重型燃气轮机主要是指功率等级较大的地面燃气轮机，主要用于发电领域，自20世纪40年代问世以来，得到了快速的发展。重型燃气轮机由于具有单机功率大、供电效率高、建设周期短、污染排放低的优势，在世界范围内被广泛采用。目前基于燃气轮机及联合循环电站的发电量约占全球发电总量的22%，且还在稳步增加;同时表征重型燃气轮机技术水平的燃气温度、压比及循环效率也不断提高，单机容量继续加大。当前世界上主打的重型燃气轮机为F级，而技术等级更高的G级、H级燃气轮机也已进入商业化运营阶段。
G/H级燃气轮机是指透平一级动叶前燃气温度达到1370℃～1450℃等级的燃气轮机系列。当前国际上已研发出的G/H级燃气轮机主要有:美国GE公司的7/9H、7/9HA系列，德国Siemens公司的SGT6-6000G、SGT5/6-8000H系列，日本MHI公司的M501G、M701G、M501GAC、M501H系列。G/H级燃气轮机具有优异的性能，如GE公司的9HA02燃气轮机单机循环效率可高达40%～41.5%、功率达510MW，“一拖一”联合循环效率高达61.5%、功率达755MW;在15%干式O2浓度下，生成的NOx、CO的体积分数均低于25×10-6，同时满足长寿命、高可靠性等指标要求。
燃烧室作为燃气轮机的核心部件之一，要在受限空间及高压环境中产生超过金属熔点的高温燃气，因此燃烧室的工作环境极其恶劣。更高的燃气轮机功率及循环效率要求透平一级动叶前的燃气温度更高，意味着燃烧室的进口温度、压力及出口温度进一步增大。对于G/H级燃气轮机，根据透平一级静叶冷却方式的不同，按透平一级动叶前的燃气温度折算出的燃烧室出口温度有较大差异。透平一级静叶采用先进的空气冷却方式时，燃烧室出口温度较透平一级动叶前温度高约139℃;采用闭环蒸汽冷却时高约44℃。但无论透平采用哪种冷却方式，高温、高压的工作环境及低排放、长寿命、高可靠性的指标要求都对燃烧室的设计提出了极大的技术挑战。
重型燃气轮机主要燃用天然气和重油，为了扩大其燃料适应性，燃用煤气化合成气等富氢燃料甚至纯氢的燃气轮机技术也在研发中。当前G/H级燃气轮机采用天然气为燃料，相比于F级天然气燃气轮机，G/H级的总体参数有了大幅度提高，燃烧室也需要一定的技术发展才能适用于更高参数。因此，本文将对三大燃气轮机公司的G/H级燃烧室技术进行综述，并分析其研发思路，以期对我国自主G/H级天然气燃烧室的研发有一定的参考作用。
1GE公司G/H级燃烧室的研发
GE公司在从F级向更高等级燃气轮机发展的过程中，直接研发了H级型号，而没有G级型号，形成的H级型号有7/9H系列、7/9HA系列，其中，7H、7HA为60Hz的型号，9H、9HA为50Hz的型号。对于同等级、同系列的不同频率燃气轮机而言，一般采用完全相同的燃烧室主体部分，只是燃烧室的数量有所差异，对应的过渡段有所调整。
7/9H系列燃气轮机是GE公司最早研发的H级型号，压比为23，透平一级动叶前温度为1427℃，联合循环效率达到60%;透平采用闭环蒸汽冷却方式，折算出的燃烧室出口温度约为1471℃。与GE公司典型的F级燃气轮机7/9FA(压比为15，透平一级动叶前温度为1316℃)相比，H级燃气轮机的参数有了大幅度提升。透平一级动叶前温度的提升通常意味着燃烧温度的增加，这将增加NOx的生成量，因此，如何在一级动叶前温度提升110℃的前提下保证H级燃气轮机的NOx排放仍能够满足指标要求是需要解决的关键问题。透平采用闭环蒸汽冷却方式后，可以在燃烧室出口温度增加15℃的基础上，获得比空气冷却高约110℃的一级动叶前温度，这将保证NOx排放量仍在指标范围内。
7/9H燃气轮机透平采用闭环蒸汽冷却的方式，大大降低了燃烧室的技术研发难度。虽然如此，7/9H燃气轮机并没有采用与F级完全相同的燃烧室方案，而是将F级的燃烧室技术进行了优化。GE公司以天然气为燃料的燃气轮机采用DLN燃烧室技术，逆流环管式的结构布局。DLN燃烧室分为DLN1和DLN2两个系列，前者用于E级，后者用于F级及更高等级燃气轮机。在7/9H燃气轮机研发之前，F级燃气轮机采用的燃烧室技术有DLN2、DLN2.6、DLN2+，在此基础上发展了应用于7/9H燃气轮机的DLN2.5H燃烧室。
DLN2燃烧室采用5个相同的喷嘴周向布置在燃烧室头部，喷嘴主要由旋流叶片、预混燃料喷杆、中心体和预混管组成，每个喷嘴均有独立的扩散燃料路和预混燃料路;扩散燃料喷口布置在中心体的端壁上，预混燃料喷口布置在预混燃料喷杆“Peg”上，扩散燃料路只有外侧的4个喷嘴供应燃料;此外，在喷嘴来流上游的导流衬套上设有第四级燃料喷杆(Thequaternarysystempeg，简称“Q”级)，通过调节“Q”级的燃料流量来控制热声振荡。为了降低回火风险，DLN2燃烧室对喷嘴的“Peg”进行了优化，将原设计的圆柱外形优化成下游带有减阻尾翼的外形，大大减小“Peg”下游的可稳火区范围。对于F级燃气轮机，在50%至100%负荷范围内，采用全预混燃烧的模式，DLN2燃烧室生成的NOx的体积分数为25×10-6，CO的体积分数为15×10-6。
为了进一步降低NOx的排放，GE公司采用了直接增加参与燃烧的空气分配比例的方法，在DLN2燃烧室的5个喷嘴的中心处增加了一个小直径的中心喷嘴，衍生出了DLN2.6燃烧室。DLN2.6燃烧室的中心喷嘴与5个外围喷嘴气动、结构相似，只是缩小了尺寸并简化了一些外形结构;此外，DLN2.6燃烧室的6个喷嘴取消了扩散燃料路，在整个负荷范围内全部为预混燃烧模式。对于F级燃气轮机，在50%～100%负荷范围内，DLN2.6燃烧室生成的NOx、CO的体积分数达到了9×10-6。
为了适用较宽华白数范围的燃料，并适用透平一级动叶前温度更高的F级燃气轮机，而不影响污染排放、火焰稳定性及燃料切换可靠性，在DLN2燃烧室的基础上，衍生了DLN2+燃烧室。DLN2+燃烧室对喷嘴进行重新设计，将“Peg”与旋流叶片集成一体发展出了“Swozzle”喷嘴，扩大了回火裕度;喷嘴进口设置了进气整流装置(InletFlowCondi-tioner，简称IFC)，使进入喷嘴的来流更加均匀并减少涡流;旋流叶片与喷嘴外壁面做成一体结构，避免了燃料喷口下游的气流分离;5个喷嘴的扩散燃料路在使用时均通入燃料，并在中心体端壁处采用了航空发动机燃烧室的旋流杯结构来提高扩散火焰稳定性;取消了“Q”级燃料路;5个喷嘴的预混燃料路分为独立的两组，分别包括4个喷嘴和1个喷嘴，通过调节两组的燃料比例来控制热声振荡。DLN2+燃烧室可以使用华白数28～52的天然气，对于高参数的F级燃气轮机，在40%～100%负荷范围内，采用全预混燃烧模式，生成的NOx体积分数不超过25×10-6，CO不超过15×10-6。
7/9H燃气轮机的DLN2.5H燃烧室，如图1所示，融合了上述DLN2、DLN2.6、DLN2+燃烧室的设计优点。DLN2.5H燃烧室采用了类似DLN2.6燃烧室的喷嘴布局，燃烧室头部中心布置了1个小直径的喷嘴，在其外围周向均布了4个喷嘴;DLN2.5H的喷嘴继承了DLN2+喷嘴的“Swoozle”、“IFC”、扩散路旋流杯的设计理念。此外，DLN2.5H喷嘴也有一些改进，4个外围喷嘴均采用了一路扩散燃料路和相互独立的两路预混燃料路;中心喷嘴只有一路预混燃料路;通过调节外围喷嘴两路预混燃料路的比例来控制热声振荡。DLN2.5H燃烧室的燃料分为四路，4个外围喷嘴的扩散燃料路为“D4”路，中心喷嘴的预混燃料路为“PM1”路，4个外围喷嘴的一级预混燃料路为“PM4”路，另一级预混燃料路为“BQ”路，其中“BQ”路的燃料流量占总流量的5%～10%。对应的分级策略为:从点火到20%～35%负荷采用“D4”路，从20%～35%负荷到40%～50%负荷采用“D4+PM1+PM4”路，从40%～50%负荷到基本负荷采用“PM1+PM4+BQ”路。
DLN2.5H燃烧室可以使用华白数为40.6×(1±10%)的天然气，在45%～100%负荷范围内，采用全预混燃烧模式，生成的NOx体积分数不超过15×10-6，CO不超过5×10-6。此外，火焰筒罩帽采用双层结构，在靠近火焰的内层采用发散冷却方式;火焰筒采用Nimonic合金，采用“2-Cool”结构密封火焰筒与过渡段之间的连接，该密封结构能够提升火焰筒的冷却效果，并为下游的过渡段提供冷却气膜;火焰筒和过渡段采用双层结构，火焰筒上游采用扰流肋片加强对流冷却效果，火焰筒下游采用冲击冷却，过渡段采用冲击冷却;火焰筒和过渡段内表面均喷有热障涂层(ThermalBarrierCoating，简称TBC)，而这些技术都在高参数的F级燃气轮机中得到了验证。
7/9H燃气轮机采用闭环蒸汽冷却方式，使得燃气轮机启动较慢。为了满足燃气轮机电网调峰的市场需求，GE公司研制了全空气冷却的7/9HA系列燃气轮机。7/9HA燃气轮机的压比为22，透平一级动叶前温度为1427℃，折算出的燃烧室出口温度约为1566℃，于2014年10月完成了全负荷的验证，性能超过预期，已开始进入市场。7/9HA燃气轮机融合了9H、7F.05、9F.05三种燃气轮机的先进技术，其中压气机继承于7F.05，燃烧室继承于9F.05，透平继承于9H。
9F.05燃气轮机是当前透平一级动叶前温度最高的F级燃气轮机，采用DLN2.6+燃烧室。DLN2.6+燃烧室融合前述DLN2系列燃烧室的所有优异设计理念，采用了DLN2.6燃烧室的头部喷嘴布局;采用了DLN2+燃烧室喷嘴的“Swozzle”、“IFC”、扩散路旋流杯理念，5个外围喷嘴均采用一级预混燃料路和一级扩散燃料路;采用了DLN2.5H燃烧室只有预混燃料路的中心喷嘴及无“Q”级的设计。DLN2.6+燃烧室的燃料分为四路，如图2所示，5个外围喷嘴的扩散燃料路为“D5”路，中心喷嘴的预混燃料路为“PM1”路，两个不相邻的外围喷嘴为“PM2”路;剩余的三个外围喷嘴为“PM3”路。对应的分级策略为:采用“D5”路点火，点火成功到空载全转速过程中，切入“PM1”路，从空载全转速到部分负荷过程中，切入“PM2”路，同时关闭“D5”路，随着负荷的增加切入“PM3”路，在35%～50%负荷至100%负荷范围内采用“PM1+PM2+PM3”路工作。在变工况过程中，通过增加某个燃料路下喷嘴的当量比保证燃烧的稳定性，并用于控制热声振荡。DLN2.6+燃烧室能够在实现较低的污染排放和压力脉动的同时，保证对燃料组分变化不敏感。对于9F.05燃气轮机，全预混燃烧模式下，生成的NOx体积分数为14×10-6，CO为10×10-6，对于7/9HA燃气轮机，全预混燃烧模式下，生成的NOx、CO体积分数不超过25×10-6。DLN2.6+燃烧室的火焰筒及过渡段冷却方式与DLN2.5H燃烧室相同，且内表面均喷有先进的TBC。
GE公司DLN2系列燃烧室的燃烧组织原理为预混喷嘴自稳火，每个喷嘴均形成局部的低速区域将预混火焰稳定在中心体端壁处。采用Gatecycle软件计算得到9HA燃气轮机的燃烧室总当量比为0.533;由于DLN2.6+燃烧室只有帽罩、密封处消耗冷却气，按典型气量分配，上述两处的冷却气量不超过燃烧室总进气量的4%，所以燃烧区平均温度将超过1920K，该温度已超过热力型NOx开始大量生成的临界温度1850K。基于热力型机理，NOx的生成量与燃烧当量比呈指数关系，因此对于G/H级燃气轮机，优化喷嘴的燃料混合均匀性尤为重要。由于进口压力、燃烧温度明显增加带来的预混火焰传播速度增加，G/H级燃气轮机的自稳火喷嘴更易发生回火。根据边界层回火机理，除了保证气流平均速度大于火焰传播速度(典型气流平均速度大于40m/s)，还应保证气流速度梯度大于回火临界速度梯度。气流速度梯度受喷嘴流道结构影响较大，DLN2.5H、DLN2.6+喷嘴采用翼型旋流叶片以及将旋流叶片与外壁面做成一体，改善了气流速度分布、当量比分布，并避免了局部低速区域的形成。估算的9HA燃气轮机的燃烧室的燃烧温度较9F.05高约150K，进口空气温度增加约60K，二者较F级均增加了8.5%左右。根据火焰筒壁对流传热基本原理，热侧壁温主要受壁面导热系数，热侧、冷侧对流换热系数，燃气温度、进口空气温度的影响。假设壁面导热系数，热侧、冷侧对流换热系数恒定，燃烧温度及进口温度增加8.5%，则热侧壁温也近似增加8.5%，若F级燃烧室的最高壁温达到了1000K，则H级最高壁温可达1085K。因此，DLN2.5H、DLN2.6+燃烧室采用肋片、冲击的方式提高换热系数，并在火焰筒、过渡段内表面涂有能够将壁温降低50～100K的先进TBC涂层。
综上所述，GE公司H级燃气轮机的燃烧室设计大部分继承于其F级的DLN燃烧室技术。H级燃烧室主要是F级天然气燃烧室的喷嘴气动性能及稳定燃烧措施不断优化的结果。气动性能包括燃料/空气混合均匀性、预混通道内的回火裕度，稳定燃烧措施包括喷嘴的扩散燃料路、热声振荡调节措施及燃料分级策略;此外，H级燃烧室的冷却方式在F级基础上进一步提高了冷却效率和采用先进的TBC涂层。
2 Siemens公司G/H级燃烧室的研发
Siemens公司的H级型号有SGT5-8000H、SGT6-8000H共2种，其中，SGT6-8000H为60Hz的型号，SGT5-8000H为50Hz的型号，由于Siemens公司在90年代后期并购了Westinghouse公司的发电设备部，Westinghouse公司的G级燃气轮机W-501G成为其旗下的SGT6-6000G燃气轮机型号，F级的W-501F成为SGT6-5000F燃气轮机型号。
SGT6-6000G燃气轮机压比为19，透平一级动叶前温度为1417℃，折算出的燃烧室出口温度约为1556℃;单机循环功率可达250MW，“一拖一”联合循环功率可达365MW，联合循环效率超过了58%。SGT6-6000G燃气轮机从启动到20%的负荷，采用闭环空气冷却燃烧室过渡段，在高于20%的负荷下，采用闭环蒸汽冷却过渡段，此时更多的空气进入燃烧区参与燃烧，从而保证燃烧区的温度与F级相当。SGT6-6000G燃气轮机的燃烧室燃烧组织方案基本与SGT6-5000F相同。SGT6-5000F燃气轮机采用DLN燃烧室，中心采用扩散燃烧模式的喷嘴，称为值班喷嘴，其外围布置了8个预混喷嘴，称为主喷嘴;值班喷嘴采用强旋流的气动设计，出口处形成稳定的回流区使火焰稳定，主喷嘴出口处不会形成回流区。燃料路分为四路，值班喷嘴为第一路，外围8个主喷嘴分成独立的两组，分别为第二路、第三路;在喷嘴来流上游的导流衬套上设有圆管型燃料管道，开有若干燃料喷口，为第四路;在整个工况范围内，值班喷嘴一直供应燃料。火焰筒上设有旁通阀，用于调节低负荷下的燃烧当量比，保证燃烧稳定性。对于压比为16、透平一级动叶前温度为1332℃的SGT6-5000F燃气轮机，在60%～100%的负荷范围内，生成的NOx、CO的体积分数低于25×10-6。SGT6-6000G燃气轮机的DLN燃烧室在SGT6-5000F的基础上做了局部优化，优化值班喷嘴的气动性能，拓宽扩散燃烧的稳定燃烧边界，实现在更低的燃料流量下稳定的燃烧;改善了点火性能，取消了火焰筒上的旁通阀。32%～100%的负荷范围内，SGT6-6000G燃气轮机生成的NOx、CO的体积分数低于25×10-6。
为了满足电网调峰对燃气轮机启动时间短的要求，Siemens公司从2001年底开始研发采用全空气冷却的SGT-8000H系列燃气轮机，并于2011年进入商业运营。SGT-8000H燃气轮机是Siemens公司在并购Westinghouse公司的发电设备部后采用现有生产线以及先进的创新技术所研发的第一个系列产品，大量综合了其自身原有的V系列燃气轮机和Westinghouse公司W系列燃气轮机的先进技术，如应用了V94.3A燃气轮机的转轴、透平气流通道等设计特征，应用了W-501F的压气机设计特征。
SGT-8000H燃气轮机的燃烧室设计基本上放弃了V系列燃气轮机环形燃烧室及混合燃烧器，继承了W-501F(SGT6-5000F)系列燃气轮机逆流环管式燃烧室及多喷嘴设计。
SGT-8000H燃气轮机的压比为19，透平一级动叶前温度为1417℃，折算出的燃烧室出口温度约为1556℃;单机循环功率可达375MW，“一拖一”联合循环功率可达570MW，联合循环效率超过了60.5%。SGT-8000H燃气轮机采用Westinghouse公司F级燃气轮机中参数最高的W-501Fee的ULN(UltraLowNOx，超低NOx)燃烧室方案，如图3所示，W-501Fee燃气轮机生成的NOx的体积分数低于9×10-6，CO低于10×10-6。
与原DLN方案相比，ULN燃烧室的主要优化包括:在中心扩散喷嘴外围增加了一级预混喷嘴共同作为值班喷嘴，即采用五级燃料路;将主喷嘴的燃料喷射装置与旋流叶片整合成一体，发展出了SFI(SwirlerFuelInjection，简称SFI)喷嘴，从而提升了燃料空气的混合均匀度。ULN燃烧室的8个主喷嘴分为A级和B级，值班喷嘴的预混燃料路称为D级，导流衬套上开设的圆管型燃料路称为C级，值班喷嘴的扩散燃料路为第五级。对应的分级策略为:采用值班喷嘴扩散燃料路点火至较高转速时切入A级和D级，运行到30%～50%负荷时，切入B级和C级;在基本负荷条件下，70%～90%的燃料供应到A级和B级，剩余燃料供应到其他三级。
SGT6-8000H燃气轮机的ULN燃烧室重新设计了导流衬套，将C级燃料管道与导流衬套整合成一体;喷嘴选用更优异的材料提高使用寿命;火焰筒壁面采用对流冷却方式，在内表面涂有TBC，在下游有少量冷却空气进入燃烧室内;过渡段采用SGT6-5000F燃气轮机上使用的LTin内部冷却技术，可以在适度的压力降下减少冷却空气量的使用。此外，采用先进的密封方式控制泄漏量;在火焰筒上设有抑制高频热声振荡的共振腔，并采用了燃烧脉动实时保护系统，监测燃烧脉动和污染排放水平，通过调节D级的燃料量来平衡燃烧压力脉动值和污染排放值。在50%～100%的负荷范围内，SGT-8000H燃气轮机生成的NOx体积分数低于25×10-6，CO低于10×10-6。
综上所述，Siemens公司的G/H级燃气轮机的燃烧室是在原Westinghouse公司的F级天然气燃烧室基础上进行局部优化发展起来的，燃烧组织方案与F级基本相同。主要的优化包括改预混喷嘴的燃料/空气混合效果、扩宽值班喷嘴的稳火边界。火焰筒和过渡段的冷却方式基本没变化，火焰筒采用了更先进的TBC涂层。火焰筒上设有抑制高频热声振荡的共振腔，并采用了燃烧脉动实时保护系统，监测并调控燃烧脉动和污染排放水平。
3 MHI公司G/H级燃烧室的研发
MHI公司的G/H级燃气轮机型号主要有M501G/M701G/M501GAC/M501H等几个系列，其中M501G/M501GAC/M501H系列为60Hz燃气轮机，M701G为50Hz燃气轮机。MHI公司在80年代后期研发出了先进的F级燃气轮机M501F/M701F系列，M501F/M701F燃气轮机的技术也就成为了其后期更高技术等级燃气轮机研发的基础。MHI公司的G/H级燃烧室大量继承了F级的DLN燃烧室技术，采用逆流环管式燃烧室及多喷嘴的燃烧组织方式。
MHI公司的G级燃气轮机压比为20，燃烧室出口温度为1500℃，远高于F级的1350～1400℃。最早的G级燃气轮机型号M501G、M701G的燃烧室采用F级的DLNMk7-4燃烧室，只是将火焰筒和过渡段的空气冷却方式改为闭环蒸汽冷却，通过保证燃烧区的温度与F级相当实现生成的NOx体积分数低于25×10-6的目的，同时获得较高的燃烧室出口温度，联合循环效率达到了58%。DLNMk7-4燃烧室的头部布置与Siemens公司的DLN燃烧室相似，中心为值班喷嘴，其外围均布了八个预混喷嘴。值班喷嘴采用旋流进气，出口为扩张锥形型面，形成稳定的回流区，保证在扩散燃料比例较低的情况下也能够稳定燃烧;外围预混喷嘴采用旋流叶片，并在旋流叶片下游的中心体上开设若干个燃料喷口，在旋流作用下进行燃料/空气预混，并优化旋流角度预防回火，外围喷嘴的出口为扇形，即混合通道从圆环形转为扇形;值班喷嘴形成稳定的扩散燃烧火焰用于稳定外围的预混火焰。火焰筒上布置旁通阀，用于调节点火、加速及低负荷下的燃烧区当量比，保证稳定的燃烧;在整个工况范围内，值班喷嘴的扩散燃料路一直工作。
为了进一步增加燃气轮机的功率和循环效率，MHI公司研发了M501G1、M701G2型号，这两个型号除了对火焰筒和过渡段采用闭环蒸汽冷却方式外，并对透平一级静叶环采用了闭环蒸汽冷却。
M501G1、M701G2燃气轮机采用了先进的DLN燃烧室方案———DLNMk8-4燃烧室。相比于DLNMk7-4燃烧室方案，DLNMk8-4燃烧室优化了喷嘴进口前来流均匀性;优化了外围预混喷嘴，采用透平叶片设计工具设计旋流叶片，并将燃料喷口开设在旋流叶片上，称为“V”型喷嘴，大大提升了燃料/空气混合均匀度，并使喷嘴内部速度分布与当量比分布更加匹配，从而降低了回火风险;优化了燃烧室气动特性，增大值班喷嘴扩张锥形出口的面积来提升扩散火焰稳定性，保证在极低的扩散燃料比例下仍能获得稳定的扩散火焰;此外优化燃烧室外壁面形状，减小预混喷嘴出口外围附近的回流区面积，从而缩小高温区范围来降低NOx排放;采用声学谐振装置，在火焰筒上设置抑制高频振荡的多孔谐振腔，在旁通阀通道上设置抑制低频振荡的谐振腔。在60%～100%的负荷范围内，M501G1、M701G2燃气轮机生成的NOx体积分数低于15×10-6，联合循环效率达到58.7%，具有较好的点火性能及整个工况范围内较低水平的燃烧振荡。DLNMk8-4燃烧室同样用于M501H燃气轮机中，M501H燃气轮机的压比为25，除了火焰筒和过渡段采用蒸汽冷却外，透平前两级的静叶、动叶也采用蒸汽冷却，因此，在1500℃的燃烧室出口温度下，获得比G级燃气轮机联合循环效率高2%、功率高20%的性能。
在燃烧室出口温度达到1600℃、燃烧室采用闭环蒸汽冷却的J级燃气轮机M501J/M701J中，也采用了DLNMk8-4燃烧室，生成的NOx的体积分数低于25×10-6。MHI公司也研发了全空气冷却的G级燃气轮机M501GAC，燃烧室出口温度1500℃，采用了DLNMk8-4燃烧室，将火焰筒、过渡段的蒸汽冷却更换为空气冷却。火焰筒和过渡段采用MTFin结构的空气冷却方式，大大降低了冷却空气量的需求;此外，火焰筒和过渡段采用先进的低导热系数TBC涂层，并控制二者之间浮动连接处的空气泄漏量。
在60%～100%的负荷范围内，生成的NOx体积分数低于15×10-6。图4为MHI公司的DLNMk7-4、DLNMk8-4燃烧室示意图。
综上所述，MHI 公司的 G/H 级燃气轮机的燃烧室燃烧组织方案与 Siemens 公司基本相同，且都是在 F级天然气燃烧室基础上进行局部优化发展起来的，主要的优化除了外围预混喷嘴的燃料/空气混合效果、值班喷嘴的稳火边界，还设置了抑制热声振荡的谐振腔及旁通阀谐振装置。
4 三大燃气轮机公司 G /H 级燃烧室研发的共同性
三大燃气轮机公司的天然气燃烧室技术路线按照稳火机理可以分为两类: GE 公司燃烧室的每个喷嘴都具有自稳火的能力，而 Siemens 和 MHI 公司燃烧室只有中心的值班喷嘴能够稳火，且值班喷嘴采用了扩散火焰。虽然如此，三家公司在 G/H 级燃烧室的研发过程中仍体现出了若干共同特性。
( 1) 三大燃气轮机公司的 G/H 级燃烧室的主要特点相似，均采用逆流环管式的布局和多喷嘴的燃烧组织方案，均采用贫预混燃烧模式，且预混喷嘴都将燃料喷射装置与旋流叶片整合成一体，在旋流叶片上开设燃料喷口。
( 2) 三大燃气轮机公司的 G/H 级燃烧室均是基于各自 F 级天然气燃烧室技术进行局部优化得到的，主要的优化工作集中在两部分，喷嘴气动性能及火焰筒、过渡段的冷却方式，包括: 提高预混喷嘴的混合均匀性及回火裕度，并拓宽喷嘴的稳火边界;冷却优化包括采用扰流肋片匹配冲击冷却的气冷方式或闭环蒸汽冷却方式。
( 3) 三大燃气轮机公司在 G/H 级燃烧室的研发中都开始关注一些燃烧室外围部件的细节设计，包括优化喷嘴进口前的气流均匀性、优化密封结构、减少浮动连接处的空气泄漏量，以期最大限度地提升燃料/空气的混合均匀性和回火裕度，最大限度地增加参与燃烧的空气量。
( 4) 三大燃气轮机公司在 G/H 级燃烧室的研发中不断采用更先进的低导热 TBC 涂层及使用技术，采用更耐温的合金材料，从而降低火焰筒及过渡段所需的冷却气量，而不是单纯的依靠提升对流冷却效率。
( 5) 三大燃气轮机公司的 F 级和 G/H 级燃烧室研发过程均体现出一种向更高参数升级的开发验证思路: 首先将 G/H 级燃烧室技术应用于 F 级升级版机型，且该 F 级燃气轮机的参数与 G/H 级燃气轮机参数差异较小，获得比其他 F 级燃气轮机更优异的性能后再回用到 G/H 级机型上。
5 G /H 级燃烧室自主研发的思考与建议
从 2002 年开始，我国通过引进国外先进的 F/E级重型燃气轮机制造技术，成功实现了国产化制造; “十五”国家高技术研究发展计划实施的“R0110 重型燃气轮机研制与调试”代表我国已开始进行自主重型燃气轮机核心部件和关键技术的研发。通过对三大燃气轮机公司的 G/H 级燃烧室研发思路的分析，提出我国 G/H 级燃烧室自主研发的几点建议。
( 1) G/H 级燃烧室的研发要立足于一套成熟可靠的 F 级天然气燃烧室方案; E 级燃气轮机的燃烧室参数与G/H 级有较大差异，E 级燃烧室技术需要较大的革新才能用于 G/H 级，这将给 G/H 级燃烧室研发带来较大的技术风险。G/H 级燃烧室方案应在成熟的 F 级燃烧室基础上进行升级、优化。在 G/H 级燃气轮机的预研阶段，将 G/H 级燃烧室技术在 F 级燃气轮机上进行实际运行验证。如有可能，最好能先研发更高参数的 F+ 级燃气轮机，装配 G/H 级燃烧室进行实际运行验证。因此，要自主研发 G/H 级燃烧室，首先要有自主的、成熟可靠的F 级天然气燃烧室。
( 2) 燃烧室的研发大量依靠试验验证，尤其是全压下的全尺寸燃烧室燃烧试验，这也意味着需要巨大的财力、物力及人力投入。为了降低研发的技术风险和投入风险，应考虑在设计阶段就进行中低压下的喷嘴级试验研究，一定程度验证设计的可行性。为了能够在喷嘴级试验中更大程度地获得燃烧室的性能参数，天然气燃烧室的喷嘴方案应优先考虑自稳火的设计理念，即采用 GE 公司的自稳火单元喷嘴概念，这样将使喷嘴试验更有效地为燃烧室设计提供依据。
( 3) 准确定位 G/H 级燃气轮机的功能。如果燃气轮机用于长期稳定的发电，对机组启动性要求较低，可考虑闭环蒸汽冷却方式，无论从提高循环效率、使用寿命的角度还是降低燃烧室研发难度的角度，都有较大的技术优势，基本上能够将 F 级的天然气燃烧室方案直接用于 G/H 级燃气轮机中，三大燃气轮机公司的研发路线也证明了这一点。如果燃气轮机定位为电网调峰，机组快速启动性要求设计全空冷的燃气轮机，这需要对燃烧室进行较多的喷嘴气动特性及金属壁面冷却的优化设计。
( 4) 无论将 F 级的天然气燃烧室技术直接用于G / H 级还是进行局部优化后再用于 G / H 级，需要确定一个应用准则。F 级燃烧室的参数如进口压力、温度、当量比、空气流量均与 G/H 级有明显差异，F 级燃烧室的大小、尺寸如不调整可能并不适用于 G/H 级燃气轮机; GE 公司的传统燃烧室在从低等级向高等级升级时，保证单个火焰筒的空气流量与压比的比值近似相等; 因此，在 G/H 级燃烧室研发的初级阶段，也需要确定 F 级天然气燃烧室应用到 G/H 级的准则。
( 5) 由于 G/H 级燃烧室参数的提升，对 F级天然气燃烧室方案的气动优化应主要从以下几个方面进行: 提升预混喷嘴内的燃料/空气混合效果，提高预混喷嘴的回火裕度，增加喷嘴的稳火边界。为了实现上述气动优化，不可避免要增加结构及制造复杂性，如采用透平叶片的设计方法设计喷嘴旋流叶片，将旋流叶片与喷嘴外环壁面做成整体结构，增加单独的扩散燃料路等; 因此要在设计阶段权衡好二者之间的利弊关系。
( 6) G/H 级燃烧室的研发应紧紧结合多学科的技术发展，而不能只试图从气动设计的角度解决所有技术难点，如壁面冷却应结合先进的高温合金、TBC 涂层的技术发展，火焰稳定可以结合局部的催化燃烧技术等。除了燃烧室本体的优化设计，还要关注燃烧室其他组件的优化设计，如扩压器、导流衬套、密封等，挖掘一切可优化的潜力。
6 结束语
重型燃气轮机的单机容量及循环效率指标不断提高，要求发展更加先进的 G/H 级燃气轮机，从部件的角度提出了一些 G/H 级燃烧室研发的思路。
对三大燃气轮机公司已有的 G/H 级燃气轮机的燃烧室的研发过程进行了调研、分析，并通过总结共同性，提出了我国自主研发 G/H 级燃烧室的若干建议。首先应研发出成功的 F 级天然气燃烧室，并以此作为 G/H 级燃烧室研发的基础; 要对自主的 G/H级燃气轮机的功能有明确定位; 制定合理的 F 级天然气燃烧室方案应用于 G/H 级的准则; 结合多学科的技术发展及挖掘燃烧室外围组件的优化潜力; 最后总结了燃烧室具体的气动优化方向，以期能够对我国自主 G/H 级燃气轮机的研发提供一些参考。
原标题：G/H级燃气轮机燃烧室技术研发的分析
