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人类正面临着化石能源枯竭、污染严重等主要的能源危机和环境问题,生物质气作为可再生能源在世界范围内受到了广泛关注。分布式供能系统能够很好地适应生物质气分散以及小规模应用的特点。微型燃气轮机是分布式供能系统中应用广泛的动力机械,具有结构紧凑、污染物排放低、输出功率高等优点,能够适应不同的燃料条件,是生物质气应用很好的载体。燃烧室和喷嘴的性能是保证燃料替换后微型燃气轮机正常工作的保证。本文通过实验研究了60kW级微型燃气轮机预混喷嘴的流动特性和流场结构,为微型燃气轮机生物质气适应性优化改型提供了实验结论和参考。首先基于60kW级微型燃气轮机的燃烧室结构,设计了原喷嘴和两种优化新喷嘴以及燃烧室的模型实验件,同时设计并搭建了单喷嘴燃烧室实验系统。根据微型燃气轮机的真实运行参数以及模化实验准则确定实验参数,研究了空气总流量、空气温度、燃料流量和喷嘴内外压力差对喷嘴预混过量空气系数的影响。实验结果表明:新设计的喷嘴在模拟生物质气的条件下有更佳的过量空气系数,预混气体过量空气系数在各工况下比原喷嘴高约0.5;流经喷嘴的空气总流量的增加会使进入喷嘴内部的空气比例增加;空气温度对过量空气系数影响甚微;燃料流量的增加会导致进入喷嘴的空气减少,导致过量空气系数减小;喷嘴内外压差是影响过量空气系数的主要原因。在流动实验基础上,利用PIV测试技术详细研究了原喷嘴以及两种优化新喷嘴内部及燃烧室的流场结构。结果表明:3种喷嘴的结构对燃烧室流场的结构影响较小;新喷嘴出口平均速度比原喷嘴高10%,且在出口能形成稳定的旋流运动,有助于预混;新喷嘴在出口位置流场的湍流度比原喷嘴低50.9%,有利于流场稳定。基于PIV的实验结果,利用Snap-shot POD分析方法分析了原喷嘴以及两种优化新喷嘴出口的流动相干结构。研究结果表明:新喷嘴出口的前10阶相关模态能量占比分别为70.1%和62.3%,相比于原喷嘴的47.2%有更集中的湍流能量,包含更少的高频噪声和随机结构;两种新喷嘴的前两阶模态相似,因此两种新喷嘴的流动结构特点相似。总的来说,新喷嘴能够更好地适应低热值生物质气。新喷嘴能产生更加合理的燃料-空气预混后的过量空气系数,对预混更有利的流场结构,以及更低的出口湍流度。