燃气轮机运行过程中会产生氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、未燃碳氢化合物(UHC)等污染物，这些污染物具有很大的危害性，尤其是NOx。随着燃气轮机使用的逐渐增加，以及燃烧室工作压力和温度的大幅度提高，排放到大气中的污染物也日益增多，为了保护环境，控制大气污染物的产生，实现低污染排放成为了燃气轮机技术的主要发展方向之一，如何控制燃气轮机燃烧室的NOx排放量，减少燃烧过程中的污染物生成量，提高燃烧效率，成为设计、改良燃烧室的关键问题，是人们关注和研究燃气轮机的重点。在发展低污染燃烧室这一大背景下，本文对低污染燃烧室头部进行了研究，主要内容及结论如下:　　本文首先进行的是单旋流器预混燃烧室头部气动和结构设计，根据燃烧室设计指标，设计燃烧室头部的流经旋流杯气体当量比0.5696，总当量比为0.3987。根据燃烧室的进气量等初步确定了扩压器、旋流器、燃烧室头部及火焰筒的尺寸，其中扩压器计算得到总压恢复系数为99.58％。为了验证气动设计的合理性，建立了一维chemkin模型，计算得到燃烧室出口温度为1680.5K，NOx排放量为4.67ppm(15％O2浓度)，CO为0.8ppm(15％O2浓度)，满足设计要求。　　然后进行了单旋流器头部结构优化及三维数值模拟研究，数值模拟结果显示冷态流场中存在中心回流区和角涡区，有利于能量和组分之间的交换及火焰的稳定燃烧;在有限预混通道长度的情况下，燃料喷孔的位置对燃料与空气的掺混效果影响较大，燃料喷孔集中靠近外部预混效果会好些;旋流数对燃烧室冷态流场和热态温度场的影响比较大，旋流数越大回流区径向宽度越大，轴向长度越短，有利于燃烧火焰的稳定，但旋流数过大会导致燃烧室出现回火现象，旋流数过小会导致燃料与空气预混程度不够充分;旋流器叶片数量对燃烧室回流区有较大影响，叶片数越多回流区径向宽度会越大，轴向长度会变短，有利于燃烧火焰的稳定。最后对优化后的模型燃烧室进行了计算，得到模型燃烧室OTDF为8.4％，RTDF为2.45％，出口平均温度为1686.948K，总压损失为3.2％，且与传统SAC燃烧室相比，排放NOx量降低了很多，该单头部低污染模型燃烧室NO的排放量为0.29ppm，其值远低于排放标准要求的值。　　接着对单旋流器预混燃烧器及燃烧室头部特性进行了实验研究，冷态实验表明:气体经燃烧室头部后，在出口上方的中心区域位置形成了回流区，随着空气流量的减小，中心的回流效果也减弱;回流区轴向长度与流量大小无明显关系，旋流强度是影响回流区轴向长度的主要因素;流场中心的回流区是由燃烧器喷出的气体同时向中心回流造成，该回流区能使火焰保持稳定在该区域，同时有助于燃料空气混合气体的充分燃烧。热态实验表明:随着当量比的增加NOx和CO的量增加，尤其是在发生回火时污染物排放量较高，正常燃烧情况下污染物的排放量都较小，三种工况下NOx和CO的量都小于15ppm;本文设计的燃烧室燃烧当量比在0.4-0.5之间，属于正常燃烧范围内，旋流器及预混燃烧器其他结构初步满足低污染燃烧室的设计要求。　　最后以降低混合不均匀度和压力损失为目标，对旋流方式以及燃烧室头部结构参数的影响进行了研究。对比单旋流器结构和同向、反向双旋流器结构数值模拟结果可知:单旋流器与双旋流器结构都是内环轴向速度比外环高，并且随着气体向下游流动，轴向速度逐渐变大;随着气体向下游流动，空间和时间预混不均匀度都逐渐降低，表明预混通道增长有助于燃料与空气混合均匀;不均匀度高的地方集中在径向坐标与燃料孔喷射点相同的地方，在预混通道长度有限的情况下，为改善这种现象可改变燃料喷射孔的直径，从而改变燃料与空气的动量比，改善燃料空气预混均匀性，同时可以改变燃料喷孔的个数以保证燃料流量不变;因为截面流通面积差异造成的压力损失差异只有0.5％左右，进口段产生的压力损失都很小，都只有0.1％左右，所以这两项可以忽略不计;尽管反向双旋流器方案混合不均匀度最低，但压力损失太大，而同向双旋流器方案虽然混合不均匀度比反向双旋流器方案高了12.93％，但压力损失比其低了40.09％，为了同时尽可能满足低NOx和低压力损失的要求，最终选择同向双旋流器结构进行进一步的研究。　　为了分析同向双旋流器结构中的旋流器内叶片安装角，旋流器外叶片安装角，燃料喷孑L直径以及旋流器外内流通面积比这四个因素的影响，采用DOE方法设计了16个方案进行数值模拟，经过分析得到了各影响因素显著性的大小。对燃料空气混合不均匀度影响程度的排序为:旋流器外内流通面积比＞旋流器外叶片安装角＞旋流器内叶片安装角＞燃料喷孔直径;对压力损失影响程度显著度的排序为:旋流器外叶片安装角＞旋流器外内流通面积比＞旋流器内叶片安装角＞燃料喷孔直径;方案15最优，该方案旋流器内叶片安装角为35°，旋流器外叶片安装角为35°，燃料喷孔直径为1.2mm，旋流器外内流通面积比为1.89，燃料空气混合不均匀度和压力损失能同时达到较小值，此时混合不均匀度为0.00182，压力损失值为9.39％。