Pratt & Whitney公布了氢-蒸汽混合动力发动机循环的细节信息

氢燃料可能为实现零碳排放目标提供有吸引力的途径，但将这一愿景转化为实用的推进系统是另一回事。

现在，普拉特&惠特尼认为它可能已经通过氢蒸汽喷射、中冷涡轮发动机（HySIITE）概念迈出了这条道路的第一步——这是一种新颖的混合动力发动机配置，结合了燃料的低温性能和蒸汽喷射的热力学优势。

普拉特&惠特尼已经公布了这个概念的细节，这个概念已经在美国能源部高级研究计划署-能源（ARPA-E）为期两年的380万美元的努力下进行了研究。虽然 Pratt 承认这个循环很复杂，需要更多的研究，但结果令他感到鼓舞，结果表明，与当前最先进的发动机相比，能耗有可能降低多达 35%。

Pratt 说，这项工作可能为一系列新动力装置铺平道路，包括更高效、零碳排放的商用齿轮涡轮风扇发动机。研究还表明，这一概念可以最大限度地减少氮氧化物 （NOx） 的排放，氮氧化物是氢气燃烧温度升高的副产品产生的温室气体。

HySIITE 于 12 月结束，主要侧重于概念组件和系统设计以及一些关键高风险元素的可行性测试。这些测试包括在重蒸汽-空气混合物中燃烧氢气，评估实际蒸发器设计，以及测试冷凝器可以产生多少水。

“当然，还有更多的技术挑战有待解决，但正是这些挑战，我们可以快速获得关键组件的答案，以确定是否值得继续，”Pratt 高级概念技术研究员 Neil Terwilliger 说。

“HySIITE 是关于我们想象是否会有氢气，以及这是一种可行的脱碳途径，”Terwilliger 于 1 月 9 日在美国航空航天学会科学技术论坛的间隙告诉《航空周刊》。“什么样的发动机会最好地利用它呢？它应该看起来像今天的发动机，还是我们应该做一些不同的事情？

“我们把这个问题分解开来问，'我们可以利用氢的哪些元素？'特威利格继续说道。“我们有热回收。我们有具有低温的超导电力电子设备，而且它在燃烧时会产生更多的水蒸气，这是一个有点模糊的事实，但我们可以使用它。它最终成为真正使我们能够从发动机后部收集水的东西。

从外观上看，HySIITE 概念在理论上类似于传统发动机，但内部在大多数方面与涡轮风扇发动机完全不同。尽管大多数气流由风扇通过旁路管道加速，但在涡轮风扇中，没有传统的多轴芯或前向压缩机。

相反，一些进入的空气被吸入发动机后部的小核心中，并掉头向前流动，通过反向压缩机，类似于普惠加拿大的PT6涡轮螺旋桨飞机中使用的配置。Terwilliger 解释说，由于蒸汽的功率容量更大，小核心是可能的。

当进入的空气通过压缩机时，它与蒸汽混合，蒸汽被喷射到燃烧室上游的压缩级之间。在那里，气态氢气被压缩空气点燃，然后燃烧的产品通过动力涡轮机排出，该涡轮机通过轴连接到齿轮驱动风扇。

热废气不是通过传统的排气喷嘴向后排出发动机以产生额外的推力，而是通过蒸发器（一种热交换器）传递。然后，废气被输送到一系列冷凝器，这些冷凝器集成到旁路管道中，以利用结构的大表面积。

来自冷凝器的一些热量用于通过将低温燃料转化为可燃烧的气体来回收液化氢气所需的一些能量。

同时，冷凝器通过从风扇中分离的旁路引气流进行冷却，然后它们又冷却气流以冷却废气，将其转化为水。

当水离开冷凝器时，水被离心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。这种对流回收过程进一步回收废气中的废热，作为蒸汽触底循环的一部分。

尽管 ARPA-E 合同不包括从液态氢转化为气态氢过程中获取可用能量或用能的演示，但 Pratt 的分析表明，由于使用低温燃料的温差，整个循环都是可行的。“没有氢气，我们就无法让它进行交易，”Terwilliger 说。

蒸汽以高压喷雾的形式注入压缩机和燃烧室，从而完成半闭环系统，增加质量流量并提高效率，同时冷却流量，Pratt 说，大大降低了 NOx 排放。

“我们第一次通过这个，我们破坏了指标，”普惠母公司RTX的首席科学家迈克尔·温特说。“与今天的认证发动机相比，我们的氮氧化物减少了 99.3%，并且每 3 秒产生 1 加仑水。这是一个惊人的水量。

HySIITE 测试的一个关键部分集中在高达 0.8 的高蒸汽空气比下氢气的可燃性。“所以当我们直接燃烧它时，它的蒸汽几乎和空气一样多，”Terwilliger 说。他补充说，空气是涡轮发动机的工作流体，而蒸汽是 HySIITE 的工作流体。

“压缩机只是一个氧气泵，我们试图将氧气注入蒸汽中，以便我们可以直接燃烧 [氢气]，”Terwilliger 解释说。“我们可以将其加热到非常高的温度，比蒸汽发电厂的温度高得多，因为它必须通过那里的热交换器。”

将蒸汽直接注入压缩机还有助于提高总压力比 （OPR），这是现代涡轮风扇发动机中入口压力比和压缩机压力比的函数，用作发动机热效率的衡量标准。但较高的 OPR 传统上受到高压压缩机出口处材料温度能力的限制。Terwilliger 说，使用蒸汽喷射作为冷却剂提供了一种解决此问题的方法，也提供了一种新的中间冷却解决方案，传统上通过将热交换器插入流道来实现。

“如果你有水，你可以把它喷到压缩机中，然后在压缩阶段之间冷却空气，”他说。“与热交换器中冷器相比，压缩机工作更少，体积和压力损失要少得多。我想说，我们可以进行中间冷却并拥有更高的 OPR 这一事实对性能几乎同样重要。

尽管堆芯流和中间冷却中不可避免地存在压力损失，但 Terwilliger 表示，整体优势足以弥补，尤其是在整体效率方面。

“我们发现的一件事是，在热回收循环中，尤其是中间冷却和核心流量非常低的循环，这些核心流动压力损失并不那么重要，”他解释说。“你的流量要小得多，它上面有压力损失，它不再从 OPR 中流失。过去，如果您的压缩机损失了 5%，则 OPR 会降低 5%，因为您仍然具有相同的 [压缩机出口温度] 限制。但我们只是多冷静一点，多压缩一点，然后回到我们原来的位置。

Terwilliger 说，由于水是这个概念的一个关键方面，HySIITE 冷凝器技术测试的一部分集中在“从这个东西的后面流出的东西”。“即使热力学说你每 3 秒冷凝 1 加仑，那水是什么形式的呢？是雾吗？你是必须离心一年才能真正有水，还是你只是在它后面拿一个桶，你就有了你的水？令 Pratt 松了一口气的是，答案是“就像厨房水龙头一样”生产水。

起飞时，尤其是在炎热的天气里，发动机将配备一个小型储水池。Pratt 说，下降过程中会积聚额外的水，这意味着飞机将带着装满水箱抵达下一趟航班。“你本可以添加更多的冷凝器，但仅仅有一个小水箱就更有利，”Winter 补充道。

Pratt 正在通过多项举措以 HySIITE 氢推进研究为基础，包括公司最近在 NASA 2050 年环境可持续性先进飞机概念 （AACES） 项目中获得的奖项。Pratt还与荷兰的Delft University of Technology合作进行新型热能回收发动机配置研究，而姐妹公司Pratt & Whitney Canada正在加拿大支持的氢能先进设计引擎研究（HyADES）项目下研究一种改进的氢燃烧PW127XT涡轮螺旋桨飞机。