中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所 楊東丹 梁春華 孫明霞

脈沖爆震發(fā)動機(PDE)的研究已經(jīng)有近80年的歷史，其技術(shù)已經(jīng)得到了較充分的試驗驗證，研究發(fā)展日趨成熟。此外，由于其具有多項優(yōu)點，應(yīng)用范圍較廣泛，且21世紀美國空軍VAATE計劃的主要目標(biāo)就要求未來戰(zhàn)斗機必須降低成本，提高經(jīng)濟可承受性。因此，為滿足以上要求，從20世紀90年代后期，工業(yè)界紛紛開始利用PDE技術(shù)來探索研究先進推進系統(tǒng)方案，隨后將脈沖爆震燃燒室與渦輪發(fā)動機相結(jié)合，形成基于PDE的燃氣渦輪組合發(fā)動機(脈沖爆震燃燒室/加力燃燒室)的方案[1-5]，因而，總結(jié)脈沖爆震燃燒室/加力燃燒室的技術(shù)特點和優(yōu)勢，綜述其目前進展和關(guān)鍵技術(shù)，對相關(guān)研究人員具有重要的參考與借鑒意義。

1 脈沖爆震燃燒室/加力燃燒室的特點和優(yōu)勢

脈沖爆震燃燒室(PDC)/加力燃燒室，是指渦輪發(fā)動機定壓燃燒主燃燒室或者加力燃燒室采用爆震燃燒技術(shù)形成的燃燒室。根據(jù)脈沖爆震燃燒室在渦輪發(fā)動機的位置可以分為3種：渦噴或渦扇發(fā)動機脈沖爆震加力燃燒室，如圖1所示[6]；渦噴或渦扇或渦軸發(fā)動機脈沖爆震燃燒室，如圖2所示[6]；渦扇發(fā)動機外涵脈沖爆震加力燃燒室，如圖3所示[6]。

脈沖爆震燃燒技術(shù)優(yōu)勢包括以下：

(1)循環(huán)的熱效率高。等壓循環(huán)熱效率為0.27，等容循環(huán)熱效率為0.47，爆震循環(huán)熱效率為0.49。

(2)結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，推重比高。爆震燃燒具有自增壓能力，可使高壓部件級數(shù)大大減少，甚至直接替代核心機，從而使發(fā)動機質(zhì)量大大減輕，推重比提高。

圖1 渦噴或渦扇發(fā)動機脈沖爆震加力燃燒室Fig.1 Pulse detonation afterburner in turbine-jet or turbine-fan engine

圖2 渦噴或渦扇或渦軸發(fā)動機脈沖爆震燃燒室Fig.2 Pulse detonation combustion in turbine-jet or turbine-fan or turbine-shaft engine

圖3 渦扇發(fā)動機外涵脈沖爆震燃燒室Fig.3 Pulse detonation combustion in bypass duct of turbine-fan engine

(3)單位耗油率低。在飛行高度為10668m，飛行馬赫數(shù)為0.85時，采用脈沖爆震主燃燒室的大涵道比渦扇發(fā)動機的耗油率能降低8%～10%。

(4)增推效果好。與傳統(tǒng)加力燃燒室相比，采用脈沖爆震外涵加力燃燒室的渦扇發(fā)動機推力可增大1倍。

(5)排氣污染少。爆振波是超聲速傳播的，所以爆震燃燒快，效率高，產(chǎn)物在高溫區(qū)停留時間短，污染物尤其是氮氧化物的排放大大減少。

但是，仍然面臨著多管脈沖爆震燃燒室適用性、與壓氣機/渦輪的相互影響、系統(tǒng)級性能估算方法、周期性的高壓脈沖對渦輪效率及壽命的影響、脈沖爆震燃燒噪聲等多項難題。

2 脈沖爆震燃燒室/加力燃燒室的發(fā)展

20世紀40年代，德國Hoffmann等[7]進行了脈沖爆震點火試驗研究，試圖尋求最佳點火頻率。20 世紀50年代，很多學(xué)者對脈沖爆震發(fā)動機進行探索研究。其中，美國Michigan 大學(xué)Nicholls教授等[7]將脈沖爆震發(fā)動機作為推力發(fā)動機，進行可行性試驗研究； 20世紀60年代初，美國海軍Krzycki等[8]利用與Nicholls相類似的試驗設(shè)備，開展了丙烷/空氣爆震的試驗研究，并且重復(fù)了Nicholls 的試驗，積累了大量試驗數(shù)據(jù)； 20世紀70年代，蘇聯(lián)的Korovin[9]研究用于磁流體發(fā)電和化肥制造的工業(yè)型脈沖爆震反應(yīng)器，在無重大維修下工作2000h； 20世紀80年代后期，美國海軍研究生院的Helman等[10]提出了吸氣式脈沖爆震發(fā)動機概念，使PDE作為未來飛行器的動力裝置邁出了重要一步。這大大激發(fā)了業(yè)界對脈沖爆震發(fā)動機的研究興趣，除美國政府研究機構(gòu)和PW、GE、波音和洛克西德·馬丁等公司以外，日本、加拿大、法國、比利時、俄羅斯以及以色列等國的研究與學(xué)術(shù)界也積極開展脈沖爆震發(fā)動機技術(shù)研究。特別是，作為實現(xiàn)渦輪發(fā)動機推力增大新方案，渦輪發(fā)動機用外涵道脈沖爆震加力燃燒室、脈沖爆震加力燃燒室、脈沖爆震燃燒室等概念在21世紀得到美國政府研究機構(gòu)、工業(yè)部門和大學(xué)的一致認可，在理論與試驗研究方面開展了大量的探索與研究，目前已經(jīng)成為未來高性能、輕質(zhì)量、低成本航空發(fā)動機的潛在方案。

2.1 外涵道脈沖爆震加力燃燒室

20世紀90年代后期，美國空軍開始投資開發(fā)和驗證脈沖爆震燃燒發(fā)動機技術(shù)，1998～1999年共投入156萬美元，研究用于下一代有人和無人偵察/攻擊飛行器及吸氣式推進器的脈沖爆震燃燒發(fā)動機技術(shù)，特別是研究渦扇發(fā)動機脈沖爆震外涵加力燃燒室。

2000年，空軍研究試驗室Mawid等[11]研究了在渦扇發(fā)動機外涵道脈沖爆震加力燃燒室(見圖4)與傳統(tǒng)加力燃燒室的性能變化。研究將環(huán)形外涵分為18個扇形區(qū)，每個扇形區(qū)為20°，爆震燃燒在這些區(qū)域內(nèi)交替進行，在哪個時間點上需要閉合的扇形區(qū)取決于脈爆震頻率和循環(huán)時間，并采用轉(zhuǎn)動閥門控制填充和吹熄過程。Mawid將帶常規(guī)加力燃燒室的渦扇發(fā)動機與這種新的脈沖爆震/渦扇組合發(fā)動機方案的推力、耗油率以及單位推力進行了計算和對比。采用多維CFD分析，獲得外涵脈沖爆震裝置的性能數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，相比常規(guī)帶加力的渦扇發(fā)動機，外涵脈沖爆震加力燃燒渦扇發(fā)動機的性能顯著提高。特別是，當(dāng)外涵脈沖爆震加力燃燒室的爆震頻率為100Hz或者更高時，其推力和單位推力比常規(guī)加力式渦扇發(fā)動機的增大1倍，同時耗油率有所降低。

圖4 渦扇發(fā)動機外涵道脈沖爆震加力燃燒室Fig.4 Pulse detonation Afterburner in bypass duct of turbine-fan engine

2.2 脈沖爆震加力燃燒室

2001年，Mawid等[12-13]在現(xiàn)有渦扇發(fā)動機基礎(chǔ)上對加力燃燒室進行了改造，采用環(huán)形混合器、沿周向均勻分布18個多層脈沖爆震管，如圖5所示。該研究在確定的海平面靜態(tài)推力條件和確定的發(fā)動機尺寸下進行。根據(jù)流經(jīng)脈沖爆震加力燃燒室的發(fā)動機核心氣流比例，同樣通過采用多維CFD和循環(huán)分析，進行帶有脈沖爆震加力燃燒室的渦扇發(fā)動機性能的計算。然而，結(jié)果顯示相比常規(guī)加力渦扇發(fā)動機，其推力略微降低。Mawid將這種性能降低的原因歸結(jié)為：(1)通過脈沖爆震加力燃燒室內(nèi)部核心氣流增加，導(dǎo)致初始混合油氣比的降低；(2)在推力分析中忽略了脈沖爆震排氣流動量。

圖5 具有脈沖爆震加力燃燒室的渦扇發(fā)動機Fig.5 Turbine-fan engine with pulse detonation afterburner

2002年，Mawid進一步進行試驗及CFD 模擬[14]，通過增加適當(dāng)?shù)臄U張噴管(噴管出口面積與吼道處面積比≥1.71)獲得良好的性能，但是由于缺乏試驗數(shù)據(jù)，無法量化具有脈沖爆震加力燃燒室的渦扇發(fā)動機的理想計算性能，該項研究未得到很好的持續(xù)。

2.3 脈沖爆震燃燒室

進入21世紀后，對脈沖爆震/渦輪組合發(fā)動機的研究以脈沖爆震燃燒室為主，其中GE公司和AFRL的研究較多。

2.3.1 GE公司

2007～2011年，GE公司全球研究中心Venkat等[15-17]建立了脈沖爆震燃燒室模型(見圖6)，對脈沖爆震燃燒室進行了試驗。該研究目的是：(1)研究多管脈沖爆震燃燒室的適用性；(2)評估渦輪的效率；(3)量化多管脈沖爆震燃燒室與渦輪的相互影響；(4)定量渦輪的力學(xué)響應(yīng)；(5)獲取驗證計算方法的試驗數(shù)據(jù)。

一體化教學(xué)場所建設(shè)步入誤區(qū) 一體化教學(xué)改革中，教學(xué)場所一體化的動作是最大的。幾乎所有有條件的學(xué)校紛紛建造實訓(xùn)設(shè)備和理論教室于一室的一體化教學(xué)場所。面對這樣的一體化教學(xué)場所，隨之發(fā)生的是下面幾個問題。

圖6 GE公司具有脈沖爆震燃燒室的發(fā)動機結(jié)構(gòu)Fig.6 Engine construction with pulse detonation combustion of GE company

該試驗研究是在GE公司全球研究中心大型縮比多管脈沖爆震燃燒室/渦輪組合系統(tǒng)上進行的。該系統(tǒng)由環(huán)形排列的8個脈沖爆震燃燒管和1臺單級軸流渦輪組成。單級軸流渦輪額定流量、轉(zhuǎn)速和功率分別為3.63kg/s，25000r/min，746kW。Adam利用高頻壓力傳感器研究了流路內(nèi)壓力波間的相互干擾和流經(jīng)渦輪時的衰減變化,以及多管脈沖燃燒室在單管點燃、所有管同時點燃、所有管依次點燃等3種不同點火條件下的工作情況。試驗數(shù)據(jù)分析顯示，脈沖爆震燃燒室出口與渦輪進口面的過渡增壓波之間的相互干擾，對多管脈沖燃燒室的工作具有一定的影響；另外，氣流通過單級軸流渦輪時，峰值壓力脈沖減少2dB，寬頻噪聲減少10dB；最終試驗表明，如果對低于預(yù)期的燃油設(shè)計進行改進，脈沖爆震/渦輪組合發(fā)動機結(jié)構(gòu)的效率可以提高25%。

2.3.2 美國空軍研究試驗室

2002～2003年，美國空軍研究試驗室的Sivarai等[18-21]將脈沖爆震燃燒室與渦輪增壓器聯(lián)合進行試驗，并且通過高速壓力轉(zhuǎn)換器確定在爆震和放氣過程中放置渦輪的影響。試驗采用自吸氣式脈沖爆震燃燒室和Garrett T3渦輪增壓器。2個同時點燃的脈沖爆震管驅(qū)動渦輪，連續(xù)工作25min，沒有發(fā)現(xiàn)任何明顯性能損失和損壞，從而證明了脈沖爆震燃燒室與渦輪組合方案的可行性；且平均熱效率提高至6.8%；研究還發(fā)現(xiàn)，渦輪能夠衰減爆震波引發(fā)的震動，因而有利于降低噪聲。

2010～2013年，空軍研究試驗室Rouser等[22-24]進行了渦輪轉(zhuǎn)速、渦輪壓比、氣流溫度、速度和離開脈沖爆震燃燒室驅(qū)動的渦輪增壓器不穩(wěn)定排氣密度的研究，以及脈沖爆震燃燒室驅(qū)動徑向渦輪的能力和其適用性的研究，確定了渦輪進出口流場特性、時間分辨渦輪功率、循環(huán)平均單位推力以及等焓渦輪效率之間的關(guān)系。研究還提出并評估了不穩(wěn)定渦輪效率的表述，計算出熱傳遞影響，以及包括擴展加權(quán)的總壓比和統(tǒng)計的多個循環(huán)平均值。目的是設(shè)計試驗設(shè)備，將脈沖和穩(wěn)定狀態(tài)下渦輪的性能進行對比，整個試驗設(shè)備側(cè)視圖如圖7所示。

此項研究最終采用壓縮空氣代替燃燒燃氣驅(qū)動軸向渦輪，模擬脈沖爆震燃燒室循環(huán)。通過隨電機旋轉(zhuǎn)的球狀閥門模擬脈沖爆震燃燒室冷氣流，轉(zhuǎn)動閥放置在增壓室上游，并將氣流分為6股。2個帶有控制裝置的高壓電動機驅(qū)動閥門在所需頻率下轉(zhuǎn)動。

此項研究前期表明，采用脈沖爆震燃燒室比采用等壓燃燒室的單位推力增大41.3%，耗油率降低27.8%。這意味著，通過脈沖爆震燃燒室驅(qū)動渦輪增壓器增大單位推力是發(fā)展趨勢。然而，此項研究的后期表明，循環(huán)平均渦輪效率比制造商報告的常規(guī)穩(wěn)定渦輪的最大效率低30%。但是，爆震燃燒獲得的性能提高在一定程度上比渦輪性能衰減要多。穩(wěn)定與非穩(wěn)定渦輪工作的對比表明，產(chǎn)生相同推力時，脈沖爆震燃燒室驅(qū)動的非穩(wěn)定狀態(tài)工作渦輪效率較低。因此，未來脈沖爆震燃燒室驅(qū)動渦輪的潛力在于產(chǎn)生比穩(wěn)定燃燒驅(qū)動渦輪更大的推力。

3 脈沖爆震燃燒室/加力燃燒室關(guān)鍵技術(shù)

圖7 脈沖爆震燃燒室渦輪試驗段布局側(cè)視圖Fig.7 Side view of turbine test section configuration of pulse detonation combustion

(1)穩(wěn)定可靠的高頻短距起爆技術(shù)。直接起爆需要巨大的能量，因此，脈沖爆震渦輪發(fā)動機的發(fā)展需要解決高頻短距起爆問題，需要研究的問題包括：先進的點火方法，如預(yù)爆管點火、瞬態(tài)等離子體點火、分布式點火源點火等；脈沖爆震燃燒室內(nèi)障礙物的結(jié)構(gòu)優(yōu)化；液態(tài)燃料的噴射與混合以及起爆等。

(2)液體燃料與氧化劑的霧化、噴射、摻混。對于使用液體燃料脈沖爆震燃燒室來說，燃料的噴射、摻混和點火是最困難的問題之一，具有快速反應(yīng)時間、大質(zhì)量流率和有高度可控性的噴射系統(tǒng)對滿足脈沖爆震燃燒室高頻運行十分重要。

(3)脈沖爆震渦輪發(fā)動機控制技術(shù)。多管脈沖爆震燃燒室工作過程相互影響，因此要合理設(shè)計多管脈沖爆震燃燒室頭部的進氣結(jié)構(gòu)(有閥、無閥)。

(4)脈沖爆震燃燒室與壓氣機、渦輪的匹配。爆震波形成后，脈沖爆震燃燒室是高壓燃氣，所以必須在壓氣機與脈沖爆震燃燒室之間設(shè)計合適的氣動閥或者機械閥，以防止其高壓燃氣倒流進入壓氣機，引起壓氣機喘振。合理的機械閥或氣動閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化是未來一個重大挑戰(zhàn)。需要研究的問題包括：機械閥/氣動閥/旋轉(zhuǎn)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計；脈動出口條件下壓氣機的效率、穩(wěn)定性；壓氣機與多管脈沖爆震燃燒室之間的協(xié)調(diào)工作等。脈沖爆震燃燒室出口同渦輪的連接結(jié)構(gòu)將是未來研究的重點。其出口存在渦輪轉(zhuǎn)動部件，工作循環(huán)也會受渦輪的影響；另一方面，脈沖爆震燃燒室出口氣流是高幅值脈動的非定常流動，渦輪進口的參數(shù)變化劇烈?，F(xiàn)有的渦輪設(shè)計方法很難保證這種高幅值脈動氣流作用下渦輪的功率提取效率，因此需要研究的問題包括：脈沖爆震燃燒室與渦輪的相互作用；渦輪的非定常效率以及功率輸出；適合脈沖爆震燃燒室的渦輪結(jié)構(gòu)強度設(shè)計等。

(5)脈沖爆震渦輪發(fā)動機的性能分析方法與數(shù)值模擬技術(shù)，包括流場測量與診斷技術(shù)、非穩(wěn)態(tài)循環(huán)參數(shù)與性能參數(shù)測量等。

(6)脈沖爆震渦輪發(fā)動機的降噪技術(shù)。脈沖爆震燃燒室工作時產(chǎn)生巨大的非線性噪聲，需要研究主動噪聲控制技術(shù)等。

4 結(jié)束語

提高飛機機動性能和增大噴氣發(fā)動機短時間推力的需求，帶動了脈沖爆震燃燒室/加力燃燒室技術(shù)的蓬勃發(fā)展。在傳統(tǒng)燃燒室得到不斷改進和完善的同時，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、研究界與工業(yè)界正在創(chuàng)新地研究和試驗脈沖爆震燃燒室/加力燃燒室，并且已經(jīng)取得了顯著的進展。但是，研究與試驗結(jié)果表明，采用脈沖爆震技術(shù)的推進系統(tǒng)要進入使用階段，要面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，還有很多工程實際問題需要解決。

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