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燃气轮机输出功率阈值广、工作可靠性高且结构紧凑,因此被广泛应用于动力领域,然而随之带来了氮氧化物排放问题,逐渐威胁到社会环境,为了降低污染,贫燃预混燃烧技术得以推广使用,然而其带来的热声不稳定问题成为了该领域的技术难题。本文主要研究对象为热声不稳定性,试验基于传统Rijke型燃烧器展开,并加装旋流器,再通过改变化学当量比、燃料进气速率、空气进气速率等系统参数来探究旋流燃烧器燃烧过程的温度特性以及其对热声不稳定特性的影响;同时研究了烟气排放特性以及热声不稳定性对燃烧效率的影响。首先,研究了旋流燃烧器燃烧过程的温度特性。给出了不同燃料流率下,变化学当量比时的燃烧器内温度的变化趋势。随着燃料进气量的增大,腔体内温度呈上升趋势,当甲烷进气量为2.0L/min时,燃烧器腔体底部温度值在550K附近波动,但是当甲烷进气量为5.0L/min时,温度的最大值接近850K。甲烷进气量在2.5L/min与3.0L/min之间腔体温度跨度较大,以贫燃时化学当量比0.8为例,甲烷进气量2.5L/min时对应的温度为595K,甲烷进气量为3.0L/min时对应的温度为696K。腔体温度随化学当量比的变化也有很强的规律性,当0.8≤化学当量比≤1.1时,腔体内温度随化学当量比的增加有略微上升,化学当量比在1.0到1.1之间的涨幅已经很小,趋近于不变。当化学当量比由1.1变化到1.2时,燃烧器内的温度均有不同程度的下降。然后,研究了Rijke型旋流燃烧器的热声不稳定特性。经本文搭建试验平台进行试验及数据采集,可知:经过试验数据汇总总结出:当化学当量比为1.1时,热声不稳定性的主峰振幅达到最大值,当化学当量比小于1.1时,热声不稳定性的主峰振幅随着化学当量比的增大而增加;当化学当量比大于1.1时,主峰振幅随着化学当量比的减小而减小。另外,热声不稳定的主峰振幅随着进气速率的增加而迅速增大,在甲烷进气量为5.0 L/min且化学当量比为1.1的情况下,热声不稳定性的主峰振幅达到最大值,但是其变化规律受化学当量比的影响很大。最后,对热声不稳定性条件下的烟气排放特性进行分析,烟气成分包含残余O2、CO以及NOX。大部分的工况测量出O2的残留浓度很高,只有极少数工况的O2浓度小于2%,并且所有的工况O2浓度都随着化学当量比的增加而降低。另外,有些测量值的变化幅度明显,变化范围较大。强烈的局部熄火导致非常不完全的燃烧状态,同时O2的浓度也会呈现出波动。根据测量得到的烟气中的氧浓度则可计算出烟气中的O2含量和未参加反应的甲烷,由此即可计算得到燃烧效率。随着化学当量比的增加,系统的燃烧效率不断下降。当化学当量比为1.0时,燃烧效率为81.9%,这说明了降低化学当量比能提高系统的燃烧效率并且剧烈的热声不稳定的存在显著地降低了当前系统的燃烧效率。NOX是大气的主要污染物之一,采用贫燃预混燃烧方式就是为了降低NOX的生成量。随着化学当量比的增加,NOX的产物浓度越来越高,当化学当量比为0.8时,NOX浓度小于5 ppm;当化学当量比为1.0时,NOX浓度在10-30 ppm之间,因此,在贫燃区域,旋流燃烧器的NOX排放水平主要受化学当量比的控制,随着化学当量比的增加而迅速增大。在化学当量比贫燃时CO的排放浓度差别很大,当燃料速率大于4.0L/min时,CO浓度小于40 ppm;当燃料速率小于3L/min时,CO的排放浓度大大提高,最多时接近1000 ppm。当化学当量比为1.0时,烟气中的CO含量非常低,小于10ppm。因此,系统工作在低化学当量比下虽然能提高燃烧效率,但会产生大量的CO,在进行燃烧器的设计时应充分考虑到这一情况。综上所述,本文基于Rijke型旋流燃烧器开展热声不稳定性研究,搭建平台采集信息并分析,为燃气轮机的设计开发和安全运行提供了重要的基础研究数据。