轴流涡轮与连续扩张燃烧室耦合结构中旋转爆轰波传播特性研究

为解决旋转爆轰燃烧室（RDC）与涡轮耦合运行特性问题，研究人员开展轴流涡轮与连续扩张燃烧室耦合结构中旋转爆轰传播特性研究。发现涡轮抑制气流轴向膨胀，提升爆轰波速，仅加导叶时燃烧最稳定。为 RDC 在燃气轮机应用奠定设计基础。

　　

在航空动力领域，传统燃烧方式因热释放速率慢、循环效率低，难以满足现代发动机高性能与低排放的双重需求。旋转爆轰燃烧作为一种新型增压燃烧技术，凭借快速热释放和高热力循环效率，成为替代传统爆燃燃烧的潜力之选。然而，将旋转爆轰燃烧室（Rotating Detonation Combustor, RDC）与涡轮发动机集成时，面临着组件匹配和燃烧控制等难题。例如，传统等宽环形燃烧室虽能实现稳定爆轰，但与涡轮衔接时气流膨胀导致的流动损失显著，且涡轮结构与爆轰波的相互作用机制尚不明确，制约了旋转爆轰涡轮发动机的实际应用。

为突破上述瓶颈，研究人员开展了轴流涡轮与连续扩张燃烧室耦合结构中旋转爆轰波传播特性的研究。该研究通过设计类似现有燃气轮机的连续扩张燃烧室，结合涡轮导叶和转子叶片，分析爆轰波在耦合结构中的传播规律，相关成果发表在《Fuel》。

研究采用特制小型涡喷发动机系统，主要包括压缩机、爆轰燃烧室和单级轴流涡轮。为避免旋转爆轰波与上游压缩机相互作用导致的不稳定，压缩机与 RDC 解耦，仅作为涡轮负载。实验中，高压空气和氢气（H?）被注入燃烧室，通过对比单独 RDC、RDC + 导叶、RDC + 导叶 + 转子叶片三种配置的性能，揭示涡轮结构对上游 RDC 运行的影响。

结果与讨论

• 涡轮结构对爆轰波速的影响：实验表明，涡轮的加入抑制了气流的轴向膨胀，从而提高了爆轰波传播速度。当空气流量为 350 g/s 时，爆轰波速度达到理论 Chapman-Jouguet（C-J）爆轰速度的 74%，且速度随当量比的增加而提升。而在空气流量为 270 g/s 时，氢气燃烧不完全导致爆轰波速仅为 C-J 速度的 38%，当量比变化对波速无显著影响。
• 涡轮组件对燃烧稳定性的影响：仅添加涡轮导叶时，实现了最稳定的旋转爆轰燃烧。高堵塞比的转子叶片阻碍了爆轰燃烧的实现，而降低涡轮转子堵塞比则可使爆轰燃烧稳定进行。

结论

该研究系统分析了连续扩张燃烧室与涡轮导叶、转子叶片耦合时旋转爆轰燃烧的传播特性。结果表明，涡轮组件的引入可提升旋转爆轰波传播速度，仅导叶配置下燃烧稳定性最佳。研究揭示了燃烧室扩张设计和涡轮结构对爆轰波传播的影响机制，为旋转爆轰燃烧在燃气轮机中的应用提供了基础设计依据，有助于推动高效低排放航空动力技术的发展。