美國國家實驗室旋轉爆震引擎獲重大突破，有望大幅提升燃氣渦輪效率

美國國家實驗室旋轉爆震引擎獲重大突破

美國國家能源技術實驗室（NETL）的研究團隊成功設計並測試了旋轉爆震引擎（Rotating Detonation Engines, RDEs）的關鍵元件。這項新興燃燒技術有望協助次世代燃氣渦輪實現更高效率、更低燃料消耗及更潔淨的排放表現。

該研究聚焦於「壓力增益燃燒」（pressure gain combustion），這是渦輪技術領域長期追求的重大突破。傳統燃氣渦輪在燃燒過程中通常會損失壓力，而壓力增益燃燒則能在燃燒燃料的同時提升壓力，有望顯著改善渦輪性能、減少燃料使用，並降低氮氧化物（NOx）排放。

旋轉爆震引擎的運作原理

旋轉爆震引擎的運作方式與現今渦輪燃燒器截然不同。RDE 不依賴傳統的火焰燃燒方式，而是在燃燒室內利用高速運動的爆震波。這些爆震波能快速釋放能量，產生高壓脈衝，有潛力提升整體引擎效率。

NETL 研究員 Justin Weber 表示：「我們之所以能透過 RDE 實現壓力增益燃燒，是因為它們使用爆震波運作，而非當今燃氣渦輪所採用的傳統燃燒方式。爆震能更快速地釋放能量，形成高壓脈衝和震波。」

但他也坦言：「將這個概念轉化為可靠的硬體一直面臨科學和工程上的挑戰——尤其是在不同運作條件下確保穩定且可重複的爆震。」這項挑戰一直是將 RDE 從實驗室概念推向渦輪級實用系統的主要障礙。

電腦模擬引導噴射器重新設計

為解決上述問題，NETL 研究人員運用高保真計算流體力學（CFD）模擬技術，重新設計了將燃料和空氣送入爆震室的噴射器。

早期的噴射器設計存在啟動不穩定的問題，難以可靠地產生並維持 RDE 運作所需的爆震波。研究團隊透過 CFD 模型，深入分析噴射器幾何形狀、流量分布及燃料混合行為對波形成的影響。

這項方法幫助研究人員開發出一種新型「氣動支柱噴射器」（aero strut injector）配置。根據 NETL 的資料，新設計能在維持爆震波的同時，產生較低的噴射器壓降，進而提升整體性能。

該研究也展示了先進模擬技術如何透過減少試誤法（trial-and-error）的依賴，加速硬體開發進程，同時讓研究人員更深入理解極端運作條件下燃燒動態的變化。

測試確認穩定爆震波

NETL 隨後利用其水冷式 RDE 測試平台對重新設計的噴射器進行實測。該研究設備專為承受高壓爆震期間的極端熱負荷而打造。

Weber 表示：「為驗證新設計，我們將噴射器整合至 NETL 的水冷式 RDE 測試平台——這是一套專為承受高壓爆震期間極端熱負荷而設計的先進研究設備。」

測試結果直接支持 NETL 的先進渦輪計畫，該計畫專注於推動壓力增益燃燒技術成熟化，並降低次世代燃氣渦輪的技術風險。

穩定的噴射器被視為實用化 RDE 系統的關鍵基礎元件。NETL 在多種條件下展示了一致的爆震行為，使這項技術更接近實際應用部署。

研究團隊計畫繼續精進 RDE 元件，並探索與渦輪硬體的整合方案，最終目標是將壓力增益燃燒技術從實驗室推向商業化能源基礎設施。

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