让喷气发动机适应氢时代

Josiah02 · 发表于 5 天前

欧洲正在为可持续生产的氢气驱动的气候中性飞行做准备。去年，欧盟启动了一个项目，支持工业界和大学开发氢动力中程飞机。除其他事项外，喷气式发动机必须进行改装以使用新燃料。今天的发动机是针对燃烧煤油进行优化的。
“氢气燃烧速度比煤油快得多，因此火焰更紧凑，”苏黎世联邦理工学院机械与过程工程系教授 Nicolas Noiray 解释道。在设计氢发动机时必须考虑到这一点。Noiray 团队的实验现在为此提供了重要基础。该团队刚刚在《燃烧与火焰》杂志上发表了他们的研究结果。
一个问题是振动，工程师们试图将其最小化。在典型的喷气发动机中，发动机的环形燃烧室周围排列着大约 20 个燃油喷嘴。燃料在那里的湍流燃烧会产生声波。这些声波从燃烧室壁反射回来，并对火焰产生反馈作用。声波和火焰之间的这种耦合可能会引起振动，从而对发动机燃烧室造成沉重的负荷。
“这些振动会使材料疲劳，在最坏的情况下会导致裂缝和损坏，”Noiray 团队的前博士后研究员 Abel Faure-Beaulieu 说道。“这就是为什么在开发新发动机时，要小心确保在运行条件下不会发生这些振动。”
模拟巡航高度的条件
当工程师们开发当今的煤油发动机时，他们必须控制这些振动。他们通过优化火焰形状以及燃烧室的几何形状和声学来实现这一点。然而，燃料类型对声音和火焰之间的相互作用有很大影响。这意味着工程师和研究人员现在必须确保这些振动不会出现在新的氢发动机中。
苏黎世联邦理工学院的精密测试和测量设备让 Noiray 能够测量氢气火焰的声学并预测潜在的振动。作为欧盟 HYDEA 项目的一部分，他与 GE Aerospace 共同参与了该项目，测试了该公司生产的氢气喷射喷嘴。
“我们的设备使我们能够复制发动机在巡航高度的温度和压力条件，”Noiray 解释道。ETH 研究人员还可以重现各种燃烧室的声学特性，从而实现广泛的测量。“我们的研究是同类研究中首次在真实飞行条件下测量氢火焰的声学行为。”
在他们的实验中，研究人员使用了一个喷嘴，然后模拟了未来氢发动机中喷嘴集合的声学行为。这项研究正在帮助通用电气航空航天公司的工程师优化喷射喷嘴，为高性能氢发动机铺平道路。几年后，该发动机应该可以在地面进行初步测试，未来它可以为第一架氢燃料飞机提供动力。
ETH 教授 Noiray 并不认为发动机的开发或飞机氢气罐的开发是航空业向氢能时代过渡的最大挑战。“人类已经飞上月球；工程师们无疑将能够开发氢能飞机，”他说。
但仅有飞机是不够的。诺伊雷表示，另一个重大挑战是建立氢航空的整个基础设施，包括生产足够数量的气候中性氢气并将其运输到机场。要在合理的时间内实现这一目标，现在需要齐心协力。
为何要将氢气用于航空？
大多数地面车辆都可以通过电池供电；然而，电池对于高性能飞机来说太重了。将氢气储存在低温储罐中，以将 200 名乘客送往数千公里外的目的地，其重量至少比储存在电池中轻 30 倍。
“未来几十年，只有载荷能力极低的小型飞机才会采用电池供电，”ETH 教授 Noiray 表示。“对于客机和货机来说，合成燃料是当今煤油的唯一替代品，而氢气是可持续生产的最经济的燃料。”
根据飞机的大小和航程，有两种潜在的氢气解决方案。对于巡航速度低、航程短的小型区域飞机，氢气可以在机载燃料电池中转化为电能。这通过电动机驱动螺旋桨。
然而，对于长途商用飞机来说，燃料电池由于体积和重量的原因并不适合。未来，这些飞机将由氢燃料喷气发动机驱动。目前，有数个工业联盟正在努力开发此类发动机。

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