目前,商用重型燃气轮机燃烧室普遍采用贫预混燃烧技术以实现低NOx排放。由于贫预混燃烧稳定范围相对较窄,一般设置值班喷嘴以实现点火及宽负荷工况下稳定燃烧。值班喷嘴通常采用扩散燃烧方式,其出口以化学当量燃烧并通过旋流等结构促使高温烟气回流以实现稳焰,但形成的中心高温区成为燃烧室NOx生成的来源之一,因此,值班喷嘴优化设计已成为燃气轮机燃烧室进一步降低NOx排放的重要途径。针对自主研发的某型天然气贫预混燃烧室,采用数值模拟研究方法研究了燃烧室内部流场、组分场和温度场等特征以及出口污染物排放特性等,针对值班扩散喷嘴的燃料喷射结构开展了结构参数影响研究,形成了优选方案,并结合蒸汽稀释、微预混燃烧方式开展了值班喷嘴方案设计研究,为进一步降低该型燃气轮机燃烧室NOx排放提供了改型方案,也为燃气轮机燃烧室设计研发提供了理论支撑和基础数据。本课题主要工作如下:(1)针对某型天然气贫预混燃烧室结构,采用三维建模数值模拟了满负荷工况下燃烧室内流场、组分场、温度场和出口污染物排放等燃烧室性能,研究了值班负荷比例对温度场分布和污染物排放的影响规律,结果表明了值班喷嘴设计优化的必要性;(2)模拟研究了值班扩散喷嘴燃料喷射结构参数对NO/CO排放的影响。分析了燃空动量比、孔数等对燃空混合的影响,以及对反应区结构、温度场、污染物生成等特性的影响。结合点火工况下可燃区范围影响研究,形成了值班扩散喷嘴优选方案;(3)研究了值班扩散喷嘴蒸汽稀释特性。开展了蒸汽稀释喷嘴改型设计研究,形成了设计方案,分析了蒸汽稀释对NO/CO生成的内在影响机制。研究结果表明,相对于值班扩散喷嘴,蒸汽稀释能够在不影响燃烧效率的前提下,出口NOx降低达88.5%,CO变化不大;(4)探索研究了值班微混喷嘴在天然气贫预混燃烧室中的应用。针对典型的微混结构,研究了旋流强度对流场、温度场分布的影响,形成了值班微混喷嘴初步方案。在值班负荷比例为7%时,燃烧室采用值班微混喷嘴相对于扩散喷嘴,燃烧室出口NO降低约90%,燃烧室出口CO降低约22%,结果初步体现了其应用于贫预混燃烧室巨大的减排潜力。