CN103698130B - 一种用于可视化高温高压容器的光学窗口 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于可视化高温高压容器的光学窗口，包括一薄玻璃、一厚玻璃、薄玻璃固定器、厚玻璃固定器、绝热环形垫片和密封圈。本发明采用双层玻璃结构和空气隔热层设计，能够承受相当于增压柴油机燃烧前的温度（1100K以上）和压力（10MPa以上）的测试环境；并且通过玻璃固定器上的导光槽结构和倒角结构设计，在窗口各部分尺寸一定的情况下，能够扩大测试光束的角度变化范围进而扩大安装光学窗口的可视化高温高压容器的光学测试范围，实现在高温高压条件下应用位相多普勒对粒径分布及液滴速度的连续测量。

Description

一种用于可视化高温高压容器的光学窗口

技术领域

本发明属于可视化高温高压容器技术领域，涉及一种安装在可视化高温高压容器上的光学窗口结构，具体是一种安装在可视化高温高压容器端面上、为利用可视化高温高压容器进行激光诊断提供光学通道的窗口结构。

背景技术

发动机的燃油喷雾特性是影响发动机性能的最重要因素之一，而对于高压直喷汽油机和柴油机来说，喷雾特性对发动机燃烧与排放性能有很大的影响。因此，燃油喷射系统的喷雾特性的测试，对发动机燃烧系统的设计开发有非常重要的意义。

在先进直喷汽油机燃烧系统的研发中，激光诊断技术、缸内工作过程三维计算流体力学仿真和基于光学发动机的燃烧诊断技术三位一体，是匹配与优化直喷燃烧系统中喷雾、气流运动和燃烧室形状的不可或缺的重要技术手段。而通过喷雾的激光诊断可实现对燃油雾化与蒸发过程进行可视化以及定量测量，为数值计算和建模提供实验验证进而提高模拟仿真的精确性，还为缸内混合气形成过程及燃烧诊断提供直观的物理描述和解释，其重要性不言而喻。

可视化高温高压容器是一种可产生类似于内燃式发动机缸内气体环境（压力、温度、成分）的装置，可以用光学的方法很方便地测出燃油喷雾的雾化特性、蒸发特性、燃烧特性、有害物生成特性。因其成本低、方便改变单一参数研究其对喷雾、燃烧、排放的影响而广泛应用于热力发动机领域。

光学窗口是用可视化高温高压容器进行光学测试的必需结构，提供测试光束的光学通道。

现在国内用于可视化高温高压容器的光学窗口主要存在两点局限性，简述如下。

一是不能承受可视化高温高压容器内部足够高的温度和压力。比如目前增压柴油机在上止点附近的温度和压力可达1100K、10MPa左右，而目前所设计的可视化高温高压容器光学窗口极少能承受这样的温度和压力，从而限制了用可视化高温高压容器进行柴油发动机缸内喷雾、燃烧情况的模拟和测试，主要原因是高温高压测试工况下光学窗口上的玻璃同时承受热负荷、力负荷，受力受热不均匀，玻璃容易破碎而发生爆炸。

二是在有限的窗口尺寸下，没有较大的观察视角范围，限制了利用可视化高温高压容器进行一些光学测试比如利用位相多普勒干涉法（PDI）进行喷雾液滴的粒径、速度测试（要求激光发射器和接收器之间具有150度夹角）。

比如，专利“一种自紧密封式可视化高温高压容器光学玻璃窗口”（专利申请号为201110002695.3），在密封性能的提升方面下了不少功夫，但是对于最易损坏的光学玻璃部分没有加以特别保护，即使本身材料很好，也很难承受1100K、10MPa这样的高温高压环境，实验中承受热力负荷的玻璃极易损坏。而且端盖上的观察孔是普通的圆孔，在确定的端盖、玻璃尺寸下，测试光束的角度变化范围有一定的限制，如果把两个这样的光学窗口安装在一个可视化高温高压容器的对侧两个面上（成180°布置）分别通过入射光和接收光，假设测试点在连接两个窗口的轴向中点，入射光、接收光之间将很难实现150度夹角，从而不能实现PDI液滴粒径速度测试，缩小了可视化高温高压容器的测试范围。如果把可视化高温高压容器两个窗口的安装孔做成150°夹角，当然可以满足PDI测试的要求，但是如此一来，可视化高温高压容器就很难进行其他喷雾特性测试比如轴向片光测试、截面燃油质量分布测试等。究其原因，除了可视化高温高压容器本体的结构设计外，主要在于光学窗口在导光孔结构方面没有改进。

发明内容

针对现有可视化高温高压容器光学窗口设计中存在的问题，本发明提出一种用于可视化高温高压容器的光学窗口，能够承受相当于增压柴油机燃烧前的温度和压力的测试环境，并且在窗口各部分尺寸一定的情况下，一定程度上扩大测试光束的角度变化范围进而扩大安装光学窗口的可视化高温高压容器的光学测试范围。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于可视化高温高压容器的光学窗口，包括一薄玻璃、一厚玻璃、薄玻璃固定器、厚玻璃固定器、隔热垫、绝热环形垫片和密封圈。

二层玻璃之间存在空隙（第一空隙），且两层玻璃分别安装在各自固定器的固定槽内，两个固定器之间固定连接有绝热环形垫片，该绝热垫片上设有沿该绝热垫片径向的通孔，用于连通测试区域以使两层玻璃之间的气体压力与测试区域气体压力几乎相等从而保证薄玻璃不承压。在所述的厚玻璃和厚玻璃固定器的环周面放置隔热垫，所述的厚玻璃和厚玻璃固定器接触的端面设有密封圈实现密封。整个光学窗口安装在某个可视化高温高压容器本体上时，在厚玻璃固定器、绝热环形垫片、薄玻璃固定器三者与本体的环周向形成第二空隙。

所述的厚玻璃固定器具有中心孔，该中心孔和厚玻璃一起用于观察窗，固定器中心孔两侧设有楔形导光槽结构，导光槽两侧还设有倒角结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是光学测试窗口采用双层玻璃结构及周围空气隔热层的设计，对窗口起到有效的隔热保护作用，可以进行高温（1100K）高压（12MPa）下的喷雾燃烧等的测试。光学玻璃固定器上的导光槽和倒角结构扩大了从窗口观察测试区的视角，帮助可视化高温高压容器扩大其测试范围。

附图说明

图1为本发明用于可视化高温高压容器的光学窗口的竖直截面图；

图2为图1中A的局部放大图；

图3为本发明光学窗口的厚玻璃固定器的三维结构示意图；

图4为本发明用于可视化高温高压容器的光学窗口的光路示意图；

图中：1-薄玻璃；11-可视化高温高压容器内部测试区域；12-薄厚玻璃之间的第一空隙；2-厚玻璃；24-厚玻璃和其固定器之间的隔热垫；3-薄玻璃固定器；4-厚玻璃固定器；41-楔形导光槽；42-第一倒斜角；43-第二倒斜角；47-凸台结构；48-光学窗口在可视化高温高压容器本体上的环周向安装间隙（第二空隙）；5-绝热环形垫片；51-绝热垫片上径向通孔；61-第一密封圈；62-第二密封圈；7-螺栓孔；8-可视化高温高压容器本体；91-PDI激光发射器；92-PDI激光接收器；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明的光学窗口安装在某个可视化高温高压容器本体上的竖直截面图。如图，包括一薄玻璃1和一厚玻璃2，薄玻璃固定器3、厚玻璃固定器4、绝热环形垫片5，第一密封圈61，第二密封圈62和容器本体8。两层玻璃分别放置在各自固定器的固定槽内，两个固定器之间固定连接有绝热环形垫片（三者之间的连接略去），厚玻璃和其固定器之间的密封靠第一密封圈61实现。厚玻璃固定器上开有螺栓孔7以便窗口和可视化高温高压容器本体固定连接，密封靠第二密封圈62实现。另外，厚玻璃固定器上开有中心孔，配合玻璃提供光学通道，中心孔上有楔形导光槽和倒斜角结构，关于厚玻璃固定器的结构在下文详述。

图2为图1中A的局部放大图。厚玻璃和厚玻璃固定器之间在环周向放置隔热垫24隔热，在接触的端面安装有第一密封圈61实现二者之间的密封；同样的道理，如果把整个光学窗口安装在可视化高温高压容器本体8上时，厚玻璃固定器4和本体8的交接处安装有第二密封圈62实现二者之间的密封。厚玻璃固定器与本体在径向上的安装定位靠凸台结构47实现，安装后在厚玻璃固定器、绝热环形垫片、薄玻璃固定器三者与本体之间的环周向出现第二空隙48。这样可视化高温高压容器内部测试区域11内的高温高压气体受到了薄玻璃的阻挡，只能经过窗口在可视化高温高压容器本体上的安装间隙48和绝热垫片的通孔51进入两层玻璃之间的小空隙12中，气压作用在厚玻璃的表面上，正好加强了厚玻璃和厚玻璃固定器接触的端面处的密封效果（如果是测试区域11内处于负压状态，61处密封所需的正压力由连接两个固定器和绝热垫片的连接件的预紧力提供）；薄玻璃两侧都是高温高压气体，承受热负荷，但是不承受压差；而对于厚玻璃，虽承受压力，但是热负荷很小，因为厚玻璃和薄玻璃之间存在第一空隙12，厚玻璃固定器、绝热环形垫片、薄玻璃固定器三者和容器本体在环周向存在第二空隙48，这两个空隙不同于测试区域，内部气体的流动性很差，与厚玻璃和厚玻璃固定器的对流换热很小，空隙内的气体恰恰形成了空气隔热层，阻止厚玻璃和厚玻璃固定器与周围的传热，保证在没有冷却的情况下厚玻璃温度能保持在许可范围之内。通过双层玻璃的结构和空气隔热层的设计，将热负荷与力负荷分开，对玻璃窗口起到极大程度的保护作用，为窗口部分承受高温高压的实验条件提供了保障。

图3为本发明光学窗口的厚玻璃固定器部分的三维结构示意图，用以形象地说明上文提到的导光槽和倒斜角结构设计。如图所示，在中心孔临近光路的金属框壁部分开出楔形导光槽41，倒斜角42、43等，通过这样的细节设计，可以进一步扩大测试光束的可移动范围和角度变化范围，在下面详述。

图4为本发明用于可视化高温高压容器的光学窗口的光路示意图，用以说明厚玻璃固定器上的导光槽和倒斜角结构设计对扩大测试光束入射、接受角度范围的作用。图中以两个本发明的光学窗口安装在可视化高温高压容器的对侧180°布置时的水平截面PDI测试光路为例进行说明。应用PDI进行测试时，要求激光发射器91发出的入射光中心光线与激光接收器92接收光的夹角达到150°，对于对侧180°布置的两个光学窗口而言有一定难度。即使勉强能达到150°的要求，由于发射器发出的光除中心入射光线外周边还有与中心有很小夹角（最大约5°）的光线，使得有的入射光线很有可能在沿着固定器金属壁边缘附近，加上每束光本身有一定宽度，容易因衍射效果使得测试光路不精确。图中41对应图3中的楔形导光槽，42、43是倒斜角的效果。在图4中标出了夹角150度的入射光中心光线和接收光，以及入射中心光线周边的两条光线。可见，由于导光槽和倒角的设计，使得150度夹角容易实现，并可以避免入射光与金属边缘太近导致的衍射现象，而且测试光束向一个方向有足够的移动范围，可以完成一般的喷雾液滴粒径测试。就光学窗口本身来说，在玻璃、固定器尺寸一定的情况下，固定器上导光槽和倒斜角的结构设计实现了测试光束角度变化范围的扩大，有助于扩大可视化高温高压容器的光学测试范围。

Claims (1)

1.一种用于可视化高温高压容器的光学窗口，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、绝热环形垫片和密封圈；

所述薄玻璃和厚玻璃之间存在空隙，且两层玻璃分别安装在各自固定器的固定槽内，两个固定器之间固定连接有绝热环形垫片，该绝热垫片上设有沿该绝热垫片径向的通孔，所述的厚玻璃和厚玻璃固定器接触的端面设有第一密封圈实现密封；

所述的厚玻璃固定器具有中心孔，该中心孔两侧设有楔形导光槽；

所述的导光槽周围还设有倒斜角。