柔和燃烧凭借其燃烧稳定高效、温度分布均匀、污染物排放较低等特点,正显现出在新型燃气轮机低污染燃烧室上的应用潜力。但由于燃气轮机燃烧室内部压力较高、贫燃富氧氛围和流动复杂的特点,对于在燃气轮机燃烧室内稳定而高效的柔和燃烧实现条件还需要作进一步的研究。本文针对燃气轮机燃烧室工况,以甲烷为燃料,采用数值模拟与实验相结合的研究手段,对柔和燃烧的化学反应动力学特性、热力学条件进行了研究,对柔和燃烧中的NOx生成途径进行了分析,并结合燃料分级和柔和燃烧概念,使用轴向燃料分级模型燃烧器对燃料分级燃烧的排放特性和二级燃料与高温烟气的掺混特性进行了相关研究。首先将柔和燃烧的烟气发生、掺混和燃烧等过程解耦,建立柔和燃烧分级和回流循环化学反应器网络模型,进行对比分析。选用柔和燃烧分级化学反应器网络模型,根据柔和燃烧的定义确定临界烟气回流比范围,在该范围内改变工况条件研究燃料种类、温度、压力、停留时间等参数对混合物自燃温度、点火延迟时间、化学反应速率等的影响。结果表明,柔和燃烧通过烟气与新鲜反应物的掺混稀释,形成"高温低氧"的环境氛围,降低反应物浓度,减少了实际当量比,降低了燃料的氧化速率。烟气回流比的增加降低了柔和燃烧反应混合物的自燃温度,从而降低其点火延迟时间。通过对柔和燃烧过程中的NOx生成途径分析发现,当反应温度超过1800K后,热力型机理成为NOx排放的主要来源,其生成量与在高温区的停留时间呈正相关关系。烟气中的NOx含量对最终的出口 NOx排放有较大影响。在烟气与燃料掺混并发生自燃的反应初期,形成还原性氛围,通过NO再燃机理将主燃烟气中的部分NO转化为HNO、HCN和HCNO等含氮化合物,能够在一定程度上降低NOx排放。将燃料分级技术应用与柔和燃烧,在主燃区后方加入二级燃料,形成局部的柔和燃烧反应区。燃料分级降低了烟气在高温区的停留时间,抑制了热力型NOx的生成。实验结果表明在二级燃料比例为0～20%的范围内增大燃料分级比例,能够降低出口烟气中的NOx排放;通过合理布置二级燃料的位置和形式,在再燃区形成柔和燃烧,有助于调节燃烧室的火焰形态和温度分布,降低NOx排放。燃料射流孔径影响燃料/烟气射流动量比,从而影响了燃料射流深度。燃料射流速度、深度等因素综合影响了二级燃料与高温烟气的掺混及反应特性。通过对以上内容的研究,对燃气轮机燃烧室工况下柔和燃烧的反应特性和实现条件有更深层次的了解,详细分析了柔和燃烧污染物的生成机理,初步研究了燃料分级技术在柔和燃烧上的适用性,为日后高效低排放的燃气轮机柔和燃烧室的设计与实验提供参考。