可再生能源的大规模应用是实现“双碳”目标的重要途径,但是可再生能源所固有的间歇性问题将会对供能的安全、稳定性造成极大威胁。天然气既可以作为实现“双碳”目标过程中的过渡选项,又可以作为“双碳”目标达成后的平衡措施来提高可再生能源的开发消纳能力,平衡可再生能源对供能系统的冲击。随着“源网荷储”一体化构想和多能互补发展思路的推行,燃用天然气的小、微型燃气轮机在未来能源系统中将拥有广阔的应用前景。在未来的能源系统中,能源精准生产、快速响应用能需求变化的能力将不断提高。因此,对微型燃机的部分负荷运行能力提出了更高的要求。现今主流微型燃机均采用贫预混燃烧技术,在部分负荷条件下运行时可能会出现污染物排放增多、火焰稳定性变差等问题。本文中将借鉴重型燃气轮机应对部分负荷运行时采用的燃料分级思路,采用数值模拟与实验研究相结合的手段,分析了部分负荷条件下周向燃料分级所造成的燃料与空气预混特性变化对燃烧室出口特性和火焰动态特性的影响,论证通过实现简单的周向燃料分级来提高微型燃机燃烧室的部分负荷运行表现的有效性和可行性。确保微型燃机拥有优秀的快速启动能力,除了需要合理的调控逻辑外,恰当的点火条件选取也同样十分重要。采用可视化实验方法,基于火焰可见光辐射图像分析了不同点火燃料比、不同当量比条件下火焰形态变化规律。在点火燃料比为10%时,可成功点火最低当量比为0.082,根据火焰形态与动态特性两要素优化后的点火当量比范围是0.493附近。当量比过低会出现燃烧效率下降的情况;当量比过高则会出现火焰过长、火焰剧烈抖动的问题。当点火燃料比增大时,可成功点火最低当量比不变,但最优点火当量比窗口范围变大。采用数值模拟研究了50%～100%热负荷范围内模型燃烧室内的温度分布特性以及出口特性。从模拟结果可以发现,燃料分级会对旋流器流道内的温度分布特性产生极大影响,但主燃区中没有出现明显差异。随着热负荷降低,值班火焰的影响区域会逐渐扩大。在燃烧室出口特性方面,热负荷一定时,燃料分级会明显影响OTDF、燃烧效率和NO浓度结果,但是总压恢复系数结果几乎不受影响。合理选择周向燃料分级方案,可以起到改善燃烧室在部分负荷条件下运行时出口特性的作用。最高可将OTDF结果和NO排放结果分别降低9.5%和8.7%。基于OH*自发荧光的单色光火焰图像对燃烧室内火焰特性进行了研究。通过分析热释放率的动态特性,着重研究周向燃料分级对火焰动态特性的影响。根据实验结果发现,热释放率的空间分布特性主要是受到热负荷变化的影响,随着热负荷降低热释放率空间分布区域均匀。热释放率的时间分布特性会明显受到周向燃料分级的影响。但火焰的频率特性却与燃烧室内湍流频率特性呈现出极佳的线性关联性,在热负荷一定时,几乎不随燃料分级方案的不同而变化,最大偏差不超过4%。结合第4章中得到的燃烧室出口特性结果,充分论证了周向燃料分级在提高微型燃机燃烧室部分负荷运行表现方面的有效性与可行性。基于OH*荧光图像研究了周向燃料分级与燃气再循环协同使用的可行性。采用燃气再循环提高压气机进口氧化剂初温可以有效降低质量流率从而提高微型燃机的部分负荷运行表现,但氧浓度的降低以及惰性组分的稀释会影响热释放率时空分布特性。因此需要确定燃气再循环是否会对周向燃料分级的作用规律产生影响。通过实验结果可以发现,引入燃气再循环可以明显提高低热负荷时热释放率的空间分布均匀程度,在本文涉及到的全负荷范围内抑制热放率在时间维度上的波动。燃气再循环还会减弱周向燃料分级造成的燃空预混特性差异对热释放率时空特性的影响,但不会改变燃料分级的决定性作用。火焰特征频率略有增大,但仍然与湍流特征频率呈现极佳线性关联。引入燃气再循环不会降低燃料分级的有效性,同时不会影响周向燃料分级的调控逻辑。将燃气再循环与周向燃料分级协同使用以提高燃烧室部分负荷运行能力在原理上是可行的。