定容燃烧在未来燃气轮机热力循环中的应用前景

张恩慧

【摘 要】近年来燃气轮机效率连年创造新记录，但接近了布雷顿循环的极限，必须有热力学上的突破才能更进一步。本文介绍了使用布雷顿循环的燃气轮机的发展史，分析计算了采用定容燃烧的汉弗莱循环比布雷顿循环效率上的优势，介绍了使用汉弗莱循环热机的现状和发展前景。

【关键字】汉弗莱循环；燃气轮机；定压燃烧；定容燃烧；爆震燃烧；脉冲爆震燃烧室；波转子

中图分类号： TK478 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）32-0042-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.32.018

【Abstract】Efficiency of gas turbine has created new world records year after year， but it closes to the limits of the Brayton cycle， there must be a breakthrough in thermodynamics to go further. This paper introduces the history of gas turbines with Brayton cycle， analyzes and calculates the advantages of Humphrey cycle with constant volume combustion， and introduces the current situation and development prospects of engine with Humphrey cycle.

【Key words】Humphrey cycle； Gas turbine； Constant pressure combustion（CPC）； Constant volume combustion（CVC）； Detonation； Pulse detonation Combustion（PDC）； Wave rotor

0 引言

近年来陆续看到燃气轮机联合循环效率突破60%，61%，62%的新闻，而且世界三大燃气轮机制造商都有在未来几年突破联合循环效率65%的计划，虽然这表明燃气轮机技术得到了快速的提高，但也暴露了一个严重的问题，燃机的效率已经接近了布雷顿循环的极限，这意味着未来燃机的发展必须在热力循环上有所突破，否则不会再有大的进步。本文尝试探讨一下定容燃烧的汉弗莱循环在未来燃气轮机热力循环中的应用前景。

1 热力循环分析

燃气轮机装置定压加热理想循环叫布雷顿循环，引用空气标准假设（文中所有的熱力循环分析均基于空气标准假设），布雷顿循环可简化为由绝热压缩，定压加热，绝热膨胀，定压放热四个可逆过程组成。[4]它是美国人G.B.Brayton于1872年提出并制造，这台机器的压缩机和膨胀机还都是活塞式的。直到1939年，世界第一台发电用工业燃气轮机“Neuchatel”才由瑞士的BBC公司（ABB公司前身）制造出来，它的出力为4000kw，效率18%，已经采用了轴流压气机和透平技术[1]。经过近80年的发展，目前最先进的燃气轮机如GE公司的9HA.02燃机单机出力已经达557MW，简单循环效率44.0%，联合循环效率64.2%（9HA.02二拖一三压再热联合循环）[2]。在这80年中，重型燃机的压比从4.5发展到25，初温从400℃发展到超过1500℃，燃气轮机设计和制造技术取得了长足的进步。但是，燃气轮机的发展也即将遭遇重大的瓶颈——到达布雷顿循环的极限（见图1）。

那么如何才能突破这个极限呢，我们用定容加热替换了布雷顿循环（图3 1-2-3-4-1）的定压加热过程，这个新循环就是汉弗莱循环（1-2-3‘-4‘-1）。我们可以看到，汉弗莱循环的效率始终高于布雷顿循环（图2），为了分析其中的原因，我们来看看两个循环的温-熵图（图3）。由于对设备限制最大的是最高温度和压力，所以我们选定两个循环具有相同的最高温度（T3）；而燃气轮机的压力相对较低，对设备的限制较小，而压比对两个循环的效率影响都很大，所以我们选定两个循环具有相同的压比。从图3上我们可以看出，汉弗莱循环的4‘点在1-4这根定压线上且位置低于4点，所以汉弗莱循环的平均放热温度（METL）明显低于布雷顿循环；同时在温熵图上，定压线的斜率为T/Cp，而定容线的斜率为T/Cv，而Cp是大于Cv的，所以定容线2-3‘的斜率是大于定压线2-3的，所以汉弗莱循环的平均吸热温度（METH）也高于布雷顿循环，而由公式η=1-T平均放热/T平均吸热，可知相同压比、相同透平初温情况下，汉弗莱循环的效率高于布雷顿循环。再看看相同压比和相同最高温度的其他循环，迪塞尔循环（1-2-3-4‘‘-1）的平均吸热温度低于汉弗莱循环，而且平均放热温度高于汉弗莱循环，所以效率低于汉弗莱循环；奥拓循环（1-2-3‘-4‘‘‘-1）平均吸热温度与汉弗莱循环相同，而平均放热温度高于汉弗莱循环，效率也低于汉弗莱循环。

由此可以看出，定容加热的汉弗莱循环效率高，比功大，有替代现有各种常见热力循环的潜力。

2 定容燃烧的历史及目前研究水平

现在利用定容燃烧技术的发动机主要有各种类型的爆震发动机，其中脉冲爆震发动机（PDE）技术最为成熟。脉冲爆震发动机的研究工作可以追溯到20世纪40年代，苏联科学家Zeldovich首次提出可以使用爆震燃烧能量的可能性理论，德国人Hoffmann写出了第一个有关间隙式或脉冲式爆震波发动机的研究报告，随后又有一些科学家进行了一些研究，到1960年代末由于经费不足研究工作被搁置起来。1986年Helman等人在美国海军研究生院重新考察了脉冲爆震发动机概念，又激起了人们对脉冲爆震发动机的兴趣。由于脉冲爆震发动机的热力循环效率高，结构简单，可靠性等方面的优势，美国、俄罗斯、日本、法国、中国等国家都在积极实施脉冲爆震发动机的研究项目。而且爆震发动机可以以吸气式和火箭式两种模式工作，这就更增加了它的应用范围。[5]

如果我们将传统燃气轮机的燃烧室和部分甚至全部压气机更换为爆震燃烧室，这样我们就可以得到一个应用定容加热的汉弗莱循环热机，我们称之为爆震燃气轮机，主要由压气机（可无）、爆震燃烧室、燃气透平等组成。整个系统的核心为爆震燃烧室，也就是爆震发动机的部分。目前美国走在世界前列，在几种形式的爆震发动机上都有很多研究成果。

在美国，PDE的研究主要由NASA（美国国家宇航局）、AFRL（美国空军研究实验室）和DARPA（美国国防部高级研究计划局）资助。资助项目由主要航空发动机厂商（如GE，普惠和罗罗）、各大高校和政府研发机构执行。这其中又分为吸气式脉冲爆震发动机（PDE）和波转子脉冲爆震发动机（WRPDE）。

吸气式脉冲爆震发动机方面：

在美国GE和NASA合作建造一套脉冲爆震燃烧室（PDC）—透平系统Hybrid。这个系统由一个环形布置的有八个管的多管PDC与一个单级轴流式透平组成。系统额定流量8lbm/s、转速25000RPM、出力1000 马力。在第一次系列实验中，系统累计运行总共96分钟，为了使装置达到热稳定状态、透平达到恒定速度，每次运行都在5分钟以上。在最高8lbm/s，18500RPM和350hp的多种工况下，使用化学当量比的乙烯-空气混合物，在不同的燃烧模式下，装置以高达30 Hz（每管）的频率运行，在透平上累积了大约近100万个爆震脉冲循环的运行经验。[6-7]

国内，西北工业大学试验了2种不同尺寸的以汽油为燃料、空气为氧化剂的6管并联吸气式PDE，其中单管内径为68mm的PDE可以在单管6Hz的频率下平稳工作20s以上[8]；而单管内径为35mm的PDE 整体最高工作频率可达210Hz[9]。

波转子方面，ABB、Rolls-Royce、GE等公司都曾进行波转子发动机的尝试。

ABB公司的前身BBC公司在1940年代设计了一个1640kW的波转子用于铁路机车燃气轮机，这个波转子有30个通道，额定转速6000转/分。这个世界首台波转子在实验中运行稳定，虽然由于设计不匹配和粗糙的装配，最终装配在燃机上后效果并不理想。1980年代，由这个波转子发展出来的Comprex技术最终应用在汽车发动机上，并销售了150000台。

GE曾在1950年代研究一种在通道内燃烧的波转子，藉此减轻燃机的重量，减少管道，缩小燃机的尺寸。1956～1959期间，GE利用NASA的分析方法改进了该波转子的设计并制造了一台验证机。1961～1963年，GE还制造并测试了气隙密封技术的波转子，由于流场的计算不够精确，最终该发动机没能输出轴功，但它明确证明了在波转子内部完成能量转换的可能性。

Rolls-Royce公司1995年收购的艾利逊发动机公司是NASA的合作伙伴，艾利逊发动机公司在1996年利用艾利逊250型涡轴发动机作为波转子技术验证平台，预估波转子技术的应用会提高发动机比功18%～20%，减少燃料消耗15%～22%。其波转子直径和长度约等于高压透平的叶顶直径，波转子在一个单独的轴上旋转，转速大约为透平转子的1/3。

NASA格伦研究中心在1988年与美国陆军研究实验室（ARL）和艾利逊公司合作，研究和验证波转子技术对于未来飞机推进系统的好处。研究证明，对于0.8马赫的飞机，在相同的总压比和透平进口温度条件下，利用波转子技术的发动机可以使效率提高1%～2%，比功增加10%～16%。1995年，韦尔奇团队测算出对于小型（300kW～500kW）、中型（2000kW～3000kW）的涡轴发动机，使用波转子技术可以提高19%～21%的比功、减少16%～17%的燃料消耗。同时还获得不少别的研究成果，根据这些成果，设计并制造了一个新的四通道波转子，并在实验室模化条件下进行了试验，做了一些改进。[9]

3 结论

定容燃烧的汉弗莱在理论上具有明显的优势，热效率高，比功大，利用定容燃烧的脉冲爆震发动机具有结构简单、推重比大、工作范围宽、质量轻，以吸气式和火箭式两种模态工作等优点，获得了世界各国的重视。近十多年来 世界各国对脉冲爆震发动机的研究进入了全面发展时期， 已完成了概念验证， 开始进行原型机的发展和试验。但是脉冲爆震波的高频触发和起爆、爆震混合物的高速喷注与混合、各系统的匹配和控制方面仍有很大难度，没有取得实质性进展，还需要一个较长的研究周期才能实际应用。

【参考文献】

[1]Tony Giampaolo，Gas Turbine Handbook： Principles and Practices 3rd ，Taylor & Francis Ltd.

[2]Gas Turbine Word 2018 GTW Handbook，January 2018 Vol.33.

[3]刘桂玉、刘志刚、阴建民、何雅玲，《工程热力学》1998年6月第1版，高等教育出版社.

[4]沈维道、蒋智敏、童钧耕，《工程热力学》第三版，高等教育出版社，1982.

[5]严传俊；范玮；郑龙席，《脉冲爆震发动机原理及关键技术》，西北工业大学出版社，2005.

[6]Dean，A.J.，Rasheed，A.，Tangirala，V.E.，and Pinard，P.F.， “Operation and Noise Transmission of an Axial Turbine Driven by a Pulse Detonation Combustor”，GT-2005-69141，Proceedings of International Gas Turbine Institute，ASME Turbine Expo 2005，June 6-9，2005.

[7]Anthony J.Dean，A Review of PDE Development for Propulsion Applications.

[8]袁成，范瑋，彭畅新，等.六管吸气式脉冲爆震发动机试验[J].航空动力学报，2011，26（9）：1981-1985.

[9]张群，范玮.多管吸气式两相脉冲爆震发动机实验[J].航空动力学报，2012，27（9）：1935-1938.

[10]Akbari P，Mueller N，Nalim R.A Review of Wave Rotor Technology and Its Applications[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2006.