇間隙對《航空周刊》表示：“HySIITE 項目是我們設想如果要使用氫氣,，并且氫氣是一條可行的脫碳途徑,，那么什么樣的發(fā)動機能最好地利用它？它應該類似現(xiàn)在的傳統(tǒng)航空發(fā)動機,，還是我們應該嘗試不同的設計,？”

特威利格進一步解釋說：“我們將這個問題細化，問'氫氣的哪些特性我們可以利用,？’我們有熱量回收,，利用低溫實現(xiàn)超導電力電子，而且氫氣燃燒時會產(chǎn)生更多水蒸氣,，這是一個有點容易被忽視的事實,，但我們可以利用它。最終,，這一特性讓我們能夠從發(fā)動機后部收集水,。”

新型氫能航空發(fā)動機部件測試臺

HySIITE單噴嘴燃燒室試驗臺測試是在普惠母公司RTX技術研究中心進行的,。（圖片來源：普惠公司）

從外觀上看,，HySIITE 概念發(fā)動機大致類似于傳統(tǒng)發(fā)動機，但在大多數(shù)方面,，其內(nèi)部結(jié)構與渦扇發(fā)動機完全不同,。盡管像渦扇發(fā)動機一樣，大部分氣流由風扇通過旁路管道加速,，但它沒有傳統(tǒng)的多軸核心機或前置壓氣機,。

相反，一些進入的空氣被吸入發(fā)動機后部的一個小型核心機,，然后做 180 度轉(zhuǎn)向,，通過反向壓氣機向前流動,，類似于普惠加拿大公司 PT6 渦輪螺旋槳發(fā)動機的配置,。特威利格解釋說,，由于蒸汽具有更大的功率容量，所以可以采用這種小型核心機,。

當進入的空氣通過壓氣機時,，它與蒸汽混合，蒸汽在燃燒室上游的壓氣機之間注入,。在那里,，氣態(tài)氫與壓縮空氣一起被點燃，然后燃燒產(chǎn)物通過動力渦輪排出,，動力渦輪通過軸與齒輪驅(qū)動的風扇相連,。

熱廢氣并非通過傳統(tǒng)的排氣噴嘴向后排出發(fā)動機以產(chǎn)生額外推力，而是通過一個蒸發(fā)器 —— 一種熱交換器,。然后,，廢氣被引導至一系列集成在旁路管道中的冷凝器，以利用該結(jié)構的大表面積,。

冷凝器的部分熱量用于回收將氫液化所需的部分能量,，將低溫燃料轉(zhuǎn)化為可燃燒的氣體。

同時,，冷凝器由從風扇引出的旁路放氣氣流冷卻,，它們反過來冷卻氣流，使廢氣冷卻成水,。

水在離開冷凝器時通過離心作用被甩到氣水分離器的壁上,。從那里，干燥的空氣被噴射到機艙后部的混合排氣流中,，而水則被送回蒸發(fā)器,，在那里轉(zhuǎn)化為蒸汽。這種對流回熱過程作為蒸汽底部循環(huán)的一部分,，進一步回收廢氣中的廢熱,。

盡管 ARPA - E 的合同沒有包括從液氫到氣態(tài)氫轉(zhuǎn)化過程中獲取可用能量（即有效能）的演示，但普惠公司的分析表明,，由于使用低溫燃料存在溫差,，整個循環(huán)是可行的。特威利格說：“如果不使用氫氣,，我們無法實現(xiàn)這種能量轉(zhuǎn)換,。”

蒸汽通過作為高壓噴霧注入壓氣機和燃燒室,，完成半閉環(huán)系統(tǒng),，增加質(zhì)量流量并提高效率,，同時冷卻氣流，普惠公司稱這能大幅降低氮氧化物排放,。

普惠公司母公司 RTX 的首席科學家邁克爾?溫特說：“我們首次嘗試就突破了各項指標,。與目前已適航認證的發(fā)動機相比，我們將氮氧化物減少了99.3%,，每3秒產(chǎn)生1加侖的水,。這是一個驚人的水量?！?/span>

HySIITE發(fā)動機測試的一個關鍵部分集中在氫氣在高達 0.8 的高蒸汽 - 空氣比下的可燃性,。特威利格說：“所以當我們直接燃燒時，蒸汽量幾乎與空氣量相當,?！?他補充說，在渦輪發(fā)動機中空氣是工作流體,，而在 HySIITE 中蒸汽是工作流體,。

特威利格解釋說：“壓氣機就像是一個氧氣泵，我們試圖將氧氣注入蒸汽中,，以便能夠直接燃燒（氫氣）,。我們可以將其溫度提升到比蒸汽發(fā)電廠高得多的溫度，因為在這里它必須通過熱交換器,?！?/span>

將蒸汽直接注入壓氣機還有助于提高總壓比（OPR），總壓比是現(xiàn)代渦扇發(fā)動機中壓氣機出口壓力和進口壓力比的函數(shù),，用于衡量發(fā)動機的熱效率,。但傳統(tǒng)上,，更高的總壓比受限于高壓壓氣機出口處材料的溫度承受能力,。特威利格說，使用蒸汽注入作為冷卻劑提供了一種繞過這一限制的方法,，同時也為中冷提供了一種新的解決方案,，傳統(tǒng)的中冷是通過在流道中插入熱交換器來實現(xiàn)的。

他說：“如果你有水,，就可以將其噴入壓氣機,，在壓縮級之間冷卻空氣。與使用熱交換器進行中冷相比,，這樣做壓氣機做功更少,，體積和壓力損失也小得多。我們能夠進行中冷并實現(xiàn)更高的總壓比,，我認為這對性能提升幾乎同樣重要,?！?/span>

盡管核心流和中冷過程中不可避免地會有壓力損失，但特威利格表示,，總體收益遠遠超過損失,，尤其是在整體效率方面。

他解釋說：“我們發(fā)現(xiàn)的一點是,，在熱回收循環(huán)中 —— 特別是在中冷且核心流非常低的情況下,，那些核心流壓力損失并沒有那么重要,。只有少量的氣流存在壓力損失,，而且它不再影響總壓比。過去,，如果壓氣機損失 5% 的壓力,，那總壓比就會降低 5%，因為壓氣機出口溫度限制不變,。但我們可以稍微增加一點中冷,，再稍微多壓縮一點，就可以回到原來的狀態(tài),?！?/span>

由于水是該概念的一個關鍵因素，HySIITE 冷凝器技術測試的一部分集中在 “從發(fā)動機后部出來的是什么”,，特威利格說,。“即使從熱力學角度看,，你每 3 秒能冷凝出 1 加侖的水,，但這些水是什么形態(tài)？是霧狀嗎,？你是否需要用離心機分離一年才能得到真正的水,，還是只需在后面拿個桶就能接到水？” 讓普惠公司欣慰的是,，答案是產(chǎn)生的水 “就像廚房水龍頭流出的水一樣”,。

在起飛時，特別是在炎熱的天氣里,，發(fā)動機會配備一個小水箱供水,。普惠公司表示，在飛機下降過程中會積累更多的水,，這意味著飛機到達時水箱會是滿的,，可供下一次飛行使用。溫特補充說：“你可以增加更多的冷凝器,，但配備一個小水箱在權衡上更有利,?！?/span>

普惠公司正通過多項舉措推進 HySIITE 氫推進研究，包括公司近期在 NASA “2050 年環(huán)境可持續(xù)性先進飛機概念”（AACES）項目下獲得的資助,。普惠公司還與荷蘭代爾夫特理工大學合作開展新型熱能回收發(fā)動機配置研究,，而其姊妹公司普惠加拿大公司則在加拿大支持的 “氫先進設計發(fā)動機研究”（HyADES）項目下，研發(fā)一款經(jīng)過改進的燃燒氫氣的 PW127XT 渦輪螺旋槳發(fā)動機,。

相關閱讀：