随着能源危机与环境压力等问题的日益加剧，高效、大功率和低污染已成为地面发电用燃气轮机在未来发展的主要方向之一。但燃气轮机级别的逐渐升高也为燃烧室的设计带来了更大的挑战。一方面需提高出口燃气的温度以获取更高的系统热效率，另一方面这又为抑制燃烧区中热力型NOx的生成带来了不利影响。所以，在追求效率的同时如何保障燃烧室的环保性能就成为燃气轮机未来发展中需考虑的问题。
　　双级贫预混/柔和（Dual-stage lean premixed/Moderate or intense low-oxygen dilution，DLP/MILD）燃烧系统是通过对目前已有的各种燃气轮机低氮燃烧技术进行优势整合而提出的燃烧组织方式。通过多尺度的分级燃烧来实现燃气轮机燃烧室的超低排放。整个系统分为首、尾两部分。在上游的首级燃烧段中将组织当量比非均匀分布的双级贫预混燃烧，其进入燃烧区的两路预混气都为贫燃状态，但当量比不同。依靠较高当量比的一级火焰和较低当量比的二级火焰间的相互配合，来实现稳定、低氮的燃烧状态。而由此产生的高温、低氧燃气在进入下游的尾级燃烧段时与再燃燃料混合，以柔和燃烧的方式完成随后的燃烧反应。本文是对双级贫预混火焰的燃烧特征展开基础层面的研究，分析非均匀当量比的预混火焰在控制NOx生成和适应低当量比燃烧条件上所表现出的能力，从而判断作为首级燃烧段中燃烧组织方式的可行性。
　　为了减少其它因素的影响从而更准确地捕捉一、二级火焰间的作用关系和整体燃烧规律。本文以层流双级贫预混火焰为研究对象，分别通过实验和数值计算方法开展研究工作。搭建了双级预混火焰实验台，以同轴射流的方式组织双级贫预混火焰，测量不同工况时的燃烧特性。同时，借助OpenFOAM计算平台和laminarSMOKE求解器对双级贫预混火焰进行模拟，从火焰特征参数时空分布上进一步获得双级贫预混火焰的燃烧特性。
　　首先，利用实验获取的火焰图像和温度分布对同轴射流式双级贫预混火焰进行初步分析，确定过贫状态的二级预混气是在一级火焰的热量支撑下达到的点火条件。分析双级贫预混火焰燃烧区内的流场分布和形态变化规律，发现二级火焰的下游部分属于受扩散过程控制的预混火焰，热量与燃料分子沿径向的相向输运决定了二级火焰燃烧反应的发生位置。而一级火焰对二级预混气引燃关系的量化对比则表明，二级火焰中参与燃烧的燃料量主要受二级预混气的当量比以及其与一级火焰高温燃烧产物接触程度的影响。
　　其次，通过实验方法测定双级贫预混火焰稳定燃烧的参数区间以及不同工况时火焰的特征燃烧温度。分析发现二级预混气的存在可隔离中心一级火焰与外围环境的接触，减弱根部火焰散热和受外界气氛的稀释影响，从而使一级火焰能够适应更高的出流速度或更低的预混当量比。同时，一级火焰的燃烧放热也能在最大程度上用于加热和引燃外围的低当量比二级预混气，实现整体当量比的极大降低，最低时甚至可达到0.3以下。与单级射流预混火焰对比，双级贫预混火焰有着更低NOx排放。二级火焰在低温、低当量比条件下生成的中间产物可对中心高温区中生成的热力型NOx起到还原作用。
　　最后，对双级贫预混火焰在实际燃烧器设计时的应用方式进行了初步探讨。构建起狭缝式双级贫预混燃烧的计算模型，以数值计算的方法研究火焰的布置方式以及结构尺寸对火焰燃烧状态的影响。发现一、二级火焰间的配比关系是影响NOx排放的关键因素，并证实在多个一级火焰的共同作用下通入燃烧区的二级预混气可全部参与燃烧反应，为下游燃烧段解决燃料的燃尽问题减轻压力。借鉴微喷嘴燃烧的技术思路设计了蜂巢状的阵列喷口布置方案，保证一、二级火焰间足够的相互作用强度以发挥双级贫预混燃烧的性能优势。总结组织柔和燃烧对预混气热力学参数的要求，明确在DLP/MILD燃烧系统的首级燃烧段中组织双级贫预混火焰来为下游燃烧提供所需燃气的可行性。