基于PLC機(jī)電一體化的湍流試驗裝置設(shè)計

楊翠華

（淮南舜泰化工有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232072）

0 引言

燃燒室被譽(yù)為發(fā)動機(jī)的“心臟”，其可將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，從而對外做功［1］。湍流燃燒是燃燒室中常見的燃燒方式，對湍流火焰進(jìn)行深入研究，有利于了解湍流火焰的傳播機(jī)理、提升燃燒室的性能。目前，研究湍流燃燒特性的試驗裝置包括本生燈、旋轉(zhuǎn)射流裝置和湍流燃燒彈等［2］。本生燈和旋轉(zhuǎn)射流裝置雖然在一定程度上拓寬了湍流強(qiáng)度的測試范圍，但未能對單一湍流參數(shù)變化產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究。相對而言，湍流燃燒彈是一種性能優(yōu)異的裝置，其不僅能產(chǎn)生分布均勻的湍流場，實現(xiàn)對高壓條件下湍流燃燒過程的研究，還可研究湍流、點(diǎn)火等單一參數(shù)的變化對湍流燃燒特性的影響［3］。

根據(jù)湍流產(chǎn)生的原理，湍流燃燒彈（也稱容彈）可分為風(fēng)扇式、噴射式以及孔板式燃燒裝置。姜根柱等［4］使用風(fēng)扇式湍流燃燒裝置對湍流強(qiáng)度以及湍流穩(wěn)定區(qū)域半徑的變化規(guī)律進(jìn)行計算，研究結(jié)果表明，湍流燃燒彈中心監(jiān)測點(diǎn)的湍流強(qiáng)度會隨風(fēng)扇壓差的增大而增大，湍流穩(wěn)定區(qū)域的半徑會隨風(fēng)扇強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大。秦思雨等［5］設(shè)計出噴射式湍流燃燒裝置，該湍流試驗裝置可在容彈內(nèi)部產(chǎn)生各向同性且均勻的湍流環(huán)境。廖世勇等［6］利用孔板式湍流燃燒彈來研究不同頻段的湍流特性，研究結(jié)果表明，湍流主要處于400～1 600 Hz 的頻率段。通過對湍流燃燒彈研究發(fā)現(xiàn)，雖然湍流彈的種類不同，但均擁有眾多的子系統(tǒng)，為了保證試驗?zāi)軌虬踩M(jìn)行和采集到的試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗時必須保證試驗裝置各部分能夠協(xié)調(diào)可靠地運(yùn)行，而機(jī)電一體化能對整個系統(tǒng)資源進(jìn)行有效配置，使系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)。本研究設(shè)計一種基于PLC 機(jī)電一體化的湍流強(qiáng)度可調(diào)型氣體爆炸特性測試試驗裝置，該裝置能產(chǎn)生各向同性且均勻的高強(qiáng)度湍流場，并實現(xiàn)可變湍流參數(shù)對湍流環(huán)境中氣體爆炸特性的研究。本研究對該試驗裝置的設(shè)計原理、系統(tǒng)組成及特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

1 裝置設(shè)計原理

設(shè)計湍流燃燒試驗裝置是為了研究預(yù)混氣體燃料湍流燃燒的特性，由于燃料在燃燒時會產(chǎn)生高溫高壓，在對裝置進(jìn)行設(shè)計時，首先，要保證彈體部分具有一定的強(qiáng)度，且進(jìn)氣、湍流及點(diǎn)火等子系統(tǒng)在裝置上的開孔位置要分布合理，避免出現(xiàn)過大的應(yīng)力集中。其中，要保證湍流燃燒彈的密封性和觀察窗的強(qiáng)度。其次，是裝置要有配氣系統(tǒng)、湍流生成系統(tǒng)以及點(diǎn)火系統(tǒng)，可用來研究不同燃料配比、湍流強(qiáng)度以及點(diǎn)火能量等參數(shù)對預(yù)混湍流燃燒特性的影響。最后，要安裝高速攝像系統(tǒng)、壓力測量系統(tǒng)以及相應(yīng)的時序控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)用于對試驗裝置子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，高速攝像系統(tǒng)用于對湍流燃燒裝置中的混合氣體湍流燃燒火焰進(jìn)行動態(tài)觀測，并使用基于高速相機(jī)的比色測溫系統(tǒng)來繪制火焰溫度分布云圖［7］。

根據(jù)上述要求，本研究設(shè)計的基于PLC 機(jī)電一體化的湍流強(qiáng)度可調(diào)型氣體爆炸特性測試試驗裝置如圖1 所示。該試驗裝置由不銹鋼燃燒容器、湍流生成系統(tǒng)、配氣和排氣系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)、壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)以及PLC 時序控制系統(tǒng)組成。

圖1 湍流氣體爆炸特性測試試驗裝置

2 系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

2.1 燃燒容器

本研究設(shè)計的試驗裝置采用球形容器作為反應(yīng)腔，容器材料為不銹鋼，壁厚為20 mm。不同于其他管狀容器或圓柱狀容器，球面設(shè)計可保證爆炸波從點(diǎn)火位置均勻向容器內(nèi)壁的每一個方向進(jìn)行傳播，使相關(guān)儀器獲取到的數(shù)據(jù)更加全面和細(xì)化，以便研究人員得出更加可靠的研究成果。在燃燒容器前后對稱開出直徑為100 mm 的石英窗玻璃可視化窗口，從而形成光學(xué)通道，通過該窗口能充分地觀測到彈體內(nèi)的湍流燃燒火焰。為保證石英玻璃與裝置之間的密封性，防止試驗時因氣體泄露而導(dǎo)致試驗結(jié)果出現(xiàn)誤差，石英玻璃通過螺栓和焊接在湍流裝置上的法蘭盤進(jìn)行壓緊固定，并采用密封圈進(jìn)行密封，可避免出現(xiàn)微縫隙以及拆卸時對石英玻璃造成損傷。另外，在容器正上方的開孔設(shè)置點(diǎn)火系統(tǒng)，在法蘭蓋上開設(shè)2 個點(diǎn)火電極孔和1 個安全閥，安全閥用來保障試驗系統(tǒng)不會因產(chǎn)生的高壓而發(fā)生事故。將法蘭蓋通過螺栓固定在被焊接在容器上的法蘭盤上，同時要保證裝置的氣密性。

2.2 湍流生成系統(tǒng)

湍流生成系統(tǒng)由4 個獨(dú)立的風(fēng)扇電機(jī)組組成，而這4 個風(fēng)扇電機(jī)組采用兩兩垂直的方式安裝在容器上，風(fēng)機(jī)的垂直交點(diǎn)與容器的中心點(diǎn)重合。每個風(fēng)扇電機(jī)組包括1 個軸流式風(fēng)扇、1 個圓形多孔板、1 個電機(jī)以及1 個直流高壓調(diào)速器。每個風(fēng)扇與獨(dú)立的電機(jī)相連接，湍流強(qiáng)度由連接在電機(jī)上的直流高壓調(diào)速器進(jìn)行控制。通過直流高壓調(diào)速器給風(fēng)扇電機(jī)設(shè)定一定的速度，4 個風(fēng)扇電機(jī)組將以相同的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的漩渦流在通過安裝在風(fēng)扇前面的多孔板后，將在容器的幾何中心發(fā)生碰撞，從而形成各向同性的湍流。另外，圓形多孔板可起到形成湍流和保護(hù)風(fēng)扇的作用。

2.3 配氣和排氣系統(tǒng)

設(shè)計出的試驗裝置主要用于研究混合氣體燃料湍流燃燒的特性，因此需要設(shè)計出相應(yīng)的混合氣配制系統(tǒng)。配氣時可根據(jù)道爾頓分壓原理，將不同的氣體依次充入到高壓預(yù)混罐中，在預(yù)混罐內(nèi)靜置混合，用真空泵將湍流裝置抽成真空后，將靜置完成的氣體充入其中［8-9］。由于燃料氣瓶的壓力較高，混氣罐和裝置內(nèi)壓力一般相對較低，為了安全起見，燃料氣瓶和混氣罐的出口處均安裝有減壓閥。另外，在該裝置中，進(jìn)氣系統(tǒng)與排氣系統(tǒng)采用分離式設(shè)計，在減小系統(tǒng)密封負(fù)擔(dān)的同時，可實現(xiàn)精確配氣。

2.4 高速攝像、壓力采集及點(diǎn)火系統(tǒng)

燃燒火焰可視化是研究預(yù)混氣體湍流燃燒特性的有效試驗手段，本研究用高速攝像機(jī)來記錄裝置內(nèi)湍流燃燒火焰的情況。本研究選用日本NAC公司生產(chǎn)的HX-3 型高速相機(jī)，使用5 000 fps 的拍攝幀率，并利用基于高速相機(jī)的比色測溫系統(tǒng)來繪制出燃燒火焰的溫度分布云圖。比色測溫法可準(zhǔn)確測量出選定區(qū)域的瞬態(tài)爆炸溫度，其是一種用于了解預(yù)混氣體燃燒狀態(tài)和開發(fā)高能效內(nèi)燃機(jī)的新技術(shù)手段。將高速攝像機(jī)與裝置上的光學(xué)通道布置在同一水平線上，調(diào)整相機(jī)的角度和鏡頭的焦距，從而獲得清晰的圖像，其中心位置與點(diǎn)火電極中心在同一水平線上，并關(guān)閉相機(jī)的白平衡和伽馬校正，關(guān)閉Low light 模式，防止外界光源影響到試驗比色測溫數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由壓力傳感器、恒流源以及示波器組成。在試驗過程中，壓力的變化由PCB聲壓傳感器（型號為106B52）進(jìn)行測量，滿足高精度、抗干擾、高響應(yīng)速度等試驗要求。此外，采用HDO403A 數(shù)字儲存示波器來記錄壓力數(shù)據(jù)。該示波器具有記錄、存儲、濾波等功能，可確保高分辨率、高采樣率和高精度，并且能同時進(jìn)行多通道測量。試驗選用的電壓采集模塊的采樣速度可達(dá)10 MS/s，可用于瞬態(tài)變化壓力信號的捕捉和處理，能精確地記錄氣體爆炸過程中瞬時壓力的變化。

該系統(tǒng)采用電火花點(diǎn)火的方式，其由繼電器、交流接觸器、15 kV高壓點(diǎn)火器、點(diǎn)火電極及導(dǎo)線組成。為了提高導(dǎo)電性能，電極主體由2 根長度相同的銅棒構(gòu)成，通過法蘭將其固定于頂部不銹鋼板的中心處，銅棒向下伸長，使得放電尖端位于爆炸裝置的幾何中心。為了防止在試驗過程中因高壓電火花而導(dǎo)致放電尖端氧化，選用熔點(diǎn)高于3 000 ℃的鎢棒作為放電尖端材料，兩電極的尖端相距1 mm 左右。點(diǎn)火時刻可根據(jù)具體試驗要求來確定。通過PLC 控制點(diǎn)火的延遲時間，可改變點(diǎn)火能量，研究不同點(diǎn)火能量對預(yù)混氣體湍流燃燒特性的影響。

2.5 PLC時序控制系統(tǒng)

本研究設(shè)計的裝置通過PLC 對各子系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制。試驗前，通過編寫智能控制的運(yùn)行程序，設(shè)置進(jìn)氣、風(fēng)機(jī)運(yùn)行、點(diǎn)火和高速攝像機(jī)拍攝的時間以及相應(yīng)系統(tǒng)之間的延遲時間［10-11］。其接線設(shè)置如下，進(jìn)氣電磁閥、調(diào)速器、15 kV 高壓點(diǎn)火器和高速攝像系統(tǒng)的正極并聯(lián)，統(tǒng)一接在供電裝置的正極上，4 個風(fēng)機(jī)的電機(jī)負(fù)極并聯(lián)在一起，以便4 個風(fēng)機(jī)能同時運(yùn)行，各個子系統(tǒng)的負(fù)極分別接到PLC的不同Y 端上。為了能清晰地記錄火焰全貌，點(diǎn)火和高速攝像系統(tǒng)設(shè)置為同時閉合。試驗過程中，打開PLC 時序控制系統(tǒng)的開關(guān)，邏輯控制時序為：進(jìn)氣電磁閥開啟，預(yù)混罐中的試驗氣體充入燃燒室中；開啟直流高壓調(diào)速器的開關(guān)，4個并聯(lián)的風(fēng)機(jī)按照一定的轉(zhuǎn)速同時開始旋轉(zhuǎn)，并在一段時間后同時關(guān)閉；打開高速攝像系統(tǒng)并觸發(fā)示波器；最后控制15 kV高壓點(diǎn)火器進(jìn)行放電點(diǎn)火。

3 試驗裝置分析及應(yīng)用

本研究的試驗是在常溫常壓下展開的，圖2 為湍流燃燒試驗的時序。首先使用真空泵將試驗裝置抽到一定的真空度，同時依據(jù)道爾頓分壓原理將試驗氣體（乙炔、甲烷、空氣）按一定濃度配置在一個高壓混氣罐中，在氣體靜置混合后，通過遠(yuǎn)程開關(guān)啟動，開啟控制PLC 智能控制系統(tǒng)，使其控制進(jìn)氣管路中的電磁閥元件，給湍流裝置充氣，在裝置達(dá)到常壓時關(guān)閉電磁閥；接著通過PLC 程序打開風(fēng)扇直流高壓調(diào)速器，風(fēng)扇電機(jī)由直流高壓調(diào)速器給定速度，4個風(fēng)扇電機(jī)組將以相同的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的漩渦流通過多孔板后將在容器的幾何中心發(fā)生碰撞，從而形成各向同性的湍流；最后，待燃燒容器內(nèi)的湍流場穩(wěn)定后，PLC 系統(tǒng)控制點(diǎn)火組合系統(tǒng)通電點(diǎn)火，同時觸發(fā)高速攝像系統(tǒng)，記錄火焰的傳播過程，并通過壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來記錄壓力變化，同時將高速攝像系統(tǒng)拍攝到的圖片導(dǎo)入到自開發(fā)軟件中，繪制湍流火焰的溫度分布云圖，完成湍流氣體燃爆試驗。其中，PLC 的系統(tǒng)控制時間可通過多次預(yù)試驗來確定，另外在火焰發(fā)展的過程中，風(fēng)扇要一直處于開啟狀態(tài)。

圖2 湍流燃燒試驗時序

通過使用該裝置對預(yù)混氣體的湍流火焰進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該裝置通過PLC 時序控制系統(tǒng)來實現(xiàn)試驗裝置子系統(tǒng)協(xié)調(diào)可靠地工作，進(jìn)而可研究不同湍流參數(shù)對預(yù)混氣體爆炸特性的影響。后續(xù)可對不同預(yù)混氣體的湍流燃燒特性進(jìn)行深入研究。

4 結(jié)語

根據(jù)預(yù)混湍流燃燒基礎(chǔ)研究的需要，本研究設(shè)計出一種基于PLC機(jī)電一體化的湍流強(qiáng)度可調(diào)型氣體爆炸特性測試試驗裝置。通過PLC時序控制系統(tǒng)實現(xiàn)試驗裝置子系統(tǒng)協(xié)調(diào)可靠地工作，使整個系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率更高，且更加有保障，進(jìn)而實現(xiàn)控制可變湍流參數(shù)對湍流環(huán)境中氣體爆炸特性的研究。