表面粗糙度不再掣肘：3D打印喷油器为紧凑型燃气轮机多燃料低排放燃烧开辟新路

当太阳能和风能不足以满足能源需求时，燃气轮机可利用天然气发电。但能源转型的目标远不止于此。更大的挑战在于，如何让这些关键动力装置以尽可能低的碳排放运行，直接使用氢气、甲醇或其他电子燃料/绿色燃料。

然而，燃烧这些含碳或无碳燃料时，环保挑战接踵而至：碳烟与氮氧化物的生成，主要源于燃料与空气混合的"最后一公里"未能打通。传统喷射系统针对单一燃料优化，面对氢气、天然气、甲醇、煤油等物性差异巨大的燃料时，往往力不从心，导致混合物形成不足、排放增加，温室气体减排潜力远未充分释放。

根据3D科学谷的市场观察，这一技术缺口，有望被斯图加特大学与德国航空航天中心（DLR）联合开展的AMFlexInj项目进行填补。该项目通过增材制造（3D打印）技术，将航空涡轮机的先进喷射原理微型化，设计出能够适应多种燃料的新型微喷油器，即便打印表面存在微观粗糙度，也能实现优异的燃料-空气混合。

这一创新如何突破传统制造极限？紧凑型燃气轮机的燃料灵活性创新又将如何重塑分布式能源与海事推进的未来？本期谷·前沿将进一步探究这些话题。

一种增材制造的喷射系统，用于燃气轮机中替代燃料与化石燃料的清洁燃烧。

来源：斯图加特大学

燃料物性差异对喷射系统带来的挑战

燃气轮机燃烧含碳气体或液体时，碳烟与氮氧化物的生成主要源于燃料与空气混合不充分。

传统喷射系统通常针对单一燃料优化，但氢气、天然气、甲醇等电子燃料以及相对粘稠的煤油，其物理化学性质差异极大，导致现有紧凑型燃气轮机喷射系统难以在多种燃料下均实现理想的混合物形成。

其直接后果是排放升高，且温室气体减排潜力无法充分利用。对于能源系统、海事应用等场景而言，这构成了低碳转型的实质性障碍。

增材制造表面粗糙度卡住"微小开口"

增材制造已在燃气轮机的燃烧室、叶片等结构件上广泛应用，但喷射系统这一核心功能件却长期缺席。

原因在于，在金属粉末床熔融（PBF）工艺中，金属粉末被逐层熔化堆积，成形表面的粗糙度难以满足精密喷射要求。

当需要通过极细小的内部结构将精确量的燃料以细雾形式喷入燃烧室时，打印表面的微小缺陷会严重干扰雾化效果与流量精度。

这正是AMFlexInj项目要攻克的技术壁垒。

航空技术微型化，实现粗糙表面下的优异混合

AMFlexInj 项目团队的关键创新点在于，没有单纯追求绝对的光滑表面，而是将航空涡轮机中的先进喷射原理微型化，并首次融入增材制造喷射器设计。

研究团队通过协同优化3D打印生产参数、后处理步骤和喷射器几何形状，实现了极细内部结构的精确、可重复制造。

这一创新设计使得即便打印表面存在一定粗糙度，特殊设计的喷嘴仍能产生优异的燃料-空气混合，从而在实验室条件下实现了非常清洁的燃烧过程。

多轮迭代，从氢到煤油全面验证

项目团队首先将3D打印、后处理与喷射器几何形状的生产参数作为一个整体进行优化，确保极细内部结构的制造精度与一致性。

随后，在接近真实燃气轮机工况的实验室条件下，使用从氢气到煤油的各种燃料对喷油器进行测试，并将燃料分布、火焰稳定性、氮氧化物和碳烟排放与传统系统进行系统比较。

这一过程将在多个周期中重复迭代，直至性能、成本和排放指标达到目标参数。

从实验室走向产业化的关键一步

AMFlexInj（Additively Manufactured Micro-Injection Concepts as Enablers for Fuel-Flexible and Low-Emission Combustion Systems）是一项转化验证项目，由德国联邦研究与技术部（BMFTR）通过VIP+资助计划提供150万欧元支持，执行期至2029年底。

该项目建立在斯图加特大学燃烧技术研究所（IVLR）、机床研究所（IFW）与DLR燃烧技术研究所长期合作的基础之上，前期研究来自ICM自底向上项目（ICM-BUP-28）和DFG项目SPP 2419 – HyCAM。

目前，增材制造喷射器已在实验室条件下完成初步验证，研究团队计划下一步优化制造工艺与喷嘴几何形状，随后制造原型并在真实工况下与DLR合作测试多种燃料。

AMFlexInj项目的目标，是验证一种用于紧凑型燃气轮机的增材制造多燃料喷射器的技术可行性，同时保持低排放。更深远的意义在于，总燃烧器系统的增材制造将同步降低生产和开发成本。这是由于，燃烧室与燃烧器本身已广泛采用3D打印，集成化的喷射器制造可进一步压缩成本与供应链复杂度。项目成果为工业合作伙伴和被许可人提供了进一步开发的机会，有望应用在能源系统、海事应用，并有望在未来拓展至航空领域。

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