美國國家能源技術實驗室 (NETL) 的研究人員設計並測試了一個旋轉引爆引擎 (RDE) 的關鍵組件，這是一種新興的燃燒技術，可能有助於提高下一代燃氣渦輪機的效率，減少燃料消耗，並使其更加清潔。這項工作專注於壓力增益燃燒，這是一項長期以來被追求的渦輪技術進展。與傳統燃氣渦輪燃燒過程中通常會損失壓力不同，壓力增益燃燒可以在燃料燃燒過程中增加壓力。這可能顯著提升渦輪機性能，同時減少燃料使用並降低氮氧化物排放。
旋轉引爆引擎的運作原理與當前的渦輪燃燒器根本不同。RDE 並不依賴傳統的火焰燃燒，而是在一個腔體內使用快速移動的引爆波。這些波快速釋放能量，生成高壓脈衝，從而有潛力改善整體引擎效率。「我們能夠實現壓力增益燃燒，是因為 RDE 使用引爆波，而不是當前燃氣渦輪中使用的傳統燃燒方式。」NETL 的 Justin Weber 説，他與實驗室的先進渦輪團隊的同事共同負責這項專案。
「引爆釋放能量的速度更快，形成高壓脈衝和震波。然而，將這一概念轉化為可靠的硬件長期以來一直面臨科學和工程挑戰，特別是在確保在不同操作條件下的穩定、可重複引爆方面。」
NETL 研發的旋轉引爆引擎顯著提升燃氣渦輪機效率
這一挑戰一直是將 RDE 從有前景的實驗室概念轉變為實用的渦輪級系統的主要障礙之一。為瞭解決這一問題，NETL 的研究人員使用高保真計算流體動力學模擬重新設計了將燃料和空氣送入引爆腔的噴油器。早期的噴油器概念在啟動時存在不穩定性，使得難以可靠地產生和維持 RDE 運作所需的引爆波。團隊利用 CFD 模型檢查噴油器幾何形狀、流量分佈和燃料混合行為如何影響波的形成。
這一方法幫助研究人員開發出一種新型的空氣支撐噴油器配置。
根據 NETL 的説法，新設計能夠在產生較低的噴油器壓力損失的同時，持續引爆波，從而改善性能。這項研究展示了先進建模如何通過減少對經驗性測試的依賴來加速硬件開發，並使研究人員對在極端操作條件下燃燒動力學變化有更深入的理解。
NETL 隨後利用其水冷 RDE 測試平台對重新設計的噴油器進行測試，該研究設備旨在承受高壓引爆過程中的極端熱負荷。「為了驗證新設計，我們將噴油器整合進 NETL 的水冷 RDE 測試平台，這是一個設計用來承受高壓引爆過程中極端熱負荷的先進研究設備。」Weber 説。該結果直接支持 NETL 的先進渦輪計劃，該計劃專注於發展壓力增益燃燒並降低下一代燃氣渦輪的技術風險。
穩定的噴油器被視為實用的 RDE 系統的關鍵組件。通過在多種條件下展示一致的引爆行為，NETL 將這項技術推向了實際應用的邊緣。研究人員現在計劃繼續完善 RDE 組件，並探索與渦輪硬件的整合，最終目標是將壓力增益燃燒從實驗室帶到商業能源基礎設施中。
