随着对燃气轮机污染物排放的限制越来越苛刻,低污染燃气轮机的设计得到越来越多的重视。因为贫燃预混的燃烧方案可以大大降低NO_x排放,各国学者们纷纷展开了对贫燃预混燃烧室的设计研究。对于低污染燃烧室,我国的低NO_x排放燃烧技术研究起步较晚,基础研究成果和燃烧室工程研制均与国外有明显差距。因此本文对NO_x排放的影响因素进行分析与计算,提出低排放燃烧室设计方法,并对预混燃烧特性进行了系统深入的研究。低污染排放的主要实现途径是采用预混和分级燃烧方法,控制燃料空气混合方式及燃烧流场结构,实现温度场合理分布,减少高温燃气停留时间,从而达到低污染排放的要求。贫燃预混燃烧系统在低排放的同时,可能会产生回火吹熄等燃烧不稳定现象,影响燃气轮机整体性能,甚至会损坏燃气轮机部件。因此,深入开展贫燃预混燃烧特性方面的技术研究,对燃气轮机低排放燃烧室的设计和安全平稳运行具有重要的实用价值,本文开展了以下几个方面的研究工作:(1)通过与实验结果对比,验证了不同湍流模型(RANS和LES)及湍流燃烧模型(FPV、PaSR和输运型PDF)的计算特性,包括CPU耗时和计算精度的对比。对带有值班级的贫燃预混系列火焰进行火焰模式分区的计算验证和实验分析,确定了湍流燃烧模型和化学反应机理的适用性。(2)通过实验和计算分析了旋流燃烧室的燃烧模式及其对燃烧场和排放特性的影响研究。不同旋流器出口通道形状会直接影响空气与燃料的掺混特性,可以将扩散火焰转变成部分预混火焰,进而降低火焰温度和NO_x排放。(3)通过实验和计算分析了低旋流燃烧室的燃烧特性,着重分析了低旋流的速度场分布和火焰稳定机理。与传统高旋流燃烧相比,低旋流燃烧会大大减少高温燃气停留时间,在维持极低的NO_x排放的同时,CO排放基本不变。(4)通过实验方法研究了基于西门子SGT-800贫燃预混旋流燃烧室在常温常压下的回火和吹熄过程,为贫燃预混燃烧室设计及其操作提供了指导意义。(5)总结验证了传统燃烧室的设计思路及计算公式,在此基础上修正了贫燃预混燃烧室尺寸的经验公式,开发了低旋流值班和分级贫燃预混燃烧室的设计流程。计算研究了不同动量比和喷射位置对掺混特性的影响以及多斜孔冷却技术。