随着环保意识的增强和排放标准的日益苛刻,国内外纷纷制定低污染燃烧计划,研发低排放燃气轮机燃烧室。研究认为,贫直喷(LDI)燃烧室能有效降低污染物排放,且不易回火和自燃,是最有发展前景的下一代超低污染燃烧室。近些年来,LDI燃烧室在欧美等发达国家得到了大量研究,但目前也还基本上处于研制和试验阶段。我国虽有少数单位对这方面进行了一些研究,但起步晚,且大多研究采用的是国外的LDI喷嘴和喷嘴阵列模型,研究方法多数为数值计算,目前许多工作尚处在探索之中。本文在分析基础上提出了一种名为“设有文丘里管式预混合段的双旋流燃烧器”的单元LDI喷嘴,并对单元LDI喷嘴在研发过程中存在的一些技术难点和科学问题展开理论分析和实验研究。结合实验和数值分析,对LDI燃烧室结构设计中的受限比、长径比等关键结构参数进行了研究。在对单元喷嘴和燃烧室结构参数研究的基础上,提出了一种基于多点喷射LDI技术的环形燃烧室设计方案和应用LDI技术的针对1MW原型机的改进方案。设计了LDI方案燃烧室和原型燃烧室的三头部实验件,并完成了在火焰特性、出口温度场品质、总压损失、燃烧效率及污染物排放等方面的对比研究。本文主要研究内容及结论如下：(1)针对小流量的单元LDI喷嘴的雾化实验测量,建立了一套雾化性能实验系统和测量研究方法：采用容积法测量喷嘴流量特性；利用主动轮廓算法(ACM)捕捉喷雾边界,提取雾化锥角。结果表明,ACM方法能够消除阈值法,尤其是直接量取法所包含的主观因素,提高了雾化锥角测量的准确度。(2)针对单元LDI喷嘴的旋流器结构设计问题,实验研究了旋流器级数、双旋流器旋向及混合段收缩角β等对燃烧室总压损失、燃烧效率以及污染物排放等性能的影响规律。结果表明：旋流器结构变化对燃烧室性能有较大影响；同向双旋流燃烧室总压损失大于与之相同计算旋流数的单旋流燃烧室,反向双旋流燃烧室总压损失略低于同向双旋流燃烧室,相较单旋流燃烧室和同向双旋流燃烧室,反向双旋流燃烧室在不同贫油气比工况下均具有更高的燃烧效率和更低的污染物排放。燃烧室总压损失随收缩角β增大而呈增大趋势,燃烧效率及污染物排放也受到收缩角β的影响,最佳β角度的选取需要综合权衡总压损失、燃烧效率及污染物排放。(3)针对LDI燃烧室的结构设计问题,数值和实验研究了长径比Ra、受限比Rc等关键结构参数对燃烧室流动和燃烧性能的影响。研究表明,长径比Ra受限比Rc等参数明显影响单元LDI燃烧室的流动和燃烧性能。随长径比增大,火焰逐渐变为蓝色,燃烧温度和污染物排放总体呈下降趋势。在长径比Ra>2.5工况下,火焰几乎为全蓝色,燃烧温度及污染物排放非常低,且改变长径比对火焰结构形状、燃烧温度及污染物排放影响均不大。随受限比增大,总体上燃烧温度和污染物排放先减小后增大,排气温度先增大后减小。存在最佳受限比,整个燃烧火焰为蓝色,污染物排放最低。基于雷诺应力方程模型,在数值方法可靠性验证基础上,定义了影响因子η用于定量分析受限比变化对回流区结构的影响程度,并完成受限比变化对反向双旋流燃烧室流动过程影响的研究。研究表明,燃烧室受限特性与结构有关,反向双旋流燃烧室流动的受限特性不同于单旋流燃烧室。不同受限比下反向双旋流流场明显呈现出三类不同流动特征。同时基于流动的受限特性进一步分析了燃烧的受限特性。另外,在结构优化设计应用了LES方法。研究结果显示,对于给定的结构参数下的LDI燃烧室,LES方法可以获得仔细的瞬时动态流动过程,为LDI燃烧室结构的优化提供指导。(4)针对LDI方案三头部实验件的燃烧性能,结合原型燃烧室三头部实验件,对比研究了燃烧火焰特性、出口温度场品质、总压损失、燃烧效率及污染物排放等方面性能。研究显示,采用扩散燃烧的原型机火焰为黄色,采用LDI燃烧方案火焰呈蓝紫色,接近贫预混燃烧；无论是常温进气的实验工况还是预热进气的实验工况,LDI方案实验件在出口温度场品质、总压损失、燃烧效率以及污染物排放等方面性能均全面优于原型机实验件。三头部实验件研究对将来的LDI燃烧室的研究具有参考意义。