随着燃气轮机级别提高，燃烧室出口温度逐步增加，在宽负荷工况范围内实现稳定低排放燃烧是燃气轮机燃烧室的重要性能目标。燃料轴向分级（Axial Fuel Staging，AFS）燃烧技术作为一项可与常规贫预混燃烧相结合的技术方案，具有排放低、运行负荷范围宽和调节灵活的优点，已经广泛应用于GE公司9HA.02、Ansaldo公司GT36以及Kawasaki公司L30A等先进燃气轮机的燃烧室中。
工程热物理研究所能源动力研究中心在燃料轴向分级燃烧技术探索研究方面取得进展。通过Chemkin数值模拟和模型实验结合的方法研究了二级燃烧区负荷比例、停留时间、当量比等关键参数对火焰结构、燃烧效率、污染物排放等的影响规律，获得了燃料轴向分级预混燃烧特性。建立了AFS燃烧掺混均匀性影响研究模型，模拟研究二级燃烧区燃空预混均匀性U1、主流高温烟气/二级预混气掺混均匀性U2对CO/NOx生成的影响规律。上述研究结果可为轴向分级预混燃烧室自主研发提供基础数据和理论支撑。
结果表明，降低主燃区温度是燃料轴向分级燃烧实现低NOx排放的重要途径。理想情况下，二级停留时间和主燃区的贫燃极限决定了NOx排放最小值。相同主燃区温度，更高二级当量比下可获得最低的NOx排放，但影响较小。当二级燃烧区处于富燃条件下，NOx再燃机制可以还原一部分主流高温烟气中的NOx，但其所占比例较小，纯燃料喷入时，NOx再燃量为0.31 ppm。理论最短二级停留时间受到CO燃尽制约，且随二级负荷比例增加而增大，因此需综合考虑NOx、CO生成以获得最佳的二级停留时间和负荷比例。
掺混均匀性影响模拟研究表明，NOx、CO排放随着掺混不均度U1 、U2的增加而增加；固定相同的掺混不均匀度U1，二级负荷比例和二级当量比对NOx排放影响均存在最佳值，且该值随二级负荷比例、二级当量比的增加而降低；在较高的二级负荷比例、二级当量比下，掺混均匀性对NOx、CO排放的影响更加重要；相较于主流高温烟气/二级预混气掺混均匀性U2，二级燃烧区燃空预混均匀性U1对NOx、CO排放的影响更关键，轴向分级燃烧室设计时应重点关注二级喷嘴结构设计，提高二级预混气掺混均匀性。
模型实验结果显示，研究绝热火焰温度为1973K情况下二级负荷比例的影响时，同样由于掺混不均匀存在二级负荷比例的最佳值。二级负荷比例和二级当量比在一定范围内增加均有利于降低NOx排放；相比于常规贫预混燃烧方式，保持相同总烟气停留时间，在绝热火焰温度为2050K时，燃料轴向分级预混燃烧NOx减排率超过50%，而CO排放虽增加但影响较小。
