随着透平材料和冷却技术的进步，燃烧室出口温度和污染物排放水平逐渐成为限制燃气轮机循环效率进一步提高的关键因素。为了解决燃烧室出口温度与氮氧化物排放之间的矛盾，世界几个燃机厂商相继提出了不同的燃料轴向分级燃烧室构型并将其应用于最新的J/H级燃机，如GE公司的DLN2.6+、Ansaldo公司的CPSC（Constant Pressure Sequential Combustion）燃烧室技术等等。燃料轴向分级的降NO_x机制在于：通过分配一部分燃料注入燃烧室下游，降低了燃烧室头部温度，缩短了烟气在高温区的停留时间，从而降低了燃烧室在高出口温度下的氮氧化物排放，并提高了燃烧室的负荷灵活性。
　　针对燃料轴向分级燃烧技术，能源动力研究中心团队首先建立了CRN化学反应网络模型，对其降低NO_x排放的潜力进行了理论探索。模型模拟结果表明，理想条件下，采用轴向分级燃烧技术在20%的二级燃料比例下即可实现约50%左右的NO_x减排率。但进一步增加二级燃料比例，其降低NO_x排放的能力将逐渐受限，且存在CO排放增加的风险。开展了轴向分级模型燃烧室的试验研究，得到了其燃烧室出口NO_x排放随二级燃料比例变化的非单调性趋势并分析得出二级射流与烟气掺混不均匀是导致排放恶化的主要原因；此外，在同一燃烧室出口温度水平下，应尽可能降低一级当量比以实现NO_x减排的最大化。进一步的光学测量结果表明，当二级射流为富燃料条件时，二级反应区局部热释放率出现了降低趋势且反应区趋于弥散，呈现出柔和燃烧的特征。同时，通过对火焰图像的二次处理，还获取了二级燃烧区的火焰抬升和反应区的分布特征。
　　针对轴向分级燃烧所具有的典型的交叉射流火焰组织形式，能源动力中心团队还采用瞬态SAS（Scale-adaptive simulation）模拟方法开展了数值模拟研究。SAS模拟是一种网格自适应的RANS-LES混合模拟方法，通过局部网格加密，可在流场关键区域达到LES模拟的精度。目前已有研究将其应用于燃烧室流场模拟且较为准确地预测了燃烧室的速度分布和燃烧不稳定性。团队的初步模拟结果表明，该模拟方法可以有效地预测交叉射流火焰的射流轨迹及速度分布，且其可靠性明显优于RANS模拟并接近LES模拟。此外，该方法还可以捕捉交叉射流火焰的动态特征，如：迎风侧火焰面的褶皱和分离过程、对旋涡的周期性脱落。因此，随着计算机运算能力的提升，该方法有望在轴向分级燃烧室的设计和分析中得以应用。
　　在燃料轴向分级燃烧方面，能源动力研究中心已经申请发明专利2项，发表SCI论文1篇，国际会议论文1篇。
　　
　　图1 轴向分级燃烧的CRN模拟及验证

　　图2 轴向分级燃烧NO_x排放随燃烧室出口温度的变化趋势
　
　　图3 二级火焰抬升高度及热释放区分布的获取
　
　　图4 交叉射流火焰的SAS模拟