一種用于可視化高溫高壓容器的光學窗口的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種用于可視化高溫高壓容器的光學窗口，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)明采用雙層玻璃結構和空氣隔熱層設計，能夠承受相當于增壓柴油機燃燒前的溫度（1100K以上）和壓力（10MPa以上）的測試環(huán)境；并且通過玻璃固定器上的導光槽結構和倒角結構設計，在窗口各部分尺寸一定的情況下，能夠擴大測試光束的角度變化范圍進而擴大安裝光學窗口的可視化高溫高壓容器的光學測試范圍，實現在高溫高壓條件下應用位相多普勒對粒徑分布及液滴速度的連續(xù)測量。
【專利說明】一種用于可視化高溫高壓容器的光學窗口
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于可視化高溫高壓容器【技術領域】，涉及一種安裝在可視化高溫高壓容器上的光學窗口結構，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行激光診斷提供光學通道的窗口結構。
【背景技術】
[0002]發(fā)動機的燃油噴霧特性是影響發(fā)動機性能的最重要因素之一，而對于高壓直噴汽油機和柴油機來說，噴霧特性對發(fā)動機燃燒與排放性能有很大的影響。因此，燃油噴射系統(tǒng)的噴霧特性的測試，對發(fā)動機燃燒系統(tǒng)的設計開發(fā)有非常重要的意義。
[0003]在先進直噴汽油機燃燒系統(tǒng)的研發(fā)中，激光診斷技術、缸內工作過程三維計算流體力學仿真和基于光學發(fā)動機的燃燒診斷技術三位一體，是匹配與優(yōu)化直噴燃燒系統(tǒng)中噴霧、氣流運動和燃燒室形狀的不可或缺的重要技術手段。而通過噴霧的激光診斷可實現對燃油霧化與蒸發(fā)過程進行可視化以及定量測量，為數值計算和建模提供實驗驗證進而提高模擬仿真的精確性，還為缸內混合氣形成過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生類似于內燃式發(fā)動機缸內氣體環(huán)境(壓力、溫度、成分)的裝置，可以用光學的方法很方便地測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、方便改變單一參數研究其對噴霧、燃燒、排放的影響而廣泛應用于熱力發(fā)動機領域。
[0005]光學窗口是用可視化高溫高壓容器進行光學測試的必需結構，提供測試光束的光學通道。
[0006]現在國內用于可視化高溫高壓容器的光學窗口主要存在兩點局限性，簡述如下。
[0007]—是不能承受可視化高溫高壓容器內部足夠高的溫度和壓力。比如目前增壓柴油機在上止點附近的溫度和壓力可達IlOOKUOMPa左右，而目前所設計的可視化高溫高壓容器光學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行柴油發(fā)動機缸內噴霧、燃燒情況的模擬和測試，主要原因是高溫高壓測試工況下光學窗口上的玻璃同時承受熱負荷、力負荷，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行一些光學測試比如利用位相多普勒干涉法(PDI)進行噴霧液滴的粒徑、速度測試(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玻璃窗口 ”(專利申請?zhí)枮?01110002695.3)，在密封性能的提升方面下了不少功夫，但是對于最易損壞的光學玻璃部分沒有加以特別保護，即使本身材料很好，也很難承受IlOOKUOMPa這樣的高溫高壓環(huán)境，實驗中承受熱力負荷的玻璃極易損壞。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，測試光束的角度變化范圍有一定的限制，如果把兩個這樣的光學窗口安裝在一個可視化高溫高壓容器的對側兩個面上(成180°布置)分別通過入射光和接收光，假設測試點在連接兩個窗口的軸向中點，入射光、接收光之間將很難實現150度夾角，從而不能實現PDI液滴粒徑速度測試，縮小了可視化高溫高壓容器的測試范圍。如果把可視化高溫高壓容器兩個窗口的安裝孔做成150°夾角，當然可以滿足PDI測試的要求，但是如此一來，可視化高溫高壓容器就很難進行其他噴霧特性測試比如軸向片光測試、截面燃油質量分布測試等。究其原因，除了可視化高溫高壓容器本體的結構設計外，主要在于光學窗口在導光孔結構方面沒有改進。

【發(fā)明內容】

[0010]針對現有可視化高溫高壓容器光學窗口設計中存在的問題，本發(fā)明提出一種用于可視化高溫高壓容器的光學窗口，能夠承受相當于增壓柴油機燃燒前的溫度和壓力的測試環(huán)境，并且在窗口各部分尺寸一定的情況下，一定程度上擴大測試光束的角度變化范圍進而擴大安裝光學窗口的可視化高溫高壓容器的光學測試范圍。
[0011]本發(fā)明的技術解決方案如下:
[0012]—種用于可視化高溫高壓容器的光學窗口，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，兩個固定器之間固定連接有絕熱環(huán)形墊片，該絕熱墊片上設有沿該絕熱墊片徑向的通孔，用于連通測試區(qū)域以使兩層玻璃之間的氣體壓力與測試區(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有密封圈實現密封。整個光學窗口安裝在某個可視化高溫高壓容器本體上時，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，固定器中心孔兩側設有楔形導光槽結構，導光槽兩側還設有倒角結構。
[0015]與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是光學測試窗口采用雙層玻璃結構及周圍空氣隔熱層的設計，對窗口起到有效的隔熱保護作用，可以進行高溫(1100K)高壓(12MPa)下的噴霧燃燒等的測試。光學玻璃固定器上的導光槽和倒角結構擴大了從窗口觀察測試區(qū)的視角，幫助可視化高溫高壓容器擴大其測試范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明用于可視化高溫高壓容器的光學窗口的豎直截面圖；
[0017]圖2為圖1中A的局部放大圖；
[0018]圖3為本發(fā)明光學窗口的厚玻璃固定器的三維結構示意圖；
[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部測試區(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_楔形導光槽；42_第一倒斜角；43_第二倒斜角；47_凸臺結構；48_光學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；
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0022]圖1為本發(fā)明的光學窗口安裝在某個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，兩個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實現。厚玻璃固定器上開有螺栓孔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實現。另外，厚玻璃固定器上開有中心孔，配合玻璃提供光學通道，中心孔上有楔形導光槽和倒斜角結構，關于厚玻璃固定器的結構在下文詳述。
[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實現二者之間的密封；同樣的道理，如果把整個光學窗口安裝在可視化高溫高壓容器本體8上時，厚玻璃固定器4和本體8的交接處安裝有第二密封圈62實現二者之間的密封。厚玻璃固定器與本體在徑向上的安裝定位靠凸臺結構47實現，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)周向出現第二空隙48。這樣可視化高溫高壓容器內部測試區(qū)域11內的高溫高壓氣體受到了薄玻璃的阻擋，只能經過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(如果是測試區(qū)域11內處于負壓狀態(tài)，61處密封所需的正壓力由連接兩個固定器和絕熱墊片的連接件的預緊力提供)；薄玻璃兩側都是高溫高壓氣體，承受熱負荷，但是不承受壓差；而對于厚玻璃，雖承受壓力，但是熱負荷很小，因為厚玻璃和薄玻璃之間存在第一空隙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，這兩個空隙不同于測試區(qū)域，內部氣體的流動性很差，與厚玻璃和厚玻璃固定器的對流換熱很小，空隙內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，保證在沒有冷卻的情況下厚玻璃溫度能保持在許可范圍之內。通過雙層玻璃的結構和空氣隔熱層的設計，將熱負荷與力負荷分開，對玻璃窗口起到極大程度的保護作用，為窗口部分承受高溫高壓的實驗條件提供了保障。
[0024]圖3為本發(fā)明光學窗口的厚玻璃固定器部分的三維結構示意圖，用以形象地說明上文提到的導光槽和倒斜角結構設計。如圖所示，在中心孔臨近光路的金屬框壁部分開出楔形導光槽41，倒斜角42、43等，通過這樣的細節(jié)設計，可以進一步擴大測試光束的可移動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窗口的光路示意圖，用以說明厚玻璃固定器上的導光槽和倒斜角結構設計對擴大測試光束入射、接受角度范圍的作用。圖中以兩個本發(fā)明的光學窗口安裝在可視化高溫高壓容器的對側180°布置時的水平截面roi測試光路為例進行說明。應用PDI進行測試時，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接收光的夾角達到150°，對于對側180°布置的兩個光學窗口而言有一定難度。即使勉強能達到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試光路不精確。圖中41對應圖3中的楔形導光槽，42、43是倒斜角的效果。在圖4中標出了夾角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?？梢姡捎趯Ч獠酆偷菇堑脑O計，使得150度夾角容易實現，并可以避免入射光與金屬邊緣太近導致的衍射現象，而且測試光束向一個方向有足夠的移動范圍，可以完成一般的噴霧液滴粒徑測試。就光學窗口本身來說，在玻璃、固定器尺寸一定的情況下，固定器上導光槽和倒斜角的結構設計實現了測試光束角度變化范圍的擴大，有助于擴大可視化高溫高壓容器的光學測試范圍。
【權利要求】
1.一種用于可視化高溫高壓容器的光學窗口，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，兩個固定器之間固定連接有絕熱環(huán)形墊片，該絕熱墊片上設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有第一橡膠圈實現密封。
2.根據權利要求1所述的用于可視化高溫高壓容器的光學窗口，其特征在于所述的厚玻璃固定器具有中心孔，該中心孔兩側設有楔形導光槽。
3.根據權利要求1所述的用于可視化高溫高壓容器的光學窗口，其特征在于，所述的導光槽周圍還設有倒斜角。
【文檔編號】G01M15/14GK103698130SQ201310717138
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月23日 優(yōu)先權日:2013年12月23日
【發(fā)明者】張玉銀, 林柏洋, 吳勝奇, 李世琰 申請人:上海交通大學