提高燃烧室内空气的进气压力及透平入口温度以提高循环热效率是国际上重型燃气轮机燃烧室技术的发展趋势,如何在燃气参数进一步提高的情况下,保证燃烧室内燃烧工况稳定以及较低的NO_x排放依然是燃气轮机燃烧室设计的关键问题。进气压力影响燃烧室内碳氢燃料中C、H原子与氧分子的燃烧反应过程,进而影响燃烧室内速度场、温度分布、燃烧不稳定性以及NO_x、CO等污染物的生成反应,而这些影响规律都无法通过常压燃烧实验获得,因此,深入开展高压条件下,气体燃料的贫-燃预混燃烧实验势在必行。本文以中央高校基本科研业务费专项资金重大项目(2014ZZD04)以及北京市自然基金面上项目(3162030)资助为依托,设计并搭建了“适用于燃气轮机特高膨胀比透平的燃烧器和压缩空气储能系统的高压模型燃烧室研究”的高压燃烧实验系统,可用于进气压力为0.1MPa~4.0 MPa范围内,气体燃料的贫-燃预混燃烧过程的实验研究。本文详细探讨了高压模型燃烧室的设计方法、实验系统的构成、主要零部件的选型与检验以及实验系统原理。基于此高压燃烧实验系统,深入开展了一系列高压条件下,气体燃料的贫-燃预混过程的燃烧实验。在此基础上,结合大涡模拟方法(Large Eddy Simulation,LES)进一步研究了高压条件下,旋流数、雷诺数、燃料当量比、值班比以及压力等燃烧室主要的结构和进气参数对3种不同类型燃烧室内热态流动、燃烧、污染物生成以及涡旋脱落、进动涡核以及低频振荡等燃烧室内大尺度不稳定性现象的影响规律,并对不同类型的燃烧室内各主要参数影响规律的异同进行了对比与总结,明确了各结构和进气参数在抑制燃烧室内NO_x生成以及燃烧不稳定性现象的重要作用,为燃气轮机干式低排放燃烧室的设计和改造提供参考。本文的具体工作如下:首先,参考国内外燃气轮机燃烧室的设计经验,对适用于燃气轮机特高膨胀比透平的燃烧器和压缩空气储能系统的高压模型燃烧室研究的高压燃烧实验系统进行了总体设计与计算,详细介绍了各个子系统的构成及原理,对主要的零部件进行了设计、选型及检验,对实验系统的控制软件进行了设计与改进;其次,基于高压燃烧实验装置,通过实验方法研究得到了高压条件下,进气压力、旋流数、雷诺数、燃料当量比等燃气轮机燃烧室主要的结构和进气参数对高压模型燃烧室内,贫-燃预混火焰形态、温度分布以及污染物排放的影响规律,并验证了高压条件下,亚格子湍流燃烧模型的适用性;再次,在燃烧实验的基础上,通过大涡模拟方法进一步精确地求解了实验手段无法获得的燃烧室内流场的空间和时间上的动态信息,系统地研究了燃烧室主要的结构和进气参数对高压模型燃烧室内热态流动、燃烧、污染物生成以及涡旋脱落、进动涡核以及低频振荡等燃烧室内大尺度不稳定性现象的影响规律;最后,在亚格子湍流燃烧模型适用性验证的基础上,采用大涡模拟方法对微、小型燃气轮机以及F级重型燃气轮机典型机组燃烧室内气体燃料的贫-燃预混燃烧过程进行了数值模拟,详细分析了燃烧室主要的结构和进气参数对燃烧室性能的影响规律,明确了各参数在抑制燃烧室内NO_x生成以及燃烧不稳定性现象的重要作用,为微、小型燃气轮机以及重型燃气轮机干式低排放燃烧室的设计和改造提供参考。