定容燃烧试验装置

目录1绪论 11.1课题来源及意义 11.2国内外研究现状 21.3主要设计内容 42系统总体设计方案 42.1定容燃烧试验装置总体介绍 42.2定容燃烧试验弹方案选型 52.3定容燃烧试验弹结构设计 62.4结构单元综述 72.4结构单元 92.4.1铠装热电偶单元 92.4.2耐温压力表单元 102.4.3压力变送器单元 112.4.4进排气管道接口单元 122.4.5密封单元 122.5气体管路 142.6加热点火结构设计 152.6.1加热方案选择 152.6.2点火装置 162.7试验台调平机构 182.7.1调平机构综述 182.7.2提升单元设计 182.7.3调节方法 203观察窗与端盖法兰盘设计及仿真 203.1观察窗结构设计 203.2观察窗结构计算及仿真 213.2.1石英玻璃强度分析及仿真 213.2.2螺栓强度分析及仿真 223.2定容燃烧试验装置总装图 254采集与控制系统流程 254.1采集与控制系统综述 254.2各控制系统流程 265结论 26参考文献： 28致谢 311绪论1.1课题来源及意义近年来，随着全球能源结构的转型和环境保护要求的日益严格，寻找清洁、高效的替代燃料已成为世界的主流趋势。当下中国的能源结构中化石能源占主导地位，存在着煤炭占比大、油气供应对外依存度高、原始碳排放多、单位能量利用率低以及可再生能源供应不足等问题[1,2]。氨作为一种零碳燃料，具有高能量密度、易储存和运输等优势，被认为是未来清洁燃料的重要选择之一。然而，氨的燃烧特性与传统的柴油存在显著差异，其燃烧速度慢、点火能量高、火焰传播不稳定等问题限制了其作为燃料的应用范围。目前，氨燃料通常采用活性燃料引燃的双燃料燃烧模式[3]。因此，研究氨与柴油的双燃料燃烧模式，探索其燃烧特性和优化策略，对于推动氨燃料的应用具有重要意义。图1全球能源消耗量以及一次能源消耗占比定容燃烧弹试验台架作为一种重要的实验设备，能够模拟发动机燃烧室内的燃烧过程，为研究燃料的燃烧特性、火焰传播规律以及燃烧产物的生成机理提供可控的实验环境。通过定容燃烧弹试验，可以精确控制燃烧过程中的温度、压力、混合气浓度等关键参数，从而深入分析氨柴双燃料的燃烧特性。然而，现有的定容燃烧弹试验台架大多针对单一燃料设计，难以满足氨柴双燃料燃烧研究的特殊需求。因此，设计一套适用于氨柴双燃料燃烧研究的定容燃烧弹试验台架，具有重要的理论意义和实用价值。1.2国内外研究现状江苏大学罗福强教授等人设计了一种可以模拟涡流及滚流运动的定容燃烧试验系统[4]。如图2。其特征在于，在一般定容燃烧试验系统的共有结构上，在腔体内部增加了一个可控制旋转的叶片作为涡流及滚流发生装置。该装置与主体相连，通过改变风扇的安装位置来调节内部为涡流还是滚流。同时该装置设计有一个可以控制移动的挡板，用以真实模拟内燃机燃烧过程的各个循环过程。装置上方安装火花塞作为点火装置，四周装有大面积的光学观察窗，可以满足更大角度的光学观察要求。一定程度上扩大了定容燃烧试验系统的研究范围。图2模拟涡流及滚流运动的定容燃烧弹同样针对腔体内气体湍流的研究，邵阳学院的伏军老师等人采用了喷射式湍流定容燃烧燃烧试验系统的结构[5]，如图3。该试验装置的结构更加简单，操作更加方便。其解决了上述装置电动机旋转轴与箱体之间存在相对运动且难以密封的问题。该装置通过气体驱动装置带动孔板移动，通过节流效应产生湍流。发生装置与定容燃烧弹之间没有剧烈相对运动，从而有效地避免了密封难的问题。图3喷射式湍流定容燃烧弹哈工大董全教授团队则把研究方向转向了定容燃烧试验系统的加热装置[6]。如图4。其设计目的主要是为了改善传统电加热式加热装置加热不均匀和功率调节不方便的问题。该装置同时集成了加热单元和单片机控制单元。加热单元均布在箱体四周。与此同时在箱体内部对应位置布置等量的温度传感器。加热器与箱体采用螺纹连接，每个螺纹孔内都布置有链接内外部的陶瓷绝缘电极。通过压板，使加热器内侧与箱体紧密接触。图4一种分体式加热装置法国科学家SAFRAN提出了一种另辟蹊径的装置[7]。如图5。该装置以球阀开合控制空气进出。一定程度上增加了腔体的密封性，但其球阀由于不停的旋转，与腔体之间会存在摩擦。不利于持续使用。图5一种安装有球阀的燃烧室1.3主要设计内容本文旨在研究一种满足氨柴双燃料混合燃烧的定容燃烧试验装置。主要设计内容如下:（1）设计出一款能够适用氨柴双燃料燃烧实验的定容燃烧装置，建立其三维模型。其具有以下几个功能：位置调节，光学观察，加热温控，温度测量，压力测量，流量测量，控制点火。（2）针对燃烧试验的高温高压环境，所设计的各个部分着重考虑在高温高压环境下的密封方式。（3）设计具有单向流通，流量控制和开关控制的进气管道以及真空排气管道。（4）使用有限元分析软件对可能出现破坏的零部件进行强度校核。2系统总体设计方案2.1定容燃烧试验装置总体介绍设计定容燃烧试验系统需考虑以下几个部分，分别为：定容燃烧弹形状设计、观察窗结构设计、进排气管道设计、点火装置设计、调整组件设计、加热装置设计，以及测量仪器的安装。设计的定容燃烧试验装置如图6。图6定容燃烧试验装置2.2定容燃烧试验弹方案选型定容燃烧试验系统的定容燃烧弹形状主要包括:球形定容燃烧弹、方形定容燃烧弹、其它几何形状定容燃烧弹。三种不同形状的定容燃烧弹优缺点如表1所示。表1三种不同形状的定容燃烧弹优缺点比较定容燃烧弹形状优点缺点球形定容燃烧弹壁厚均匀，较之其他形状定容燃烧弹在相同的质量下，球形定容燃烧弹能够节省材料并承受更大的压力。弹球形定容燃烧弹制造相对困难。安装过程中难以在限制其空间自由度的同时并保证视窗与底面垂直。方形定容燃烧弹形状和设计简单，易于加工。方形结构具有较大的外部表面积，能够在其外部布置更多的实验仪器。燃烧弹壁厚不均匀，存在力学薄弱点需要通过整体增加壁厚来保证安全性。表1三种不同形状的定容燃烧弹优缺点比较定容燃烧弹形状优点缺点其它几何形状定容燃烧弹可以满足多角度的光学观察的要求。在其上安装光学视窗等装置并保证其密封性难度较大。其他几何形状定容燃烧弹一般包括圆柱形、正六边形柱体、不规则几何体等。这种结构下的定容燃烧弹。光学视窗的安装可以不同轴且不相互垂直[8]，或者视窗的中心轴不指向定容燃烧弹的形心。对于大多数气体燃烧实验，常规结构已满足使用需求，所以并不需要这种特制的结构，一般不采用。综合以上方案的优缺点，最终确定的定容燃烧弹结构为外方内圆形，其兼具了立方体和球形两种方案的优点。2.3定容燃烧试验弹结构设计定容燃烧弹内部直径500mm，其外部形状为一个边长800mm的正方体，使用Q245R压力容器钢锻造而成。其内部有一个直径500mm的球形空腔作为燃烧实验的燃烧室。定容燃烧弹二维设计图如图7。图7定容燃烧弹二维图其技术要求如下：1.毛坯热处理消除内应力。2.去锐边毛刺，螺孔孔口倒角120度至螺纹大径。3.产品经气密性检验，检验气压1Mpa，历时40s,不得有渗漏。4.零件清洁度限值符合Q/YC11-2014的规定。5.未注长度尺寸精度为0.5mm，直径尺寸精度为0.1mm。定容燃烧弹具有四个观察窗，其四周开有特殊形状的观察窗安装孔用于安装观察窗并保证密封。底面用于连接光学平面，通过几个圆柱形的短轴与光学平面进行定位在通过螺栓进行紧固。由于光学观察对尺寸要求较高，在加工时底部的平面和短轴需要有较高的尺寸精度和形状精度。图8为定容燃烧弹三维模型图。图8定容燃烧弹三维模型图2.4结构单元综述在设计定容燃烧弹时必须确保其具有以下这些功能模块，即调节装置，加热单元，光学视窗，可调间距火花塞，正压力传感器，铠装热电偶，进排气系统[10]。大多数时候这些模块都是区分安装在定容燃烧弹的不同位置，需要充分考虑其位置安装的合理性及配件更换的便捷性。基于此点，在保证安全性和结构完整性的前提下，将这些模块单元整合在一个基本的功能单元上。图9结构单元二维设计图（a）图10结构单元二维设计图（b）其技术要求如下：1.毛坯热处理消除内应力。2.去锐边毛刺，螺孔孔口倒角120度至螺纹大径。3.产品经气密性检验，检验气压1Mpa，历时40s,不得有渗漏。4.零件清洁度限值符合Q/YC11-2014的规定。5.未注倒角C1。在单体上不同位置开有与之相配合的大小形状均相等的安装孔，由于所有的功能模块安装尺寸相同，因此该结构具有很好的互换性。可以根据实验需求选择不同数量的功能模块安装在合适的位置，未安装功能模块的安装孔可以通过设计的无功能单元进行密封。例如，有些实验需要进行多种燃气混合燃烧。一般定容燃烧弹的做法是使这些燃气通过一个进气管道加入到定容燃烧弹内。这种做法在每次更换燃气时都要将管内的剩余燃气抽空再通入下一种燃气以保证实验安全性[9]。不仅浪费时间而且对于冲入定容燃烧弹内气体流量的计算有一定影响。以本装置进行实验则可以在不同的安装孔安装燃气进口单元以连接不同的燃气管道，由于气体过程中流通没有支路，可以大大减少管内气体的残留量[10]，并且可以做到自定义实验模式，较之一般定容燃烧弹具有一定的优势。2.4结构单元2.4.1铠装热电偶单元铠装热电偶是工程中常用的一种温度测量元件，较之装配式热电偶，它具有易弯曲，直径小，抗震性好，耐高压等特点，适合安装在大部分的工况下。且铠装热电偶测量范围广，最高可测1800摄氏度流体的温度[11]。本次设计选用常州天利智能控制股份有限公司生产的WRN2-231G型号铠装热电偶。图11WRN2-231G型号铠装热电偶其具有以下优点：1.装配简单，更换方便；2.压簧式感温元件，抗振性能好；3.测温范围大；4.机械强度高，耐压性能好。铠装热电偶在安装单元上的装配方式如图12：图12铠装热电偶单元2.4.2耐温压力表单元由于定容燃烧弹设计有工作压力，需要在定容燃烧弹上安装一个耐高温的压力表，能够承受600℃的环境温度并且能在300℃的工作条件下正常工作[12]。选用江苏红旗压力表生产厂家的所生产Y100型号耐高温压力表。图13红旗Y100型号耐高温压力表其在耐温压力表单元上的安装如图14：图14耐温压力表单元2.4.3压力变送器单元压力表的主要作用是判断定容燃烧弹内的压力是否超限，保证定容燃烧弹的安全性。而为了获得定容燃烧弹内实时的温度数据，需要额外在单体上安装一个压力变送器，该变送器同样需要能够满足高温工作条件下的准确测量。同样选用红旗公司HQB100型号的高温压力变送器。该压力变送器为带不锈钢隔离膜片的硅压阻传感器，具有高精度、高稳定性的特点。图15红旗HQB100型号高温压力变送器该压力变送器的安装方式如图16。图16压力变送器单元安装图2.4.4进排气管道接口单元定容燃烧弹与进排气管道之间通过硬质金属管连接一般对于此种连接方式都采用螺纹或法兰配合密封圈进行密封[13]。但这种结构一方面在高温下可能会密封失效[14]。其次，由于能够承受800℃高温的密封圈大多都是刚性密封圈[15]，可压缩量较小，通过一次压紧并不能保证结构完全密封[16]。为此，参考中石化高压输气管道的连接方式，设计了一种适用于高温高压环境的管道密封连接结构，具体的实施方案如图17。图17两管连接装配示意图2.4.5密封单元对于定容燃烧弹上未安装仪器的位置需要密封，密封单元结构二维图如图18、图19。图18密封单元结构二维设计图（a）图19密封单元结构二维设计图（b）其技术要求如下：1.毛坯热处理消除内应力。2.去锐边毛刺，螺孔孔口倒角120度至螺纹大径。3.产品经气密性检验，检验气压1Mpa，历时40s,不得有渗漏。4.零件清洁度限值符合Q/YC11-2014的规定。5.未注倒角C1。密封单元三维建模如图20。图20密封单元2.5气体管路气体管路连接及生产阀门采用festo公司生产的气动零部件[17]，包括气动单向阀、气动减压阀、简易流量计、真空发生器等仪器。具体连接图如下：图21进燃气管道图22排气管路图23进空气管路图21为燃气进气管路的连接方式，从左到右依次为气管1（两端为金属材质，中间部分为软胶管），气动单向阀，数显流量变送器，减压阀，金属管。左端通过上节所述的连接方式连接到定容燃烧弹上，右端通过快接插头连接燃气瓶。该气路使用出口压力1MPa的减压阀，能够确保回路和定容燃烧弹的安全。流量计既可读数也可输出电信号传送给采集器，便于控制。由于一般燃气罐上都装有压力表和开关，无需在进气管道上另设。图22为真空抽气管道的连接方式，从左到右依次为气管1（两端为金属材质，中间部分为软胶管），负压压力表安装方管，负压压力表，单向阀，开关阀，真空发生器。实验结束后，打开开关阀和真空发生器对定容燃烧弹进行抽气，直至负压压力表达到相应的示数后停止，然后打开空气进气管道（图15），平衡定容燃烧弹内外的气压。图23为空气进气管路，从左到右依次为金属管，单向阀，连接金属管，开关阀，金属管。该管路左端连接定容燃烧弹的定容燃烧弹，右端直接通入空气中或连接空气瓶，空压机等装置。该装置可用于实验前向定容燃烧弹内通入空气或试验后平衡压力。2.6加热点火结构设计2.6.1加热方案选择对于定容燃烧弹系统，加热系统的功能主要有以下几点：(1)为了对比研究不同初始温度下燃料燃烧过程，需要把定容弹内混合气加热至设定的初始温度;(2)可以加快液体燃料的气化及其与空气的混合，快速形成均质可燃混合气；(3)对定容弹加热至超过水蒸气分压的露点温度，可以防止燃料燃烧后产生大量的水蒸气凝结于视窗，从而改善光学通路的质量。定容燃烧弹常用的加热方案有以下三种：（1）在进气位置加热。（2）对定容燃烧弹壁进行加热。（3）加热方案优缺点对比如下表:表2三种加热方案优缺点对比加热方案优点缺点在进气位置加热加热装置外置，可以节省定容燃烧弹的空间。无法做到精确控制温度，且热效率不高。对定容燃烧弹壁进行加热操作方便，直接嵌入定容燃烧弹上的空腔从而对整个定容燃烧弹进行加热。对于达到预设温度后的温度保持较为困难。直接对弹内气体进行加热结构相对简单，加热效率高高温高压条件下，加热单元与单体连接处的密封性难以保证综合考虑综合考虑以上三种方案后，决定采用如下结构：图24热棒与套筒安装示意图如图，该加热棒为两段式结构。金属管体前端黑色部分内置发热电阻，为该加热棒的主要加热部位，后端金属管内无发热电阻，用于安装套筒。在该管后端有一突出的金属块，与套筒内的切槽尺寸相同，用来固定加热棒和套筒。将加热棒套在套筒上之后，旋转180°，即可完成加热棒和套筒之间的轴向固定。套筒与加热棒之间以及套筒与定容燃烧弹之间都设置由特制形状的耐高温密封圈，材质为耐热橡胶，用来实现加热棒与套筒以及套筒与定容燃烧弹之间的密封。2.6.2点火装置为做到真实模拟发动机的工作场景，本装置采用火花塞的中心电极放电的方式进行点火。火花塞二维设计图如下：图25可调间距火花塞图26调节结构如图，这是一种可以调节电极间距的火花塞，其外形构造和点火原理与一般的火花塞基本相同。所不同的是，在其顶端有两根缠绕有导线的中心电极，中心电极之间通过弹性耐热元件如耐热橡胶，金属弹簧等进行连接。由电磁感应原理，通电线圈周围会产生磁场从而使处在磁场中的金属物体移动。实验中，若两根中心电极上的导线绕组方式相同，则对其通相同流向的电流，电极丝之间距离减小，弹性元件存在一个压缩量，电极丝42就会向下移动一小段距离。而通以相反方向的电流电极丝的距离则会增大。由于弯置的电极丝位置是固定的，通过此方式，只要严格控制电流的方向和大小，即可做到中心电极间距的调节。将这种可调间距的火花塞伸入定容燃烧弹内，后端连接点火线圈即可通过线路控制实现中心电极点火。2.7试验台调平机构2.7.1调平机构综述使石英玻璃观察窗与定容燃烧弹的底面保持较高的垂直度可以通过装配过程中的反复调节来实现。基于此点，设计一个能够调平的实验平台，将定容燃烧弹安装在该实验平台上以保证视窗的竖直。由于三点确定一个平面的原理，一般提升装置都采用三点式布局。本次设计的调节机构为一个光学平台，将其调平后将定容燃烧弹安装在其上方即可保证定容燃烧弹底面的水平。该平台下方成圆周均布三个提升单元，每一个单元可以单独进行升降和调平。平台与定容燃烧弹通过相互配合的轴孔进行精确定位后用螺栓进行紧固。2.7.2提升单元设计一般机械设计所采用的提升装置包括齿轮齿条，丝杆滑块，液压缸，铁楔式提升机构等。在考虑多方面因素的情况下，最终决定采用楔铁式升降机构作为提升单元。楔铁式调平机构二维设计图如下：图27楔铁式调平机构二维设计图（a）图28楔铁式调平机构二维设计图（b）其技术要求如下：1.装配零件在安装前必须清洗干净,不得有毛刺、飞边、氧化皮。2.上楔铁与下楔铁之间要涂抹润滑油。3.各零件相对位置应准确。4.螺栓拧紧后，其支承面应与被紧固面紧密贴合。5.卡簧用卡簧钳装入槽内后应转动一定角度确保其完全卡入槽内。该装置下方为两个倾斜角相同的楔块，斜面对置放置，穿过与底板一体的螺柱。用一根丝杆中间较粗的丝杆与下楔铁上的方形螺纹相配合。丝杆粗轴部分前端顶在右盖板上，后端用孔卡簧固定，限制其轴向的移动。通过转动丝杆上的手轮来实现蓝色楔块的升降，在调节至指定高度后，旋紧右盖板上的旋紧螺钉，即可实现位置的锁定。在其上方有一个带球面副的平板，中心孔尺寸略大于螺柱，通过螺栓固定在蓝色楔块上。用另一块带平面副的平板与之配合，该平板的中心孔尺寸与螺柱相同。平板上方安装光学平面，开孔尺寸略大于螺柱尺寸，用两颗防松螺母拧紧，使其固定在上球面副平板上。三个楔铁式提升装置圆周均布在定容燃烧弹下方平面内，通过调节三个机构的高度从而实现定容燃烧弹的调平。图29楔铁式提升机构三维模型2.7.3调节方法工程中一般采用各种水平仪来测量机械装置的水平度如水平尺，框式水平仪等。这些水平仪大多是通过气泡在液面中的位置来判断平面的水平度。在实际使用中发现，实验室中的普通框式水平仪在实际测量中由于读数误差等各种客观原因并不能达到标定的测量精度且测量响应较慢。为保证光学平面的精准度，本装置可采用电子水平仪作为水平度测量工具。电子水平仪是通过电容摆的平衡原理测量被测面水平度的一种精密测量仪器。测试前应先进行水平仪的零点校准，可将水平仪调整至绝对水平或相对于纹影装置的相对水平。测量过程中通过水平仪的读数来控制楔铁式提升机构的升降。电子水平仪的示数表示米长度内两端的高低差距，单位为mm。一般电子水平仪的精确度可达0.001mm/m。3观察窗与端盖法兰盘设计及仿真3.1观察窗结构设计定容燃烧弹作为一种高温高压的密闭容器，其上