■ 李鳳超 李瑞明 薛然然 / 中國航發(fā)研究院

增壓燃燒與傳統(tǒng)渦輪發(fā)動機結(jié)合后，循環(huán)熱效率將增加到47%～49%，有望實現(xiàn)單位推力（或功率）提升10%～20%，耗油率降低10%～20%，是未來高動力性、高經(jīng)濟性航空推進系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向。

美國“經(jīng)濟可承受任務(wù)先進渦輪技術(shù)”（ATTAM）計劃將增壓燃燒作為一項革命性和顛覆性的新技術(shù)納入其中，旨在推動其向?qū)嵱没~進。采用定壓吸熱的傳統(tǒng)燃氣渦輪發(fā)動機技術(shù)日臻完善，在材料耐溫性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等條件的制約下，進一步提高渦輪進口溫度、增大壓縮系統(tǒng)壓比面臨越來越嚴峻的挑戰(zhàn)。而增壓燃燒接近定容吸熱過程，為實現(xiàn)燃氣渦輪發(fā)動機性能大幅提升提供了全新的解決思路，成為近年來的研究熱點。適用于燃氣渦輪發(fā)動機的增壓燃燒形式主要包括脈沖爆震、連續(xù)爆震和波轉(zhuǎn)子3種。

脈沖爆震渦輪發(fā)動機

工作原理

自然界存在兩種燃燒方式，即緩燃和爆震。緩燃是亞聲速燃燒，近似為定壓過程，被當(dāng)前的渦輪發(fā)動機廣泛采用。而爆震屬于超聲速燃燒，接近于定容過程，脈沖爆震渦輪發(fā)動機就是利用爆震燃燒周期性形成的高溫高壓燃氣來產(chǎn)生推力或功率的，如圖1所示。

圖1 脈沖爆震渦輪發(fā)動機示意

脈沖爆震燃燒室通常為多管結(jié)構(gòu)，其基本單元是脈沖爆震管。爆震管周期性循環(huán)工作，每個循環(huán)都包括燃燒、掃氣和填充3個階段。在燃燒階段，爆震管進口閥門關(guān)閉，封閉端附近點火后，通過緩燃向爆震的轉(zhuǎn)變（DDT），反應(yīng)物成功起爆；爆震波是帶有化學(xué)反應(yīng)的激波，以高達2000m/s左右的速度向出口傳播，隨著燃燒后產(chǎn)物的不斷排出，管內(nèi)壓力逐漸降低。在掃氣階段，爆震管進口閥門開啟，少量惰性氣體或冷空氣進入爆震管，以隔離高溫產(chǎn)物。在隨后的填充階段，新鮮反應(yīng)物不斷填入，直至充滿整個爆震管。填充階段結(jié)束后，進口閥門關(guān)閉，下一個循環(huán)開始。

代表性成果

中國航發(fā)研究院對脈沖爆震渦輪的三維多循環(huán)流動特性進行了仿真研究。爆震波與渦輪轉(zhuǎn)子葉片相互作用，在正面聚焦形成高壓，從而驅(qū)動渦輪高速轉(zhuǎn)動。爆震波及在進口封閉端和渦輪葉片之間反射的壓力波，在轉(zhuǎn)子葉片正面和背面往復(fù)聚焦，引起渦輪輸出功率的波動，但變化幅度逐漸減弱。由于爆震波傳播速度快，能量集中的鋒面與葉片作用時間短，因此能量利用率低，渦輪比功不足80kJ/kg，絕熱效率僅略高于50%。

技術(shù)難點

高頻點火系統(tǒng)設(shè)計。脈沖爆震發(fā)動機的性能取決于爆震波的頻率和強度，而成功的點火是形成爆震波的前提條件。脈沖爆震發(fā)動機的工作頻率高達數(shù)十赫[茲]甚至幾百赫[茲]，而在每一個循環(huán)內(nèi)，爆震管頭部都需要重新點火。并且要求點火能量較高，以縮短爆震波形成的時間和距離。同時，為了適應(yīng)發(fā)動機工作狀態(tài)的變化，還需要點火頻率和點火能量等參數(shù)可以實現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)。

可靠短距離起爆。爆震波的有效起爆是保證發(fā)動機正常運行的關(guān)鍵。直接起爆需要幾千焦[耳]到幾萬焦[耳]的巨大能量，在實際應(yīng)用中難以實現(xiàn)，只得采用間接起爆。反應(yīng)物先被點燃，然后在適當(dāng)?shù)臈l件下完成緩燃向爆震的轉(zhuǎn)變。然而碳氫燃料和空氣混合物的DDT將達到2m以上，必須采取低損失強化措施來縮短DDT距離。

多管干涉控制。為了提高脈沖爆震燃燒室的工作頻率，環(huán)列布置的爆震管交替工作。如圖2所示，當(dāng)高壓爆震波從某一爆震管出口傳出后，將進入壓力相對較低的相鄰爆震管內(nèi)部，引起壓力的上升，影響其正常的循環(huán)過程，導(dǎo)致出現(xiàn)反應(yīng)物填充不充分、甚至無法成功起爆等問題。因此，需要合理確定各爆震管的點火起爆時序，并在爆震管出口設(shè)計適當(dāng)?shù)母缮婵刂平Y(jié)構(gòu)。

圖2 多管脈沖爆震干涉流動

復(fù)雜入流渦輪設(shè)計。爆震燃燒室出口處形成的大波動、強畸變流動，導(dǎo)致渦輪的工作狀態(tài)不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子葉片進口氣流角變化幅度高達100°以上。在爆震波的作用下，渦輪性能偏低，絕熱效率僅為50%～70%，能量利用率只有10%左右。設(shè)計適合脈沖爆震流動特性的高性能渦輪是迫切需要解決的問題。

連續(xù)爆震渦輪發(fā)動機

工作原理

連續(xù)爆震燃燒室通常為環(huán)腔結(jié)構(gòu)，如圖3所示。燃料和氧化劑從燃燒室頭部不斷充入，起爆后形成一個或多個爆震波，沿圓周方向傳播，燃燒后的高溫高壓產(chǎn)物以近似沿軸線方向高速噴出。爆震波鋒面前形成三角形的可燃區(qū)，持續(xù)的燃燒為爆震波的穩(wěn)定傳播提供了充足能量，從而實現(xiàn)燃燒室的自維持工作。

圖3 連續(xù)爆震渦輪發(fā)動機示意

與脈沖爆震相比，連續(xù)爆震只需初始起爆一次，便可以持續(xù)地旋轉(zhuǎn)傳播。同時，爆震波的傳播方向與工質(zhì)的流動方向相互獨立，爆震波始終處于燃燒室內(nèi)部，避免了噴出燃燒室而造成嚴重的能量損失。

激發(fā)學(xué)生體育鍛煉也是田徑課程設(shè)置的主要目標，通過運動手環(huán)可以達到以下幾個目的。其一，新穎的運動生活方式必將促進學(xué)生鍛煉激情。運動手環(huán)在學(xué)生運動過程中所反饋的一些生理生化指標滿足了學(xué)生對高科技進入生活的需求。實時心率、卡路里消耗又能夠促進學(xué)生對鍛煉情況掌控的精準度。其二，運動方式已經(jīng)成為一種社交方式。通過在朋友圈、微博等社交網(wǎng)絡(luò)曬步數(shù)、曬健身、比步數(shù)、積攢能量、論排名等都已經(jīng)成為正能量的網(wǎng)絡(luò)文化，在這樣的形勢下，更能夠讓學(xué)生提升對田徑鍛煉的喜歡。

代表性成果

普渡大學(xué)對連續(xù)爆震波與超聲軸流渦輪的相互作用進行了三維仿真研究。結(jié)果顯示，在運動斜激波的影響下，渦輪內(nèi)部形成復(fù)雜的非定常流場結(jié)構(gòu)。葉片對流場的波動具有一定抑制作用，經(jīng)過渦輪后周向氣流角波動降低了78.1%，壓力波動降低了56.0%。導(dǎo)向葉片和轉(zhuǎn)子葉片分別產(chǎn)生了22.6%和26.2%的總壓損失，比定常狀態(tài)高約11%，其中進口激波損失占非定常總損失的比例最大。

南京理工大學(xué)開展了連續(xù)爆震燃燒室與渦輪的匹配性試驗研究。以氫氣和空氣為工質(zhì)，形成了穩(wěn)定傳播的連續(xù)爆震波，燃燒室持續(xù)工作0.2 ～0.4s。爆震波經(jīng)過導(dǎo)向器后，振蕩壓力的頻率不變，幅值減弱了64%。渦輪葉片對激波具有反射作用，部分斜激波會被導(dǎo)向器葉片反射回燃燒室內(nèi)。爆震燃燒室與渦輪發(fā)動機組合工作后，爆震波壓力和速度降低，并且起爆成功率有所下降。

技術(shù)難點

壓力反傳抑制。爆震波形成的高壓會在上游形成一道斜激波，引起流場的波動，從而影響壓氣機的穩(wěn)定性。同時，爆震波會產(chǎn)生沿周向的流動，周期性地阻礙燃料噴注過程，進而影響燃料與空氣的混合。而壓氣機工作異常、燃料與空氣摻混不充分也不利于爆震波的長時間自維持傳播，有可能導(dǎo)致燃燒室熄火。因此，有必要在燃燒室的上游采取消波措施，以抑制爆震波的反壓。

高通流燃燒室設(shè)計。連續(xù)爆震波后燃燒產(chǎn)物的壓力高于波前反應(yīng)物的壓力，新鮮空氣只能由遠離波峰、壓力較低的區(qū)域進入燃燒室，其進口實際上處于部分進氣狀態(tài)。那么，在相同迎風(fēng)面積的條件下，爆震燃燒室的通流能力不及傳統(tǒng)定壓燃燒室，有可能降低發(fā)動機的推力或功率。因此，爆震燃燒室具有較高通流能力是實現(xiàn)發(fā)動機性能提升的重要保證。

冷卻空氣二次增壓。由于爆震燃燒的自增壓作用，燃燒室出口壓力大幅提高，渦輪進口高溫燃氣的峰值壓力高于壓氣機出口低溫空氣的壓力，那么由壓氣機直接引氣的傳統(tǒng)方法將無法實現(xiàn)對渦輪部件的有效冷卻和封嚴。因此，需要采用布置額外增壓葉輪等措施進行二次增壓，以解決低溫空氣壓力不足的問題，但將導(dǎo)致發(fā)動機的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。

波轉(zhuǎn)子渦輪發(fā)動機

工作原理

波轉(zhuǎn)子是一種利用非定常壓力波對不同能量密度工質(zhì)進行能量交換的動力裝置，如圖4所示。它由一個旋轉(zhuǎn)鼓筒和兩側(cè)的靜止端板組成，鼓筒包含若干環(huán)列并聯(lián)的通道，端板開設(shè)有扇形端口。當(dāng)鼓筒轉(zhuǎn)動時，通道周期性啟閉，控制流體的進出，并觸發(fā)形成壓縮波和膨脹波，從而往復(fù)實現(xiàn)壓縮和膨脹過程。按照轉(zhuǎn)子通道內(nèi)部是否存在燃燒過程，波轉(zhuǎn)子分為內(nèi)燃和外燃兩種形式。對于外燃波轉(zhuǎn)子，其作用相當(dāng)于增壓級，需要與常規(guī)定壓燃燒室聯(lián)合工作。

圖4 波轉(zhuǎn)子渦輪發(fā)動機示意

盡管波轉(zhuǎn)子通道內(nèi)部是強烈的非定常流動，但是進排氣端口附近的流動幾乎是定常的。這是因為在適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速下，每當(dāng)轉(zhuǎn)動到與靜止的進排氣端口相連通時，通道的進氣和排氣狀態(tài)均能恰好保持一致。因此，通過合理的設(shè)計，進排氣不會出現(xiàn)明顯的波動，對壓氣機與渦輪等相鄰部件的影響較小。這是波轉(zhuǎn)子增壓燃燒有別于爆震燃燒的一個巨大優(yōu)勢。

代表性成果

英國巴斯大學(xué)對帶有螺旋形通道的外燃波轉(zhuǎn)子進行了試驗。在3000 ～18000r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)裝置穩(wěn)定運行了幾百小時，空氣增壓比達到4.5∶1，輸出了26kW的功率。由于間隙泄漏過大和高壓排氣不暢等問題，熱效率僅為10%左右。盡管未能完全實現(xiàn)設(shè)計初衷，但證明了波轉(zhuǎn)子可以在較寬的范圍內(nèi)工作。

羅羅北美公司對250型渦軸發(fā)動機與外燃波轉(zhuǎn)子聯(lián)合使用的可行性進行了深入評估。設(shè)計狀態(tài)下發(fā)動機的單位功率有望提升20%，同時單位耗油率降低23%。波轉(zhuǎn)子位于后置燃燒室和動力渦輪之間，布置在獨立的轉(zhuǎn)軸上，其外徑與高壓渦輪葉尖直徑相當(dāng)。在全工作范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速保持約為高壓轉(zhuǎn)子的三分之一，依靠自身所受的氣動力即可維持轉(zhuǎn)動。除需更換燃燒室及高壓渦輪導(dǎo)向器并額外增加進排氣過渡段外，基準發(fā)動機的大量部件均得以保留。

美國國家航空航天局（NASA）格倫研究中心建立了4端口通流外燃波轉(zhuǎn)子試驗臺。最初采用閉式結(jié)構(gòu)（高壓排氣端口經(jīng)過加熱器與高壓進氣端口直接連通），由于損失過大，裝置未能正常工作。改為開式結(jié)構(gòu)后，通過減小間隙寬度、采用雙軸承支承可移動端板和石墨密封，溫比2∶1時壓比達到可觀的1.17∶1。

美國普渡大學(xué)搭建了內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子試驗臺并開展了相關(guān)研究。波轉(zhuǎn)子包含20個環(huán)列通道，長度為787mm，平均半徑為229mm。試驗以乙烯為燃料，空氣為氧化劑，在轉(zhuǎn)速2100r/min、空氣流量4.3kg/s的條件下，波轉(zhuǎn)子通道內(nèi)部的燃燒持續(xù)了2 ～3s，并成功實現(xiàn)了壓力的提升。

技術(shù)難點

發(fā)動機緊湊式結(jié)構(gòu)設(shè)計。波轉(zhuǎn)子及其驅(qū)動裝置占據(jù)一定空間，將影響發(fā)動機的適裝性。如果采用外部電動機驅(qū)動，那么波轉(zhuǎn)子的安裝位置靈活，并且便于流路的設(shè)計，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。若波轉(zhuǎn)子與燃燒室串列布置，則發(fā)動機的徑向尺寸可以保持不變，但軸向尺寸增加明顯。而將波轉(zhuǎn)子與燃燒室并列、與葉輪機串列布置，即燃燒室環(huán)繞在波轉(zhuǎn)子外部，壓氣機和渦輪分列兩側(cè)，結(jié)構(gòu)較為緊湊。

高通流波轉(zhuǎn)子設(shè)計。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)子通道的周期性啟閉，波轉(zhuǎn)子的進氣端口為扇形而非環(huán)形，在通流面積不變的條件下需要增大高度。如圖5所示，在進氣流量相同的條件下，波轉(zhuǎn)子的外徑與渦噴發(fā)動機的外徑基本相當(dāng)，聯(lián)合使用時將明顯增加發(fā)動機的迎風(fēng)面積。因此，需要在性能不降低的前提下，適當(dāng)提高波轉(zhuǎn)子進口氣流的速度，以減小徑向尺寸。

圖5 典型波轉(zhuǎn)子的通流能力

寬工況波系結(jié)構(gòu)控制。在非設(shè)計工況下，波系演化與端口啟閉將無法達到最佳匹配，引起性能惡化，極大限制了波轉(zhuǎn)子的運行范圍，因此必須采取控制措施。例如，布朗勃法瑞公司在靜止端板上增設(shè)了3種凹腔結(jié)構(gòu)，壓縮凹腔位于高壓排氣端口上游，用于削弱反射激波強度，防止高壓進氣端口出現(xiàn)倒流；燃氣凹腔位于高壓進氣端口下游，膨脹凹腔位于低壓排氣端口上游，用來維持低壓排氣端口的順暢排放，使低轉(zhuǎn)速性能明顯改善，而設(shè)計轉(zhuǎn)速性能幾乎不變。

低損失過渡段設(shè)計。不同于相鄰部件的環(huán)形流通截面，波轉(zhuǎn)子靜止端板上的端口為扇形，故需要由過渡段來連接。排氣過渡段角度擴張劇烈，高壓過渡段還存在180°的轉(zhuǎn)向，在有限空間內(nèi)實現(xiàn)有效的損失抑制非常困難。NASA 格倫研究中心的試驗結(jié)果顯示，經(jīng)過優(yōu)化后的排氣過渡段在設(shè)計狀態(tài)下的總壓損失高達14%，完全抹去了波轉(zhuǎn)子裝置可能帶來的性能增益。

結(jié)束語

增壓燃燒渦輪發(fā)動機憑借其在性能和結(jié)構(gòu)上的潛在優(yōu)勢，成為未來先進航空推進系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，在軍用和民用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。近年來，國內(nèi)外科研機構(gòu)取得的研究成果揭示了增壓燃燒裝置及其相鄰部件的聯(lián)合工作特性，初步驗證了增壓燃燒用于燃氣渦輪發(fā)動機的可行性，但尚未全面充分展現(xiàn)出其優(yōu)越性。發(fā)動機緊湊式結(jié)構(gòu)設(shè)計、高通流增壓燃燒裝置設(shè)計、冷卻空氣二次增壓、爆震波反傳壓力抑制、大波動強畸變爆震渦輪設(shè)計、波轉(zhuǎn)子低損失進排氣過渡段設(shè)計等諸多技術(shù)瓶頸亟待突破。