芮長勝 ，武郁文 ，王曉東 ，李 群 ，姜海龍 ，翁春生

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽 110015；2.瞬態(tài)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210094）

0 引言

爆震燃燒具有熱效率高、放熱速率快、工作范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，理論上具有比等壓燃燒更高的熱循環(huán)效率和熱量釋放速率，與等壓燃燒方式的常規(guī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)相比，基于爆震燃燒方式的航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)具有潛在的性能優(yōu)勢，被越來越多的學(xué)者所關(guān)注。爆震燃燒憑借自增壓特性、更高循環(huán)熱效率和熱釋放速率等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中有望大幅度提高其性能，具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。

20 世紀(jì)50 年代Voitsekhovskii[4]首先發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)爆震燃燒現(xiàn)象，經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，旋轉(zhuǎn)爆震燃燒機(jī)理逐漸清晰，正逐步轉(zhuǎn)向工程可行性研究。自2010 年開始，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者針對旋轉(zhuǎn)爆震燃燒航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)開展了大量試驗(yàn)測試和數(shù)值仿真工作，旋轉(zhuǎn)爆震燃燒應(yīng)用于航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性得到初步驗(yàn)證，旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室與渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的耦合技術(shù)也得到了一定發(fā)展。

本文對旋轉(zhuǎn)爆震燃燒航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的國內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 旋轉(zhuǎn)爆震燃燒原理及特點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)爆震是爆震燃燒的一種典型形式，其具有熱效率高、放熱速率快、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、工作范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，近年來在國內(nèi)外備受關(guān)注，成為推進(jìn)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[5-6]。旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理如圖1 所示。如圖中可見，旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室的結(jié)構(gòu)通常為環(huán)形，新鮮燃料和氧化劑從燃燒室頭部進(jìn)入，在混合室混合后形成可燃的預(yù)混氣進(jìn)入旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室，經(jīng)高能點(diǎn)火裝置引燃推進(jìn)劑，形成1 個(gè)或多個(gè)沿周向傳播的旋轉(zhuǎn)爆震波，燃?xì)饨?jīng)尾噴管加速后沿軸向排出[7]。與其它類型爆震燃燒方式比較，旋轉(zhuǎn)爆震燃燒有如下幾方面優(yōu)勢：首先，它只需1 次起爆，所產(chǎn)生的爆震波就可持續(xù)地旋轉(zhuǎn)傳播；其次，由于爆震波的自維持性和自壓縮性，可燃混合物可由爆震波增壓到一定壓強(qiáng)，可以在較低的增壓比下產(chǎn)生更大的有效功；此外，爆震波傳播方向與進(jìn)氣、排氣方向獨(dú)立，爆震波被封閉在燃燒室內(nèi)不噴出，主要用來進(jìn)行可燃混合物燃燒產(chǎn)生高效工質(zhì)，避免了爆震波噴出管外而造成的巨大能量損失。

圖1 旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室作為燃燒發(fā)生裝置，一般可布置于航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的外涵道、加力燃燒室、主燃燒室等不同位置，航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上可布置爆震燃燒室的位置如圖2 所示。由于爆震燃燒的自增壓特性以及熱力學(xué)循環(huán)效率高的特點(diǎn)，利用連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室替代常規(guī)航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的等壓燃燒室，可將發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)模式由等壓循環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)楸鹧h(huán)，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室效率，在發(fā)動(dòng)機(jī)相同總增壓比條件下還能減少壓氣機(jī)級數(shù)、降低發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，使發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)得到簡化，從而有效降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。

圖2 航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上可布置爆震燃燒室的位置

2 旋轉(zhuǎn)爆震燃燒航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)研究進(jìn)展

2.1 國外研究進(jìn)展

2.1.1 美國研究進(jìn)展

Wright-Patterson 空 軍 基 地 的Debarmore 等[8]與Welsh 等[9]在直徑為15 mm 的旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室（Rotating Detonation Combustion，RDC）出口處安裝T63 渦輪，采用氫氣為燃料，空氣為氧化劑進(jìn)行試驗(yàn)研究，T63 渦輪與旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)（Rotating Detonation Engine，RDE）組合試驗(yàn)裝置如圖3所示。試驗(yàn)成功獲得旋轉(zhuǎn)爆震波，傳播速度為1750 m/s，爆震產(chǎn)物經(jīng)過渦輪導(dǎo)向器葉片后靜壓衰減了約33.5%，但渦輪導(dǎo)向器后仍存在與旋轉(zhuǎn)爆震波頻率一致的壓力振蕩。測量了渦輪導(dǎo)向器出口的壓力、溫度等流場參數(shù)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過渦輪導(dǎo)向器的作用，滯止壓力的振幅下降約5%。

圖3 T63渦輪與RDE組合試驗(yàn)裝置[9]

創(chuàng)新科學(xué)解決方案公司的Naples 等[10-12]對T63（C20-250）燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，將其燃燒室替換為連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室，T63 旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)如圖4 所示。采用傳統(tǒng)燃燒室和RDC 分別驅(qū)動(dòng)T63 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究。RDC 的渦輪進(jìn)口不穩(wěn)定度比傳統(tǒng)燃燒室高500%～700%，通過尾部安裝空氣引射器來降低不穩(wěn)定性，最終達(dá)到與傳統(tǒng)燃燒室一致的水平。在該渦輪機(jī)組中，RDC 可以實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)燃燒室相似的渦輪效率。試驗(yàn)結(jié)果還表明，RDC 的高頻擾動(dòng)在渦輪中迅速消散，并可能是壓力增益燃燒應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵。

圖4 T63旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)[12]

Aerojet Rocketdyne 公司的Edward 等[13]開展了超過600 次旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室熱試車，包括：概念驗(yàn)證、利用氣態(tài)燃料（H2、CH4、C2H6、天然氣）成功實(shí)現(xiàn)起爆和穩(wěn)定爆震、結(jié)合等離子體技術(shù)實(shí)現(xiàn)效率提升、采用液態(tài)燃料（JP-8、JP-10）成功實(shí)現(xiàn)起爆和穩(wěn)定爆震等內(nèi)容，他們還進(jìn)一步對旋轉(zhuǎn)爆震渦輪組合技術(shù)開展了一系列的理論、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究工作。

普渡大學(xué)的Braun 等[14-15]分析了超聲速渦輪與旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室的耦合問題，旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室進(jìn)行了2維非定常雷諾時(shí)均N-S數(shù)值模擬，將此出口條件作為3 維非反應(yīng)的URANS 模擬的入口條件，研究了燃燒室下游的擴(kuò)散性噴嘴的影響。計(jì)算結(jié)果表明：長度為10 cm 的噴管提供了最佳阻尼。接著通過數(shù)值方式，研究了在爆震燃燒室與渦輪葉片組合情況下的超聲速流動(dòng)特性。Athmanathan 等[16]設(shè)計(jì)了1 個(gè)光學(xué)測試平臺(tái)，利用高速光學(xué)診斷技術(shù)來研究旋轉(zhuǎn)爆震波與渦輪之間的基本相互作用。

Sousa 等[17]對暴露在脈動(dòng)超聲速條件下的內(nèi)部流道所經(jīng)歷的不穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)描述。之后，Sousa等[18]設(shè)計(jì)了1 個(gè)超聲速渦輪機(jī)，Liu 等[19]將2 維RDC 出口數(shù)據(jù)賦予渦輪入口進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)葉片前緣的激波對總壓損失起到主導(dǎo)作用，穩(wěn)定流場的馬赫數(shù)如圖5所示。Liu等[20]提出了一種建模方法，通過在燃燒器下游加入擴(kuò)散器，并在保留機(jī)翼幾何形狀的情況下對渦輪端壁進(jìn)行輪廓處理，使旋轉(zhuǎn)引爆燃燒器和改造后的燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)越的熱力學(xué)循環(huán)。同時(shí)提出了多步驟的優(yōu)化策略，用幾個(gè)控制點(diǎn)對端壁的幾何形狀進(jìn)行參數(shù)化。

圖5 穩(wěn)定流場馬赫數(shù)[19]

2.1.2 波蘭研究進(jìn)展

2010年，華沙航空研究所啟動(dòng)了1項(xiàng)將連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)（Continuously Rotating Detonation Engine，CRDE）應(yīng)用于GTD-350 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的項(xiàng)目，GTD-350發(fā)動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)爆震組合方案如圖6所示。目的是研究爆震燃燒在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的可能性，并證明提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。Wolanski 等[21-23]改變多種GTD-350 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室構(gòu)型進(jìn)行試驗(yàn)，并選取最優(yōu)結(jié)構(gòu)的RDC 替代GTD-350 渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)等壓燃燒室，使發(fā)動(dòng)機(jī)更短、更簡單且性能更好，試驗(yàn)結(jié)果表明：發(fā)動(dòng)機(jī)可以在貧油條件下工作，在額定轉(zhuǎn)速下工作時(shí)燃油消耗率降低，利用旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室代替常規(guī)燃燒室后發(fā)動(dòng)機(jī)性能提高了5%～7%。

圖6 GTD-350發(fā)動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)爆震組合方案

2.1.3 德國研究進(jìn)展

柏林工業(yè)大學(xué)Bach 等[24-25]開發(fā)了一種具有模塊化參數(shù)的導(dǎo)向器，研究了不同葉片傾角對旋轉(zhuǎn)爆震傳播方向和性能的影響，研究表明：隨著質(zhì)量流量的增加，燃燒室的壓力明顯增大，葉片傾角對壓力增益影響不大，但對爆震波傳播方向有較大的影響。Asli等[26]對RDC出口條件下5種構(gòu)型的靜子葉柵進(jìn)行2維URANS 數(shù)值模擬計(jì)算，研究了葉柵幾何參數(shù)對總壓損失及速度角波動(dòng)等的影響。

2.1.4 日本研究進(jìn)展

名古屋大學(xué)的Ishiyama 等[27]和Higashi 等[28]以乙烯為燃料，氧氣為氧化劑，在帶有單級離心式壓氣機(jī)和單級徑流式渦輪的旋轉(zhuǎn)爆震渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了點(diǎn)火試驗(yàn)，點(diǎn)火試驗(yàn)裝置如圖7所示，發(fā)現(xiàn)了多種燃燒現(xiàn)象。試驗(yàn)中觀察到的燃燒波的速度為600～1300 m/s，為C-J值的25%～45%，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提高了160 r/min。

圖7 點(diǎn)火試驗(yàn)裝置[27-28]

2.1.5 俄羅斯研究進(jìn)展

俄羅斯科學(xué)院謝苗諾夫物理化學(xué)聯(lián)邦研究中心Frolov 等[29]成功測試了直徑為406 mm 的大尺寸旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室，其試驗(yàn)臺(tái)如圖8 所示。采用氫氣和空氣分別作為燃料和氧化劑，燃燒室總流量達(dá)到了7.5 kg/s，研究人員還在試驗(yàn)中為燃燒室安裝了收擴(kuò)噴管，進(jìn)一步提高了燃燒室內(nèi)的爆震波數(shù)量和推力。

圖8 直徑為406 mm的旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室試驗(yàn)臺(tái)[29]

Frolov 等[30]還設(shè)計(jì)、制造、測試了以TS-1 航空煤油為燃料的旋轉(zhuǎn)爆震加力燃燒室，并集成于TJ100S-125小型單回路渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)上在地面試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)爆震模式運(yùn)行，并觀察到縱向脈沖爆震模態(tài)和單波旋轉(zhuǎn)爆震模態(tài)。帶加力旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室的TJ100S-125 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)如圖9 所示。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同的燃燒室入口壓力下，與傳統(tǒng)加力燃燒室相比，帶旋轉(zhuǎn)爆震加力燃燒室的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗降低30%，比推力和推力系數(shù)提高30%，揭示了旋轉(zhuǎn)爆震加力燃燒室在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上的巨大應(yīng)用潛力。

圖9 帶加力旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室的TJ100S-125渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)[30]

2.1.6 白俄羅斯研究進(jìn)展

白俄羅斯國家科學(xué)院開發(fā)了旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室和TJ-20渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)串聯(lián)的試驗(yàn)臺(tái)，如圖10所示。研究了不同推進(jìn)劑組合下旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室的工作狀態(tài)[31]。發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴區(qū)域溫度和旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室的溫度分別增加了50 和70 K。其中，旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)提供了渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)25%的推力。

圖10 旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室和TJ-20渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)串聯(lián)的試驗(yàn)臺(tái)

2.1.7 國外研究進(jìn)展總結(jié)

國外各國經(jīng)過多年研究，已經(jīng)取得了諸多關(guān)鍵進(jìn)展。在試驗(yàn)方面開展了多種構(gòu)型的旋轉(zhuǎn)爆震燃燒渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)，驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室代替常規(guī)燃燒室后發(fā)動(dòng)機(jī)性能得到提高；同時(shí)系統(tǒng)地開展了數(shù)值模擬方面的研究，對于優(yōu)化旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室與渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)耦合提供了技術(shù)支持。

2.2 中國研究進(jìn)展

2.2.1 北京大學(xué)研究進(jìn)展

王健平等[32-33]通過試驗(yàn)和仿真等手段對旋轉(zhuǎn)爆震燃燒機(jī)理開展了大量主要研究，設(shè)計(jì)了多種構(gòu)型的旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室，進(jìn)行了燃燒起爆、湮滅、再起爆的機(jī)理研究，對使用多種燃料的旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室的工作特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并正在結(jié)合航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用需求，開展寬范圍燃燒特性研究。北京大學(xué)旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室如圖11所示。

圖11 北京大學(xué)旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室[32]

圖12 數(shù)值模擬得到的波系結(jié)構(gòu)[34]

Shen 等[34]對具有3 種超聲速導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室進(jìn)行了數(shù)值研究，并與無噴嘴導(dǎo)葉的基準(zhǔn)工況進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)對齊結(jié)構(gòu)具有最佳的非定常阻尼、流量調(diào)節(jié)、總壓增益和有用的功產(chǎn)量等綜合性能；并首次確定了一種稱為耙式?jīng)_擊波包絡(luò)線的沖擊結(jié)構(gòu)。數(shù)值模擬得到的波系結(jié)構(gòu)如12所示。

2.2.2 清華大學(xué)研究進(jìn)展

王兵等[35-37]設(shè)計(jì)了連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室試驗(yàn)平臺(tái)，探討了貧、富燃以及流量、當(dāng)量比變化對旋轉(zhuǎn)爆震波穩(wěn)定工作區(qū)間的影響規(guī)律，并分析了爆燃不不穩(wěn)定性爆震的形成機(jī)制和燃燒特性。旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室試驗(yàn)臺(tái)如圖13所示。

圖13 旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室試驗(yàn)臺(tái)[37]

計(jì)自飛等[38-39]提出了一種雙通道旋轉(zhuǎn)爆震航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（Dual-duct Rotating Detonation Aeroturbine, DRDATE）結(jié) 構(gòu)。在旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室的上游和下游分別設(shè)置隔離段和混合器，實(shí)現(xiàn)了渦輪機(jī)械與RDC 的相容性。將傳統(tǒng)的單環(huán)RDC 改為多環(huán)RDC，擴(kuò)大了RDC 的穩(wěn)定運(yùn)行范圍。建立了旋轉(zhuǎn)爆震過程的低階解析模型，計(jì)算結(jié)果與CFD 計(jì)算結(jié)果吻合較好。在此基礎(chǔ)上，建立了DRDATE飛機(jī)的性能仿真模型，研究了3 種不同飛行工況下飛機(jī)整體性能隨設(shè)計(jì)參數(shù)的變化規(guī)律。連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)方案如圖14所示。

圖14 連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)方案[38]

2.2.3 中山大學(xué)研究進(jìn)展

張成明等[40-41]研究了旋轉(zhuǎn)爆震燃燒與渦輪部件組合的工作特性，對旋轉(zhuǎn)爆震波與渦輪靜子葉柵的相互作用過程進(jìn)行了2 維數(shù)值模擬研究；然后又對旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室與轉(zhuǎn)子葉片相互作用進(jìn)行了3 維數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)爆震波與反射波對氣體的壓縮會(huì)導(dǎo)致葉片壁面溫度急劇升高，同時(shí)斜激波會(huì)改變氣流的流動(dòng)軌跡，導(dǎo)致氣流方向偏離入射角。爆震波與渦輪相互作用的流場輪廓如圖15所示。

圖15 爆震波與渦輪相互作用的流場輪廓[41]

2.2.4 南京理工大學(xué)研究進(jìn)展

翁春生課題組通過數(shù)值模擬及試驗(yàn)手段對旋轉(zhuǎn)爆震燃燒展開了大量研究。Wang 等[42-43]基于改進(jìn)型的時(shí)空守恒元與求解元方法（The Space-Time Conservation Element and Solution Element Method，CE/SE Method），數(shù)值研究了來流總溫和入口面積比下煤油/空氣旋轉(zhuǎn)爆震波的傳播特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著來流總溫的提高，三角形新鮮燃料層內(nèi)的已燃?xì)怏w容易發(fā)生爆燃現(xiàn)象，影響旋轉(zhuǎn)爆震波的傳播模態(tài)，入口面積比對于旋轉(zhuǎn)爆震波的傳播模態(tài)影響至關(guān)重要。沖壓式點(diǎn)旋轉(zhuǎn)爆震燃燒試驗(yàn)裝置如圖16所示。

圖16 沖壓式旋轉(zhuǎn)爆震燃燒試驗(yàn)裝置[49]

鄭權(quán)等[44-46]對使用液態(tài)煤油或汽油為燃料的旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。試驗(yàn)觀測到單波、同向雙波、單雙波混合、雙波對撞等傳播模態(tài)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著質(zhì)量流量的增大，兩相旋轉(zhuǎn)爆震波波頭數(shù)目呈現(xiàn)增多趨勢。還進(jìn)行了沖壓式旋轉(zhuǎn)爆震燃燒試驗(yàn)研究[47-49]，分析了凹腔長度對液體煤油沖壓旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性的影響。

續(xù)晗等[50-51]進(jìn)行了固體燃料的旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究，通過對比分析粉末旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)和氣體旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震特性和發(fā)動(dòng)機(jī)性能，揭示了粉末旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的具體特點(diǎn)。為吸氣式粉末燃料連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)奠定一定的實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。

Wu 等[52-54]開展了以氫氣為燃料，空氣為氧化劑的旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室與渦輪導(dǎo)向器耦合試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖17 所示，研究了不同當(dāng)量比下渦輪導(dǎo)向器對旋轉(zhuǎn)爆震波傳播特性的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過導(dǎo)向器作用后壓力振蕩的幅值及其靜壓均有明顯地降低；發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)爆震波與渦輪葉片作用后會(huì)產(chǎn)生反射激波向燃燒室中傳播，渦輪導(dǎo)向器對壓力振蕩存在衰減作用，且不同傳播方向的旋轉(zhuǎn)爆震波經(jīng)過渦輪導(dǎo)向器后壓力衰減有所不同。他們還進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)爆震波與渦輪平面葉柵相互作用數(shù)值模擬研究[55-56]，研究旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室內(nèi)的復(fù)雜波系與渦輪葉片的相互作用，分析渦輪葉柵對高頻爆震壓力振蕩的抑制作用，發(fā)現(xiàn)渦輪葉柵對高頻壓力振蕩存在明顯的抑制作用，渦輪葉柵上下游高頻壓力振蕩幅值的衰減率達(dá)到80%以上。

圖17 旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室與渦輪導(dǎo)向器耦合試驗(yàn)裝置[53]

Zhou 等[57-59]開展了軸流式渦輪與旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室組合的試驗(yàn)研究。研究了軸流式渦輪導(dǎo)向器對旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室工作特性的影響，分析了渦輪導(dǎo)向器對燃燒室內(nèi)旋轉(zhuǎn)爆震波傳穩(wěn)定性的影響，研究了軸流式渦輪對旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室工作特性的影響，分析了旋轉(zhuǎn)爆震波的傳播特點(diǎn)，以及穩(wěn)定爆震波建立過程的傳播規(guī)律。還開展了徑流式渦輪與旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室組合的試驗(yàn)研究，研究了徑流式渦輪導(dǎo)向器對旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室工作特性的影響，分析了徑流式渦輪對燃燒室內(nèi)爆震波傳播特性的影響。渦輪與旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室組合的試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D18所示。

圖18 渦輪與旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室組合的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚58]

2.2.5 空軍工程大學(xué)研究進(jìn)展

吉冰等[60-61]通過數(shù)值模擬方法研究了周向旋轉(zhuǎn)脈動(dòng)流場對渦輪性能的影響，表明渦輪進(jìn)口流動(dòng)不均勻會(huì)增加靜葉的工作負(fù)荷，但會(huì)產(chǎn)生更大的流動(dòng)損失。同時(shí)，轉(zhuǎn)子內(nèi)部通道渦和葉尖泄漏渦的強(qiáng)度也在增加。隨著流場不均勻性的增加，渦輪的質(zhì)量流量和工作效率降低。渦輪50%葉高處的瞬時(shí)總壓分布如圖19所示。

圖19 瞬時(shí)壓力分布 [61]

2.2.6 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究進(jìn)展

Su 等[62]系統(tǒng)推導(dǎo)了分別排氣渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和混合排氣渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)熱效率、實(shí)際循環(huán)功、油耗和單位推力的計(jì)算公式?；? 種研究方法，討論了不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)在不同壓比范圍下的燃油消耗率和單位推力性能。發(fā)現(xiàn)在特定燃燒室壓力比下，在中高壓比范圍內(nèi)，旋轉(zhuǎn)爆震渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的單位推力性能可與節(jié)能特性相結(jié)合，最高可提高4倍以上。傳統(tǒng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)爆震渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)如圖20所示。

圖20 傳統(tǒng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)爆震渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)[62]

2.2.7 廈門大學(xué)研究進(jìn)展

趙廷等[63]建立了級間旋轉(zhuǎn)爆震渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)集總參數(shù)模型，研究發(fā)現(xiàn)級間旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室的引入可實(shí)現(xiàn)對燃?xì)獾? 次增溫增壓，能夠較為明顯地提升渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)單位功率。相比于高熱力循環(huán)參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)，中、低熱力循環(huán)參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)引入級間旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室后的性能提升更為明顯。級間旋轉(zhuǎn)爆震渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)型如圖21所示。

圖21 級間旋轉(zhuǎn)爆震渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)型[63]

2.2.8 哈爾濱工程大學(xué)研究進(jìn)展

祈磊等[64-65]開展了面向燃?xì)廨啓C(jī)的旋轉(zhuǎn)爆震燃燒技術(shù)及循環(huán)特性研究，提出了直接摻混式旋轉(zhuǎn)爆震燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)方案和級間抽氣式旋轉(zhuǎn)爆震燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)方案，研究了渦輪進(jìn)口總溫、壓氣機(jī)壓比、壓氣機(jī)引氣等因素對旋轉(zhuǎn)爆震燃?xì)廨啓C(jī)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)2種旋轉(zhuǎn)爆震燃?xì)廨啓C(jī)方案的循環(huán)熱效率和循環(huán)凈功均優(yōu)于常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)，渦輪進(jìn)口總溫1279～1450 K時(shí)，循環(huán)效率提升6.87%～17.92%，循環(huán)凈功提高13.5%～25.76%。

2.2.9 西北工業(yè)大學(xué)研究進(jìn)展

趙明皓等[66-68]開展了不同燃燒室構(gòu)型對旋轉(zhuǎn)爆震波傳播特性的影響，分析了點(diǎn)火方式和點(diǎn)火位置對空筒型旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室起爆特性的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火方式對旋轉(zhuǎn)爆震波傳播方向影響較小，存在最佳相對點(diǎn)火位置使穩(wěn)定爆震模態(tài)建立時(shí)間最短且對應(yīng)的工作范圍最寬。朱亦圓等[69]開展了塞式噴管對旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室起爆、傳播和推進(jìn)特性影響的試驗(yàn)研究，安裝噴管的燃燒室推力可增加101.9%。

(1)根據(jù)單孔三次定流量抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用裘布依公式計(jì)算滲透系數(shù)，新化縣孟公集鎮(zhèn)泥盆系棋子橋組(D2q)灰?guī)r含水層滲透系數(shù)為0.22 m/d。

2.2.10 南京航空航天大學(xué)研究進(jìn)展

田佳等[70-71]針對旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室高熱流密度的熱防護(hù)需求，開展了旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室壁面燒蝕熱防護(hù)技術(shù)的數(shù)值仿真研究，并提出一種梯度熱防護(hù)結(jié)構(gòu)并開展了試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)低熱導(dǎo)率、高熱解潛熱和高熱解氣體質(zhì)量流率的高硅氧燒蝕層材料具有更好的熱防護(hù)效果。王元帥等[72]開展了旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室壁面氣膜冷卻的數(shù)值仿真研究，發(fā)現(xiàn)氣膜對爆震波傳播特性影響較小，且對燃燒斜激波覆蓋區(qū)域既有明顯的冷卻效果。

2.2.11 國防科技大學(xué)研究進(jìn)展

王迪等[73-74]對煤油燃料兩相旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室噴注器噴注霧化特性、點(diǎn)火起爆過程以及爆震波在燃燒室中的傳播特性進(jìn)行了數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)2相旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室的爆震波釋熱率比氣相較慢，對燃燒室壁面燒蝕程度較小。氧化劑中含氧量對2 相旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室中爆震波傳播速度影響很大，含氧量越大，爆震波頻率越大且傳播速度越快。

2.2.12 北京動(dòng)力機(jī)械研究所研究進(jìn)展

孟皓等[75]以小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，將旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室替代原渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的等壓燃燒室，開展了旋轉(zhuǎn)爆震渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)總體方案研究和性能分析，計(jì)算結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)爆震渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)可大幅提高渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)性能，寬馬赫數(shù)范圍單位推力平均增加39.5%，耗油率平均減小38.9%。他們還從工程應(yīng)用的角度分析將旋轉(zhuǎn)爆震燃燒應(yīng)用到吸氣式推進(jìn)系統(tǒng)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，提出采用液態(tài)燃料的旋轉(zhuǎn)爆震燃燒技術(shù)是未來重要的發(fā)展方向。旋轉(zhuǎn)爆震渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖22所示。

圖22 旋轉(zhuǎn)爆震渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)[75]

2.2.13 中國航發(fā)科研院所研究進(jìn)展

除上述高校和科研院所之外，西安航天動(dòng)力研究所、中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心、北京理工大學(xué)等也從不同技術(shù)角度對旋轉(zhuǎn)爆震燃燒開展了大量數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究的工作。

2.2.14 中國研究進(jìn)展總結(jié)

中國相較于國外開展的時(shí)間稍晚，但是也取得了很大的進(jìn)展。開展了旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室與渦輪耦合的試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)的可行性；開展了多種爆震波與渦輪相互作用的數(shù)值模擬研究，在微觀層面上揭示了旋轉(zhuǎn)爆震波與渦輪的相互作用機(jī)理。試驗(yàn)方面的研究相較于國外還是稍有欠缺，還未開展旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)的整體試驗(yàn)，有待突破。

3 需要深化研究的關(guān)鍵技術(shù)

國內(nèi)外在旋轉(zhuǎn)爆震燃燒渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算、數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證等方面已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展。然而要將旋轉(zhuǎn)爆震燃燒技術(shù)用到航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上，實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，還需要加快以下關(guān)鍵技術(shù)研究，主要包括：

（1）寬范圍進(jìn)氣下穩(wěn)定的爆震燃燒組織技術(shù)。航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道、加力燃燒室、主燃燒室等部位進(jìn)氣條件各不相同，進(jìn)氣溫度最低在300 K 左右，最高可達(dá)1000 K 以上，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的改變，燃燒室進(jìn)口氣流狀態(tài)也要發(fā)生變化，特別是加力燃燒室進(jìn)口還是貧氧的已燃?xì)怏w。目前的旋轉(zhuǎn)爆震燃燒技術(shù)研究，基本都是在穩(wěn)定進(jìn)氣且來流為純凈空氣條件下開展的，針對航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況則研究較少，需要加快開展低進(jìn)氣總溫起爆、寬范圍進(jìn)氣條件下穩(wěn)定爆震燃燒組織以及貧氧條件下起爆/自持等技術(shù)研究。

（2）大流量條件下旋轉(zhuǎn)爆震燃燒尺寸效應(yīng)問題。目前已開展的旋轉(zhuǎn)爆震燃燒試驗(yàn)采用的燃燒室尺寸一般在100～200 mm量級、空氣流量不超過10 kg/s，而大型航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室直徑可達(dá)1000 mm左右、空氣流量100 kg/s以上，如何實(shí)現(xiàn)大流量、大尺寸條件的爆震燃燒，需要開展不同尺寸下燃燒技術(shù)研究，以及單/多環(huán)結(jié)構(gòu)、異型結(jié)構(gòu)等不同結(jié)構(gòu)方案的研究。

（3）旋爆爆震燃燒氣流與渦輪的氣動(dòng)匹配技術(shù)。旋轉(zhuǎn)爆震燃燒出口的氣流流動(dòng)是非定常、非穩(wěn)態(tài)流場，處在一定的壓力脈動(dòng)，且燃燒室出口溫度場不均勻，高壓渦輪部件可能面臨效率下降甚至局部燒蝕的問題。旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室出口壓力比進(jìn)口壓力要高，對高壓渦輪的冷卻也帶來一定的挑戰(zhàn)。

（4）旋轉(zhuǎn)爆震燃燒壓力反傳抑制技術(shù)。旋轉(zhuǎn)爆震燃燒形成的高壓燃?xì)?，?dǎo)致出口壓力高于進(jìn)口，可能存在高壓燃?xì)獾沽鞯娘L(fēng)險(xiǎn)，必須對旋轉(zhuǎn)爆震燃燒壓力反傳進(jìn)行抑制，防止壓力前傳導(dǎo)致風(fēng)扇、壓氣機(jī)、低壓渦輪無法正常工作，同時(shí)風(fēng)扇、壓氣機(jī)、低壓渦輪也要開展在一定壓力反傳條件下的擴(kuò)穩(wěn)技術(shù)研究。

（5）高溫部件高效冷卻與熱防護(hù)技術(shù)。旋轉(zhuǎn)爆震燃燒的高能量密度特征會(huì)給燃燒室內(nèi)外壁帶來較大的熱負(fù)荷，導(dǎo)致燃燒室存在發(fā)生燒蝕的可能性，需要開發(fā)更耐高溫的新材料、高效再生冷卻、燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)化等新技術(shù)。

（6）高頻燃燒壓力波下振動(dòng)特性抑制技術(shù)。旋轉(zhuǎn)爆震燃燒渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)作用在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)上的氣動(dòng)載荷具有強(qiáng)周期性、非定常特點(diǎn)，高頻燃燒壓力波會(huì)改變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的彎曲剛度，并引起轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸向振動(dòng)，導(dǎo)致滾珠軸承的軸向支反力不斷變向，因此轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中必須考慮彎曲、扭轉(zhuǎn)和軸向3 方面的振動(dòng)，而轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)要求振動(dòng)幅值不超過限定值，為避免共振，還要求臨近轉(zhuǎn)速距離工作轉(zhuǎn)速存在20%以上的安全裕度，這些要求都對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出很大挑戰(zhàn)。

（7）旋轉(zhuǎn)爆震燃燒渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)總體技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)爆震航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)高效穩(wěn)定匹配，需要加快開展發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能匹配、總體結(jié)構(gòu)布局、適應(yīng)強(qiáng)周期性非定常流動(dòng)的耐高溫承力框架設(shè)計(jì)、渦輪冷卻封嚴(yán)、整機(jī)熱結(jié)構(gòu)匹配、控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等技術(shù)研究。

4 結(jié)束語

旋轉(zhuǎn)爆震具有更高的熱循環(huán)效率和熱釋放速率等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)替代常規(guī)燃燒室有其獨(dú)特的優(yōu)勢，有潛力進(jìn)一步提高航空推進(jìn)系統(tǒng)的性能。重點(diǎn)綜述了近年來旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)的研究進(jìn)展。國外各軍事強(qiáng)國通過多年研究，突破若干項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，加速推進(jìn)了旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室向航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用。同時(shí)，中國的研究也緊隨其后，甚至一部分關(guān)鍵技術(shù)已趕超國外。從加快實(shí)現(xiàn)向渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工程應(yīng)用的角度出發(fā)，分析了旋轉(zhuǎn)爆震燃燒航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)中國現(xiàn)有航空動(dòng)力裝置的升級換代，結(jié)合中國航空發(fā)展戰(zhàn)略對先進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)的需求，建議建立旋轉(zhuǎn)爆震航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)清單，制定旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室應(yīng)用于航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的長期發(fā)展規(guī)劃，實(shí)施專項(xiàng)技術(shù)研究計(jì)劃，組建工程研究院所與相關(guān)高校聯(lián)合的研究團(tuán)隊(duì)，共同發(fā)展旋轉(zhuǎn)爆震燃燒航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，開展仿真、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和集成驗(yàn)證研究，加快推進(jìn)爆震燃燒航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)成熟。