CN114008387A - 用于点燃器的第二级燃烧 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮燃烧器(100)组件包括与初级燃料喷射器(104)和初级空气入口成流体连通的初级燃烧室，以及点燃器(1000)，该点燃器由初级燃烧室承载并且包括第一点燃器级和第二点燃器级，该第一点燃器级具有辅助燃烧室壳体（1001），该辅助燃烧室壳体包括混合室（1070）和在混合室的下游会聚的管状喉部（1008），点燃源突出到辅助燃烧室的混合室中，该第二点燃器级包括接近管状喉部的出口的辅助燃料出口（1060）歧管。

Description

用于点燃器的第二级燃烧
优先权要求
本申请要求在2019年3月28日提交的美国临时申请号62/825,591和在2019年12月4日提交的美国临时申请号62/943,662的优先权，这些美国临时申请的整个内容由此通过引用并入。
技术领域
本说明书总体上涉及用于涡轮发动机的燃烧器组件，其并入点燃系统以有助于主燃烧室中的点燃。
背景技术
涡轮发动机是用于许多高功率应用的优选种类的内燃发动机。从根本上说，涡轮发动机的特征在于联接至下游涡轮的上游旋转压缩机，以及位于两者之间的燃烧室。点燃器是一种可用于点燃涡轮发动机的初级燃烧器中的燃料的装置。在一些应用中，火花点燃器用于点着发动机，但存在火花点燃器可能难以点着发动机时的情形，例如在冷启动和/或使用重质初级燃料。
发明内容
总体上，本文件描述用于涡轮发动机的燃烧器组件，其并入点燃系统以有助于主燃烧室中的点燃。
在第一方面，一种涡轮燃烧器组件包括：与初级燃料喷射器和初级空气入口成流体连通的初级燃烧室，以及由初级燃烧室所承载的点燃器，该点燃器包括第一点燃器级和第二点燃器级，该第一点燃器级包括辅助燃烧室壳体和点燃源，该辅助燃烧室壳体包括混合室和在混合室下游会聚的管状喉部，该点燃源突出到辅助燃烧室的混合室中，该第二点燃器级包括接近管状喉部的出口的辅助燃料出口歧管。
在第二方面，根据方面1，辅助燃料出口歧管具有围绕管状喉部的出口的大体环形形状，使流动远离辅助燃料出口歧管朝向管状喉部的中心。
在第三方面，根据方面1或2，辅助燃料出口歧管限定燃料开口的周向模式。
在第四方面，根据方面1至3中的任一方面，该组件还包括支承臂，该支承臂具有附连至辅助燃料出口歧管的第一端部和在辅助燃烧室近侧附连至点燃器的第二端部，并且构造成用以将辅助燃料出口歧管与管状喉部管间隔开。
在第五方面，根据方面4，该组件还包括燃料歧管，其中，支承臂限定管状燃料通道，该管状燃料通道构造成用以提供从燃料歧管至辅助燃料出口歧管的流体通道。
在第六方面，根据方面1至5中的任一方面，管状喉部延伸到初级燃烧室中，并且混合室在混合室的下游布置在管状喉部内。
在第七方面，根据方面1至6中的任一方面，辅助燃料出口歧管具有在管状喉部的出口的周边内的大体环形形状，使流动远离该周边朝向管状喉部的中心。
在第八方面，根据方面1至7中的任一方面，辅助燃料出口歧管是管状燃料通道的出口，该管状燃料通道构造成用以提供来自燃料歧管的流体通道。
在第九方面，根据方面1至8中的任一方面，第二点燃器级还包括在管状喉部的中点近侧的第二辅助燃料出口。
在第十方面，一种方法包括：将燃料接收到涡轮燃烧器组件的第一点燃器级的辅助燃烧室中；将引入到辅助燃烧室中的空气与燃料混合以提供第一空气和燃料混合物；在辅助燃烧室中点燃第一空气和燃料混合物；将附加的燃料接收到布置成接近辅助燃烧室的出口的第二点燃器级的辅助燃料出口歧管中；通过辅助燃料出口歧管将附加的点燃器燃料在出口近侧提供至点燃的第一空气和燃料混合物；通过点燃的第一空气和燃料混合物点燃由辅助燃料出口歧管所提供的附加的点燃器燃料以提供燃烧的空气和燃料混合物；以及在涡轮燃烧器组件的初级燃烧室中利用燃烧的空气和燃料混合物点燃初级空气和燃料混合物。
在第十一方面，根据方面10，辅助燃烧室包括混合室，该混合室具有围绕在混合室的下游会聚的管状喉部的出口的大体环形形状。
在第十二方面，根据方面10或11，该方法还包括通过限定在辅助燃料出口歧管中的燃料开口的周向模式，使燃料远离辅助燃料出口歧管并且朝向出口的中心流动。
在第十三方面，根据方面10至12中的任一方面，第一点燃器级还包括支承臂，该支承臂具有附连至辅助燃料出口歧管的第一端部和在辅助燃烧室近侧附连至第一点燃器级的第二端部，并且构造成用以将辅助燃料出口歧管与辅助燃烧室的出口间隔开。
在第十四方面，根据方面13，该方法还包括从燃料歧管接收附加的点燃器燃料，以及穿过由支承臂所限定的管状燃料通道将附加的点燃器燃料提供至辅助燃料出口歧管。
在第十五方面，根据方面10至14中的任一方面，其中，辅助燃烧室包括混合室，该混合室具有围绕延伸到初级燃烧室中的管状喉部的出口的大体环形形状，并且该混合室在混合室的下游布置在管状喉部内。
在第十六方面，根据方面10至15中的任一方面，辅助燃烧室包括混合室，该混合室具有围绕在混合室的下游会聚的管状喉部的出口的大体环形形状，以及辅助燃料出口歧管具有在管状喉部出口的周边内的大体环形形状，使流动远离周边朝向管状喉部的中心。
在第十七方面，根据方面10至16中的任一方面，辅助燃料出口歧管是管状燃料通道的出口，该管状燃料通道构造成用以提供来自燃料歧管的流体通道。
在第十八方面，根据方面10至17中的任一方面，该方法还包括：通过第二辅助燃料出口歧管将第二附加的点燃器燃料在管状喉部的中点处提供至燃烧的空气和燃料混合物，该管状喉部构造成用以将点燃的空气和燃料混合物引导至出口；以及通过燃烧的空气和燃料混合物，点燃第二附加的点燃器燃料以提供第二燃烧的空气和燃料混合物，其中，第二空气和燃料混合物由第二燃烧的空气和燃料混合物进一步点燃。
在一总体方面，一种涡轮燃烧器组件包括：与初级燃料喷射器和初级空气入口成流体连通的初级燃烧室，以及由初级燃烧室所承载的点燃器，该点燃器具有第一点燃器级和第二点燃器级，该第一点燃器级具有辅助燃烧室壳体和点燃源，该辅助燃烧室壳体包括混合室和在混合室的下游会聚的管状喉部，该点燃源突出到辅助燃烧室的混合室中，该第二点燃器级包括接近管状喉部的出口的辅助燃料出口歧管。
各种实施例可包括以下特征中的一些、全部或者不包括。辅助燃料出口歧管可具有围绕管状喉部的出口的大体环形形状，使流动远离辅助燃料出口歧管朝向管状喉部的中心。辅助燃料出口歧管可限定燃料开口的周向模式。涡轮燃烧器组件可包括支承臂，该支承臂具有附连至辅助燃料出口歧管的第一端部和在辅助燃烧室近侧附连至点燃器的第二端部，并且构造成用以将辅助燃料出口歧管与管状喉部管间隔开。涡轮燃烧器组件还可包括燃料歧管，其中，支承臂限定管状燃料通道，该管状燃料通道构造成用以提供从燃料歧管至辅助燃料出口歧管的流体通道。管状喉部可延伸到初级燃烧室中，并且混合室可在混合室的下游布置在管状喉部内。辅助燃料出口歧管可具有在管状喉部的出口的周边内的大体环形形状，使流动远离周边朝向管状喉部的中心。辅助燃料出口歧管可为管状燃料通道的出口，该管状燃料通道构造成用以提供来自燃料歧管的流体通道。第二点燃器级可包括接近管状喉部的中点的第二辅助燃料出口。
在另一总体方面，一种方法可包括：将燃料接收到涡轮燃烧器组件的第一点燃器级的辅助燃烧室中；将引入到辅助燃烧室中的空气与燃料混合以提供第一空气和燃料混合物；在辅助燃烧室中点燃第一空气和燃料混合物；将附加的燃料接收到接近辅助燃烧室的出口布置的第二点燃器级的辅助燃料出口歧管中；通过辅助燃料出口歧管，接近出口将附加的点燃器燃料提供至点燃的第一空气和燃料混合物；通过点燃的第一空气和燃料混合物，点燃由辅助燃料出口歧管所提供的附加的点燃器燃料以提供燃烧的空气和燃料混合物；以及在涡轮燃烧器组件的初级燃烧室中，利用燃烧的空气和燃料混合物点燃初级空气和燃料混合物。
各种实施方式可包括以下特征中的一些、全部或者不包括。辅助燃烧室可包括混合室，该混合室具有围绕在混合室的下游会聚的管状喉部的出口的大体环形形状。该方法还可包括通过限定在辅助燃料出口歧管中的燃料开口的周向模式，使燃料远离辅助燃料出口歧管并且朝向出口的中心流动。第一点燃器级可包括支承臂，该支承臂具有附连至辅助燃料出口歧管的第一端部和在辅助燃烧室近侧附连至第一点燃器级的第二端部，并且构造成用以将辅助燃料出口歧管与辅助燃烧室的出口间隔开。该方法还可包括从燃料歧管接收附加的点燃器燃料，以及穿过由支承臂所限定的管状燃料通道将附加的点燃器燃料提供至辅助燃料出口歧管。辅助燃烧室可包括混合室，该混合室具有围绕延伸到初级燃烧室中的管状喉部的出口的大体环形形状，并且该混合室可在混合室的下游布置在管状喉部内。辅助燃烧室可包括混合室，该混合室具有围绕在混合室的下游会聚的管状喉部的出口的大体环形形状，以及辅助燃料出口歧管可具有在管状喉部出口的周边内的大体环形形状，使流动远离周边朝向管状喉部的中心。辅助燃料出口歧管可为管状燃料通道的出口，该管状燃料通道构造成用以提供来自燃料歧管的流体通道。该方法还可包括：通过第二辅助燃料出口歧管将第二附加的点燃器燃料在管状喉部的中点处提供至燃烧的空气和燃料混合物，该管状喉部构造成用以将点燃的空气和燃料混合物引导至出口；以及通过燃烧的空气和燃料混合物，点燃第二附加的点燃器燃料以提供第二燃烧的空气和燃料混合物，其中，第二空气和燃料混合物可由第二燃烧的空气和燃料混合物进一步点燃。
这里描述的系统和技术可提供以下优点中的一个或多个。首先，系统可提供在涡轮发动机中燃料的有效点燃。其次，该系统可改进涡轮发动机的燃料效率。
在附图和下文的描述中阐述一个或多个实施方式的细节。根据该描述和附图以及根据权利要求，其它特征和优点将是显而易见的。
附图说明
图1是实例涡轮发动机的一半的侧截面视图。
图2A是第一实例点燃器系统的一半的侧截面视图。
图2B是图2A中所示的点燃器系统的透视图。
图2C是例示通过图2A中所示的点燃器系统的操作而实现的速度流场的图示。
图3是实例点燃器的透视图。
图4是实例点燃器的截面侧视图。
图5A-5C是实例第二点燃器级的各种视图。
图6是另一实例点燃器的透视图。
图7A是图6的实例点燃器的截面视图。
图7B和图7C是图7A的实例点燃器的部分的放大截面视图。
图8是例示通过图6和图7A-7C中所示的实例点燃器系统的操作而实现的速度流场的图示。
图9A-9F示出实例第二点燃器级的实例燃料喷洒模式。
图10是实例交叉流动（或横流）点燃器系统的截面视图。
图11是用于点燃空气和燃料混合物的实例过程的流程图。
具体实施方式
在涡轮发动机中，点燃器点燃由发动机的燃烧器中的燃烧器喷嘴所释放的燃料以产生加热的燃烧产物。继而，加热的燃烧产物穿过发动机的涡轮膨胀以产生扭矩。在较低的空气压降(delta P)下，特别是在寒冷的环境条件下，围绕初级燃烧器喷嘴的可靠点燃和火焰传播可能需要提供给操作包络（或范围，envelope）的最小能量水平。为了横越广泛范围的操作条件提供能量，点燃器系统的高质量火焰稳定性/可操作性是期望的。在某些方面，本公开内容涉及一种点燃器系统，其供给高能量，例如，通过并入设计成用以在辅助燃烧室中创建强效再循环区的径向和/或轴向空气旋流器构件。在一些实施方式中，实现涡流和旋流构件的优化以维持点燃器火焰而不必保持火花点燃源开通。在一些实施方式中，可在燃烧出口处提供附加的燃料以促使提供附加的热能。在一些实施方式中，根据本公开内容的一个或多个实施例的点燃器可改进冷燃烧器点火性能，并且通过提供由在燃烧器中旋流稳定燃烧而增强的高能量释放来横越宽广范围的操作条件提供可靠的重新点着（或重新点火）能力。在一些实施方式中，根据一个或多个实施例的点燃器可提供在燃烧器内部的近化学计量燃烧过程。此种燃烧过程可产生更高的气体温度和痕量的化学活性物质，其有益于在初级燃烧器室(例如，燃烧器穹顶（dome））106)中的点燃。由近化学计量燃烧过程所实现的潜在益处是在初级燃烧器室内的改进火焰传播，以及在燃烧器启动周期期间较少的排烟。
图1是实例涡轮发动机10的一半的侧截面视图。涡轮发动机10是涡轮喷气型涡轮，其可用于例如向喷气式航空器提供动力。然而，认识到的是，在本公开内容中所描述的概念不限于此，并且可并入在各种其它类型的涡轮发动机的设计中，包括用于驱动配套装置（例如发电机或另一装置）的固定涡轮发动机。在一些实施方式中，文中的概念可适用于在涡轮发动机的其它构造例如涡轮风扇、涡轮螺旋桨、涡轮轴以及其它构造中使用。
如所示那样，涡轮发动机10通常有助于连续的轴流。也就是说，穿过发动机10的流动通常在由图1中的箭头所指示的轴向地下游方向上。涡轮发动机10包括进口12，其接收环境空气14并且将环境空气引导至压缩机16。环境空气14汲取穿过压缩机16的多个级。离开压缩机16的高压空气18引入至燃烧器100。在某些情况下，燃烧器100是外接发动机的主轴20的环形燃烧器或定位在轴的径向外部的罐型燃烧器。
燃烧器100包括燃烧罩（或护罩，shield）102、多个燃料喷射器104、燃烧器穹顶106，以及在某些情况下包括多个间隔开的点燃器的点燃器系统108。在燃烧器100处，高压空气18与液体烃燃料（未示出）混合并且由点燃器系统108点燃以产生加热的燃烧产物22。燃烧产物22传送穿过涡轮24的多个级。涡轮24从高压、高温燃烧产物22中提取能量。由涡轮24从燃烧产物22中所提取的能量驱动压缩机16，该压缩机通过主轴20联接至涡轮。排出气体（或排气）26穿过排气装置（exhaust）28离开涡轮24。
图2A-C示出可在图1的点燃器系统108中使用的实例点燃器200。如所示那样(见图2B)，轴向空气旋流器204是盘形的并且联接至辅助燃烧室壳体205的上端部，与内室203的上端部间隔开。轴向空气旋流器204包括穿过其的多个旋流开口212，这些旋流开口以周向模式提供，环绕辅助燃料喷射器214的出口并且大体轴向地定向，相对于辅助燃烧室202和辅助燃料喷射器214的纵向轴线处于非零角度。旋流开口212布置成用以沿着辅助燃烧室202的纵向轴线形成流动涡旋。可提供比所示出的更少或更多的旋流开口212。旋流开口212的流动面积、取向和数目，以及辅助燃烧室202的形状，例如使用计算流体动力学软件迭代地定制大小，以在混合室208中靠近辅助燃料喷射器214的出口产生再循环区。再循环空气/燃料流215在图2C中由速度场流线示出为在辅助燃料喷射器214的出口周围的大体环形，使流动向下（远离辅助燃料喷射器214的出口）穿过辅助燃烧室202的中心并且向上（回送朝向辅助燃料喷射器214的出口）沿着内部侧壁。环形再循环215从混合室208的顶端部至混合室208的底端部延伸混合室208的整个轴向长度，靠近喉部区域210的颈缩开始部分。从混合室208至喉部区域210的颈缩帮助形成再循环流215，因为遇到颈缩和减小的流动面积的周边流沿侧壁向上重新引导回送。一旦由点燃源206点燃，在再循环区中所得的涡流和再循环维持来自辅助燃料喷射器214的燃料的燃烧，而不必保持点燃源206开通，因为点燃的空气/燃料的一部分再循环回送到来自辅助燃料喷射器214的引入燃料中。此外，涡流和再循环趋向于将燃烧的空气/燃料与未燃烧的空气/燃料混合，趋向于更均匀地点燃贯穿辅助燃烧室202的空气/燃料并且产生更强、更高的能量燃烧。
图3是实例点燃器300的透视图。图4是实例点燃器300的截面侧视图。在一些实施例中，点燃器300可为图1的实例点燃器系统108。在一些实施例中，点燃器300可为图2A-2C的实例点燃器200的变型。
如同上文所讨论的点燃器200，点燃器300具有带有内室303的外壳体301；内室303在图3和图4中示出为基本上圆柱形的。外壳体301在内部接收辅助燃烧室壳体305，在它们之间限定环形空气通道307。辅助燃烧室壳体305邻接内室303的上端部。环形空气通道307包括通向初级燃烧室的入口309。辅助燃烧室壳体305，在图3和图4中也示出为基本上圆柱形的，限定内部辅助燃烧室302。点燃源306，例如火花生成点燃器，提供成延伸穿过辅助燃烧室302的侧壁。
辅助燃烧室壳体305示出为限定圆柱形混合室308和会聚喉部区域310，该会聚喉部区域在混合室308的下游会聚至限定管状喉部的喷嘴管311(例如，火焰传递管、出口（exit）管)。在所例示实例中，喉部区域310急剧地会聚，在混合室308的较大直径和喉部区域310的较小直径之间形成肩部或台阶，其中，肩部或台阶正交于辅助燃烧室壳体305的纵向轴线。在一些实施例中，点燃源306在辅助燃料喷射器314的出口下游径向地突出到辅助燃烧室302的混合室308中。辅助燃料喷射器314定位在辅助燃烧室302的顶部处，其中，该辅助燃烧室的出口轴向地定向以与辅助燃烧室302的中心轴线重合地喷射燃料。点燃源306在辅助燃烧室302中点燃来自辅助燃料喷射器314的燃料输出，并且会聚喉部区域310和喷嘴管311将流动喷送离开辅助燃烧室302，以在初级燃烧室中产生火焰射流。所得的火焰射流出现在出口320处，该出口通常定位在初级燃烧室内以在初级燃烧室中燃烧空气和燃料混合物。
点燃器300还包括第二点燃器级350。第二点燃器级350包括辅助燃料出口歧管360，其布置成接近由喷嘴管311所限定的管状喉部的出口320。辅助燃料出口歧管360由支承臂351支承并且定位在出口320附近。支承臂351限定管状燃料通道，该管状燃料通道从附连至辅助燃料出口歧管的第一端部和在辅助燃烧室302近侧附连至外壳体301的第二端部延伸，并且构造成用以将辅助燃料出口歧管360与喷嘴管311的管状喉部间隔开。在一些实施方式中，点燃器300可包括计量阀以控制燃料流通向第二点燃器级350（例如，使其开通/关断并且将燃料流控制至多个中间流率）。
图5A-5C是图3和图4的实例第二点燃器级500的各种视图。辅助燃料出口歧管360具有围绕喷嘴管311的管状喉部的出口的大体环形形状。如将在图6的描述中进一步讨论，辅助燃料出口歧管360限定一系列喷嘴，燃料可穿过这些喷嘴流出和远离辅助燃料出口歧管360并且朝向出口320。所例示的构造可将附加的燃料提供至从出口320出现的燃烧的空气和燃料混合物。在某些情况下，相比于没有燃料富集，所得的火焰射流更深地到达进入初级燃烧室中，并且提供更稳定、更强（高热能）、高表面面积的火焰以燃烧初级燃烧室中的空气和燃料混合物。
图6是实例点燃器600的透视图。图7A是实例点燃器600的截面侧视图。图7B和图7C是实例点燃器600的部分的放大截面侧视图。在一些实施例中，点燃器600可为图1的实例点燃器系统108。在一些实施例中，点燃器600可为图2A-2C的实例点燃器200的变型。
如同上文所讨论的点燃器200，点燃器600具有带有内室603的外壳体601；内室603在图6和图7A-7C中示出为基本上圆柱形的。外壳体601在内部接收喷嘴管611(例如，火焰传递管、出口管)。具有端面612的辅助燃烧室壳体605布置在喷嘴管611内，在它们之间限定环形空气通道607。点燃源606，例如火花生成点燃器，提供成延伸至辅助燃烧室602。环形空气通道607包括通向初级燃烧室的一系列入口609，以及在点燃源606的火花位置617近侧通向辅助燃烧室602的一系列出口630。端面612和辅助燃烧室壳体605，在图6、图7A和图7C中也示出为基本上圆柱形的，限定内部辅助燃烧室602。在使用中，空气在系列入口609处流动到环形空气通道607中，并且穿过系列出口630流出至辅助燃烧室。
辅助燃烧室壳体605示出为在限定管状喉部的喷嘴管611内限定圆柱形混合室608。在所例示实例中，圆柱形混合室608由喷嘴管611支承，使得圆柱形混合室608悬置在初级燃烧器室(例如，图1的燃烧器穹顶106)内。尽管在图7A-7C中示出为与辅助燃烧室壳体605同轴，但在一些实施例中，点燃源606在辅助燃料喷射器614的出口下游侧向地突出到辅助燃烧室602的混合室608中。辅助燃料喷射器614定位在辅助燃烧室602的顶部处，其中，该辅助燃料喷射器的出口轴向地定向以与辅助燃烧室602的中心轴线重合地喷射燃料。点燃源606在辅助燃烧室602中点燃来自辅助燃料喷射器614的燃料输出，并且喷嘴管611将流动喷送离开辅助燃烧室602，以在初级燃烧室中产生火焰射流。所得的火焰射流出现在出口620处，该出口通常定位在初级燃烧室内以在初级燃烧室中燃烧空气和燃料混合物。
点燃器600还包括第二点燃器级650。第二点燃器级650包括辅助燃料出口660，其布置成接近喷嘴管611的出口620。辅助燃料出口660通过流体供给导管651流体地连接至流体入口652。在一些实施例中，点燃器600可包括将流体入口652流体地连接至多个辅助燃料出口660的多个流体供给导管651，如将在图9E和图9F的描述中进一步讨论。流体供给导管651限定从流体入口652延伸至辅助燃料出口660的管状燃料通道。在一些实施方式中，点燃器600可包括计量阀以控制燃料流通向第二点燃器级650（例如，使其开通/关断并且将燃料流控制至多个中间流率）。所例示的构造可将附加的燃料提供至从出口620出现的燃烧的空气和燃料混合物。在某些情况下，相比于没有燃料富集，所得的火焰射流更深地到达进入初级燃烧室中，并且提供更稳定、更强（高热能）、高表面面积的火焰以燃烧初级燃烧室中的空气和燃料混合物。
在一些实施例中，辅助燃料出口660还可包括围绕出口620的嘴部的内表面的周边布置的辅助燃料出口歧管。例如，辅助燃料出口歧管可具有围绕喷嘴管611的管状喉部的出口的大体环形形状。如将在图9A-9D的描述中进一步讨论，辅助燃料出口歧管可限定一系列喷嘴，燃料可穿过这些喷嘴流出和远离辅助燃料出口660并且朝向出口620。
图8是例示通过图6和图7A-7C中所示的辅助燃烧室602的操作而实现的速度流场的图示。如所示那样，出口630以周向模式提供，环绕点燃源606的火花位置617并且大体轴向地定向，相对于辅助燃烧室602的纵向轴线处于非零角度。出口630布置成用以沿着辅助燃烧室602的纵向轴线形成环形流动涡旋802。可提供比所示出的更少或更多的出口630。在某些情况下，混合室608的上端部可具有与混合室608的其余部分不同的直径。
出口630的流动面积、取向和数目，以及辅助燃烧室602的形状，例如使用计算流体动力学软件迭代地定制大小，以在混合室608中靠近出口620产生再循环区。再循环空气/燃料流815在图8中由速度场流线示出为在火花位置617的出口周围的大体环形，使流动向下（远离火花位置617）穿过辅助燃烧室602的中心并且向上（回送朝向出口630）沿着内部侧壁。环形再循环815从混合室608的顶端部至混合室608的底端部延伸混合室608的整个轴向长度。一旦由点燃源606点燃，在再循环区中所得的涡流和再循环维持燃料的燃烧，而不必保持点燃源606开通，因为点燃的空气/燃料的一部分再循环回送到引入燃料中。此外，涡流和再循环趋向于将燃烧的空气/燃料与未燃烧的空气/燃料混合，趋向于更均匀地点燃贯穿辅助燃烧室602的空气/燃料并且产生更强、更高的能量燃烧。
在某些情况下，如果火炬点燃器系统以间歇方式(例如，重复的开通/关断循环)操作并且在停机期间，由于停滞的燃料而引起的焦炭形成物可限制辅助燃料喷射器中的燃料流动通道。这种效果可由于较低的燃料流率所需的较小通路而更加明显。因此，在一些实施方式中，在火炬关断时的那些时间期间具有吹扫或冷却燃料喷射器的需要。火炬点燃器系统的一些实施例可设计成用以在很少或没有附加硬件的情况下提供对辅助燃料喷射器的吹扫和冷却。
图9A示出图3-5C的实例第二点燃器级350的实例燃料喷洒模式。辅助燃料出口歧管360限定一系列喷嘴910，该系列喷嘴限定为燃料开口的周向模式，燃料可穿过该燃料开口流出和远离辅助燃料出口歧管360并且朝向出口320。在所例示实例中，喷嘴910射出燃料流作为围绕图中所描绘的线集中的一系列燃料射流920。喷嘴910构造成用以使燃料作为燃料射流920远离辅助燃料出口歧管360朝向管状喉部区域的出口320的中心流动。喷嘴910的尺寸、角度和/或数量构造成用以促进附加的燃料与离开出口320的主排气流的混合。例如，喷嘴910可围绕辅助燃料出口歧管360基本上均匀地分布以避免火焰熄灭，并且它们与主流的距离（多个）可构造为以便保持预定的射流与横流（或交叉流动）的比率。
图9B-9F示出图6-7C的实例第二点燃器级650的实例燃料喷射模式。在一些实施例中，辅助燃料出口660可包括限定一系列喷嘴910的辅助燃料出口歧管900，该系列喷嘴限定为燃料开口的周向模式，燃料可穿过该燃料开口流出并且远离辅助燃料出口歧管900。在所例示实例中，喷嘴910射出燃料流作为围绕图中所描绘的线集中的一系列燃料射流920。喷嘴910构造成用以使燃料作为燃料射流920远离辅助燃料出口歧管900朝向管状喉部区域的出口620的中心流动。在所例示实例中，喷嘴910围绕辅助燃料出口歧管900基本上均匀地分布以避免火焰熄灭，并且它们与主流的距离（多个）可构造为以便保持预定的射流与横流的比率。
喷嘴910的尺寸、角度和/或数量构造成用以促进附加的燃料与离开出口620的主排气流的混合。在图9B中所例示的实例中，喷嘴910围绕出口620的周边的轴向端面布置，并且构造成用以将燃料射流920引导朝向出口320的中心。在图9C中所例示的实例中，喷嘴910围绕出口620的周边的内表面布置，并且构造成用以将燃料射流920引导朝向出口320的中心。在图9D中所例示的实例中，喷嘴910沿着出口620近侧的喷嘴管611的区段限定，并且构造成用以将燃料射流920引导朝向出口320的中心。在图9E和图9F中所例示的实例中，喷嘴管611包括将流体入口652流体地连接至两个辅助燃料出口660的两个流体供给导管651。离开辅助燃料出口660的燃料形成多个燃料射流920，这些燃料射流引导朝向次级燃烧区域。在一些实施例中，任何适当数目的流体供给导管651可用于将流体输送至出口620附近的任何适当数目的流体出口。
在一些实例中，例如在涡轮启动期间，实例点燃器300或600的各种构件可是冷的(例如，环境温度)。当诸如喷嘴管311或611的构件是冷的时，燃烧的燃料和空气混合物的热能中的一些可由喷嘴管311或611吸收，在出口320或620处留下相对冷却的稀薄（或贫乏）火焰。剩余的热能可能不足以可靠地点燃涡轮中的初级燃烧燃料混合物，但它可能足以点燃由辅助燃料出口歧管360所提供的附加燃料。这种附加燃料的燃烧可生成附加的热能，该热能继而可有助于涡轮中初级燃烧燃料混合物的可靠点燃。
在一些实例中，例如当涡轮经受骤加负载时，涡轮可减慢，这可降低压缩和涡轮初级燃烧燃料混合物的可燃性。在此类实例中，辅助燃料歧管510可有助于可靠地重新点着初级燃烧燃料混合物。
在一些实施方式中，涡轮的主燃烧过程可通过具有不同雾化倾向的多种不同类型的初级燃料（例如，天然气、柴油、煤油、jet-A（航空煤油）、原油、生物燃料）运行以便促进燃烧。例如，天然气已经以其可燃形式作为气体存在，而原油通常是一种可难以雾化的极为粘稠的液体。在此类实例中，辅助燃料歧管510可脱离以便结合天然气使用，但可占用以提供附加的热以便促进较重质原油的燃烧。
图10是实例交叉流动点燃器1000的截面视图。在一些实施例中，点燃器1000可为图3、图4和图6-7C的实例点燃器300或600的变型。一般来讲，涡轮发动机1090包括围绕发动机衬套1094布置的安装壳1092，其中，空气通道1096限定在中间。点燃器1000构造为交叉流动点燃器，其中，点燃器1000延伸穿过安装壳1092和发动机衬套1094，使得点燃器1000的主轴线相对于穿过空气通道1096的空气流（由箭头1097表示)定向成大约90度。
外壳体1001在内部接收辅助燃烧室壳体1005，在它们之间限定环形空气通道1007。辅助燃烧室壳体1005邻接限定管状喉部的喷嘴管1011(例如，火焰传递管、出口管)的上端部。环形空气通道1007包括通向环形空气通道1007的入口1009。辅助燃烧室壳体1005在图10中示出为基本上圆柱形的，限定辅助混合室1008。点燃源1006，例如火花生成点燃器，提供成延伸穿过辅助混合室1002的侧壁。在一些实施例中，点燃源1006在辅助燃料喷射器1014的出口下游径向地突出到混合室1008中。辅助燃料喷射器1014定位在辅助燃烧室壳体1005的顶部处，其中，该辅助燃料喷射器的出口轴向地定向以与辅助燃烧室壳体1005的中心轴线重合地喷射燃料。在使用中，来自环形空气通道1007的空气穿过一系列出口1080流动到辅助混合室1002中以与燃料混合并且成为由点燃源1006点燃以形成第一级反应区1070。
辅助燃烧室壳体1005示出为限定辅助混合室1002和会聚喉部区域1010，在辅助混合室1002的下游会聚至喷嘴管1011。会聚喉部区域1010和喷嘴管1011喷送燃烧的空气和燃料流离开辅助混合室1002并且进入辅助燃烧室1008中。
会聚喉部区域1010包括通向空气通道1007的一系列入口1082。在使用中，空气从环形空气通道1007流动穿过系列入口1082，并且进入辅助燃烧室1008中。在使用中，点燃的燃料从第一级反应区1070流动并且与来自系列入口1082的附加空气混合以进一步促进在第二级反应区1072处的燃烧。
流体供给导管1051a将流体入口1052流体地连接至流体出口1060a。流体出口1060a接近喷嘴管1011的中点（或中间点）敞开。一系列入口1084容许来自空气通道1096的附加空气进入辅助燃烧室1008。在使用中，空气流动穿过入口1084以与在流体出口1060a处所提供的附加点燃器燃料混合，并且这种混合物由来自第二级反应区1072的燃烧的空气和燃料点燃以促进在第三级反应区1074处的附加燃烧。
点燃器1000还包括第四级反应区1076。在第四级反应区1076处，辅助燃料出口1060b布置成接近喷嘴管1011的出口1020。辅助燃料出口1060b通过流体供给导管1051b流体地连接至流体入口1052。在一些实施例中，点燃器1000可包括任何适当数目的流体供给导管，例如流体供给导管1051a和1051b，以将流体入口1052流体地连接至多个辅助流体出口，例如流体出口1060a和1060b。流体供给导管1051b限定从流体入口1052延伸至辅助燃料出口1060b的管状燃料通道。
在一些实施方式中，点燃器1000可包括一个或多个计量阀以控制通向第三级反应区1074和/或第四级反应区1076的燃料流（例如，使它们开通/关断并且将燃料流控制至多个中间流率）。所例示的构造可将附加的点燃器燃料提供至从出口1020出现的燃烧的空气和燃料混合物。在某些情况下，相比于没有燃料富集，所得的火焰射流更深地到达进入初级燃烧室中，并且提供更稳定、更强（高热能）、高表面面积的火焰以燃烧初级燃烧室中的空气和燃料混合物。
图11是用于点燃空气和燃料混合物的实例过程1100的流程图。在一些实施方式中，过程1100可结合图3、图4、图6-7C和图10的实例点燃器300、600或1000使用。
在1110处，将燃料接收到涡轮燃烧器组件的第一点燃器级的辅助燃烧室中。例如，燃料可接收在辅助燃烧室302或602，或辅助混合室1002中。
在1120处，将引入到辅助燃烧室中的空气与燃料混合。例如，空气可在辅助燃烧室302或602或辅助混合室1002中与燃料混合。
在1130处，在辅助燃烧室中点燃空气和燃料混合物。例如，辅助燃烧室302中的空气和燃料混合物可由点燃源306点燃，或者辅助燃烧室602可由点燃源606点燃，或者辅助混合室1002可由点燃源1006点燃。
在1140处，将附加的燃料接收到布置在辅助燃烧室的出口近侧的第二点燃器级的辅助燃料出口歧管中。在一些实施方式中，辅助燃料出口歧管可包括支承臂，该支承臂具有附连至辅助燃料出口歧管的第一端部和在辅助燃烧室近侧附连至点燃器的第二端部，并且构造成用以将辅助燃料出口歧管与管状喉部管间隔开。在一些实施方式中，点燃器可包括燃料歧管并且支承臂可限定管状燃料通道，该管状燃料通道构造成用以提供从燃料歧管至辅助燃料出口歧管的流体通道。例如，燃料可穿过支承臂351流动至辅助燃料出口歧管360。在一些实施方式中，附加的燃料可为供给至辅助燃烧室的相同类型的燃料（从相同或不同的来源供给），或者它可以是不同的燃料。
在一些实施方式中，辅助燃烧室可具有围绕管状喉部的出口的大体环形形状，使流动远离辅助燃料出口歧管朝向管状喉部区域的中心。在一些实施方式中，辅助燃料出口歧管限定燃料开口的周向模式。例如，辅助燃料出口歧管360包括喷嘴910，其构造成用以使燃料射流920流动远离辅助燃料出口歧管360并且朝向管状喉部区域的出口320的中心。在一些实施方式中，辅助燃料出口可为管状流体通道中的开口或管状流体通道的开口端部，例如辅助燃料出口660、910、1060a或1060b。
在1150处，将附加的燃料由辅助燃料出口歧管提供至出口近侧的点燃的空气和初级燃料混合物。例如，系列喷嘴910可将来自辅助燃料出口歧管360的燃料作为射流920引导到限定出口320的轴向外部路径中。
在一些实施方式中，过程1100还可包括从燃料歧管接收附加的点燃器燃料，以及穿过由支承臂所限定的管状燃料通道将附加的点燃器燃料提供至辅助燃料出口歧管。例如，流体供给导管651可从燃料歧管652接收燃料并且将流体输送至辅助燃料出口660。
在1160处，点燃的空气和燃料混合物点燃由辅助燃料出口歧管所提供的附加燃料。例如，离开出口320或620的燃烧的空气和燃料混合物可点燃射流920中的燃料。
在1170处，在涡轮燃烧器组件的初级燃烧室中将初级空气和燃料混合物利用燃烧的空气、燃料和附加燃料点燃。例如，通过由辅助燃料出口歧管360所提供的附加燃料而富集的燃烧的空气和燃料混合物可点燃图1的实例燃烧器100中的燃料和空气的混合物。
在一些实施方式中，过程1100还可包括：由第二辅助燃料出口歧管将第二附加的点燃器燃料在管状喉部的中点处提供至燃烧的空气和燃料混合物，该管状喉部构造成用以将点燃的空气和燃料混合物引导至出口；以及通过燃烧的空气和燃料混合物，点燃第二附加的点燃器燃料以提供第二燃烧的空气和燃料混合物，其中，第二空气和燃料混合物由第二燃烧的空气和燃料混合物进一步点燃。例如，在实例点燃器1100中，一些附加的燃料可在辅助燃料出口1060a处沿着喷嘴管611在中途提供，并且一些更多的附加燃料可在辅助燃料出口1060b处提供在出口1020近侧。每个量的附加燃料可通过由点燃器1100内的前一级所引起的燃烧点燃（例如，第一反应区1070中的燃烧可点燃第二反应区1072中的燃烧，该燃烧可点燃第三反应区1074中的进一步燃烧，该进一步燃烧可点燃第四反应区1076中的进一步燃烧。这些燃烧过程中的一些或全部于是可点燃涡轮发动机的初级燃烧室中的燃烧。
已经描述了本发明的许多实施例。尽管如此，将应理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可进行各种修改。

Claims (18)

1.一种涡轮燃烧器组件，包括：
与初级燃料喷射器和初级空气入口成流体连通的初级燃烧室；和
由所述初级燃烧室所承载的点燃器，所述点燃器包括：
第一点燃器级，所述第一点燃器级包括：
辅助燃烧室壳体，所述辅助燃烧室壳体包括混合室和在所述混合室的下游会聚的管状喉部；和
点燃源，所述点燃源突出到所述辅助燃烧室的混合室中；和
第二点燃器级，所述第二点燃器级包括接近所述管状喉部的出口的辅助燃料出口歧管。
2.根据权利要求1所述的涡轮燃烧器组件，其中，所述辅助燃料出口歧管具有围绕所述管状喉部的出口的大体环形形状，使流动远离所述辅助燃料出口歧管朝向所述管状喉部的中心。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮燃烧器组件，其中，所述辅助燃料出口歧管限定燃料开口的周向模式。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮燃烧器组件，还包括支承臂，所述支承臂具有附连至所述辅助燃料出口歧管的第一端部和在所述辅助燃烧室近侧附连至所述点燃器的第二端部，并且构造成用以将所述辅助燃料出口歧管与所述管状喉部管间隔开。
5.根据权利要求4所述的涡轮燃烧器组件，还包括燃料歧管，其中，所述支承臂限定管状燃料通道，所述管状燃料通道构造成用以提供从所述燃料歧管至所述辅助燃料出口歧管的流体通道。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮燃烧器组件，其中，所述管状喉部延伸到所述初级燃烧室中，并且所述混合室在所述混合室的下游布置在所述管状喉部内。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的涡轮燃烧器组件，其中，所述辅助燃料出口歧管具有在所述管状喉部的出口的周边内的大体环形形状，使流动远离所述周边朝向所述管状喉部的中心。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的涡轮燃烧器组件，其中，所述辅助燃料出口歧管是管状燃料通道的出口，所述管状燃料通道构造成用以提供来自燃料歧管的流体通道。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的涡轮燃烧器组件，其中，所述第二点燃器级还包括在所述管状喉部的中点近侧的第二辅助燃料出口。
10.一种方法，包括：
将燃料接收到涡轮燃烧器组件的第一点燃器级的辅助燃烧室中；
将引入到所述辅助燃烧室中的空气与所述燃料混合以提供第一空气和燃料混合物；
点燃所述辅助燃烧室中的所述第一空气和燃料混合物；
将附加的燃料接收到接近所述辅助燃烧室的出口布置的第二点燃器级的辅助燃料出口歧管中；
通过所述辅助燃料出口歧管，将附加的点燃器燃料在所述出口近侧提供至所述点燃的第一空气和燃料混合物；
由所述点燃的第一空气和燃料混合物，点燃由所述辅助燃料出口歧管所提供的附加的点燃器燃料以提供燃烧的空气和燃料混合物；和
利用所述燃烧的空气和燃料混合物，在所述涡轮燃烧器组件的初级燃烧室中点燃初级空气和燃料混合物。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述辅助燃烧室包括混合室，所述混合室具有围绕在所述混合室的下游会聚的管状喉部的出口的大体环形形状。
12.根据权利要求10或11所述的方法，还包括：通过限定在所述辅助燃料出口歧管中的燃料开口的周向模式，使燃料远离所述辅助燃料出口歧管并且朝向所述出口的中心流动。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，所述第一点燃器级还包括支承臂，所述支承臂具有附连至所述辅助燃料出口歧管的第一端部和在所述辅助燃烧室近侧附连至所述第一点燃器级的第二端部，并且构造成用以将所述辅助燃料出口歧管与所述辅助燃烧室的出口间隔开。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
从燃料歧管接收所述附加的点燃器燃料；和
穿过由所述支承臂限定的管状燃料通道将所述附加的点燃器燃料提供至所述辅助燃料出口歧管。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其中，所述辅助燃烧室包括混合室，所述混合室具有围绕延伸到所述初级燃烧室中的管状喉部的出口的大体环形形状，并且所述混合室在所述混合室的下游布置在所述管状喉部内。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中，所述辅助燃烧室包括混合室，所述混合室具有围绕在所述混合室的下游会聚的管状喉部的出口的大体环形形状，以及所述辅助燃料出口歧管具有在所述管状喉部的出口的周边内的大体环形形状，使流动远离所述周边朝向所述管状喉部的中心。
17.根据权利要求10至16中任一项所述的方法，其中，所述辅助燃料出口歧管是管状燃料通道的出口，所述管状燃料通道构造成用以提供来自燃料歧管的流体通道。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的方法，还包括：
通过第二辅助燃料出口歧管，将第二附加的点燃器燃料在管状喉部的中点处提供至所述燃烧的空气和燃料混合物，所述管状喉部构造成用以将所述点燃的空气和燃料混合物引导至所述出口；和
通过所述燃烧的空气和燃料混合物，点燃所述第二附加的点燃器燃料以提供第二燃烧的空气和燃料混合物；
其中，所述第二空气和燃料混合物由所述第二燃烧的空气和燃料混合物进一步点燃。
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