针对25MW燃气轮机，设计了一型天然气低排放燃气轮机双燃料喷嘴；应用CFD技术对喷嘴进行了结构改进；并对喷嘴在不同结构下的燃烧流场进行了数值模拟与对比分析。通过对不同冷却结构等关键影响因素的对比分析表明：通过调整喷嘴中心出口流场型线，增大旋流1路出口扩张比可以有效缩短液体燃料条件下的火焰长度；但扩张比过大时，会导致喷嘴出口流场出现不稳定流动分离现象，改用等速度梯度设计方法对喷嘴出口型线造型时，可以获得较好的流场及温度场分布。

大气中的液态水会影响航空发动机的安全性和稳定性,并对飞行安全构成威胁。当液态水被吸入压气机时,大液滴分裂成更小的液滴,液滴会发生回弹、碰撞或溅射,导致气动阻力的增加,恶化压气机性能。针对NASA Rotor 67跨音轴流压气机转子,开展吞水对压气机性能和叶片通道流动的影响机理研究。采用欧拉-拉格朗日方法模拟了压气机内的气液两相流动,分析了吞水量从3%到9%以及液滴直径从500μm到1500μm下的转子流动状态,通过数值模拟得到了不同进口条件下压气机的通道流动和性能。结果表明,较大的液滴尺寸和增加的吞水量都会导致气动损失增加,降低压气机效率,液滴积聚会阻塞通道,导致质量流量减少。同时,液滴还会降低轴向速度并减弱激波强度。

为了研究涡轴发动机轴向分级回流燃烧室污染物的排放特性，基于自行设计搭建的轴向分级的单头部回流燃烧试验件开展了试验研究，主要分析了旋流燃烧头部构型参数对污染物排放特性的影响规律，同时研究了不同油气比、燃油分级比、头部进气量、预混预蒸发段长度等因素对燃烧室污染物排放和燃烧效率的影响。结果表明：头部进气量和蒸发段长度是影响污染物排放的两个关键因素,主燃级头部气量加大,预混预蒸发段的燃油当量比降低,使得NOx排放降低,CO排放升高；主燃级头部预混段长度增加使燃油蒸发预混更充分,可有效降低NOx排放并提高燃烧效率,但导致CO排放略有升高；通过合理分配主/副油路油气分配比例,能够有效稳定燃烧,改善燃烧室的排放特性。在1.35 MPa、673 K来流工况下优选出的轴向分级燃烧室方案,污染物排放指数为EI(NOx)=7.5、EI(CO)=10,燃烧效率达99.8%。

为了确定合适的压气机进口导叶（IGV）与静叶角度调节规律来解决重型燃气轮机改用富氢燃料后的压气机-透平通流匹配问题，保证此时压气机仍能高效稳定运行，以某F级重型燃气轮机进口1.5级跨音压气机（IGV、R0、S0）为研究对象，采用三维扫描实测几何数据，在富氢合成气对应的压气机匹配流量下，深入分析了IGV与S0角度变化对压气机气动性能与内部流动的影响机理。结果表明：在保持透平入口温度与体积流量不变时，压气机进气流量需降低4.67%来匹配富氢合成气带来的体积增加；为匹配压气机进气流量需减小IGV角度，从IGV-4°到IGV-7°，在各类流动综合作用下压气机效率先增后减，最佳角度IGV-5°时效率达到峰值90.65%，喘振裕度此时却仅有7.31%，存在喘振风险；通过进一步减小S0角度可以有效抑制轮毂泄漏流动来提升喘振裕度，最终确定IGV-5°与S0-4°的联合调节策略，此时喘振裕度提高至10.46%，效率提升至新的峰值90.79%，实现了富氢燃料燃气轮机的压气机高效和安全运行。

为研究一种集成了新型微混集群燃烧的燃料轴向分级燃烧室的热声振荡特性，开展氢气微混-天然气二级对冲射流的微混轴向分级燃烧试验。利用OH*自发光高频采集技术研究了不同二级射流当量比下的两级火焰结构特性及热声振荡特性。试验发现：振荡下氢一级微混火焰反应区长度变短；天然气二级对冲射流火焰在振荡工况下二级天然气反应仅在对冲干涉区形成脱体火焰，稳定工况的卷吸区火焰消失。二级反应可以部分抑制振荡。较低的射流当量比即可抑制振荡，虽然难以观察到明显的二级火焰，但仍发生二级反应，此时振荡主频不变即振荡模态不变，仍为一个振荡模态占主导,能量占比可达73%，而振荡幅值可以降低4000Pa；振荡工况下较高的射流当量比可使振荡的一阶火焰模态反相，传播模态同相，抑制振荡效果加强，振荡幅值降低4000Pa，振荡主频从降低为从488Hz降为155Hz，且燃烧室的振荡模态向更低频的模态转变，该低频模态存在两个主导的振荡模态，能量占比仅相差10%。，且完全消对进气区的扰动效果。

为了提高钢厂燃气-蒸汽联合循环发电机组的燃料适应性和经济性，以某180MW级CCPP配套的M701SDAX高炉煤气型燃气轮机为研究对象，通过现场试验调节向主燃料高炉煤气中掺混转炉煤气的比例，采用控制变量法分析混合煤气组分改变后对机组燃烧状态和污染物生成量的影响。结果表明：在燃烧调整试验中，随着转炉煤气掺烧量的增大，混合煤气的绝热火焰温度上升，火焰传播速度下降，燃烧振动和叶片通道温度偏差保持恒定，燃烧稳定性良好，NOx和SOx的生成量也趋于平稳；此外，极端运行条件下，机组在最大转炉煤气掺烧量时仍能维持稳定运行。

在全球能源转型背景下，氢能凭借零碳排放的特性成为研究焦点。当前针对氢燃烧室的研究存在选择性特征，对纯氢燃料微混燃烧室的系统性研究不足，基于此提出了一种阵列安装的微管喷嘴模型燃烧室，通过空气交叉射流实现燃料与空气的混合。采用数值模拟方法对模型燃烧室进行仿真研究，发现其掺混均匀性较好，能实现燃空高效掺混。在常压条件开展了常温和加温实验，获取了燃烧室的NOx排放特性和火焰图像。结果发现，实验图像与仿真得到的火焰形态吻合良好，提出的阵列微管燃烧室具有较好的降排能力，NOx排放与绝热火焰温度呈指数增长关系，根据结果拟合了关系式。火焰长度随着层流火焰速度的增加呈现反比下降趋势。研究初步验证了该阵列微管燃烧室的排放性能。

本文针对燃气轮机高温透平叶片冷却需求,通过数值模拟方法系统研究了薄壁双层壁冷却结构传热特性与应力分布规律。研究基于ANSYS CFX软件,分析了不同吹风比(BR=0.5-2.0)和薄壁厚度(W=0-0.8mm)对冷却效果的影响。研究发现在不同吹风比情况下,薄壁结构通过抑制冷气横向扩散和增大内部冷却换热面积,提升了外壁面综合冷却效果；低吹风比下壁厚W=8mm表现更优,高吹风比下壁厚W=0.2mm可避免冷气通道内二次流抑制效应综合冷却效果更好。通过对冷却结构热-力耦合分析发现,薄壁应力集中发生于薄壁与气膜平板连接区域,且厚度减小会导致等效应力显著增加。研究为薄壁双层壁结构平衡冷却效率与结构可靠性提供了设计依据。

为探究竹节形冷却通道的冷却机理和其内部颗粒沉积特性,以某型高压涡轮含有竹节形微细冷却结构的涡轮叶片为原型,针对实际工况建立传热模型,采用定常雷诺平均模拟和离散项(Computational Fluid Dynamics - Discrete Phase Model,CFD-DPM)的气固两相流模拟方法,结合临界速度模型和临界黏度模型研究了不同进口雷诺数(1507~3516)下耦合传热及颗粒沉积特性的影响规律。结果表明：竹节结构产生低动量涡旋增强了壁面换热,当冷气进口雷诺数增大(1507~3516),努塞尔数提升了61.1%。竹节结构显著影响颗粒输运,冷气经竹节持续产生的涡旋掺混,大幅增加了颗粒与壁面碰撞概率,碰撞集中于竹节末端。随冷气进口雷诺数增加,两种沉积模型的颗粒沉积位置保持在竹节末端不变,壁面对颗粒的捕获率分别降低14.6%和42.9%。

针对新一代加力燃烧室进口强余旋非均匀进气来流的试验模拟需求，设计了一种可用于构建非均匀进口流场的三维导向叶片结构，用于一体化加力燃烧室模型试验在多工况条件下的真实进口边界的生成。结合目标余旋角分布特征，提出了导向叶片的参数化优化方法，并开展了数值模拟，评估所提出优化出来的弯曲叶型叶片结构的导流能力。数值结果表明：本文优化生成的弯曲叶型叶片所获得的余旋角分布，较好的匹配目标余旋分布，余旋角度误差控制在±2°以内，导流过程中流道总压损失小于2%，且未出现流动分离现象；所提出的导向叶片结构及优化方法可有效适配某加力燃烧室的非均匀进口特性，为高保真燃烧性能试验提供技术支撑。

分流叶片在离心压气机中扮演着导向气流和优化流动的重要作用，会直接影响压气机的气动性能。为探究分流叶片对离心压气机气动性能和气动噪声的影响，基于数值方法分析了其典型工况下的气动性能，并通过船用涡轮增压器试验台进行了验证，分析了分流叶片位置和长度对气动性能的影响规律和机制。基于混合CAA方法对不同分流叶片位置和长度下压气机的气动噪声开展了数值计算。结果表明，分流叶片向主叶片压力面偏移能有效提升离心压气机气动性能，且偏移角度小于4°时气动噪声的变化在0.5dB以内；分流叶片向吸力面偏移角度为2°时，压气机管口气动噪声下降了1.1dB，但会导致压气机气动性能降低。此外，适当增大分流叶片长度能有效提高压气机气动性能，但会增大压气机的气动噪声。

低排放燃烧室可有效降低污染物排放，但燃烧脉动问题逐渐突出。通过数值仿真结合试验验证的方式，研究燃气轮机低排放燃烧室振荡燃烧抑制方案。并针对低排放燃烧室开展油气比、主级燃料占比、进气流量对其振荡特性与抑振方案抑制效果影响的试验研究。结果表明：所得方案可有效降低压力脉动幅值，其振荡抑制效果可达84%。随着油气比的增加，压力脉动主频向高频移动，振荡模式由~60Hz转变为~2200Hz，压力幅值逐渐减小。随着主级燃料占比的增加，压力脉动主频增加，振荡模式由~70Hz转变为~200Hz，压力幅值也增大。随着进气流量的增加，压力脉动主频增加。两种抑制方案都使主频有不同程度的降低。在较高油气比、较高主级燃料占比以及较低进气流量下，带有穿孔声衬的火焰筒对压力脉动抑制效果显著。

采用实验与数值模拟相结合的方法，研究了静止与相对运动对三种叶顶间隙下:0.8%、1.0%、1.5%(基于叶高)涡轮动叶叶顶换热及气膜冷却性能的影响。实验基于可模拟真实的机匣与动叶之间的相对运动的高速盘转子试验台，并通过红外瞬态测量技术获取叶尖温度场，进行数值计算并保持试验与数值模拟的边界条件一致。结果表明：转动状态下叶尖会产生新的热点，其峰值随间隙增大从0.72x/Cx移动到0.64x/Cx附近。静止状态下，叶尖前缘冷却效果更佳；转动则使得冷却较好的区域转移至尾缘。间隙的增大使得转动叶尖的平均冷效降低，1.0%和1.5%间隙的叶尖平均冷效相较于0.8%间隙分别降低15.68%和22.88%。同时，对于转动状态下的紧密间隙，冷气回流和刮削涡的封严作用可有效冷却叶尖表面；而对于大间隙，刮削效应对凹槽内流动的影响减弱，冷气随泄漏流直接流出间隙，导致叶尖冷却效果变差。

提出阶梯式扇贝阻尼密封结构,在标准扇贝阻尼密封中布置阶梯齿,基于计算流体力学方法计算不同工况、结构参数下密封泄漏量,并研究其流场特性、流动机理。结果表明：不同工况下阶梯式扇贝阻尼密封抑制泄漏能力均明显提升,渐扩型密封封严性能提升率约为27%,渐缩型阶梯式密封封严性能提升率超过30%,压比愈大,阶梯式扇贝阻尼密封抑漏效果愈明显；存在最优阶梯高度t=0.5 mm；轴向间隙为0.1mm时,阶梯式扇贝阻尼密封封严性能提升率超40%,轴向间隙对阶梯式密封抑漏性能影响程度随参数值增大而降低；阶梯齿的布置削弱了泄漏工质的直通效应,增大了流束收缩效应,加强了邻近腔室内的湍流耗散,封严性能明显提升。

燃气轮机结构复杂,具备多学科、多系统耦合的特点,单一建模仿真软件难以实现燃气轮机各系统的精细化建模,因此燃气轮机仿真常采用多系统集成仿真的方法。本文以实现燃气轮机多系统集成仿真为目的,兼顾提升集成仿真的计算效率和计算资源的利用,创新性的将并行计算技术和数据分发服务技术相结合,设计并开发了燃气轮机分布式集成仿真平台。仿真平台采用客户端-服务器架构,利用多台计算机对燃气轮机各系统仿真模型进行计算,并以某型燃气轮机系统为例对仿真平台功能进行验证。仿真结果表明本文设计开发的仿真平台能够实现燃气轮机多系统集成仿真,解决了单一计算机受限于计算资源的限制导致的效率低下的问题,并且该平台通过并行计算技术进一步优化了燃气轮机多系统集成仿真的效率。

现代先进航空发动机涡轮导向器普遍采用低稠度设计策略,该设计虽能提升气动性能,但会在导向叶片前缘形成高压滞止区,导致端壁前缘承受严重热负荷。针对低稠度涡轮导向器端壁前缘的热防护需求,本研究通过改变缝槽冷气入射角度设计了两种变流向的缝槽高效冷却结构。通过建立三维数值仿真模型,基于绝热壁面假设,分析了低稠度涡轮导向器端壁的流动换热特性,并探究了其中顺流向与逆流向两种缝槽冷却结构在吹风比(0.288–0.936)变化时的流动特征及冷却效率变化规律。数值模拟结果表明：两种变流向设计的缝槽冷却结构在端壁前缘区域冷却性能均显著强于轴向缝槽冷却结构,其绝热冷却效率较基准结构提升约 20%-100%。研究成果可为低稠度涡轮导向器端壁冷却结构的优化设计提供理论支撑。

在“双碳”目标推动下,氢氧燃烧燃气轮机因其零碳排放特性成为能源转型的关注点。由于氢氧燃烧产生的高温水蒸气工质导致高压涡轮面临极端热负荷,且入口参数不确定性对气热性能的影响机制尚不明确,针对纯氢纯氧燃烧燃气轮机高压涡轮第一级,系统量化了入口总温、总压、入流角、及湍流强度的不确定性对涡轮叶片换热特性的影响。基于水蒸气工质下的叶片三维流场与换热特性的数值计算结果,结合非嵌入式多项式混沌展开方法与Sobol敏感性分析,构建高效不确定性量化框架。获得了叶片表面在水蒸气工质下的壁面换热系数,研究结果表明,冷气量需求均值为3.26%,进口总温与总压是影响冷气量不确定性的主导因素。

为实现燃气轮机的碳中和运行，采用氨氢融合燃烧是兼顾零碳排放与燃烧室高性能的关键技术路径。本研究旨在评估一台6MW燃气轮机燃烧室燃用氨氢混合燃料时的燃烧与排放特性。基于实际燃烧室结构建立了几何模型，采用多面体网格进行划分并对主燃区加密。通过RANS方法与FGM燃烧模型耦合，对0%至40%不同氨裂解比例的工况进行了数值模拟，分析了流场结构、燃烧效率、出口温度均匀性及污染物排放等关键性能参数。结果表明:氨裂解比例显著影响燃烧性能，当比例为20%~25%时，燃烧效率超过99%，未燃氨排放低于350 ppm，NO排放约376 ppm，且出口温度分布均匀性最佳（OTDF最低为0.216），总压损失保持稳定。系统性评估了氨裂解比例对工业级燃烧室性能的影响，并验证了FGM方法在氨氢燃烧模拟中的适用性。研究表明，合适的氨裂解比例可有效促进氨的清洁高效燃烧，为该类燃料在燃气轮机中的应用提供了重要依据。

为研究燃烧室出口温度分布模式对一级高压涡轮性能的影响,在不同温比、燃烧室出口高温中心与涡轮静叶的相对位置条件下,采用Fluent对一级高压涡轮开展CFD数值模拟,选取50%叶高处及不同轴向位置作为特征截面,分析涡轮静叶与动叶的气动特性、温度分布,以及涡轮效率变化。结果表明：燃烧室出口高温中心正对涡轮静叶前缘时,静叶的叶间通道中部高速区随温比增加而向静叶两端延伸,静叶前缘与压力侧表面温度升高,动叶下游温差加剧。高温中心正对静叶的叶间通道时,叶间通道中后段高速区随温比增大而扩张,静叶吸力侧低温区范围增大；相同温比下,动叶出口径向速度波动与下游尾迹现象减弱,静叶出口与动叶下游区域温度分布均匀增强。与均匀温度分布的涡轮进口条件相比,涡轮效率随温比增加而减小。随着温比由1.0增至1.3,高温中心正对静叶前缘时涡轮流量增加更显著,而高温中心正对叶间通道时轮缘功减少更明显,对应涡轮效率分别降低了0.58%与0.60%。

性能模型在燃气轮机的各种应用中发挥着重要作用，例如状态监测、气路预测和容错控制等。由于运行条件的复杂性和建模信息的不完整性，起动过程的性能模拟是一项具有挑战性的任务。本文提出了一种用于燃气轮机起动模拟的多模型融合建模方法。将物理机制和经验理论同时融入至混合模型的建模方案中。为了研究非设计工况性能，提出了一种基于相似性理论、脊背点映射和椭圆拟合的分区外推方法，为起动模型提供低转速区的运行特性。利用开发的起动模型，预测并分析了从零转速到慢车状态的动态性能。最后，使用现场数据验证所开发的起动模型。结果表明提出的建模方法可以准确映射燃气轮机的起动工作性能。

为探究不同甲烷氨气掺混比例对低旋流火焰燃烧特性的影响，通过数值模拟方法，以低旋流燃烧器为研究对象，采用Realizable k-epsilon湍流模型耦合FGM燃烧模型结合Okafor反应机理，在燃烧室总热值不变的条件下，研究了甲烷燃料中氨气掺混比例从0.1增至0.5时，燃烧室流场结构、温度分布、关键自由基浓度及NOx生成特性的演化规律。结果显示：随着氨气比例由0.1增加至0.5，流场中心回流区范围逐渐缩小，再循环高温烟气滞留时间缩短；火焰高温区域在壁面上沿轴向缩小且最高温度有所下降；OH自由基的浓度下降而NH2自由基显著增多，在最高掺氨比例条件下NO排放量相比最低掺氨比例下降约13%。同时，随着氨气掺混比例升高，燃烧效率也呈现出小幅提升趋势。

为揭示具有多旋流耦合与燃烧分级特征的重型燃气轮机燃烧室几何模化相似性随缩比变化规律及偏差产生机理，采用经试验验证的数值模拟方法对多旋流头部燃烧分级燃烧室的几何缩比模化尺度律进行研究，发现随着缩比的增加，回流区的长度一般先拉长再缩短，回流区直径减小，火焰的长度拉伸，扩张程度减小。缩比对中心回流区长度的影响要显著强于侧向回流区。对两尺寸相似的燃烧室的性能指标进行试验研究发现，NOx排放和出口温度分布的相似度较差，开启的喷嘴数越多，NOx排放偏差就越大，出口温度分布偏差越小。进一步的分析表明，其偏差产生机理是由于等DaI准则确定缩比模型试验条件时难以使燃烧室头部的绕壁效应保持良好的相似度。