■ 夏姣輝 / 中國航發(fā)研究院

加力燃燒具有寬工況適應(yīng)性，除用于常規(guī)軍用渦扇發(fā)動機外，未來變循環(huán)發(fā)動機、常規(guī)起降高超聲速動力系統(tǒng)、單級入軌系統(tǒng)、新一代超聲速民航飛機動力等也可用加力燃燒技術(shù)作為突破循環(huán)切換“推力陷阱”的重要輔助手段。因此，在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，加力燃燒仍將作為航空發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)揮重要作用。

目前，常規(guī)主燃燒室受限于技術(shù)原理、材料性能和環(huán)保要求，已逐漸逼近設(shè)計極限，渦輪級間燃燒、超緊湊燃燒、定容燃燒等非常規(guī)燃燒技術(shù)尚未成熟，因而加力燃燒技術(shù)因其設(shè)計靈活性和應(yīng)用的便捷性，在可預(yù)見的未來不但不會消亡，還可能會進一步發(fā)展。基于對上述趨勢的清醒認識，各國的相關(guān)企業(yè)和科研機構(gòu)在對常規(guī)加力燃燒技術(shù)進行創(chuàng)新優(yōu)化的同時，也在各種新型加力燃燒技術(shù)上加大科研投入，力求在未來的競爭中占得先機。

表1 IHI公司設(shè)計的不同類型火焰穩(wěn)定器

常規(guī)加力燃燒技術(shù)的創(chuàng)新優(yōu)化

在常規(guī)加力燃燒技術(shù)的創(chuàng)新優(yōu)化方面，具有提高燃燒效率和降低耗油率作用的穩(wěn)燃技術(shù)是各國重點研究的方向之一。

日本穩(wěn)燃技術(shù)進展

在常規(guī)加力燃燒室穩(wěn)燃技術(shù)方面，日本石川島播磨重工（IHI）近年來開展了較多創(chuàng)新性研究，尤其在火焰穩(wěn)定器新結(jié)構(gòu)方面的研究工作較有參考價值，已公開的穩(wěn)定器新結(jié)構(gòu)見表1。

俄羅斯穩(wěn)燃技術(shù)進展

在俄羅斯研制的一個V形槽穩(wěn)定器與主燃燒室頭部旋流器結(jié)合的加力燃燒方案中（如圖1所示），研究人員在V形槽穩(wěn)定器內(nèi)部安裝了一種與常規(guī)主燃燒室頭部旋流器類似的結(jié)構(gòu)。根據(jù)推測，該結(jié)構(gòu)的設(shè)計目的一方面是改善燃油霧化摻混特性，從而改善加力燃燒室燃燒效率，提高加力燃燒溫升；另一方面是為了降低加力燃燒狀態(tài)下的耗油率，同時利用旋流器回流區(qū)與V形槽鈍體繞流回流區(qū)耦合，強化加力燃燒的火焰穩(wěn)定性，改善加力燃燒室內(nèi)的燃燒振蕩現(xiàn)象，拓寬火焰吹熄極限。

燃燒室中的橫向射流本身是一種有效的燃料摻混與火焰穩(wěn)定方式，且不需要任何機械結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單。但在加力燃燒室內(nèi)實現(xiàn)橫向射流點火與穩(wěn)燃技術(shù)難度較大，這主要是因為射流穿深與射流軌跡難以控制，且下游流場十分復(fù)雜。針對這種情況，俄羅斯研制了一款內(nèi)錐雙孔射流穩(wěn)燃加力燃燒方案（如圖2所示）。在該方案中，通過優(yōu)化的對置雙孔在發(fā)動機內(nèi)涵道尾錐處射流，兩股射流將相互碰撞并混合，隨后可在射流孔下游區(qū)域形成低速回流區(qū)結(jié)構(gòu)。利用橫向射流，只需確保火焰能夠可靠點燃、下游火焰能夠較好擴散，因此這一方案理論上具有較低的流動損失和較高的加力燃燒效率。但需注意的是，因為加力燃燒室內(nèi)涵道壓力較大，如射入的是燃油/空氣混合氣或單純是空氣，則需要對氣流進行增壓。

圖1 V形槽穩(wěn)定器—頭部旋流器組合穩(wěn)燃結(jié)構(gòu)

圖2 內(nèi)錐雙孔射流穩(wěn)燃加力燃燒室方案

常規(guī)加力燃燒技術(shù)發(fā)展趨勢

從IHI可控徑向穩(wěn)定器和俄羅斯的這幾種可調(diào)節(jié)加力燃燒室設(shè)計方案可見，隨著未來航空發(fā)動機控制裕度的提高，加力燃燒室有望向多模式、多余度、可調(diào)節(jié)、可控制方向發(fā)展。且從俄羅斯在加力燃燒室控制技術(shù)領(lǐng)域已公開的大量專利來看，俄羅斯已在加力燃燒控制技術(shù)方面做了較深的技術(shù)積累。但同時需注意到，可調(diào)節(jié)的火焰穩(wěn)定器也必然伴隨熱端部件冷卻問題，這是一個值得探討研究的技術(shù)細節(jié)。現(xiàn)代渦扇發(fā)動機加力燃燒過程中，單位容積釋熱率增大，產(chǎn)生振蕩燃燒的傾向也趨于明顯，尤其引入渦輪后框架一體化設(shè)計概念后，結(jié)構(gòu)更緊湊、系統(tǒng)剛性更強，而選用的穩(wěn)燃方式則越發(fā)簡易，因此更容易出現(xiàn)燃燒振蕩等不穩(wěn)定現(xiàn)象，通過防振隔熱屏、人工阻尼、調(diào)節(jié)脈動源等方式抑制或排除振蕩燃燒的難度也隨之加大。

在常規(guī)加力燃燒技術(shù)優(yōu)化方面，日本較為重視穩(wěn)燃器結(jié)構(gòu)方面的創(chuàng)新，同時十分重視成熟技術(shù)的組合搭配，并因此在一體化加力燃燒室方面取得了成功；而俄羅斯工程師較為重視加力燃燒室多余度控制方面的創(chuàng)新研究，利用由簡至繁的多種技術(shù)手段，實現(xiàn)了加力燃燒室在噴油與火焰穩(wěn)定器層面的多重、多余度控制與調(diào)節(jié)。當(dāng)然，在加力燃燒室日趨簡化的宏觀發(fā)展背景下，俄羅斯的技術(shù)嘗試與“少即是多”的現(xiàn)代航空工業(yè)發(fā)展理念幾乎背道而馳，其各項技術(shù)方案的應(yīng)用前景其實并不明朗，但也不失為現(xiàn)階段先進加力燃燒技術(shù)研究的有益參考。

新型加力燃燒技術(shù)

近十年來，各國公開了一部分新型加力燃燒原理及技術(shù)方案，主要包括：外涵道加力燃燒、爆炸加力燃燒、爆震加力燃燒、核能加力、渦流穩(wěn)燃加力、電加力和等離子體助燃加力等。其中，外涵道加力技術(shù)、爆炸加力技術(shù)、爆震加力技術(shù)和核能加力技術(shù)本質(zhì)上都屬于20世紀(jì)50年代左右的技術(shù)概念在新技術(shù)條件下的“死灰復(fù)燃”，而渦流穩(wěn)燃加力、電加力和等離子體加力技術(shù)則有一定的技術(shù)先進性。

外涵道加力燃燒技術(shù)

外涵道加力燃燒技術(shù)一般是指在發(fā)動機外涵道布置類似于主燃燒室的燃燒結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)外涵道氣流的高效燃燒。當(dāng)前，即便在現(xiàn)階段的渦扇發(fā)動機低壓壓氣機壓比較高的情況下，外涵道壓力對于高效燃燒而言仍然偏低，因此目前這方面技術(shù)多以方案為主，較少進入實用階段。但是，隨著變循環(huán)發(fā)動機技術(shù)的逐漸成熟，通過進氣道多組激波增壓后的外涵道氣流已可達到主燃燒室一級的水平，且由于涵道通流隨發(fā)動機循環(huán)狀態(tài)發(fā)生變化，加力燃燒室在高超聲速條件下將承擔(dān)起主燃燒室的作用，因此外涵道加力燃燒技術(shù)研究重新具有了應(yīng)用前景。

以GE航空集團公開的風(fēng)扇增壓外涵道加力燃燒室為例（如圖3所示）。該方案在低壓壓氣機、中壓壓氣機和高壓壓氣機的葉尖延伸布置了葉尖渦輪系統(tǒng)，在發(fā)動機常規(guī)加力燃燒室接通、飛行器超聲速飛行、發(fā)動機達到常規(guī)最大推力狀態(tài)下，通過進氣閥調(diào)節(jié)內(nèi)外涵道的流量，使外涵道氣流達到一定的流量和壓力。此時，在發(fā)動機低壓壓氣機出口附近噴射一股燃料，可在中壓壓氣機頂部外涵燃燒室附近點火燃燒，并驅(qū)動中壓壓氣機、高壓壓氣機葉頂渦輪輸出功率，加速壓氣機旋轉(zhuǎn)，從而進一步提升發(fā)動機高速下極限推力。

利用這一技術(shù)，理論上可讓發(fā)動機跨越渦噴/渦扇發(fā)動機常規(guī)加力燃燒無法跨越的“推力陷阱”，使發(fā)動機加速到?jīng)_壓模態(tài)，因此，這是一種循環(huán)過渡態(tài)加力燃燒技術(shù)。

圖3 GE航空集團的外涵道加力燃燒室方案

爆炸加力燃燒技術(shù)和爆震加力技術(shù)

爆炸加力燃燒技術(shù)是指利用三硝基甲苯（TNT）炸藥等爆炸形成的沖擊波，瞬間提升發(fā)動機推力。這種工作模式不用于載人飛行，但對于高速無人飛行器有十分明顯的大加速度優(yōu)勢。這方面研究工作目前還處于起步階段，可供參考的資料較少，俄羅斯研究的一種概念設(shè)計如圖4所示。

爆震加力技術(shù)是指將定容燃燒、旋轉(zhuǎn)爆震或脈沖爆震等裝置應(yīng)用于加力燃燒室內(nèi)，從而實現(xiàn)爆震加力燃燒。這方面研究工作開展得較多，各類方案層出不窮，但尚未出現(xiàn)任何有工程價值的技術(shù)構(gòu)型。

圖4 TNT爆炸加力發(fā)動機概念圖

圖5 俄羅斯核能燃燒室技術(shù)方案

核能加力燃燒技術(shù)

核能加力燃燒技術(shù)看上去是一種較為激進的概念，但早在20世紀(jì)50年代，美國、蘇聯(lián)的工程師就在這一領(lǐng)域開展了大量研究。近年來，由于可控核反應(yīng)、可控核輻射技術(shù)的逐漸發(fā)展，核能加力燃燒室又被重新提出，如俄羅斯科學(xué)家目前提出的方案（如圖5所示）。這一方案綜合了布雷頓、郎肯循環(huán)和斯特林循環(huán)等多種循環(huán)方式，可利用核輻射能與核裂變能使飛行器超長時間巡航。目前俄羅斯科學(xué)家已對該方案原理與實現(xiàn)形式做了較為系統(tǒng)的研究、論證與分析，具備初步技術(shù)可行性。

等離子體助燃加力技術(shù)

進入21世紀(jì)后，電氣技術(shù)的發(fā)展速度遠快于傳統(tǒng)機械技術(shù)?？梢灶A(yù)見，現(xiàn)代及未來航空發(fā)動機將越來越多地引入電力裝置，以替代過去需要大量機械結(jié)構(gòu)才能實現(xiàn)的功能。而在航空發(fā)動機燃燒技術(shù)層面，尤其是加力燃燒技術(shù)層面，最有應(yīng)用前景的新技術(shù)就是等離子體助燃技術(shù)。

等離子體助燃本身并非新概念，但由于等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜、沉重，將其應(yīng)用于航空發(fā)動機可獲得的收益不足以補償其結(jié)構(gòu)質(zhì)量與復(fù)雜度帶來的問題。但隨著納秒脈沖表面介質(zhì)阻擋放電（SDBD）、準(zhǔn)直流絲狀放電、直流放電、等離子體—中性氣體等技術(shù)方案的模塊化、小型化甚至微型化，將其應(yīng)用于航空發(fā)動機的流動微尺度控制與燃燒的強化已經(jīng)成為了現(xiàn)實。其中最為典型的應(yīng)用為GE航空集團正在開發(fā)的新型主燃燒室TAPS X，在其頭部結(jié)構(gòu)中引入了等離子體發(fā)生裝置，用于改善燃燒室極貧油工況燃燒性能，并有望解決振蕩燃燒不穩(wěn)定問題。而加力燃燒室由于空間較大、可調(diào)整的結(jié)構(gòu)較多，因而更適用等離子體流動控制與助燃技術(shù)。

結(jié)束語

上述創(chuàng)新加力燃燒方案或技術(shù)在原理上都是科學(xué)、可行的，但從工程實用角度看，均還需進一步論證或驗證，尤其針對較有應(yīng)用前景的等離子體助燃技術(shù)，還需開展大量的基礎(chǔ)研究工作，以掌握其工作特性和助燃機理，以促進其盡快得到應(yīng)用。