本发明公开了一种兼顾火焰筒壁面冷却的轴向分级燃烧室，涉及燃气轮机技术领域，包括值班燃烧器、主级燃烧器、次级燃烧器、火焰筒和端盖；主级燃烧器安装在火焰筒上，火焰筒端部与端盖固定连接，值班燃烧器安装在端盖上；次级燃烧器轴向围设于火焰筒外表面；火焰筒包括双层壁和单层壁；值班燃烧器、主级燃烧器和次级燃烧器的设置构成轴向分级燃烧结构。本发明通过设置高比例的空气从火焰筒双层壁进入主燃烧区域后部区域，既能够保证主要燃烧区域火焰筒壁面的冷却，又能够保证低负荷工况主燃烧区域当量比的稳定，同时又提供了高负荷工况次级燃料燃烧所需的空气。