基于PLC機電一體化的湍流試驗裝置設計

楊翠華

（淮南舜泰化工有限責任公司，安徽 淮南 232072）

0 引言

燃燒室被譽為發動機的“心臟”，其可將化學能轉化為熱能，從而對外做功［1］。湍流燃燒是燃燒室中常見的燃燒方式，對湍流火焰進行深入研究，有利于了解湍流火焰的傳播機理、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、旋轉射流裝置和湍流燃燒彈等［2］。本生燈和旋轉射流裝置雖然在一定程度上拓寬了湍流強度的測試范圍，但未能對單一湍流參數變化產生的影響進行研究。相對而言，湍流燃燒彈是一種性能優異的裝置，其不僅能產生分布均勻的湍流場，實現對高壓條件下湍流燃燒過程的研究，還可研究湍流、點火等單一參數的變化對湍流燃燒特性的影響［3］。

根據湍流產生的原理，湍流燃燒彈（也稱容彈）可分為風扇式、噴射式以及孔板式燃燒裝置。姜根柱等［4］使用風扇式湍流燃燒裝置對湍流強度以及湍流穩定區域半徑的變化規律進行計算，研究結果表明，湍流燃燒彈中心監測點的湍流強度會隨風扇壓差的增大而增大，湍流穩定區域的半徑會隨風扇強度的增強而增大。秦思雨等［5］設計出噴射式湍流燃燒裝置，該湍流試驗裝置可在容彈內部產生各向同性且均勻的湍流環境。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現，雖然湍流彈的種類不同，但均擁有眾多的子系統，為了保證試驗能夠安全進行和采集到的試驗數據的準確性，試驗時必須保證試驗裝置各部分能夠協調可靠地運行，而機電一體化能對整個系統資源進行有效配置，使系統高效運轉。本研究設計一種基于PLC 機電一體化的湍流強度可調型氣體爆炸特性測試試驗裝置，該裝置能產生各向同性且均勻的高強度湍流場，并實現可變湍流參數對湍流環境中氣體爆炸特性的研究。本研究對該試驗裝置的設計原理、系統組成及特點進行了詳細介紹。

1 裝置設計原理

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

根據上述要求，本研究設計的基于PLC 機電一體化的湍流強度可調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、配氣和排氣系統、高速攝像系統、壓力數據采集系統、點火系統以及PLC 時序控制系統組成。

圖1 湍流氣體爆炸特性測試試驗裝置

2 系統組成及特點

2.1 燃燒容器

本研究設計的試驗裝置采用球形容器作為反應腔，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，球面設計可保證爆炸波從點火位置均勻向容器內壁的每一個方向進行傳播，使相關儀器獲取到的數據更加全面和細化，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，從而形成光學通道，通過該窗口能充分地觀測到彈體內的湍流燃燒火焰。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致試驗結果出現誤差，石英玻璃通過螺栓和焊接在湍流裝置上的法蘭盤進行壓緊固定，并采用密封圈進行密封，可避免出現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置點火系統，在法蘭蓋上開設2 個點火電極孔和1 個安全閥，安全閥用來保障試驗系統不會因產生的高壓而發生事故。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

湍流生成系統由4 個獨立的風扇電機組組成，而這4 個風扇電機組采用兩兩垂直的方式安裝在容器上，風機的垂直交點與容器的中心點重合。每個風扇電機組包括1 個軸流式風扇、1 個圓形多孔板、1 個電機以及1 個直流高壓調速器。每個風扇與獨立的電機相連接，湍流強度由連接在電機上的直流高壓調速器進行控制。通過直流高壓調速器給風扇電機設定一定的速度，4 個風扇電機組將以相同的速度進行旋轉，產生的漩渦流在通過安裝在風扇前面的多孔板后，將在容器的幾何中心發生碰撞，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風扇的作用。

2.3 配氣和排氣系統

設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，因此需要設計出相應的混合氣配制系統。配氣時可根據道爾頓分壓原理，將不同的氣體依次充入到高壓預混罐中，在預混罐內靜置混合，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，進氣系統與排氣系統采用分離式設計，在減小系統密封負擔的同時，可實現精確配氣。

2.4 高速攝像、壓力采集及點火系統

燃燒火焰可視化是研究預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來記錄裝置內湍流燃燒火焰的情況。本研究選用日本NAC公司生產的HX-3 型高速相機，使用5 000 fps 的拍攝幀率，并利用基于高速相機的比色測溫系統來繪制出燃燒火焰的溫度分布云圖。比色測溫法可準確測量出選定區域的瞬態爆炸溫度，其是一種用于了解預混氣體燃燒狀態和開發高能效內燃機的新技術手段。將高速攝像機與裝置上的光學通道布置在同一水平線上，調整相機的角度和鏡頭的焦距，從而獲得清晰的圖像，其中心位置與點火電極中心在同一水平線上，并關閉相機的白平衡和伽馬校正，關閉Low light 模式，防止外界光源影響到試驗比色測溫數據的準確性。

壓力數據采集系統由壓力傳感器、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）進行測量，滿足高精度、抗干擾、高響應速度等試驗要求。此外，采用HDO403A 數字儲存示波器來記錄壓力數據。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，并且能同時進行多通道測量。試驗選用的電壓采集模塊的采樣速度可達10 MS/s，可用于瞬態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。

該系統采用電火花點火的方式，其由繼電器、交流接觸器、15 kV高壓點火器、點火電極及導線組成。為了提高導電性能，電極主體由2 根長度相同的銅棒構成，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致放電尖端氧化，選用熔點高于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。點火時刻可根據具體試驗要求來確定。通過PLC 控制點火的延遲時間，可改變點火能量，研究不同點火能量對預混氣體湍流燃燒特性的影響。

2.5 PLC時序控制系統

本研究設計的裝置通過PLC 對各子系統進行統一控制。試驗前，通過編寫智能控制的運行程序，設置進氣、風機運行、點火和高速攝像機拍攝的時間以及相應系統之間的延遲時間［10-11］。其接線設置如下，進氣電磁閥、調速器、15 kV 高壓點火器和高速攝像系統的正極并聯，統一接在供電裝置的正極上，4 個風機的電機負極并聯在一起，以便4 個風機能同時運行，各個子系統的負極分別接到PLC的不同Y 端上。為了能清晰地記錄火焰全貌，點火和高速攝像系統設置為同時閉合。試驗過程中，打開PLC 時序控制系統的開關，邏輯控制時序為：進氣電磁閥開啟，預混罐中的試驗氣體充入燃燒室中；開啟直流高壓調速器的開關，4個并聯的風機按照一定的轉速同時開始旋轉，并在一段時間后同時關閉；打開高速攝像系統并觸發示波器；最后控制15 kV高壓點火器進行放電點火。

3 試驗裝置分析及應用

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，通過遠程開關啟動，開啟控制PLC 智能控制系統，使其控制進氣管路中的電磁閥元件，給湍流裝置充氣，在裝置達到常壓時關閉電磁閥；接著通過PLC 程序打開風扇直流高壓調速器，風扇電機由直流高壓調速器給定速度，4個風扇電機組將以相同的速度進行旋轉，產生的漩渦流通過多孔板后將在容器的幾何中心發生碰撞，從而形成各向同性的湍流；最后，待燃燒容器內的湍流場穩定后，PLC 系統控制點火組合系統通電點火，同時觸發高速攝像系統，記錄火焰的傳播過程，并通過壓力數據采集系統來記錄壓力變化，同時將高速攝像系統拍攝到的圖片導入到自開發軟件中，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 的系統控制時間可通過多次預試驗來確定，另外在火焰發展的過程中，風扇要一直處于開啟狀態。

圖2 湍流燃燒試驗時序

通過使用該裝置對預混氣體的湍流火焰進行研究，發現該裝置通過PLC 時序控制系統來實現試驗裝置子系統協調可靠地工作，進而可研究不同湍流參數對預混氣體爆炸特性的影響。后續可對不同預混氣體的湍流燃燒特性進行深入研究。

4 結語

根據預混湍流燃燒基礎研究的需要，本研究設計出一種基于PLC機電一體化的湍流強度可調型氣體爆炸特性測試試驗裝置。通過PLC時序控制系統實現試驗裝置子系統協調可靠地工作，使整個系統的運轉效率更高，且更加有保障，進而實現控制可變湍流參數對湍流環境中氣體爆炸特性的研究。