一種用于可視化高溫高壓容器的光學(xué)窗口的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種用于可視化高溫高壓容器的光學(xué)窗口，包括一薄玻璃、一厚玻璃、薄玻璃固定器、厚玻璃固定器、絕熱環(huán)形墊片和密封圈。本發(fā)明采用雙層玻璃結(jié)構(gòu)和空氣隔熱層設(shè)計(jì)，能夠承受相當(dāng)于增壓柴油機(jī)燃燒前的溫度（1100K以上）和壓力（10MPa以上）的測(cè)試環(huán)境；并且通過(guò)玻璃固定器上的導(dǎo)光槽結(jié)構(gòu)和倒角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在窗口各部分尺寸一定的情況下，能夠擴(kuò)大測(cè)試光束的角度變化范圍進(jìn)而擴(kuò)大安裝光學(xué)窗口的可視化高溫高壓容器的光學(xué)測(cè)試范圍，實(shí)現(xiàn)在高溫高壓條件下應(yīng)用位相多普勒對(duì)粒徑分布及液滴速度的連續(xù)測(cè)量。
【專利說(shuō)明】一種用于可視化高溫高壓容器的光學(xué)窗口
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于可視化高溫高壓容器【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種安裝在可視化高溫高壓容器上的光學(xué)窗口結(jié)構(gòu)，具體是一種安裝在可視化高溫高壓容器端面上、為利用可視化高溫高壓容器進(jìn)行激光診斷提供光學(xué)通道的窗口結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴霧特性是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的最重要因素之一，而對(duì)于高壓直噴汽油機(jī)和柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，噴霧特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放性能有很大的影響。因此，燃油噴射系統(tǒng)的噴霧特性的測(cè)試，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)有非常重要的意義。
[0003]在先進(jìn)直噴汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)的研發(fā)中，激光診斷技術(shù)、缸內(nèi)工作過(guò)程三維計(jì)算流體力學(xué)仿真和基于光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒診斷技術(shù)三位一體，是匹配與優(yōu)化直噴燃燒系統(tǒng)中噴霧、氣流運(yùn)動(dòng)和燃燒室形狀的不可或缺的重要技術(shù)手段。而通過(guò)噴霧的激光診斷可實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油霧化與蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行可視化以及定量測(cè)量，為數(shù)值計(jì)算和建模提供實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)而提高模擬仿真的精確性，還為缸內(nèi)混合氣形成過(guò)程及燃燒診斷提供直觀的物理描述和解釋，其重要性不言而喻。
[0004]可視化高溫高壓容器是一種可產(chǎn)生類似于內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣體環(huán)境(壓力、溫度、成分)的裝置，可以用光學(xué)的方法很方便地測(cè)出燃油噴霧的霧化特性、蒸發(fā)特性、燃燒特性、有害物生成特性。因其成本低、方便改變單一參數(shù)研究其對(duì)噴霧、燃燒、排放的影響而廣泛應(yīng)用于熱力發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。
[0005]光學(xué)窗口是用可視化高溫高壓容器進(jìn)行光學(xué)測(cè)試的必需結(jié)構(gòu)，提供測(cè)試光束的光學(xué)通道。
[0006]現(xiàn)在國(guó)內(nèi)用于可視化高溫高壓容器的光學(xué)窗口主要存在兩點(diǎn)局限性，簡(jiǎn)述如下。
[0007]—是不能承受可視化高溫高壓容器內(nèi)部足夠高的溫度和壓力。比如目前增壓柴油機(jī)在上止點(diǎn)附近的溫度和壓力可達(dá)IlOOKUOMPa左右，而目前所設(shè)計(jì)的可視化高溫高壓容器光學(xué)窗口極少能承受這樣的溫度和壓力，從而限制了用可視化高溫高壓容器進(jìn)行柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)噴霧、燃燒情況的模擬和測(cè)試，主要原因是高溫高壓測(cè)試工況下光學(xué)窗口上的玻璃同時(shí)承受熱負(fù)荷、力負(fù)荷，受力受熱不均勻，玻璃容易破碎而發(fā)生爆炸。
[0008]二是在有限的窗口尺寸下，沒(méi)有較大的觀察視角范圍，限制了利用可視化高溫高壓容器進(jìn)行一些光學(xué)測(cè)試比如利用位相多普勒干涉法(PDI)進(jìn)行噴霧液滴的粒徑、速度測(cè)試(要求激光發(fā)射器和接收器之間具有150度夾角)。
[0009]比如，專利“一種自緊密封式可視化高溫高壓容器光學(xué)玻璃窗口 ”(專利申請(qǐng)?zhí)枮?01110002695.3)，在密封性能的提升方面下了不少功夫，但是對(duì)于最易損壞的光學(xué)玻璃部分沒(méi)有加以特別保護(hù)，即使本身材料很好，也很難承受IlOOKUOMPa這樣的高溫高壓環(huán)境，實(shí)驗(yàn)中承受熱力負(fù)荷的玻璃極易損壞。而且端蓋上的觀察孔是普通的圓孔，在確定的端蓋、玻璃尺寸下，測(cè)試光束的角度變化范圍有一定的限制，如果把兩個(gè)這樣的光學(xué)窗口安裝在一個(gè)可視化高溫高壓容器的對(duì)側(cè)兩個(gè)面上(成180°布置)分別通過(guò)入射光和接收光，假設(shè)測(cè)試點(diǎn)在連接兩個(gè)窗口的軸向中點(diǎn)，入射光、接收光之間將很難實(shí)現(xiàn)150度夾角，從而不能實(shí)現(xiàn)PDI液滴粒徑速度測(cè)試，縮小了可視化高溫高壓容器的測(cè)試范圍。如果把可視化高溫高壓容器兩個(gè)窗口的安裝孔做成150°夾角，當(dāng)然可以滿足PDI測(cè)試的要求，但是如此一來(lái)，可視化高溫高壓容器就很難進(jìn)行其他噴霧特性測(cè)試比如軸向片光測(cè)試、截面燃油質(zhì)量分布測(cè)試等。究其原因，除了可視化高溫高壓容器本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，主要在于光學(xué)窗口在導(dǎo)光孔結(jié)構(gòu)方面沒(méi)有改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對(duì)現(xiàn)有可視化高溫高壓容器光學(xué)窗口設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種用于可視化高溫高壓容器的光學(xué)窗口，能夠承受相當(dāng)于增壓柴油機(jī)燃燒前的溫度和壓力的測(cè)試環(huán)境，并且在窗口各部分尺寸一定的情況下，一定程度上擴(kuò)大測(cè)試光束的角度變化范圍進(jìn)而擴(kuò)大安裝光學(xué)窗口的可視化高溫高壓容器的光學(xué)測(cè)試范圍。
[0011]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0012]—種用于可視化高溫高壓容器的光學(xué)窗口，包括一薄玻璃、一厚玻璃、薄玻璃固定器、厚玻璃固定器、隔熱墊、絕熱環(huán)形墊片和密封圈。
[0013]二層玻璃之間存在空隙(第一空隙)，且兩層玻璃分別安裝在各自固定器的固定槽內(nèi)，兩個(gè)固定器之間固定連接有絕熱環(huán)形墊片，該絕熱墊片上設(shè)有沿該絕熱墊片徑向的通孔，用于連通測(cè)試區(qū)域以使兩層玻璃之間的氣體壓力與測(cè)試區(qū)域氣體壓力幾乎相等從而保證薄玻璃不承壓。在所述的厚玻璃和厚玻璃固定器的環(huán)周面放置隔熱墊，所述的厚玻璃和厚玻璃固定器接觸的端面設(shè)有密封圈實(shí)現(xiàn)密封。整個(gè)光學(xué)窗口安裝在某個(gè)可視化高溫高壓容器本體上時(shí)，在厚玻璃固定器、絕熱環(huán)形墊片、薄玻璃固定器三者與本體的環(huán)周向形成第二空隙。
[0014]所述的厚玻璃固定器具有中心孔，該中心孔和厚玻璃一起用于觀察窗，固定器中心孔兩側(cè)設(shè)有楔形導(dǎo)光槽結(jié)構(gòu)，導(dǎo)光槽兩側(cè)還設(shè)有倒角結(jié)構(gòu)。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是光學(xué)測(cè)試窗口采用雙層玻璃結(jié)構(gòu)及周圍空氣隔熱層的設(shè)計(jì)，對(duì)窗口起到有效的隔熱保護(hù)作用，可以進(jìn)行高溫(1100K)高壓(12MPa)下的噴霧燃燒等的測(cè)試。光學(xué)玻璃固定器上的導(dǎo)光槽和倒角結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了從窗口觀察測(cè)試區(qū)的視角，幫助可視化高溫高壓容器擴(kuò)大其測(cè)試范圍。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本發(fā)明用于可視化高溫高壓容器的光學(xué)窗口的豎直截面圖；
[0017]圖2為圖1中A的局部放大圖；
[0018]圖3為本發(fā)明光學(xué)窗口的厚玻璃固定器的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖4為本發(fā)明用于可視化高溫高壓容器的光學(xué)窗口的光路示意圖；
[0020]圖中:1-薄玻璃；11_可視化高溫高壓容器內(nèi)部測(cè)試區(qū)域；12_薄厚玻璃之間的第一空隙；2_厚玻璃；24_厚玻璃和其固定器之間的隔熱墊；3_薄玻璃固定器；4_厚玻璃固定器；41_楔形導(dǎo)光槽；42_第一倒斜角；43_第二倒斜角；47_凸臺(tái)結(jié)構(gòu)；48_光學(xué)窗口在可視化高溫高壓容器本體上的環(huán)周向安裝間隙(第二空隙);5_絕熱環(huán)形墊片；51_絕熱墊片上徑向通孔；61_第一密封圈；62_第二密封圈；7_螺栓孔；8_可視化高溫高壓容器本體；91-PDI激光發(fā)射器；92-PDI激光接收器；
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0022]圖1為本發(fā)明的光學(xué)窗口安裝在某個(gè)可視化高溫高壓容器本體上的豎直截面圖。如圖，包括一薄玻璃I和一厚玻璃2，薄玻璃固定器3、厚玻璃固定器4、絕熱環(huán)形墊片5，第一密封圈61,第二密封圈62和容器本體8。兩層玻璃分別放置在各自固定器的固定槽內(nèi)，兩個(gè)固定器之間固定連接有絕熱環(huán)形墊片(三者之間的連接略去)，厚玻璃和其固定器之間的密封靠第一密封圈61實(shí)現(xiàn)。厚玻璃固定器上開(kāi)有螺栓孔7以便窗口和可視化高溫高壓容器本體固定連接，密封靠第二密封圈62實(shí)現(xiàn)。另外，厚玻璃固定器上開(kāi)有中心孔，配合玻璃提供光學(xué)通道，中心孔上有楔形導(dǎo)光槽和倒斜角結(jié)構(gòu)，關(guān)于厚玻璃固定器的結(jié)構(gòu)在下文詳述。
[0023]圖2為圖1中A的局部放大圖。厚玻璃和厚玻璃固定器之間在環(huán)周向放置隔熱墊24隔熱，在接觸的端面安裝有第一密封圈61實(shí)現(xiàn)二者之間的密封；同樣的道理，如果把整個(gè)光學(xué)窗口安裝在可視化高溫高壓容器本體8上時(shí)，厚玻璃固定器4和本體8的交接處安裝有第二密封圈62實(shí)現(xiàn)二者之間的密封。厚玻璃固定器與本體在徑向上的安裝定位靠凸臺(tái)結(jié)構(gòu)47實(shí)現(xiàn)，安裝后在厚玻璃固定器、絕熱環(huán)形墊片、薄玻璃固定器三者與本體之間的環(huán)周向出現(xiàn)第二空隙48。這樣可視化高溫高壓容器內(nèi)部測(cè)試區(qū)域11內(nèi)的高溫高壓氣體受到了薄玻璃的阻擋，只能經(jīng)過(guò)窗口在可視化高溫高壓容器本體上的安裝間隙48和絕熱墊片的通孔51進(jìn)入兩層玻璃之間的小空隙12中，氣壓作用在厚玻璃的表面上，正好加強(qiáng)了厚玻璃和厚玻璃固定器接觸的端面處的密封效果(如果是測(cè)試區(qū)域11內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)，61處密封所需的正壓力由連接兩個(gè)固定器和絕熱墊片的連接件的預(yù)緊力提供)；薄玻璃兩側(cè)都是高溫高壓氣體，承受熱負(fù)荷，但是不承受壓差；而對(duì)于厚玻璃，雖承受壓力，但是熱負(fù)荷很小，因?yàn)楹癫ＡШ捅〔Ａеg存在第一空隙12，厚玻璃固定器、絕熱環(huán)形墊片、薄玻璃固定器三者和容器本體在環(huán)周向存在第二空隙48，這兩個(gè)空隙不同于測(cè)試區(qū)域，內(nèi)部氣體的流動(dòng)性很差，與厚玻璃和厚玻璃固定器的對(duì)流換熱很小，空隙內(nèi)的氣體恰恰形成了空氣隔熱層，阻止厚玻璃和厚玻璃固定器與周圍的傳熱，保證在沒(méi)有冷卻的情況下厚玻璃溫度能保持在許可范圍之內(nèi)。通過(guò)雙層玻璃的結(jié)構(gòu)和空氣隔熱層的設(shè)計(jì)，將熱負(fù)荷與力負(fù)荷分開(kāi)，對(duì)玻璃窗口起到極大程度的保護(hù)作用，為窗口部分承受高溫高壓的實(shí)驗(yàn)條件提供了保障。
[0024]圖3為本發(fā)明光學(xué)窗口的厚玻璃固定器部分的三維結(jié)構(gòu)示意圖，用以形象地說(shuō)明上文提到的導(dǎo)光槽和倒斜角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如圖所示，在中心孔臨近光路的金屬框壁部分開(kāi)出楔形導(dǎo)光槽41，倒斜角42、43等，通過(guò)這樣的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步擴(kuò)大測(cè)試光束的可移動(dòng)范圍和角度變化范圍，在下面詳述。
[0025]圖4為本發(fā)明用于可視化高溫高壓容器的光學(xué)窗口的光路示意圖，用以說(shuō)明厚玻璃固定器上的導(dǎo)光槽和倒斜角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)擴(kuò)大測(cè)試光束入射、接受角度范圍的作用。圖中以兩個(gè)本發(fā)明的光學(xué)窗口安裝在可視化高溫高壓容器的對(duì)側(cè)180°布置時(shí)的水平截面roi測(cè)試光路為例進(jìn)行說(shuō)明。應(yīng)用PDI進(jìn)行測(cè)試時(shí)，要求激光發(fā)射器91發(fā)出的入射光中心光線與激光接收器92接收光的夾角達(dá)到150°，對(duì)于對(duì)側(cè)180°布置的兩個(gè)光學(xué)窗口而言有一定難度。即使勉強(qiáng)能達(dá)到150°的要求，由于發(fā)射器發(fā)出的光除中心入射光線外周邊還有與中心有很小夾角(最大約5° )的光線，使得有的入射光線很有可能在沿著固定器金屬壁邊緣附近，加上每束光本身有一定寬度，容易因衍射效果使得測(cè)試光路不精確。圖中41對(duì)應(yīng)圖3中的楔形導(dǎo)光槽，42、43是倒斜角的效果。在圖4中標(biāo)出了夾角150度的入射光中心光線和接收光，以及入射中心光線周邊的兩條光線?？梢?jiàn)，由于導(dǎo)光槽和倒角的設(shè)計(jì)，使得150度夾角容易實(shí)現(xiàn)，并可以避免入射光與金屬邊緣太近導(dǎo)致的衍射現(xiàn)象，而且測(cè)試光束向一個(gè)方向有足夠的移動(dòng)范圍，可以完成一般的噴霧液滴粒徑測(cè)試。就光學(xué)窗口本身來(lái)說(shuō)，在玻璃、固定器尺寸一定的情況下，固定器上導(dǎo)光槽和倒斜角的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了測(cè)試光束角度變化范圍的擴(kuò)大，有助于擴(kuò)大可視化高溫高壓容器的光學(xué)測(cè)試范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于可視化高溫高壓容器的光學(xué)窗口，其特征在于，包括一薄玻璃、一厚玻璃、薄玻璃固定器、厚玻璃固定器、絕熱環(huán)形墊片和密封圈； 所述薄玻璃和厚玻璃之間存在空隙，且兩層玻璃分別安裝在各自固定器的固定槽內(nèi)，兩個(gè)固定器之間固定連接有絕熱環(huán)形墊片，該絕熱墊片上設(shè)有沿該絕熱墊片徑向的通孔，所述的厚玻璃和厚玻璃固定器接觸的端面設(shè)有第一橡膠圈實(shí)現(xiàn)密封。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于可視化高溫高壓容器的光學(xué)窗口，其特征在于所述的厚玻璃固定器具有中心孔，該中心孔兩側(cè)設(shè)有楔形導(dǎo)光槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于可視化高溫高壓容器的光學(xué)窗口，其特征在于，所述的導(dǎo)光槽周圍還設(shè)有倒斜角。
【文檔編號(hào)】G01M15/14GK103698130SQ201310717138
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】張玉銀, 林柏洋, 吳勝奇, 李世琰 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)