如今,环境污染问题愈发严重,相关法规对燃气轮机污染物排放量的限制也更加严格,如何令燃气轮机同时达到低排放和高性能已经成为当前研究的热点内容。与现有的诸多低排放燃烧组织方案相比,同轴分级低污染燃烧技术具有结构紧凑、通用性好、稳定工作范围宽等优点,应用前景十分广阔。但对同轴分级燃烧室的头部结构设计方法、小尺寸区域燃料-空气快速掺混技术、燃烧流场预测等问题,国内外研究者尚未进行有效研究。本研究的主要目标是给出一个初步满足设计指标的同轴分级燃烧组织结构方案。本文采用基于经验公式的零维设计、基于化学反应网络法的一维配气、三维数值模拟分析等方法,基于某型轻型燃机环形燃烧室,对同轴分级式头部进行了设计和优化,并提出了一种冷态-热态流场预测方法。研究结果对国产低排放燃气轮机燃烧室的研发工作具有重要的参考价值。本文主要的研究工作如下:(1)针对轴向分级的旋流-掺混一体化头部的结构设计问题,在经验公式基础上,给出了一套设计流程,设计出了同轴分级头部的初始几何结构,并通过一维化学反应网络法确定了头部配气方案。(2)针对燃烧性能优化问题,本文对所设计的同轴分级头部进行了设计工况下的数值模拟研究,检验了其性能指标,对燃料孔和叶片旋向组合进行了优化研究,提升了燃烧性能。(3)针对掺混性能优化问题,本文抽取旋流器的叶间单流道结构,采用数值模拟方法,对动量比、位置、孔数这三大主要影响空间不均匀度(SMD)和空间最大不均匀度(MSMD)的参数进行正交分析和单变量分析,并最终提出叶间流道掺混结构的最佳方案。据此进一步优化头部设计后,污染物排放和总压损失都显著降低。(4)通过数值模拟进行冷态流场和热态流场参数对比,给出了一种简便易行的冷态-热态流场关键参数预测方法,给出了各级旋流数和火焰参数、回流区参数的预测关联式。最终给出了满足设计指标的结构方案。