美國國家能源技術實驗室(National Energy Technology Laboratory, NETL)的研究人員近日完成了旋轉爆震發動機(Rotating Detonation Engine, RDE)關鍵部件的設計與測試，為下一代高效、低耗能、低排放燃氣輪機技術的發展提供了新的技術路徑。該研究聚焦于長期被視為燃氣輪機領域重要突破方向的壓力增益燃燒(Pressure Gain Combustion, PGC)技術。

與傳統燃氣輪機燃燒方式不同，常規燃燒過程通常會導致壓力損失，而壓力增益燃燒能夠在燃料燃燒過程中提升壓力，從而改善發動機整體性能。研究人員表示，該技術有望提高燃氣輪機效率，減少燃料消耗，并降低氮氧化物(Nitrogen Oxides, NOx)排放。

旋轉爆震發動機采用與現有燃氣輪機完全不同的能量釋放方式。傳統燃燒依靠穩定火焰釋放熱量，而RDE利用燃燒室內高速移動的爆震波(detonation waves)進行能量轉換。這些爆震波能夠快速釋放能量，并形成高壓脈沖，有可能進一步提高發動機效率。

該項目負責人、國家能源技術實驗室先進渦輪研究團隊(Advanced Turbines research team)的賈斯汀·韋伯(Justin Weber)表示，RDE之所以能夠實現壓力增益燃燒，是因為其依靠爆震波運行，而非當前燃氣輪機采用的傳統燃燒模式。他指出，爆震過程能夠更迅速地釋放能量，形成高壓脈沖和沖擊波，但如何將這一概念轉化為穩定可靠的工程設備，一直是制約該技術發展的主要難題，尤其是在不同運行條件下保持爆震過程穩定和可重復方面。

為解決這一問題，NETL研究團隊利用高精度計算流體動力學模擬(Computational Fluid Dynamics, CFD)技術，對向爆震燃燒室輸送燃料和空氣的噴射器進行了重新設計。此前的噴射器方案存在啟動不穩定的問題，難以持續產生RDE運行所需的爆震波。

研究人員通過CFD模型分析噴射器結構、流量分布以及燃料混合方式對爆震波形成過程的影響，并據此開發出一種新型氣動支撐噴射器(novel-aero strut injector)結構。NETL表示，該設計能夠維持穩定爆震波，同時降低噴射器兩端的壓力損失，從而提升系統運行性能。

隨后，研究團隊在NETL的水冷式旋轉爆震發動機測試平臺(water-cooled RDE test platform)上對新型噴射器進行了實驗驗證。該測試平臺是一套專門用于承受高壓爆震環境極端熱負荷的研究裝置，能夠模擬未來實際燃氣輪機系統中的運行條件。

測試結果顯示，新設計噴射器能夠在多種運行狀態下保持穩定爆震行為，為RDE技術從實驗室研究走向實際工程應用提供了關鍵支持。該成果也服務于NETL先進渦輪項目(Advanced Turbines Program)，該項目旨在推動壓力增益燃燒技術成熟，并降低下一代燃氣輪機開發過程中的技術風險。

研究人員下一步將繼續優化旋轉爆震發動機部件，并探索其與現有燃氣輪機設備的集成方式，以推動壓力增益燃燒技術從實驗環境進一步應用于商業能源基礎設施。