化学回热循环作为一种先进循环,具有能源利用率高、污染物排放低的优点。化学回热循环的工作特点决定其燃烧室需要具备气液双燃料燃烧以及注蒸汽燃烧的功能,这就要求燃烧室喷嘴能够进行燃油喷射、蒸汽回注、双燃料喷射和重整气喷射。因此,深入开展燃气轮机双燃料喷嘴方面的技术研究,对化学回热循环燃气轮机燃烧室的设计和运行具有重要的实用价值。蒸汽由喷嘴气路回注到燃烧室,在燃油和空气间形成屏蔽层,阻隔燃油与空气间的掺混燃烧,易导致燃烧室熄火现象的发生;高水碳比条件下,重整气属于低热值气体,流量大,流速快,流场难以组织,易出现燃料与空气间掺混效果恶化、火焰拉长、燃烧效率低、出口温度场均匀性恶化、喷嘴头部过热等问题。以上的现象和问题均亟需研究和解决。为此,在满足喷嘴原位换装的要求下,本文开展了以下几个方面的研究工作:(1)采用数值计算的方法得到了原型燃油燃烧室设计工况下燃烧流场的相关特性参数,分析了流场的组织方法。基于化学回热循环燃烧室对燃油流量和雾化性能的要求,双燃料喷嘴的油路选用了双路双喷口离心式喷嘴,并采用经验系数法对该油路的结构尺寸进行了计算。喷嘴性能满足燃烧室设计要求。(2)研究了重整气喷射方案对燃烧室燃烧流场的影响。首先,针对用于实验台工况的原型轴向旋流孔式双燃料喷嘴,在原型燃油燃烧室设计工况下,数值研究了重整气燃烧室的性能及其流场特性,发现重整气的流动会影响燃烧室头部回流区结构。其次,针对气体燃料的轴向和径向喷射方案,分析了轴向喷射方案中重整气旋流数、出口方式、喷嘴安装位置和径向喷射方案中重整气喷射角度、喷射速度、喷嘴安装位置对燃烧流场主要参数的影响,为双燃料喷嘴的设计提供基本方法。(3)提出了重整气燃烧流场多级流线控制方案。依照此方案,在油路结构基础上,采用上述基本方法对喷嘴气路进行了设计。采用气路三级喷射方案实现了对重整气燃烧流场的多级流线控制,解决了燃烧效率低、出口温度场均匀性恶化的问题,降低了喷嘴头部温度。(4)通过正交数值试验方法对多级双燃料喷嘴结构进行了优化,得到了原型燃油燃烧室设计工况下喷嘴的最佳结构参数组合。同时基于对重整气流量影响的研究结果,设计了一种新型的多级双燃料喷嘴结构,克服了喷嘴原位换装的难题。(5)采用数值计算方法研究了蒸汽回注量对于燃烧室燃烧流场的影响,深入分析了蒸汽回注导致燃烧室熄火的原因,给出了不同工况下燃烧室蒸汽回注熄火极限边界。结果表明,相对于改型轴向旋流孔式双燃料喷嘴,在原型燃油燃烧室设计工况下,采用多级双燃料喷嘴可将燃烧室的蒸汽回注熄火极限边界拓宽38.3%;蒸汽回注熄火极限边界随燃烧室工况的升高而增大。(6)对不同燃料组合模式和燃料供给过量工况下的燃烧室流场进行了数值计算,得到了不同燃料组合模式下燃烧流场的相关特性参数,以及燃料流量对燃烧室性能的影响规律。研究结果为燃烧室的运行提供了指导。