氨是一种重要的零碳氢能载体，不仅便于大规模储运，也有望直接进入燃气轮机等动力装置中作为燃料使用。相比气态氨，液氨储运压力更低、成本更有优势，但真正把液氨“直接烧起来”并不容易。液氨在蒸发过程中会吸收大量热量，容易造成局部低温。同时，液氨喷雾又不同于传统液体燃料，单孔喷嘴喷出的液氨射流轴向动量大，容易一路向前“冲”，导致燃料和空气混合不充分，火焰也更难稳定。也就是说，液氨直燃要真正走向应用，首先要回答一个关键问题：怎样让纯液氨火焰在燃烧室里稳定、充分地燃烧？

围绕这一问题，本文首先对气氨和液氨燃烧进行了对比，找到了液氨火焰稳定性差的主要原因：一方面，液氨蒸发吸热会形成低温区域；另一方面，高轴向动量喷雾会破坏燃烧室内有利于稳燃的回流结构，并造成燃料在中心区域过度集中。基于这一认识，研究进一步设计了两类新型液氨喷嘴，即导流板喷嘴 LPN 和多孔喷嘴 LMN，并结合OH-PLIF/Mie散射光学诊断、尾气测量和两相大涡模拟，对喷雾、蒸发、混合和火焰稳定过程进行了系统分析，为纯液氨稳定燃烧提供了新的喷嘴设计思路。

本文核心目标：

1.  对比气氨、液氨燃烧差异，揭示液氨火焰失稳内在机理；

2.  设计两种优化喷嘴（导流板喷嘴LPN、多孔喷嘴LMN），对比基础单孔喷嘴（GDN），指出液氨喷嘴优化方向；

导流板喷嘴LPN的思路是让高速液氨射流先“撞”到导流板上，从而削弱轴向动量，使喷雾向径向扩散，并促进液滴破碎和蒸发。结果显示，LPN可将喷雾轴向动量降低至LSN的0.508~0.55倍，同时使回流区面积提升至1.686~1.929倍。不过，导流板也会带来新的问题：液滴撞击挡板后可能发生聚并，形成较大液滴，尤其在10/15 mm低矮导流板结构中，大液滴容易被气流快速带到下游，导致蒸发和反应不够充分。相比之下，多孔喷嘴LMN通过多股喷雾与旋流空气对冲，进一步强化空气卷吸和燃料分散，液滴尺寸更小、分布更均匀，也避免了大量大液滴生成。其混合长度仅为26 mm，蒸发速率和混合均匀度均表现最优，最终显著拓宽了液氨燃烧稳定范围，并有效降低未燃氨排放。

液氨燃气轮机燃烧优化核心准则：必须降低液氨喷雾轴向动量，以此缩小低温区、强化油气掺混，从根源改善火焰稳定性。本文开发的两种喷嘴实现单级燃烧室纯液氨高效稳定燃烧，给出了液氨喷嘴结构设计量化依据，为零碳氨燃料燃气轮机商业化应用提供可行技术路径。

图文：张猛