燃气轮机是重要的能源动力装备,其应用涉及国计民生的各个方面,是我国目前急需突破的被“卡脖子”的技术之一。污染排放问题是制约我国燃气轮机产业发展的重要问题,排放不达标将不能进入商业市场,燃气轮机技术无法在激烈的市场环境中积累运行数据从而实现技术的迭代升级。突破燃气轮机的低污染燃烧技术,将有助于提高我国燃气轮机的竞争力,促进燃气轮机产业良性发展。本文在文献和案例研究的基础上,围绕燃气轮机低污染燃烧室中的关键部件单元预混喷嘴,开展实验和数值研究,聚焦于燃料空间分布对预混喷嘴工作性能影响的研究。在燃气轮机低污染燃烧室的设计实践中,归纳总结出以单元预混喷嘴为基础的低污染燃烧室设计方法,并探讨了该方法在不同类型的低污染燃烧室中的应用。对国外成熟低污染燃烧室的研究发现,1)贫预混燃烧技术是低污染燃烧室的主流技术;2)单元预混喷嘴在低污染燃烧室中起主导作用,相同的单元喷嘴可以用在不同的燃烧室中;3)低污染燃烧室设计的难点在于实现宽功率范围内的低污染排放,需要从燃气轮机全局考虑才能解决燃气轮机低污染燃烧问题。我国燃气轮机技术基础薄弱,低污染燃烧技术处于研发阶段,结合国外成熟经验,建议我国燃气轮机低污染燃烧技术采用以空气分级方案为主、燃料分级为辅的技术发展路线。在单元预混喷嘴研究的基础上,设计了不同燃料喷注方式的预混喷嘴,在空气温度300℃和500℃,空气流速在20～60 m/s条件下进行了燃烧实验研究,获得了火焰结构、污染排放、燃烧振荡、熄火回火边界等性能数据。实验表明,以燃料与空气均匀掺混为优化目标不能获得工作性能最佳的预混喷嘴,应以燃料空间分布为调控手段,以综合工作性能为优化目标才能设计出满意的预混喷嘴。针对实验中发现的现象,以FGM方法模拟分析了预混喷嘴的燃烧工作过程,获得了预混喷嘴燃料掺混过程、燃烧过程等详细的流场信息,加深了对预混燃烧机理的认识,同时也解释了实验中的现象。对于燃烧污染物的模拟构建了不依赖经验的化学反应网络模型,获得了与实验较为一致的结果。以某型燃气轮机多喷嘴低污染燃烧室的设计实践和实验研究,分析了燃料分级控制的策略设计及其局限性,实验研究了燃料分级对燃烧室整体污染排放的影响,预混燃烧中火焰筒壁温分布的变化规律,以及值班燃料对喷嘴本体起到的冷却作用等关键问题。在上述研究的基础上,提炼总结了低污染燃烧室设计的流程和方法,以及不同类型燃烧室设计中应注意的问题。提出了以单元预混喷嘴工作性能为基础,结合燃气轮机燃烧室具体特点,采用组合或缩放方法设计适应不同型号燃气轮机的低污染燃烧室的设计方法,并通过案例设计和试验研究,初步验证了该方法的可行性。本文中的设计案例包括分管型、环形和筒型低污染燃烧室,其中部分燃烧室完成了方案设计、样机研制和试验验证的一次技术迭代。在不同类型的低污染燃烧室的设计实践中积累的经验和教训,又不断促进着低污染燃烧室设计方法的完善。本文在低污染燃烧室设计中的探索或能为国产燃气轮机低污染燃烧室研发提供了参考。