关于氢能航空动力发展的认识与思考

近年来,在全球碳减排目标的驱动下,各国对发展氢能航空的热情空前高涨,在氢能飞机和氢能动力领域加速布局研究计划。通过研究国内外氢能飞机及动力发展历程和研究进展,发现人类对氢的认知始于其燃烧特性,认为氢能航空发展兴于“双碳”目标,指出燃氢涡轮发动机是航空业实现减碳目标的关键,分析了燃氢涡轮发动机和氢燃料飞机的性能优势,研判出氢能航空及动力发展难在全产业链重构和全链条颠覆创新,提出了创新氢能航空发展机制、加快发展燃氢涡轮发动机、健全氢能航空产业链条、实现全链条颠覆性创新和加强氢能航空基础建设等五方面的发展措施建议。

氢能航空发动机研究现状及发展制约因素

为应对全球气候变暖和温室效应加剧,欧美中等多国纷纷提出各自碳中和发展战略,在航空航天、交通运输等多个领域推动新能源技术的应用。氢能源是航空业中较为理想、可取代传统石化燃料的能源,目前全球各大航空公司都在着手布局氢能航空体系。氢能源在航空领域的应用十分广泛,但其最重要的1个研究方向—氢燃料航空发动机,仍处于大力发展和技术创新阶段。总结了近期氢燃料发动机在航空领域的新发展,综述了氢燃料发动机在材料应用方面的短板和现实阻碍,具体从氢能航空发展现状、氢能航空发动机关键技术、氢能航空发动机发展的主要制约因素3大方面进行介绍。氢燃料一直备受关注和青睐,国外早已启动开发氢能飞机的研究项目,并在研发氢能飞机、推动氢能航空相关产业方面已取得一定实质性进展,而我国相关研究主要集中在制氢(风能、光能等电解制氢)、储氢、供氢(氢燃料加注站)及氢燃料电池和汽车领域。为推动氢能航空发动机的大力发展,未来必须突破氢动力推进技术、机载氢燃料存储技术及氢燃料生产制备技术等技术壁垒,而提供飞行动力的航空发动机是其中首要核心点。尽管氢能航空的发展前景备受瞩目,但如要大规模推行,仍面临诸多挑战。若要实现氢能航空飞机大范围应用推广,还需在核心动力、交叉技术等方面开展更加深入的研究与开发。

航空生物燃料特性与规格概述

阐述了航空喷气燃料具有的性能及与之相关的分析测试项目、航空生物燃料的特性和质量指标要求,介绍了航空生物燃料的质量规格、掺调化石航空喷气燃料的选择与调合要求以及美国ASTM D7566"含合成烃类航空涡轮燃料的规格标准"制定与修订的历程。提出应该在国家部门统一协调组织下,整合包括中国石油天然气集团公司在内的相关部门、研究机构、企业等国内优势资源,对航空生物燃料标准开展深入系统的基础和应用研究工作,结合国际通行标准和我国应用实际,制定形成我国的航空生物燃料国家标准,这将极大地支持和推动刚刚起步的我国航空生物燃料产业化发展。

地面燃机燃用不同燃料的燃烧室性能分析

从发动机燃烧性能的角度出发,研究了航空发动机改地面燃机后燃用其他燃料对燃烧室性能的影响.利用流体计算软件Fluent,针对地面燃机燃烧室燃用航空煤油、轻柴油、工业酒精、天然气4种不同燃料,进行模拟计算,给出燃用不同燃料时的燃烧性能.结果表明,从燃烧的角度来看,轻柴油的燃烧性能与航空煤油差别不大,可直接替代航空煤油或与航空煤油混合使用,燃用天然气的NOx排放及CO排放都很低,天然气是一种理想的低污染燃料.工业酒精由于物性及热值与航空煤油差距很大,地面燃机改烧工业酒精还需作相当深入的研究.该研究对发展下一代航空替代燃料有一定的参考价值.

喷气燃料/柴油混合燃料燃烧及颗粒物特性

为研究柴油机燃用喷气燃料/柴油混合燃料燃烧及排放颗粒物特性,配制喷气燃料(RP-3)掺混体积分数20%、40%、60%以及纯柴油的4种燃料(D80K20、D60K40、D40K60、D100),通过台架试验研究了缸内燃烧过程,采集了颗粒物,利用透射电镜、拉曼光谱仪、热重分析仪对不同掺混体积分数混合燃料排气颗粒的物理化特性进行研究。结果表明:与D100相比,D80K20、D60K40、D40K60缸内最高燃烧温度增加幅度小于11℃,缸内压力变化不大,压力峰值对应的曲轴转角后移1.35~2.16°CA,滞燃期延长0.39~1.64°CA,燃烧持续期缩短0.21~0.86°CA;颗粒总体排列呈现链状或枝状,不同RP-3掺混体积分数(D100、D80K20、D60K40、D40K60)下颗粒的计盒维数分别为1.8569、1.9386、1.9563、1.9836,D_(1)峰与G峰的比值(I_(D1)/I_(G))分别为1.09、1.03、0.92、0.85,随着RP-3掺混体积分数的增加,颗粒物堆叠程度略有增加,颗粒物表面碳排列更加有序,颗粒物的活化能增加,氧化活性降低,不易被氧化。

生物航煤对飞机油箱密封胶性能影响研究

研究利用餐饮余油,采用脂肪酸加氢工艺合成的生物燃料组分对飞机油箱密封胶性能的影响。实验结果表明,重铬酸盐固化聚硫密封胶和锰固化聚硫密封胶在生物燃料组分93℃的环境温度中浸泡28 d后,其硬度明显增加,断裂伸长率明显减小,体积出现较大收缩。当生物燃料组分与传统喷气燃料按照50/50体积比掺混后,重铬酸盐固化聚硫密封胶体积膨胀率从-3.0%增加到-0.5%,而锰固化聚硫密封胶体积膨胀率从-6.7%增加到-5%。其各自的硬度、断裂伸长率也均发生了明显变化。

航空涡轮发动机检测用油国家标准样品的研制

从航空涡轮发动机检测用油的指标制订、制备方案确定、样品制备、均匀性检验、定值研究、稳定性检验、台架评价等方面介绍了航空涡轮发动机检测用油国家标准样品的研制。结果表明:所研制的航空涡轮发动机检测用油的均匀性、稳定性良好,定值数据有溯源性,能满足试验发动机检测的需求。确定了我国航空涡轮发动机检测参比燃料,填补了国内空白,有效规范了市场,提高了发动机检测及技术仲裁水平。

喷气燃料润滑性要求及评价方法

航空涡轮发动机燃料的润滑性问题由来已久,世界各国都对该燃料的润滑性进行了研究,制定了相应的评价方法和试验仪器,并经过不断修正和完善,最终在燃料质量规范中明确了润滑性指标要求和标准试验方法。西方普遍采用球柱润滑评定试验法ASTM D5001a考察喷气燃料的润滑性,要求磨斑直径小于0.85 mm;国内目前等效采用SH/T 0687,并要求民用磨斑直径不大于0.85 mm,军用不大于0.65 mm。

燃油涡轮流量计测量准确度的外部影响因素初探

本文对航空发动机试车台燃油系统涡轮流量计的工作原理进行简单说明,详细分析了漩涡流、脉动流、介质粘度、介质污染度和电磁干扰等的外部因素对涡轮流量计测量精度的影响,并逐一给出了消除外部影响因素的方法,对涡轮流量计使用过程中的注意事项进行了详细说明,对航空发动机试车台燃油系统提升燃油流量的测量精度具有一定的指导意义。

直接氨SOFC-GT混合动力系统性能及航空应用

建立了基于直接氨燃料的固体氧化物燃料电池-燃气轮机(SOFC-GT)混合动力系统仿真模型,开发了一种架构优化的高功率-质量比的高效发电系统,并研究了燃料利用率和系统燃料分配对系统功率分配、各子部件质量以及其㶲损失等性能的影响。基于所建立的模型分析了压气机压比、燃料摩尔流量、空气摩尔流量等输入参数对系统性能的影响,在最优性能条件下对系统进行功率-质量比分析。仿真结果表明该系统的净发电效率为56.85%,㶲效率为50.71%,净发电量为213 kW,功率-质量比为0.7303 kW/kg,达到美国能源部太平洋西北国家实验室(PNNL)为SOFC-GT混合动力系统应用于航空航天领域制定的标准。在此基础上,讨论了该系统在商用飞机主动力和辅助动力上的应用,表明SOFC-GT混合动力系统在航空领域具有良好的应用前景。

不同燃料对涡轮增压器试验的影响

利用理论分析和试验方法对燃气发生器采用不同燃料时其涡轮性能的影响进行了研究.结果表明:在涡轮试验中,醇类燃料由于溶水度的随环境而变化,得到的涡轮特性是不定数;采用醇类燃料,其燃烧产物对涡轮部件增加额外的腐蚀,造成涡轮部件安全隐患;采用汽油为燃料进行涡轮试验,可以得到确定的涡轮特性,其试验结果可以为改进涡轮性能提供依据.

基于航空煤油重整的SOFC-GT混合动力系统性能

建立了基于航空煤油重整固体氧化物燃料电池-涡轮发动机(SOFC-GT)混合动力系统仿真模型,比较了两种回热方式的重整装置以及不同涡轮布置位置时的系统性能变化,优选出最佳的混合动力系统架构。进一步分析了压气机压比、燃料利用率、燃油流量以及空气流量等运行参数对SOFC-GT混合动力系统性能的影响。研究结果表明:设计点工况下,最佳混合动力系统的发电效率能达到45%,体现出良好的系统性能;当燃料利用率为0.82时混合动力系统的效率和功率最高;随着燃油流量(0.0511~0.0584 mol/s)的增加,混合动力系统的效率和功率均增加;而随着压气机压比(2.5~3.3)或者空气流量(37~44 mol/s)的增加,混合动力系统的效率和功率都减小。