增壓燃燒渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展

■ 李鳳超 李瑞明 薛然然 / 中國(guó)航發(fā)研究院

增壓燃燒與傳統(tǒng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合后，循環(huán)熱效率將增加到47%～49%，有望實(shí)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(dòng)力性、高經(jīng)濟(jì)性航空推進(jìn)系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

美國(guó)“經(jīng)濟(jì)可承受任務(wù)先進(jìn)渦輪技術(shù)”（ATTAM）計(jì)劃將增壓燃燒作為一項(xiàng)革命性和顛覆性的新技術(shù)納入其中，旨在推動(dòng)其向?qū)嵱没~進(jìn)。采用定壓吸熱的傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)一步提高渦輪進(jìn)口溫度、增大壓縮系統(tǒng)壓比面臨越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。而增壓燃燒接近定容吸熱過程，為實(shí)現(xiàn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)。適用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)

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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)就是利用爆震燃燒周期性形成的高溫高壓燃?xì)鈦懋a(chǎn)生推力或功率的，如圖1所示。

圖1 脈沖爆震渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)循環(huán)都包括燃燒、掃氣和填充3個(gè)階段。在燃燒階段，爆震管進(jìn)口閥門關(guān)閉，封閉端附近點(diǎn)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(dá)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(jìn)口閥門開啟，少量惰性氣體或冷空氣進(jìn)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(gè)爆震管。填充階段結(jié)束后，進(jìn)口閥門關(guān)閉，下一個(gè)循環(huán)開始。

代表性成果

中國(guó)航發(fā)研究院對(duì)脈沖爆震渦輪的三維多循環(huán)流動(dòng)特性進(jìn)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(dòng)渦輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)。爆震波及在進(jìn)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(dòng)，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(shí)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(diǎn)

高頻點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)。脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的性能取決于爆震波的頻率和強(qiáng)度，而成功的點(diǎn)火是形成爆震波的前提條件。脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率高達(dá)數(shù)十赫[茲]甚至幾百赫[茲]，而在每一個(gè)循環(huán)內(nèi)，爆震管頭部都需要重新點(diǎn)火。并且要求點(diǎn)火能量較高，以縮短爆震波形成的時(shí)間和距離。同時(shí)，為了適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的變化，還需要點(diǎn)火頻率和點(diǎn)火能量等參數(shù)可以實(shí)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(dòng)機(jī)正常運(yùn)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(shí)際應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)，只得采用間接起爆。反應(yīng)物先被點(diǎn)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?xì)淙剂虾涂諝饣旌衔锏腄DT將達(dá)到2m以上，必須采取低損失強(qiáng)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(jìn)入壓力相對(duì)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(diǎn)火起爆時(shí)序，并在爆震管出口設(shè)計(jì)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(dòng)

復(fù)雜入流渦輪設(shè)計(jì)。爆震燃燒室出口處形成的大波動(dòng)、強(qiáng)畸變流動(dòng)，導(dǎo)致渦輪的工作狀態(tài)不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口氣流角變化幅度高達(dá)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(jì)適合脈沖爆震流動(dòng)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(dòng)機(jī)

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(gè)或多個(gè)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(shí)現(xiàn)燃燒室的自維持工作。

圖3 連續(xù)爆震渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，爆震波的傳播方向與工質(zhì)的流動(dòng)方向相互獨(dú)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(yán)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(biāo)，通過運(yùn)動(dòng)手環(huán)可以達(dá)到以下幾個(gè)目的。其一，新穎的運(yùn)動(dòng)生活方式必將促進(jìn)學(xué)生鍛煉激情。運(yùn)動(dòng)手環(huán)在學(xué)生運(yùn)動(dòng)過程中所反饋的一些生理生化指標(biāo)滿足了學(xué)生對(duì)高科技進(jìn)入生活的需求。實(shí)時(shí)心率、卡路里消耗又能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)鍛煉情況掌控的精準(zhǔn)度。其二，運(yùn)動(dòng)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(shì)下，更能夠讓學(xué)生提升對(duì)田徑鍛煉的喜歡。

代表性成果

普渡大學(xué)對(duì)連續(xù)爆震波與超聲軸流渦輪的相互作用進(jìn)行了三維仿真研究。結(jié)果顯示，在運(yùn)動(dòng)斜激波的影響下，渦輪內(nèi)部形成復(fù)雜的非定常流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。葉片對(duì)流場(chǎng)的波動(dòng)具有一定抑制作用，經(jīng)過渦輪后周向氣流角波動(dòng)降低了78.1%，壓力波動(dòng)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(jìn)口激波損失占非定?？倱p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(yàn)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(duì)激波具有反射作用，部分斜激波會(huì)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(dòng)機(jī)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(diǎn)

壓力反傳抑制。爆震波形成的高壓會(huì)在上游形成一道斜激波，引起流場(chǎng)的波動(dòng)，從而影響壓氣機(jī)的穩(wěn)定性。同時(shí)，爆震波會(huì)產(chǎn)生沿周向的流動(dòng)，周期性地阻礙燃料噴注過程，進(jìn)而影響燃料與空氣的混合。而壓氣機(jī)工作異常、燃料與空氣摻混不充分也不利于爆震波的長(zhǎng)時(shí)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(jì)。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(yuǎn)離波峰、壓力較低的區(qū)域進(jìn)入燃燒室，其進(jìn)口實(shí)際上處于部分進(jìn)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(dòng)機(jī)的推力或功率。因此，爆震燃燒室具有較高通流能力是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)口高溫燃?xì)獾姆逯祲毫Ω哂趬簹鈾C(jī)出口低溫空氣的壓力，那么由壓氣機(jī)直接引氣的傳統(tǒng)方法將無法實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪部件的有效冷卻和封嚴(yán)。因此，需要采用布置額外增壓葉輪等措施進(jìn)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(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。

波轉(zhuǎn)子渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)

工作原理

波轉(zhuǎn)子是一種利用非定常壓力波對(duì)不同能量密度工質(zhì)進(jìn)行能量交換的動(dòng)力裝置，如圖4所示。它由一個(gè)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(dòng)時(shí)，通道周期性啟閉，控制流體的進(jìn)出，并觸發(fā)形成壓縮波和膨脹波，從而往復(fù)實(shí)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(duì)于外燃波轉(zhuǎn)子，其作用相當(dāng)于增壓級(jí)，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(dòng)機(jī)示意

盡管波轉(zhuǎn)子通道內(nèi)部是強(qiáng)烈的非定常流動(dòng)，但是進(jìn)排氣端口附近的流動(dòng)幾乎是定常的。這是因?yàn)樵谶m當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速下，每當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到與靜止的進(jìn)排氣端口相連通時(shí)，通道的進(jìn)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(jì)，進(jìn)排氣不會(huì)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，對(duì)壓氣機(jī)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(gè)巨大優(yōu)勢(shì)。

代表性成果

英國(guó)巴斯大學(xué)對(duì)帶有螺旋形通道的外燃波轉(zhuǎn)子進(jìn)行了試驗(yàn)。在3000 ～18000r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)裝置穩(wěn)定運(yùn)行了幾百小時(shí)，空氣增壓比達(dá)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(duì)250型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)與外燃波轉(zhuǎn)子聯(lián)合使用的可行性進(jìn)行了深入評(píng)估。設(shè)計(jì)狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的單位功率有望提升20%，同時(shí)單位耗油率降低23%。波轉(zhuǎn)子位于后置燃燒室和動(dòng)力渦輪之間，布置在獨(dú)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(dòng)力即可維持轉(zhuǎn)動(dòng)。除需更換燃燒室及高壓渦輪導(dǎo)向器并額外增加進(jìn)排氣過渡段外，基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的大量部件均得以保留。

美國(guó)國(guó)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(yàn)臺(tái)。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(jìn)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(dòng)端板和石墨密封，溫比2∶1時(shí)壓比達(dá)到可觀的1.17∶1。

美國(guó)普渡大學(xué)搭建了內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)并開展了相關(guān)研究。波轉(zhuǎn)子包含20個(gè)環(huán)列通道，長(zhǎng)度為787mm，平均半徑為229mm。試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了壓力的提升。

技術(shù)難點(diǎn)

發(fā)動(dòng)機(jī)緊湊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。波轉(zhuǎn)子及其驅(qū)動(dòng)裝置占據(jù)一定空間，將影響發(fā)動(dòng)機(jī)的適裝性。如果采用外部電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，那么波轉(zhuǎn)子的安裝位置靈活，并且便于流路的設(shè)計(jì)，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(dòng)機(jī)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(jī)串列布置，即燃燒室環(huán)繞在波轉(zhuǎn)子外部，壓氣機(jī)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(jì)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子通道的周期性啟閉，波轉(zhuǎn)子的進(jìn)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(jìn)氣流量相同的條件下，波轉(zhuǎn)子的外徑與渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的外徑基本相當(dāng)，聯(lián)合使用時(shí)將明顯增加發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)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(jì)工況下，波系演化與端口啟閉將無法達(dá)到最佳匹配，引起性能惡化，極大限制了波轉(zhuǎn)子的運(yùn)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(qiáng)度，防止高壓進(jìn)氣端口出現(xiàn)倒流；燃?xì)獍记晃挥诟邏哼M(jìn)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(jì)轉(zhuǎn)速性能幾乎不變。

低損失過渡段設(shè)計(jì)。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(kuò)張劇烈，高壓過渡段還存在180°的轉(zhuǎn)向，在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效的損失抑制非常困難。NASA 格倫研究中心的試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過優(yōu)化后的排氣過渡段在設(shè)計(jì)狀態(tài)下的總壓損失高達(dá)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(dòng)機(jī)憑借其在性能和結(jié)構(gòu)上的潛在優(yōu)勢(shì)，成為未來先進(jìn)航空推進(jìn)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(guó)內(nèi)外科研機(jī)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(yàn)證了增壓燃燒用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性，但尚未全面充分展現(xiàn)出其優(yōu)越性。發(fā)動(dòng)機(jī)緊湊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高通流增壓燃燒裝置設(shè)計(jì)、冷卻空氣二次增壓、爆震波反傳壓力抑制、大波動(dòng)強(qiáng)畸變爆震渦輪設(shè)計(jì)、波轉(zhuǎn)子低損失進(jìn)排氣過渡段設(shè)計(jì)等諸多技術(shù)瓶頸亟待突破。