贫燃预混燃烧是燃气轮机最有发展前景的低污染燃烧技术之一。它能有效降低污染物排放,但也存在不稳定燃烧和燃烧室壁面冷却量逐渐不足的问题。对此,本文设计微小型贫燃预混旋流燃烧室,在预混段增加环状射流,在壁面开设冷却微通道,采用实验和数值模拟相结合的方法研究其燃烧特性。首先,设计微小型预混旋流燃烧室,设计了有无环状射流的两个燃烧室预混段结构,在预混段设计中心锥体和收敛出口抑制回火,采用Fluent软件对燃烧室冷态和热态流场进行数值模拟研究。结果显示:随着进气流量的增大,燃烧室冷态流场和热态流场轴向速度值增大,预混段出口空气和甲烷的预混不均匀度增大,燃烧强度增大,流场温度增加;随着当量比的增大,冷态流场速度基本不变,热态流场速轴向速度值增大,预混段出口空气和甲烷的预混不均匀度增加,流场温度升高;随着空气温度的增加,冷态和热态流场速度增大,预混段出口空气和甲烷的预混不均匀度减小,燃烧强度增大,流场温度上升。然后,加工旋流燃烧室,搭建集燃烧、冷却和测量于一体的实验系统,对燃烧室燃烧基本性能开展实验研究,先后研究了进气条件和预混段环状射流对燃烧的影响。结果表明:进气流量、当量比和空气温度的增大,会提高燃烧效率,减小CO排放,使压力振荡幅度出现起伏变化的趋势,并使火焰外形发生改变;增加射流后,火焰的时均形状几乎不变,环状射流频率和持续时间增加,会使得燃烧CO排放减小,NOx排放增大,燃烧效率增大,但随着射流流量的增大,CO的排放先减小后增大,NOx排放先增大后减小,燃烧效率也出现先增大后减小的趋势,一定的射流量有助于抑制燃烧压力振荡。最后,研究了内嵌壁面微通道冷却对贫燃预混燃烧性能的影响,实验发现壁面微通道换热会和燃烧火焰发生强烈的耦合作用,壁面微通道冷却可高效降低壁面温度,但会降低燃烧的充分性,使火焰出现火星甚至黄火,使CO排放增加,NOx排放减小,燃烧效率降低。