间冷循环可使燃气轮机功率提高,但由于间冷的介入,燃烧室的喷油量会大幅增加,容热强度提高明显,并导致火焰拉长、出口温度分布均匀性变差从而影响涡轮叶片寿命等问题,因此需要对容热强度提高后(即增容工况)的燃烧室进行系统研究,为间冷循环燃机提供技术支撑。如何在尽量不改变燃气轮机燃烧室结构尺寸的前提下,大幅度提高单位体积内的热强度,并且要使增容后的燃烧室性能接近甚至超过原型机设计工况,这是目前亟待解决的问题。本文以某型燃气轮机环形燃烧室为研究对象,采用数值模拟的方法系统深入地研究了雾化滴谱特征、旋流器结构参数对燃烧流场的影响规律,并提出了贫油熄火极限预测准则和组合涡诱导控制方案,为提高燃气轮机燃烧室容热强度及燃烧室设计提供了理论基础。针对以上各方面,本文所作具体工作如下:(1)建立了描述燃烧室燃烧流场的基本控制方程和补充方程,找到了适用于本文研究对象的最佳网格数、湍流模型和燃烧模型。然后分别在设计工况和增容工况下进行了冷态流场及燃烧场的计算,对比分析了增容给原型燃烧室带来的问题:压力损失比标准工况增加135%,火焰形态不规则、高温区偏心严重,燃烧效率降低约1.5%,出口温度分布均匀性变差等。(2)针对原型燃烧室的贫油熄火特性进行了分析,提出了判断贫油熄火极限的新方法——“特征参数准则”,并分析了进口气流速度、进口气流温度、液滴初始平均直径、旋流器旋向、主燃孔流量分配等因素对贫油熄火极限的影响,所得计算值与实验数据相比,误差比现有预测模型更小,且适用范围更广(适用于燃气轮机和钝体燃烧室),该准则可为燃烧室设计提供参考。(3)得到了不同初始工况下的滴谱特征及不同滴谱特征参数对燃烧性能的影响规律;研究得到了旋流器一级斜切孔偏心距、斜切角、孔径、孔数及二级旋流叶片角、叶片数等参数对燃烧室燃烧效率、火焰长度、出口温度分布系数的影响规律。(4)提出了组合涡诱导控制方案,通过研究表明:该方案下除中心回流区外,在每个波瓣尾端都存在一个径向和一对轴向回流区,即形成了组合涡形式的特殊流场,这加快了气流与燃料的混合速率,并且多种回流区会使燃料和空气迅速着火并形成稳定的火焰,提高了抗吹熄能力。(5)得到了组合涡诱导控制方案中波瓣高宽比、数量和长度对燃烧效率、出口平均温度、总压损失系数和NOx排放的影响规律,结果表明:燃烧效率、出口平均温度和NOx排放受高宽比、波瓣数和波瓣长度的影响都较大;总压损失只与波瓣数的变化呈正相关,基本不受高宽比和波瓣数的影响。(6)得到了最适合本文研究对象的滴谱特征、旋流器几何结构参数和组合涡诱导控制方案的参数组合,并据此确定了燃烧室模型,研究了其在冷态流场和燃烧流场下的性能,结果表明:在增容工况下,与原型燃烧室相比,本文优化后的燃烧室在燃烧效率、出口温度分布均匀性、火焰长度、燃烧热强度和容热强度等方面均有较大改善,都达到了燃烧室满意的性能指标。