一种大视场耐高温高压的定容弹视窗
阅读说明：本技术 一种大视场耐高温高压的定容弹视窗 (Large-view-field high-temperature-resistant and high-pressure-resistant constant-volume bomb window ) 是由 熊仟 史歆如 梁德治 张健 刘龙 司元强 宛张义 王璐江 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种大视场耐高温高压的定容弹视窗,属于内燃机喷雾燃烧研究领域。解决了传统定容弹耐温耐压范围窄的问题。它包括石英玻璃、套筒和端盖,石英玻璃夹紧在套筒与端盖之间,套筒和端盖固定相连,套筒与容弹本体接触的端面为第一内端面,套筒与石英玻璃接触的端面为第二内端面,套筒与石英玻璃周向接触面为第三内端面,套筒上开设有泄压孔,泄压孔的起点位于第一内端面上,泄压孔的终点位于第三内端面上,第二内端面与石英玻璃之间设置有多层石墨垫圈,端盖内部与石英玻璃接触的台阶面上设置有外部石墨垫圈,台阶面包括倾斜面区和直线面区,倾斜面区位于直线面区的外周上。它主要用于内燃机喷雾燃烧实验。(The invention provides a large-view-field high-temperature and high-pressure resistant constant-volume bomb window, and belongs to the field of internal combustion engine spray combustion research. The problem of traditional constant volume bullet temperature resistant withstand voltage scope narrow is solved. The quartz glass is clamped between the sleeve and the end cover, the sleeve and the end cover are fixedly connected, the end face of the sleeve, which is in contact with the bomb body, is a first inner end face, the end face of the sleeve, which is in contact with the quartz glass, is a second inner end face, the circumferential contact face of the sleeve and the quartz glass is a third inner end face, a pressure relief hole is formed in the sleeve, the starting point of the pressure relief hole is located on the first inner end face, the end point of the pressure relief hole is located on the third inner end face, a multilayer graphite gasket is arranged between the second inner end face and the quartz glass, an external graphite gasket is arranged on a step face, which is in contact with the quartz glass, in the end cover, the step face comprises an inclined face area and a linear face area, and the inclined face area is located on the periphery of the linear face area. The device is mainly used for spray combustion experiments of internal combustion engines.)
技术领域
本发明属于内燃机喷雾燃烧研究领域，特别是涉及一种大视场耐高温高压的定容弹视窗。
背景技术
船用柴油机缸内进行的燃油喷射、雾化和燃烧对整机的动力性、经济性以及排放特性有着至关重要的影响，因此充分掌握燃油喷雾与燃烧特性实现对内燃机缸内整个燃烧过程的精确控制，同时开展发动机燃烧理论基础研究并为新型燃烧系统开发提供理论依据，对实现节能减排目标具有重要意义。目前学者多依靠激光诊断技术、内燃机缸内工作过程的CFD仿真和基于可视窗口的诊断技术来匹配喷雾、气流运动和燃烧室形状，从而开发先进的燃烧系统。而激光诊断技术可实现对燃油雾化、蒸发以及燃烧过程进行可视化以及定量测量，直观清晰有效地观察缸内混合气的形成过程并且为数值计算和建模提供实验验证，可以提高模拟仿真的准确性。
目前船机燃烧系统具有燃油喷射量大、大空间尺度等特点，并且中高速船用柴油机燃油喷射前的压缩压力达到了18MPa和900K，对应用激光诊断技术的装置提出了更高的耐温和耐压要求。
定容弹由于成本较低，方便改变单一参数对燃烧过程的影响而广泛应用于模拟活塞在上止点附近时燃烧室的压力、温度以及成分。目前，国内现有发表的容弹实验和相关专利文章显示容弹的最高耐压不超过15MPa。
定容弹的弹体是定容弹的核心部件，是进行喷雾和燃烧的场所，通常采用将可视窗口作为外接部件通过螺栓连接到弹体上的方式进行光学测试。然而，国内虽然有较多关于定容弹装置结构及实验的专利和文献，但关于长时间工作于高温高压工况的可视化定容弹装置专利较少，并且现有国内的定容弹视窗存在密封效果差、局部应力过大容易发生碎裂、耐高温高压范围窄、视场范围小不利于多角度光学测量等问题。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种大视场耐高温高压的定容弹视窗。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种大视场耐高温高压的定容弹视窗，它包括与容弹本体固定相连的多个主视窗和侧视窗，所述主视窗包括石英玻璃、套筒和端盖，所述石英玻璃夹紧在套筒与端盖之间，所述套筒和端盖固定相连，所述套筒与容弹本体接触的端面为第一内端面，所述套筒与石英玻璃接触的端面为第二内端面，所述套筒与石英玻璃周向接触面为第三内端面，所述套筒上开设有泄压孔，所述泄压孔的起点位于第一内端面上，所述泄压孔的终点位于第三内端面上，所述第二内端面与石英玻璃之间设置有多层石墨垫圈，所述端盖内部与石英玻璃接触的台阶面上设置有外部石墨垫圈，所述台阶面包括倾斜面区和直线面区，所述倾斜面区位于直线面区的外周上，所述侧视窗与主视窗的结构相同，所述主视窗的尺寸大于侧视窗的尺寸。
更进一步的，所述多个主视窗沿容弹本体周向设置，所述侧视窗设置在容弹本体的顶部。
更进一步的，所述容弹本体为六边形结构，所述容弹本体底部与喷油器相连。
更进一步的，所述第二内端面上设置四层厚度为2mm的石墨垫圈。
更进一步的，所述第三内端面的二分之一处开设有对中O型圈槽，所述对中O型圈槽内设置对中O型圈，通过对中O型圈实现套筒与石英玻璃的径向连接。
更进一步的，所述泄压孔绕过石墨垫圈和对中O型圈。
更进一步的，所述套筒和端盖的连接面上开置有附加O型圈槽，所述附加O型圈槽内设置附加O型圈，通过附加O型圈实现套筒与端盖的密封。
更进一步的，所述套筒上开设有多个第一连接螺栓孔，所述端盖上开设有多个第二连接螺栓孔，所述第一连接螺栓孔和第二连接螺栓孔位置对应，通过连接螺栓、第一连接螺栓孔和第二连接螺栓孔的配合将套筒和端盖紧固相连。
更进一步的，所述侧视窗通过连接螺栓与容弹本体固定相连。
更进一步的，所述套筒上开设有多个第一双头螺柱孔，所述端盖上开设有多个第二双头螺柱孔，所述第一双头螺柱孔和第二双头螺柱孔位置对应，所述第一双头螺柱孔和第二双头螺柱孔内设置双头螺柱，所述双头螺柱沿轴向依次连接容弹本体、套筒、端盖和主螺母，通过双头螺柱与主螺母的配合将主视窗与容弹本体固定相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了传统定容弹耐温耐压范围窄的问题。本发明可研究内燃机喷雾燃烧及废气再循环等问题从而提高发动机效率，同时将定容弹能长时间稳定工作的耐压能力提升至35MPa，耐温1300k。
在保证可视窗口直径为170mm，定容弹耐压35MPa和耐温1300k的情况下，通过石墨垫圈及套筒内开设的泄压孔相配合，可以将燃烧室的压力分担到视窗的整个底面和侧面，满足定容弹持续在高温高压工况下工作的要求，为扩大研究发动机的燃烧及废气再循环工况范围提供保障，并提供相应实验数据，为优化燃烧和降低排放提供理论依据。同时，本发明采取了O型圈和外部石墨垫圈配合完成装置密封的功能，减少了光学玻璃的拆卸频率及安装时间，有效的提高了光学玻璃的使用寿命，减少密封垫片的更换频率。
附图说明
图1为本发明所述的一种大视场耐高温高压的定容弹视窗结构示意图；
图2为本发明所述的主视窗结构示意图；
图3为本发明所述的套筒立体结构示意图；
图4为本发明所述的套筒剖视结构示意图；
图5为本发明所述的端盖立体结构示意图；
图6为本发明所述的端盖剖视结构示意图；
图7为本发明所述的石英玻璃受理结果示意图。
1：容弹本体，2：石墨垫圈，3：石英玻璃，4：套筒，4-1：泄压孔，4-2：第一内端面，4-3：第二内端面，4-4：第三内端面，4-5：对中O型圈槽，4-6：第一双头螺柱孔，4-7：附加O型圈槽，4-8：第一连接螺栓孔，5：对中O型圈，6：外部石墨垫圈，7：附加O型圈，8：端盖，8-1：第二双头螺柱孔，8-2：第二连接螺栓孔，8-3：倾斜面区，8-4：直线面区，9：连接螺栓，10：双头螺柱，11：主螺母，12：侧视窗，13：喷油器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。
参见图1-7说明本实施方式，一种大视场耐高温高压的定容弹视窗，它包括与容弹本体1固定相连的多个主视窗和侧视窗12，所述主视窗包括石英玻璃3、套筒4和端盖8，所述石英玻璃3夹紧在套筒4与端盖8之间，所述套筒4和端盖8固定相连，所述套筒4与容弹本体1接触的端面为第一内端面4-2，所述套筒4与石英玻璃3接触的端面为第二内端面4-3，所述套筒4与石英玻璃3周向接触面为第三内端面4-4，所述套筒4上开设有泄压孔4-1，所述泄压孔4-1的起点位于第一内端面4-2上，所述泄压孔4-1的终点位于第三内端面4-4上，所述第二内端面4-3与石英玻璃3之间设置有多层石墨垫圈2，所述端盖8内部与石英玻璃3接触的台阶面上设置有外部石墨垫圈6，所述台阶面包括倾斜面区8-3和直线面区8-4，所述倾斜面区8-3位于直线面区8-4的外周上，所述侧视窗12与主视窗的结构相同，所述主视窗的尺寸大于侧视窗12的尺寸。
容弹本体1为六边形结构，容弹本体1底部与喷油器13相连，多个主视窗沿容弹本体1周向设置，侧视窗12设置在容弹本体1的顶部，六面体结构上布置有进排气阀、进排气阀驱动用液压油缸、两个安全阀、喷油器结构，两个安全阀分别对应100bar和350bar。容弹本体1侧面根据研究需要安装相应的视窗、喷油器及盖板结构。单孔喷油器双视窗结构如图1所示，容弹本体1外开设两个尺寸较大的主视窗和一个尺寸较小的侧视窗12，套筒4上开设有多个第一连接螺栓孔4-8，端盖8上开设有多个第二连接螺栓孔8-2，第一连接螺栓孔4-8和第二连接螺栓孔8-2位置对应，通过连接螺栓9、第一连接螺栓孔4-8和第二连接螺栓孔8-2的配合将套筒4和端盖8紧固相连，第一连接螺栓孔4-8和第二连接螺栓孔8-2数量均为12个，将石英玻璃3紧锁在套筒4与端盖8之间.
侧视窗12通过连接螺栓9与容弹本体1固定相连，套筒4上开设有多个第一双头螺柱孔4-6，端盖8上开设有多个第二双头螺柱孔8-1，第一双头螺柱孔4-6和第二双头螺柱孔8-1位置对应，第一双头螺柱孔4-6和第二双头螺柱孔8-1内设置双头螺柱10，双头螺柱10沿轴向依次连接容弹本体1、套筒4、端盖8和主螺母11，通过双头螺柱10与主螺母11的配合将主视窗与容弹本体1固定相连。第二内端面4-3上设置四层厚度为2mm的石墨垫圈2，避免在预紧力的作用下石英玻璃3的承压面直接与套筒4接触而降低耐压强度；第三内端面4-4的二分之一处开设有对中O型圈槽4-5，对中O型圈槽4-5内设置对中O型圈5，通过对中O型圈5实现套筒4与石英玻璃3的径向连接，用来保证石英玻璃3安装时不发生径向位置偏差。泄压孔4-1绕过石墨垫圈2和对中O型圈5，套筒4和端盖8的连接面上开置有附加O型圈槽4-7，附加O型圈槽4-7内设置附加O型圈7，通过附加O型圈7实现套筒4与端盖8的密封。
进行容弹实验时要通过燃烧预混气来获取高温高压的燃烧室热力学环境，在泄压孔4-1的作用下预混气燃烧后产生的高温高压气体同时作用于主视窗的底面和侧面，避免高温高压燃气只作用于主视窗的底面，造成主视窗底面和侧面受力差异大导致弯曲变形甚至发生破损和装置漏气的风险；有效增加了视窗的承压面，避免了应力集中问题。预燃气体的压力大小和组分共同根据实验目的、喷雾或燃烧实验时的目标压力和温度确定。主视窗石英玻璃3环形棱边处为弧形过度，避免应力集中；石英玻璃3安装在套筒第二内端面4-3的四层厚度为2mm的石墨垫圈2之后的第三内端面4-4内，并由对中O型圈5保证视窗安装时不发生径向位置偏差。
台阶面包括倾斜面区8-3和直线面区8-4，台阶面上设置有外部石墨垫圈6，外部石墨垫圈6密封具有自锁效果，因为受压越高，垫圈的压缩也越高。台阶面可以为石英玻璃3受压后的形变提供一定的空间，减小了石英玻璃3外侧边缘位置的应力集中。同时，这种倾斜结构可以减小石英玻璃3在安装时的夹紧力矩，从而提高石英玻璃3的承压能力。套筒4和端盖8之间安装的附加O型圈7配合外部石墨垫圈6共同完成密封视窗的功能。侧视窗12通过10个长螺栓连接到容弹本体1上，其余结构与主视窗结构形式相同。套筒4、石英玻璃3和端盖8为可拆卸结构。
由于石英玻璃3材料的极限耐压为50MPa，本发明的定容弹需要在安装可视石英玻璃窗口前提下，满足定容燃烧室内预混气进气、混合以及燃烧过程中产生的最大35MPa压力时加载在石英玻璃3上的压力低于50MPa，避免石英玻璃3产生变形破裂。利用Ansys软件以预混气初始过量空气系数4.5和初始温度374.5K为条件对应的各种预混合气的质量流率和时间设定，包括暖机(由热风机加热定容燃烧装置本体至100℃)和燃烧过程产生的温度和压力分布作为输入条件，分析可视窗口包括主视窗和侧视窗12的耐压设计是否满足要求。
如图7所示为冷装配、暖机、预燃烧阶段时主视窗石英玻璃的受力，图7a为冷装配，图7b为暖机，图7c为预燃烧，结果显示在主视窗石英玻璃最大受力、分布以及安全系数为：冷装配阶段，最大受力为14MPa，最大受力面为主视窗石英玻璃内侧，安全系数为3.57；暖机阶段，最大受力为16MPa，最大受力面为主视窗石英玻璃内侧，安全系数为3.13；预燃烧阶段，最大受力为9MPa，最大受力面为主视窗石英玻璃外侧，安全系数为5.56。因此，本发明主视窗的设计完全满足目标要求。
容弹本体1、石墨垫圈2、石英玻璃3、套筒4、泄压孔4-1、第一内端面4-2、第二内端面4-3、第三内端面4-4、对中O型圈槽4-5、第一双头螺柱孔4-6、附加O型圈槽4-7、第一连接螺栓孔4-8、对中O型圈5、外部石墨垫圈6、附加O型圈7、端盖8、第二双头螺柱孔8-1、第二连接螺栓孔8-2、倾斜面区8-3、直线面区8-4、连接螺栓9、双头螺柱10、主螺母11、侧视窗12、喷油器13、
以上对本发明所提供的一种大视场耐高温高压的定容弹视窗，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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