随着环境污染问题的日益凸显,污染物限排标准日趋严格,低污染物排放量已是现代燃气轮机的必备特性。但随着高性能燃气轮机技术的发展,高压比和高涡轮进口温度进一步增加了NOx等污染物的生成量,无疑加大了低排放燃气轮机的设计难度。在这一背景下出现了许多性能优秀的低排放燃烧技术,贫油直喷技术(LDI)作为先进的低排放燃烧技术之一,具有巨大的低排放潜力(尤其是高温高压条件),其NOx排放量与LPP燃烧技术接近,但可以消除预混燃烧所产生的回火和自燃问题。因而,LDI燃烧技术的应用前景十分广阔。本文基于多点LDI燃烧技术,通过经验公式结构设计、一维化学网络模型(CRN)配气优化、三维CFD数值模拟周期拓展及全尺寸研究、验证等多种设计方法对某型燃气轮机燃烧室开展了改型和优化设计工作,将其改造成一款径向分级低排放燃烧室,并在此基础上总结了相关的设计流程。本文主要的研究工作如下:(1)通过传统的燃烧室结构设计经验公式和一维化学网络模型(CRN)分析方法,对单点LDI燃烧室的旋流器、文氏管等几何尺寸和空气流量分配等参数进行了设计与优化。确定了由旋流器进入主燃区参与燃烧的空气量为70%,冷却空气量为30%。(2)将一维空气流量分配优化结果作为边界条件,以单点LDI燃烧室为研究对象,研究了文氏管扩张角、收缩角及喉部尺寸等关键结构参数对燃烧性能的影响,对单点LDI燃烧室的结构进行了优化,获得了一个性能较为优秀的单点LDI燃烧室结构。(3)以优化设计得到的单点LDI燃烧室结构为基础,在简化的火焰筒上进行阵列组合,采用三维周期拓展分析方法研究了多点LDI燃烧室头部的组合形式、旋流器旋向、喷嘴中心距等方面对燃烧性能的影响,确定了两个(同旋向和反旋向)性能较为优秀的多点LDI燃烧室头部阵列组合形式及相关结构参数。(4)依据三维周期拓展分析结果建立了较为完整的燃烧室计算模型,对两个多点LDI燃烧室在全工况和30%工况下的燃烧性能进行了对比研究。研究结果显示:反向组合结构的燃烧性能最为优秀,全工况下NOx排放量为128.22ppm,较原型降低了67.95%,出口温度分布系数(OTDF)为14.35%,总压损失为4.76%;30%工况下采用中心值班级+反向主燃级2的工作模式可具有较低的NOx生成量,为45.10ppm,出口温度分布系数(OTDF)为28.09%,总压损失为4.99%,满足设计要求。(5)针对慢车工况下出口温度分布系数过高的问题,对中心值班级文氏管结构进行了改进,将文氏管扩张段的出口直径增加至59mm,出口温度分布系数由55.16%降至28.40%,满足设计要求。(6)对不同工况下的燃油分级策略进行了研究。慢车工况下采用中心值班级单独供油燃烧方式,30%-70%工况下采用中心值班级+主燃级2供油的燃烧方式,70%工况以上采用所有燃烧级供油的燃烧方式。30%-70%工况下采用中心级局部富油和主燃级局部贫油的燃烧方式可具有更好的NOx排放性能。此外还给出了径向分级低排放燃烧室的设计流程。