美国国家能源技术实验室(National Energy Technology Laboratory, NETL)的研究人员近日完成了旋转爆震发动机(Rotating Detonation Engine, RDE)关键部件的设计与测试，为下一代高效、低耗能、低排放燃气轮机技术的发展提供了新的技术路径。该研究聚焦于长期被视为燃气轮机领域重要突破方向的压力增益燃烧(Pressure Gain Combustion, PGC)技术。
与传统燃气轮机燃烧方式不同，常规燃烧过程通常会导致压力损失，而压力增益燃烧能够在燃料燃烧过程中提升压力，从而改善发动机整体性能。研究人员表示，该技术有望提高燃气轮机效率，减少燃料消耗，并降低氮氧化物(Nitrogen Oxides, NOx)排放。
旋转爆震发动机采用与现有燃气轮机完全不同的能量释放方式。传统燃烧依靠稳定火焰释放热量，而RDE利用燃烧室内高速移动的爆震波(detonation waves)进行能量转换。这些爆震波能够快速释放能量，并形成高压脉冲，有可能进一步提高发动机效率。
该项目负责人、国家能源技术实验室先进涡轮研究团队(Advanced Turbines research team)的贾斯汀·韦伯(Justin Weber)表示，RDE之所以能够实现压力增益燃烧，是因为其依靠爆震波运行，而非当前燃气轮机采用的传统燃烧模式。他指出，爆震过程能够更迅速地释放能量，形成高压脉冲和冲击波，但如何将这一概念转化为稳定可靠的工程设备，一直是制约该技术发展的主要难题，尤其是在不同运行条件下保持爆震过程稳定和可重复方面。
为解决这一问题，NETL研究团队利用高精度计算流体动力学模拟(Computational Fluid Dynamics, CFD)技术，对向爆震燃烧室输送燃料和空气的喷射器进行了重新设计。此前的喷射器方案存在启动不稳定的问题，难以持续产生RDE运行所需的爆震波。
研究人员通过CFD模型分析喷射器结构、流量分布以及燃料混合方式对爆震波形成过程的影响，并据此开发出一种新型气动支撑喷射器(novel-aero strut injector)结构。NETL表示，该设计能够维持稳定爆震波，同时降低喷射器两端的压力损失，从而提升系统运行性能。
随后，研究团队在NETL的水冷式旋转爆震发动机测试平台(water-cooled RDE test platform)上对新型喷射器进行了实验验证。该测试平台是一套专门用于承受高压爆震环境极端热负荷的研究装置，能够模拟未来实际燃气轮机系统中的运行条件。
测试结果显示，新设计喷射器能够在多种运行状态下保持稳定爆震行为，为RDE技术从实验室研究走向实际工程应用提供了关键支持。该成果也服务于NETL先进涡轮项目(Advanced Turbines Program)，该项目旨在推动压力增益燃烧技术成熟，并降低下一代燃气轮机开发过程中的技术风险。
研究人员下一步将继续优化旋转爆震发动机部件，并探索其与现有燃气轮机设备的集成方式，以推动压力增益燃烧技术从实验环境进一步应用于商业能源基础设施。
