CN111065860A - 辅助火炬点火 - Google Patents

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Abstract

火炬点火器(200)包括辅助燃料喷射器(204)；点火源(206)；以及承载辅助燃料喷射器和点火源的点火器主体(202)。点火器主体包括辅助燃烧腔室(210)，该辅助燃烧腔室具有从第一端壁轴向延伸至第二端壁的侧壁。在一些示例中，侧壁的至少一部分包括冷却孔(452)的分布图案，冷却孔中的每一个从侧壁的外表面倾斜延伸到侧壁的内表面。在一些示例中，第二端壁限定了流体出口，流体出口通向与主燃烧腔室流体连通的出口管，出口管的至少一部分包括稀释孔(454)的分布图案。

Description

辅助火炬点火
优先权要求
本申请要求2017年7月7日提交的美国专利申请No. 15/643,759的优先权，由此其全部内容以引用的方式并入到本文中。
技术领域
本说明书总体上涉及用于燃气轮机发动机的燃烧器组件，其并入了辅助火炬点火系统以促进主燃烧腔室中的点火。
背景技术
燃气轮机发动机是用于许多高功率应用的内燃发动机的优选类别。从根本上说，燃气轮机发动机的特征在于上游旋转压缩机联接到下游涡轮，并且通常由下游涡轮驱动，燃烧腔室位于两个旋转部件之间。火炬点火器是一种可用于点燃燃气轮机发动机的主燃烧器的装置。在一些应用中，火炬点火器具有优于常规火花点火器的优点，因为它可以向主燃烧器提供更大量的能量释放，并且从而能够以更可靠的方式点燃发动机。为实现这一点，火炬点火器需要一个辅助燃料和空气源，以及一个点火源。辅助空气流通常从发动机压缩机下游的增压室或从外部压缩空气源获得；辅助燃料从燃料计量单元或歧管或从独立的燃料源获得。操作火炬点火器的空气流量要求在不同条件下可能不同，但通常明显低于主燃烧器的空气流量要求。在典型的发动机上，很像常规的火花点火器，可以有两个或更多的火炬点火器来实现冗余。
发明内容
在一方面，燃气轮机燃烧器组件包括:与主燃料喷射器和主空气入口流体连通的主燃烧腔室；和联接到主燃烧腔室的火炬点火器。火炬点火器包括:辅助燃料喷射器；点火源；以及承载辅助燃料喷射器和点火源的点火器主体。点火器主体包括辅助燃烧腔室，该辅助燃烧腔室具有从第一端壁轴向延伸到第二端壁的侧壁，侧壁的至少一部分包括冷却孔的分布图案，冷却孔中的每一个从侧壁的外表面倾斜延伸到侧壁的内表面，从而使得流体通过冷却孔进入辅助燃烧腔室的内腔，以沿着内表面形成流体膜。
在一些示例中，燃烧器组件还包括位于辅助燃烧腔室内腔中的预混合杯。在一些示例中，预混合杯包括径向围绕辅助燃料喷射器的圆柱形壁和辅助空气入口，预混合杯的圆柱形壁相对于辅助燃烧腔室的第一端壁轴向向外突出穿过内腔的一部分，以划分圆柱形壁径向内侧的预混合区和圆柱形壁径向外侧的再循环区，点火源位于辅助燃烧腔室的侧壁上靠近再循环区的位置。
在一些示例中，辅助燃烧腔室基本上是圆柱形的，侧壁具有恒定直径的圆形横截面，并且第一端壁和第二端壁基本上是平面的。
在一些示例中，第二端壁限定了通向与主燃烧腔室流体连通的出口管的流体出口。在一些示例中，点火器主体还包括围绕辅助燃烧腔室的至少一部分的外壳，外壳包括与出口管同轴对准的流体入口。在一些示例中，点火器主体包括形成在壳的内表面与辅助燃烧腔室的外表面之间的流体环形空间，该环形空间引导流体从流体入口跨辅助燃烧腔室的外表面流向第一端壁。
在一些示例中，辅助燃烧腔室的第二端壁限定了通向与主燃烧腔室流体连通的出口管的流体出口，出口管的至少一部分包括稀释孔的分布图案，稀释孔中的每一个被配置成引导流体与通过出口管离开辅助燃烧腔室的加热气体交错流动。
在一些示例中，点火器主体还包括位于辅助燃烧腔室中的预混合杯进入口处的流体旋流器。在一些示例中，流体旋流器包括轴向流体旋流器，该轴向流体旋流器包括围绕辅助燃料喷射器出口的涡流开口的周向图案。
在一些示例中，火炬点火器还包括屏蔽装置，该屏蔽装置被配置为至少部分地将点火源与通过辅助燃烧腔室的流体流屏蔽开。在一些示例中，屏蔽装置在靠近点火源处联接到辅助燃烧腔室的内表面，并且包括弯曲凸表面。
在另一方面，燃气轮机燃烧器组件包括:与主燃料喷射器和主空气入口流体连通的主燃烧腔室；和联接到主燃烧腔室的火炬点火器。火炬点火器包括:辅助燃料喷射器；点火源；以及承载辅助燃料喷射器和点火源的点火器主体。点火器主体包括辅助燃烧腔室，该辅助燃烧腔室具有从第一端壁轴向延伸到第二端壁的侧壁，第二端壁限定了通向与主燃烧腔室流体连通的出口管的流体出口，出口管的至少一部分包括稀释孔的分布图案，稀释孔中的每一个被配置成引导流体与通过出口管离开辅助燃烧腔室的加热气体交错流动。
在一些示例中，燃烧器组件还包括位于辅助燃烧腔室内腔中的预混合杯。在一些示例中，预混合杯包括径向围绕辅助燃料喷射器的圆柱形壁和辅助空气入口，预混合杯的圆柱形壁相对于辅助燃烧腔室的第一端壁轴向向外突出穿过内腔的一部分，以划分圆柱形壁径向内侧的预混合区和圆柱形壁径向外侧的再循环区，点火源位于辅助燃烧腔室的侧壁上靠近再循环区的位置。
在一些示例中，辅助燃烧腔室基本上是圆柱形的，侧壁具有恒定直径的圆形横截面，并且第一端壁和第二端壁基本上是平面的。
在一些示例中，第二端壁限定了通向与主燃烧腔室流体连通的出口管的流体出口。在一些示例中，点火器主体还包括围绕辅助燃烧腔室的至少一部分的外壳，外壳包括与出口管同轴对准的流体入口。在一些示例中，点火器主体包括形成在壳的内表面与辅助燃烧腔室的外表面之间的流体环形空间，该环形空间引导流体从流体入口跨辅助燃烧腔室的外表面流向第一端壁。
在一些示例中，辅助燃烧腔室的侧壁的至少一部分包括冷却孔的分布图案，冷却孔中的每一个相对于侧壁的内表面倾斜地斜穿，以使得流体通过冷却孔进入辅助燃烧腔室的内腔，从而沿着内表面形成流体膜。
在一些示例中，点火器主体还包括位于辅助燃烧腔室中的预混合杯的进入口处的流体旋流器。在一些示例中，流体旋流器包括轴向流体旋流器，该轴向流体旋流器包括围绕辅助燃料喷射器出口的涡流开口的周向图案。
在一些示例中，火炬点火器还包括屏蔽装置，该屏蔽装置被配置为至少部分地将点火源与通过辅助燃烧腔室的流体流屏蔽开。在一些示例中，屏蔽装置在靠近点火源处联接到辅助燃烧腔室的内表面，并且包括弯曲凸表面。
在又一方面，操作燃气轮机燃烧器组件的方法包括以下步骤:在辅助燃烧腔室中混合辅助燃料流和辅助空气流以形成辅助燃料/空气混合物；点燃辅助燃料/空气混合物以形成辅助加热流体流；将辅助加热流体流引导通过辅助燃烧腔室流向主燃烧腔室；同时引导辅助加热流体流，接收冷却流体流，并引导冷却流体，以便沿着辅助燃烧腔室的内表面形成冷却流体膜，并稀释辅助加热流体流；以及用来自辅助燃烧腔室的稀释的辅助加热流体流点燃燃气轮机燃烧器组件的主燃烧腔室中的主空气/燃料混合物。
在又一方面，燃气轮机燃烧器组件包括:与主燃料喷射器和主空气入口流体连通的主燃烧腔室；和联接到主燃烧腔室的火炬点火器。火炬点火器包括:辅助燃料喷射器；点火源；以及承载辅助燃料喷射器和点火源的点火器主体。点火器主体包括辅助燃烧腔室，该辅助燃烧腔室具有从第一端壁轴向延伸到第二端壁的侧壁，该侧壁在第一端壁与第二端壁之间限定内腔。点火器主体还包括位于内腔中的预混合杯，该预混合杯包括径向围绕辅助燃料喷射器的圆柱形壁和辅助空气入口，预混合杯的圆柱形壁相对于辅助燃烧腔室的第一端壁轴向向外突出穿过内腔的一部分，以划分圆柱形壁径向内侧的预混合区和圆柱形壁径向外侧的再循环区，点火源位于辅助燃烧腔室的侧壁上靠近再循环区的位置。
在一些示例中，火炬点火器还包括与辅助燃料喷射器的喷嘴孔口流体连通的辅助燃料源，辅助燃料源被配置为提供用于通过辅助燃料喷射器喷射到辅助燃烧腔室中的加压燃料流；和旁通管线，该旁通管线被配置成将加压燃料流的至少一部分返回到主发动机燃料歧管。
在一些示例中，辅助燃烧腔室基本上是圆柱形的，侧壁具有恒定直径的圆形横截面，并且第一端壁和第二端壁基本上是平面的。
在一些示例中，第二端壁限定了通向与主燃烧腔室流体连通的出口管的流体出口。在一些示例中，点火器主体还包括围绕辅助燃烧腔室的至少一部分的外壳，外壳包括与出口管同轴对准的流体入口。在一些示例中，点火器主体包括形成在壳的内表面与辅助燃烧腔室的外表面之间的流体环形空间，该环形空间引导流体从流体入口跨辅助燃烧腔室的外表面流向第一端壁。
在一些示例中，辅助燃烧腔室的第二端壁限定了通向与主燃烧腔室流体连通的出口管的流体出口。在一些示例中，出口管的至少一部分包括稀释孔的分布图案，稀释孔中的每一个被配置成引导流体与通过出口管离开辅助燃烧腔室的加热气体交错流动。
在一些示例中，点火器主体还包括位于预混合杯的进入口处的流体旋流器。在一些示例中，流体旋流器包括轴向流体旋流器，该轴向流体旋流器包括围绕辅助燃料喷射器出口的旋流开口的周向图案。
在一些示例中，火炬点火器还包括屏蔽装置，该屏蔽装置被配置为至少部分地将点火源与通过辅助燃烧腔室的流体流屏蔽开。在一些示例中，屏蔽装置在靠近点火源处联接到辅助燃烧腔室的内表面，并且包括朝向预混合杯突伸的弯曲凸表面。
在一些示例中，辅助燃烧腔室的侧壁的至少一部分包括冷却孔的分布图案，冷却孔中的每一个相对于侧壁的内表面倾斜地斜穿，以使得流体通过冷却孔进入辅助燃烧腔室的内腔，从而沿着内表面形成流体膜。
在又一方面，操作燃气轮机燃烧器组件的方法包括以下步骤:在燃气轮机燃烧器组件的点火器主体的预混合杯中接收辅助燃料流和辅助空气流；在预混合杯的预混合区中至少部分混合辅助燃料流和辅助空气流，并将辅助燃料/空气混合物排放到点火器主体的辅助燃烧腔室中；将排出的辅助燃料/空气混合物引入主再循环区，该主再循环区包括预混合杯与辅助燃烧腔室的内表面之间的环形空间；在靠近主再循环区的位置点燃辅助燃料/空气混合物，以形成辅助加热流体流；以及利用来自点火器主体的辅助燃烧腔室的辅助加热流体流点燃燃气轮机燃烧器组件的主燃烧腔室中的主空气/燃料混合物。
在一些示例中，接收辅助燃料流包括以下步骤:将加压燃料流从辅助燃料源引导至与预混合杯流体连通的辅助燃料喷射器的喷嘴孔口，使燃料流的至少一部分绕过喷嘴孔口，并将绕过的燃料流部分引导至主发动机燃料歧管。
在一些示例中，接收辅助空气流包括引导空气通过流体入口。在一些示例中，该方法还包括当辅助空气流被引导通过流体入口时，引导辅助加热流体流通过与流体入口同轴对准的流体出口管。
在一些示例中，该方法还包括通过引导辅助空气流的一部分通过出口管的稀释孔图案，与辅助加热流体流交错流动来稀释辅助加热流体流。
在一些示例中，该方法还包括通过沿着辅助燃烧腔室的内表面形成冷却流体膜来冷却辅助燃烧腔室的一部分。在一些示例中，形成冷却流体膜包括引导辅助空气流的一部分通过辅助燃烧腔室的倾斜地斜穿的冷却孔的分布图案。
在一些示例中，至少部分混合辅助燃料流和辅助空气流包括在这些流中的每一个中诱导涡流模式。
在一些示例中，点燃辅助燃料/空气混合物包括激励点火源，同时至少部分将点火源与辅助燃料/空气混合物屏蔽开。
本说明书中描述的主题的一个或多个实施方式的细节在附图和以下描述中阐述。从说明书、附图和权利要求书中，主题的其他特征、方面和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是示例燃气轮机发动机的半侧剖视图。
图2A是第一示例火炬点火器的半侧剖视图。
图2B是标记为2B-2B的图2A的部分的放大视图。
图3是示出通过第二示例火炬点火器的操作实现的速度流场的图。
图4是第三示例火炬点火器系统的半侧剖视图。
具体实施方式
在燃气轮机发动机中，火炬点火器点燃由发动机的燃烧器中的燃烧器喷嘴释放的燃料，以产生加热的燃烧产物。加热的燃烧产物接着通过发动机的涡轮膨胀以产生扭矩。在相对较低的空气压降(ΔP)的条件下，主燃烧器喷嘴周围的可靠点火和火焰传播可能需要向操作包络线提供更高的最小点火能量水平。当周围环境特别冷时，这种担忧往往会加剧。为了在不同周围环境下的大范围操作条件下提供足够的点火能量，需要火炬点火器系统的高品质的火焰稳定性/可操作性。
在某些方面，本公开涉及通过在点火器主体中并入设计特征的各种组合来提供高点火能量的火炬点火器系统。例如，在一些实施方式中，点火器主体包括具有预混合杯的辅助燃烧腔室，该预混合杯将燃料和空气的混合物导入靠近点火源的再循环区。预混合杯的进入口可以包括空气旋流器，以增强辅助燃烧腔室中辅助空气和燃料流的再循环和混合。
在一些实施方式中，实现湍流和旋流分量的优化，以维持火炬点火器火焰，而不必保持点火源开启。在一些实施方式中，根据本公开的一个或多个实施例的火炬点火器可以改进寒冷天气下的燃烧器起燃性能，并且通过提供由火炬燃烧器中的涡流稳定燃烧增强的高能量释放，在宽范围的操作条件下提供可靠的再点火能力。
此外，本公开的某些火炬点火器系统并入了延长具有高温失效机制的部件的操作寿命的设计特征。例如，在一些实施方式中，辅助燃烧腔室的侧壁包括分布式冷却孔的图案。如下文详细讨论的，冷却孔可以被配置成使得冷却流体(例如空气)能够接触辅助燃烧腔室的内表面，而不会不利地影响其中的燃烧条件(例如燃料/空气比、空气/燃料温度、空气/燃料流速等)。作为另一个示例，在一些实施方式中，从辅助燃烧腔室接收燃烧产物的出口管包括稀释孔的图案。出口管上的稀释孔可以被配置成便于稀释流体(例如空气)与燃烧产物的混合，以实现温度变化。
图1是示例燃气轮机发动机10的半侧剖视图。燃气轮机发动机10是涡轮喷气型燃气轮机，其可用于例如为喷气式飞机提供动力。然而，应当理解，本公开中描述的概念不限于此，并且可以并入到各种其他类型的燃气轮机发动机(例如涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机或工业/船用发动机)的设计中。
如图所示，燃气轮机发动机10通常有利于气体的连续轴向流动。也就是说，气体通常沿图1中箭头所示的轴向下游方向流过发动机10。燃气轮机发动机10包括进气口12，进气口12接收周围空气14并将周围空气引导至压缩机16。周围空气14通过压缩机16的多级吸入。离开压缩机16的高压空气18被引入燃烧器100。在某些情况下，燃烧器100是环绕发动机的主轴20的环形燃烧器或位于轴径向外侧的罐式燃烧器。
燃烧器100包括燃烧屏蔽件102、多个燃料喷射器104、燃烧器拱顶106和火炬点火器系统108。在燃烧器100处，高压空气18与液体或气体燃料(未示出)混合，并由火炬点火器系统108点燃，以产生加热的燃烧产物22。燃烧产物22通过涡轮24的多个级。涡轮24从高压高温燃烧产物22中提取能量。涡轮24从燃烧产物22中提取的能量驱动压缩机16，压缩机16通过主轴20联接到涡轮。离开涡轮24的废气26通过排气喷嘴28被加速进入大气，以提供推力或推进功率或能量用于电能产生。
图2A-2B示出了可用于图1的火炬点火器系统108中的示例火炬点火器200。在某些情况下，火炬点火器系统108包括多个间隔开的火炬点火器200。在该示例中，火炬点火器200包括点火器主体202、辅助燃料喷射器204和点火源206。点火器主体202包括主壳体208，主壳体208界定中空的、基本上圆柱形的内腔，但是根据物理包络线要求可以具有不同的形状。主壳体208的内腔接收辅助燃烧腔室210。辅助燃烧腔室210的外表面与壳体208的内表面之间的环形间隙限定了流体通路212。燃料喷射器204和点火源206由壳体208支撑。点火源206例如直接安装到壳体208上，延伸穿过壳体侧壁中的开口。温度传感器213(例如热电偶)类似地安装到壳体208上。辅助燃料喷射器204经由安装支架214联接到壳体208。也就是说，安装支架214承载燃料喷射器204，并且直接附连(在该示例中为螺栓连接)到主壳体208的前端。
在该示例中，辅助燃料喷射器204包括喷嘴孔口216、燃料入口管线218和燃料旁通管线220。燃料入口218设置成与加压燃料源(未示出)流体连通。在使用过程中，来自源的加压燃料经由燃料入口管线218流向喷嘴孔口216。该燃料流的至少一部分绕过喷嘴孔口216，并通过燃料旁通管线220返回到主发动机燃料歧管。在一些示例中，燃料喷射器并入了用于增强燃料雾化和增加燃料调节比的附加设计特征，以满足所有操作条件下的燃料流量要求，而不改变喷嘴孔口216的尺寸，否则喷嘴孔口216尺寸改变可能会导致焦化。
接收在主壳体208内部中的辅助燃烧腔室210具有圆柱形主体，该主体包括在基本平面的前端壁228与后端壁230之间延伸的弯曲侧壁226。辅助燃烧腔室210的圆柱形主体限定了轴向长度“L”和径向直径“D”。在一些示例中，辅助燃烧腔室210的体积和/或L/D比可以影响火焰稳定。例如，可以通过向辅助燃烧腔室210提供降低流体参考速度(即，空气通过等于燃烧器壳最大截面的面积的理论流速)的体积和/或L/D比来改进火焰稳定性。改进的火焰稳定性可以使火炬点火器200能够在较高的压降条件下维持火焰，这增加了主燃烧器的操作包络线。
点火器主体202还包括端帽，该端帽以螺栓连接到主壳体208后端的隔板232的形式提供。隔板232通常封闭壳体208的内腔，除了中心贯通内孔234。如图所示，隔板232的内孔234接收从辅助燃烧腔室210后端壁230处的流体出口237延伸的出口管236。出口管236将加热流体从辅助燃烧腔室210输送到主燃烧器。值得注意的是，隔板内孔234的内径略大于出口管236的外径，从而在它们之间形成提供流体入口238的狭窄环形间隙(见图2B)。流体入口238与在壳体208与辅助燃烧腔室210之间的环形流体通路212流体连通。这种配置将点火器主体202的流体入口238和流体出口237置于同轴布置中。因此，点火器主体202的外壳(主壳体208和隔板232)中的单个开口用于将流体导送到辅助燃烧腔室210和从辅助燃烧腔室210导送流体。隔板232的设计是模块化的和专用的。这种同轴设计有效地简化了制造和组装过程，提供了紧凑的形状因子，并且还促进了两种流体流之间的交错流动。如下面结合图4详细解释的，交错流动的流体使得进入的辅助空气流能够用于冷却和/或稀释目的。
预混合杯240位于辅助燃烧腔室210的内部，靠近腔室的平面的前端壁228。预混合杯240包括空气入口242和圆柱形壁244。空气入口242径向围绕辅助燃料喷射器204。圆柱形壁244环绕空气入口242，并且因此也径向围绕燃料喷射器204。空气旋流器246位于空气入口242内。在该示例中，空气旋流器246具有盘形主体，该盘形主体包括以周向图案排列的多个旋流开口。涡流开口径向围绕辅助燃料喷射器204的出口，并且相对于辅助燃烧腔室210的纵向轴线以倾斜的非零角度大致轴向定向。因此，涡流开口被布置成沿着辅助燃烧腔室210的纵向轴线形成涡流。美国专利公开号2016/0047318描述了一种适于与本公开的实施例结合使用的轴向空气旋流器，该美国专利全部内容以引用的方式并入到本文中。
预混合杯240的圆柱形壁244相对于辅助燃烧腔室210的前端壁228轴向向外突出，以延伸穿过辅助燃烧腔室的内腔的前部。圆柱形壁244在辅助燃烧腔室210的前部内划分了两个离散区——位于圆柱形壁径向内侧的预混合区248和位于圆柱形壁径向外侧的再循环区250。预混合区248提供了用于将辅助空气流引入来自燃料喷射器204的雾化燃料的紧凑区域，这提高了燃料/空气混合的程度。当空气和燃料的混合流从预混合杯440排出时，它立即进入辅助燃烧腔室210的下游部分。再循环区250中的空的空间将辅助燃烧腔室中的燃料/空气混合物的一部分向后抽向腔室的前壁228，从而产生湍流的环形流动图案(见图3)。该再循环流维持燃烧，而不必将点火源206保持在“开启”状态，因为点燃的空气/燃料流的一部分被再循环回到来自预混合区248的进入燃料流中。更进一步，湍流和再循环倾向于将燃烧的空气/燃料与未燃烧的空气/燃料混合，这更均匀地点燃整个辅助燃烧腔室210中的空气/燃料混合物。这会产生更强、更高能量的燃烧。
图3的图示出了流体如何流过火炬点火器300，火炬点火器300在构造上类似于图2A和2B的火炬点火器200。如图3所示，辅助空气流经由流体入口338进入火炬点火器300的点火器主体302。辅助空气从流体入口338流入环形流体通路312。流体通路312将辅助空气流引导至预混合杯340的空气入口，在此处辅助空气流被引入轴向空气旋流器346。辅助空气穿过空气旋流器346，并流入由预混合杯340的圆柱形壁344限定的混合区348。在混合区348中，涡旋辅助空气流与从辅助燃料喷射器314排出的雾化燃料相遇并混合。燃料/空气混合物从混合区348流入辅助燃烧腔室的内腔的其余区域，包括通过圆柱形壁344与预混合区348径向分离的再循环区350。燃料/空气混合物由点火源激励(例如点燃)，该点火源位于辅助燃烧腔室310中，靠近再循环区350处。加热流体然后通过辅助燃烧腔室310流向流体出口337并进入出口管336，该出口管通向主燃烧腔室。
图4示出了另一示例火炬点火器400。像前面的示例一样，火炬点火器400包括点火器主体402、辅助燃料喷射器404和点火源406。点火器主体402包括主壳体408和隔板432，隔板432封闭包含辅助燃烧腔室410的中空内腔。隔板432包括接收从辅助燃烧腔室410引出的出口管436的中心内孔434。辅助燃烧腔室420与隔板432和主壳体408之间的相应环形间隙限定了通向流体通路412的流体入口438。辅助燃烧腔室410的内部包括预混合杯440，预混合杯440具有接收空气旋流器446的空气入口442。预混合杯440还包括轴向突出的圆柱形壁444，其将辅助燃烧腔室的前部划分成混合区448和再循环区450。
在该示例中，辅助燃料喷射器404并入了额外的设计特征和控制方案，用于增强燃料雾化和增加燃料调节比，以满足所有操作条件下的燃料流量要求，而不改变喷嘴孔口的尺寸，否则喷嘴孔口的尺寸改变可能会导致焦化。
在该示例中，辅助燃烧腔室410的弯曲侧壁426包括冷却孔452的分布图案。冷却孔452突伸穿过辅助燃烧腔室410的侧壁426，使得穿过环形流体通路412的辅助空气流的一部分能够进入辅助燃烧腔室410。在该示例中，冷却孔452中的每一个相对于腔室的弯曲侧壁426的内表面倾斜地斜穿。冷却孔452的成角度的取向导致空气通过其进入辅助燃烧腔室410，从而沿着腔室的内表面形成流体膜。辅助空气膜粘附到辅助燃烧腔室410的内表面，并因此被阻止与从预混合杯440流出的空气/燃料混合物混合。这允许辅助空气流冷却辅助燃烧腔室410，而不影响燃烧过程的化学计量。冷却孔的分布可以在不同的实施方式之间变化。例如，不同的实施方式可以采用更多或更少的冷却孔，而不脱离本公开的范围。
此外，在一些实施方式中，冷却孔的分布可以在辅助燃烧腔室的整个长度上变化。例如，在该示例中，冷却孔的密度从辅助燃烧腔室410的前端向后端增加。
除了冷却孔452，火炬点火器400还包括多个稀释孔454。在该示例中，稀释孔454沿着出口管436定位，出口管436将加热流体从辅助燃烧腔室410输送到主燃烧器。稀释孔454被配置成从环形流体入口438分流辅助空气流的一部分。与冷却孔452不同，稀释孔454被设计成引导进来的空气进入通过出口管436离开辅助燃烧腔室的加热流体的流动路径。例如，稀释孔454可以基本垂直于出口管436的弯曲表面，而不是倾斜地斜穿的。辅助空气流与加热流体混合并稀释组合物，这导致温度相对快速下降。
虽然图4的实施例提供了沿着辅助燃烧腔室的冷却孔和沿着出口管的稀释孔，但是在本公开的范围内也可以设想各种其他配置。实际上，在不同的实施方式中，辅助燃烧腔室和出口管中的一者或两者可以包括冷却和/或稀释孔。
火炬点火器400还包括位于辅助燃烧腔室410的内腔中的屏蔽装置456。屏蔽装置456被设计成至少部分地屏蔽点火源406不与从预混合杯440流出的空气/燃料混合物直接接触。在该示例中，屏蔽装置456包括弯曲主体，该弯曲主体具有面向预混合杯440的凸形外表面。如图所示，屏蔽装置456还包括沿主体分布的多个孔458，这些孔允许燃料/空气混合物的有限部分流过点火源406的顶端。在一些实施方式中，以这种方式屏蔽点火源406抑制了倾向于在相对冷的燃料和空气条件和/或高压降条件下发生的熄灭。
请考虑以下方面:
方面1. 一种燃气轮机燃烧器组件，包括:主燃烧腔室，其与主燃料喷射器和主空气入口流体连通；和火炬点火器，其联接到所述主燃烧腔室，所述火炬点火器包括:辅助燃料喷射器；点火源；和点火器主体，其承载所述辅助燃料喷射器和所述点火源，所述点火器主体包括辅助燃烧腔室，所述辅助燃烧腔室具有从第一端壁轴向延伸到第二端壁的侧壁，所述侧壁的至少一部分包括冷却孔的分布图案，所述冷却孔中的每一个从所述侧壁的外表面倾斜延伸到所述侧壁的内表面，以便使流体通过所述冷却孔进入所述辅助燃烧腔室的内腔，从而沿着所述内表面形成流体膜。
方面2. 根据方面1所述的燃烧器组件，进一步包括:位于所述辅助燃烧腔室的内腔中的预混合杯，所述预混合杯包括径向围绕所述辅助燃料喷射器的圆柱形壁和辅助空气入口，所述预混合杯的所述圆柱形壁相对于所述辅助燃烧腔室的第一端壁轴向向外突出穿过所述内腔的一部分，以划分所述圆柱形壁径向内侧的预混合区和所述圆柱形壁径向外侧的再循环区，所述点火源位于所述辅助燃烧腔室的侧壁上靠近所述再循环区的位置。
方面3. 根据方面1或2所述的燃烧器组件，其中，所述辅助燃烧腔室基本上为圆柱形的，所述侧壁具有恒定直径的圆形横截面，并且第一端壁和第二端壁基本上是平面的。
方面4. 根据方面1-3中任一项所述的燃烧器组件，其中，所述第二端壁限定了流体出口，所述流体出口通向与所述主燃烧腔室流体连通的出口管；以及其中，所述点火器主体还包括围绕所述辅助燃烧腔室的至少一部分的外壳，所述外壳包括与所述出口管同轴对准的流体入口。
方面5. 根据方面4所述的燃烧器组件，其中，所述点火器主体包括形成在所述壳的内表面与所述辅助燃烧腔室的外表面之间的流体环形空间，所述环形空间引导流体从所述流体入口跨所述辅助燃烧腔室的外表面流向所述第一端壁。
方面6. 根据方面1-5中任一项所述的燃烧器组件，其中，所述辅助燃烧腔室的第二端壁限定流体出口，所述流体出口通向与所述主燃烧腔室流体连通的出口管，所述出口管的至少一部分包括稀释孔的分布图案，所述稀释孔中的每一个被配置成引导流体与通过所述出口管离开所述辅助燃烧腔室的加热气体交错流动。
方面7. 根据方面1-6中任一项所述的燃烧器组件，其中，所述点火器主体还包括位于所述辅助燃烧腔室中的预混合杯进入口处的流体旋流器。
方面8. 根据方面7所述的燃烧器组件，其中，所述流体旋流器包括轴向流体旋流器，所述轴向流体旋流器包括围绕所述辅助燃料喷射器的出口的旋流开口的周向图案。
方面9. 根据方面1-8中任一项所述的燃烧器组件，其中，所述火炬点火器还包括屏蔽装置，所述屏蔽装置被配置为至少部分地将所述点火源与通过所述辅助燃烧腔室的流体流屏蔽开。
方面10. 根据方面9所述的燃烧器组件，其中，所述屏蔽装置联接到靠近所述点火源的所述辅助燃烧腔室的内表面，并且包括弯曲凸表面。
方面11.一种燃气轮机燃烧器组件，包括:主燃烧腔室，其与主燃料喷射器和主空气入口流体连通；和火炬点火器，其联接到所述主燃烧腔室，所述火炬点火器包括:辅助燃料喷射器；点火源；和点火器主体，其承载所述辅助燃料喷射器和所述点火源，所述点火器主体包括辅助燃烧腔室，所述辅助燃烧腔室具有从第一端壁轴向延伸到第二端壁的侧壁，所述第二端壁限定流体出口，所述流体出口通向与所述主燃烧腔室流体连通的出口管，所述出口管的至少一部分包括稀释孔的分布图案，所述稀释孔中的每一个被配置成引导流体与通过所述出口管离开所述辅助燃烧腔室的加热气体交错流动。
方面12. 根据方面11所述的燃烧器组件，进一步包括:位于所述辅助燃烧腔室的内腔中的预混合杯，所述预混合杯包括径向围绕所述辅助燃料喷射器的圆柱形壁和辅助空气入口，所述预混合杯的所述圆柱形壁相对于所述辅助燃烧腔室的第一端壁轴向向外突出穿过所述内腔的一部分，以划分所述圆柱形壁径向内侧的预混合区和所述圆柱形壁径向外侧的再循环区，所述点火源位于所述辅助燃烧腔室的所述侧壁上靠近所述再循环区的位置。
方面13. 根据方面11或方面12所述的燃烧器组件，其中，所述辅助燃烧腔室基本上是圆柱形的，所述侧壁具有恒定直径的圆形横截面，并且所述第一端壁和第二端壁基本上是平面的。
方面14. 根据方面11-13中任一项所述的燃烧器组件，其中，所述第二端壁限定流体出口，所述流体出口通向与所述主燃烧腔室流体连通的出口管；以及其中，所述点火器主体还包括围绕所述辅助燃烧腔室的至少一部分的外壳，所述外壳包括与所述出口管同轴对准的流体入口。
方面15. 根据方面14所述的燃烧器组件，其中所述点火器主体包括形成在壳的内表面与所述辅助燃烧腔室的外表面之间的流体环形空间，所述环形空间引导流体从所述流体入口跨所述辅助燃烧腔室的所述外表面流向所述第一端壁。
方面16. 根据方面11-15中任一项所述的燃烧器组件，其中，所述辅助燃烧腔室的侧壁的至少一部分包括冷却孔的分布图案，所述冷却孔中的每一个相对于所述侧壁的内表面倾斜地斜穿，以使得流体通过所述冷却孔进入所述辅助燃烧腔室的内腔，从而沿着所述内表面形成流体膜。
方面17. 根据方面11-16中任一项所述的燃烧器组件，其中，所述点火器主体还包括位于所述辅助燃烧腔室中的预混合杯的进入口处的流体旋流器。
方面18. 根据方面17所述的燃烧器组件，其中，所述流体旋流器包括轴向流体旋流器，所述轴向流体旋流器包括围绕所述辅助燃料喷射器的出口的旋流开口的周向图案。
方面19. 根据方面11-18中任一项所述的燃烧器组件，其中，所述火炬点火器还包括屏蔽装置，所述屏蔽装置被配置为至少部分地将所述点火源与通过所述辅助燃烧腔室的流体流屏蔽开。
方面20.根据方面19所述的燃烧器组件，其中，所述屏蔽装置在靠近所述点火源处联接到所述辅助燃烧腔室的内表面，并包括弯曲凸表面。
方面21.一种操作燃气轮机燃烧器组件的方法，所述方法包括:在辅助燃烧腔室中混合辅助燃料流和辅助空气流以形成辅助燃料/空气混合物；点燃辅助燃料/空气混合物以形成辅助加热流体流；将辅助加热流体流引导通过所述辅助燃烧腔室至主燃烧腔室；同时引导辅助加热流体流，接收冷却流体流，并且引导所述冷却流体以便:沿着所述辅助燃烧腔室的内表面形成冷却流体膜；和稀释辅助加热流体流；和用来自所述辅助燃烧腔室的稀释的辅助加热流体流点燃所述燃气轮机燃烧器组件的主燃烧腔室中的主空气/燃料混合物。
已经描述了本发明的多个方面和实施例。然而，应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。

Claims (21)

1. 一种燃气轮机燃烧器组件，包括:
主燃烧腔室，其与主燃料喷射器和主空气入口流体连通；和
火炬点火器，其联接到所述主燃烧腔室，所述火炬点火器包括:
辅助燃料喷射器；
点火源；和
点火器主体，其承载所述辅助燃料喷射器和所述点火源，所述点火器主体包括辅助燃烧腔室，所述辅助燃烧腔室具有从第一端壁轴向延伸到第二端壁的侧壁，所述侧壁的至少一部分包括冷却孔的分布图案，所述冷却孔中的每一个从所述侧壁的外表面倾斜延伸到所述侧壁的内表面，以便使流体通过所述冷却孔进入所述辅助燃烧腔室的内腔，从而沿着所述内表面形成流体膜。
2.根据权利要求1所述的燃烧器组件，进一步包括:
位于所述辅助燃烧腔室的内腔中的预混合杯，所述预混合杯包括径向围绕所述辅助燃料喷射器的圆柱形壁和辅助空气入口，所述预混合杯的所述圆柱形壁相对于所述辅助燃烧腔室的第一端壁轴向向外突出穿过所述内腔的一部分，以划分所述圆柱形壁径向内侧的预混合区和所述圆柱形壁径向外侧的再循环区，所述点火源位于所述辅助燃烧腔室的侧壁上靠近所述再循环区的位置。
3. 根据权利要求1或2所述的燃烧器组件，其中，所述辅助燃烧腔室基本上为圆柱形的，所述侧壁具有恒定直径的圆形横截面，并且第一端壁和第二端壁基本上是平面的。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的燃烧器组件，其中，所述第二端壁限定了流体出口，所述流体出口通向与所述主燃烧腔室流体连通的出口管；以及
其中，所述点火器主体还包括围绕所述辅助燃烧腔室的至少一部分的外壳，所述外壳包括与所述出口管同轴对准的流体入口。
5.根据权利要求4所述的燃烧器组件，其中，所述点火器主体包括形成在所述壳的内表面与所述辅助燃烧腔室的外表面之间的流体环形空间，所述环形空间引导流体从所述流体入口跨所述辅助燃烧腔室的外表面流向所述第一端壁。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的燃烧器组件，其中，所述辅助燃烧腔室的第二端壁限定流体出口，所述流体出口通向与所述主燃烧腔室流体连通的出口管，所述出口管的至少一部分包括稀释孔的分布图案，所述稀释孔中的每一个被配置成引导流体与通过所述出口管离开所述辅助燃烧腔室的加热气体交错流动。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的燃烧器组件，其中，所述点火器主体还包括位于所述辅助燃烧腔室中的预混合杯进入口处的流体旋流器。
8.根据权利要求7所述的燃烧器组件，其中，所述流体旋流器包括轴向流体旋流器，所述轴向流体旋流器包括围绕所述辅助燃料喷射器的出口的旋流开口的周向图案。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的燃烧器组件，其中，所述火炬点火器还包括屏蔽装置，所述屏蔽装置被配置为至少部分地将所述点火源与通过所述辅助燃烧腔室的流体流屏蔽开。
10.根据权利要求9所述的燃烧器组件，其中，所述屏蔽装置联接到靠近所述点火源的所述辅助燃烧腔室的内表面，并且包括弯曲凸表面。
11. 一种燃气轮机燃烧器组件，包括:
主燃烧腔室，其与主燃料喷射器和主空气入口流体连通；和
火炬点火器，其联接到所述主燃烧腔室，所述火炬点火器包括:
辅助燃料喷射器；
点火源；和
点火器主体，其承载所述辅助燃料喷射器和所述点火源，所述点火器主体包括辅助燃烧腔室，所述辅助燃烧腔室具有从第一端壁轴向延伸到第二端壁的侧壁，所述第二端壁限定流体出口，所述流体出口通向与所述主燃烧腔室流体连通的出口管，所述出口管的至少一部分包括稀释孔的分布图案，所述稀释孔中的每一个被配置成引导流体与通过所述出口管离开所述辅助燃烧腔室的加热气体交错流动。
12.根据权利要求11所述的燃烧器组件，进一步包括:
位于所述辅助燃烧腔室的内腔中的预混合杯，所述预混合杯包括径向围绕所述辅助燃料喷射器的圆柱形壁和辅助空气入口，所述预混合杯的所述圆柱形壁相对于所述辅助燃烧腔室的第一端壁轴向向外突出穿过所述内腔的一部分，以划分所述圆柱形壁径向内侧的预混合区和所述圆柱形壁径向外侧的再循环区，所述点火源位于所述辅助燃烧腔室的所述侧壁上靠近所述再循环区的位置。
13. 根据权利要求11或权利要求12所述的燃烧器组件，其中，所述辅助燃烧腔室基本上是圆柱形的，所述侧壁具有恒定直径的圆形横截面，并且所述第一端壁和第二端壁基本上是平面的。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的燃烧器组件，其中，所述第二端壁限定流体出口，所述流体出口通向与所述主燃烧腔室流体连通的出口管；以及
其中，所述点火器主体还包括围绕所述辅助燃烧腔室的至少一部分的外壳，所述外壳包括与所述出口管同轴对准的流体入口。
15.根据权利要求14所述的燃烧器组件，其中所述点火器主体包括形成在壳的内表面与所述辅助燃烧腔室的外表面之间的流体环形空间，所述环形空间引导流体从所述流体入口跨所述辅助燃烧腔室的所述外表面流向所述第一端壁。
16.根据权利要求11-15中任一项所述的燃烧器组件，其中，所述辅助燃烧腔室的侧壁的至少一部分包括冷却孔的分布图案，所述冷却孔中的每一个相对于所述侧壁的内表面倾斜地斜穿，以使得流体通过所述冷却孔进入所述辅助燃烧腔室的内腔，从而沿着所述内表面形成流体膜。
17.根据权利要求11-16中任一项所述的燃烧器组件，其中，所述点火器主体还包括位于所述辅助燃烧腔室中的预混合杯的进入口处的流体旋流器。
18.根据权利要求17所述的燃烧器组件，其中，所述流体旋流器包括轴向流体旋流器，所述轴向流体旋流器包括围绕所述辅助燃料喷射器的出口的旋流开口的周向图案。
19.根据权利要求11-18中任一项所述的燃烧器组件，其中，所述火炬点火器还包括屏蔽装置，所述屏蔽装置被配置为至少部分地将所述点火源与通过所述辅助燃烧腔室的流体流屏蔽开。
20.根据权利要求19所述的燃烧器组件，其中，所述屏蔽装置在靠近所述点火源处联接到所述辅助燃烧腔室的内表面，并包括弯曲凸表面。
21.一种操作燃气轮机燃烧器组件的方法，所述方法包括:
在辅助燃烧腔室中混合辅助燃料流和辅助空气流以形成辅助燃料/空气混合物；
点燃辅助燃料/空气混合物以形成辅助加热流体流；
将辅助加热流体流引导通过所述辅助燃烧腔室至主燃烧腔室；
同时引导辅助加热流体流，接收冷却流体流，并且引导所述冷却流体以便:
沿着所述辅助燃烧腔室的内表面形成冷却流体膜；和
稀释辅助加热流体流；和
用来自所述辅助燃烧腔室的稀释的辅助加热流体流点燃所述燃气轮机燃烧器组件的主燃烧腔室中的主空气/燃料混合物。
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