
1.本实用新型涉及碳烟颗粒技术领域,尤其涉及一种适用于加压条件下的碳烟热泳采样装置。
背景技术:2.在碳氢燃料的燃烧过程中,目前已知燃料分子会不断裂解并与小分子碳氢物质合并生成碳烟前驱物,继而通过凝结与气相-颗粒相转变实现快速生长,最后通过脱氢碳化发展为紧密连接的链状聚合物,即碳烟颗粒。
3.航空发动机排放的碳烟颗粒大部分属于pm2.5颗粒,有些甚至为更小的pm0.1颗粒。细小的碳烟颗粒可直接进入肺泡和血液循环系统,对人体造成严重的危害;悬浮在空气中的碳烟颗粒可吸收太阳辐射制造温室效应;对发动机自身而言,碳烟颗粒也会破坏叶片结构、损害机械寿命。目前,对碳烟生成机理的研究和对其排放的控制,已经成了学术界和工业界亟待解决的问题之一。
4.因此在航空发动机的燃烧尾气中,有必要对碳烟颗粒物进行采样,监测其排放的数目浓度,并研究碳烟颗粒物在不同燃烧区域的尺寸分布、形态特征、成分组成等参数,直观掌握并理解碳烟生成及演化特性规律,从而提出控制碳烟排放的思路和方法。
5.人们对碳烟颗粒物进行采样通常采取滤芯吸附的方法,滤芯吸附是指燃烧尾气通过滤芯,其中的固体颗粒物会累积在滤芯上,通过通烟前后滤芯的重量变化计算出碳烟生成量。现有的滤芯吸附法只能采集燃烧室尾气中的碳烟颗粒物,且其采集后的测量结果受尾气温度影响往往存在较大误差,也无法对采集到的样本展开形貌学的观察和分析。
技术实现要素:6.本实用新型提供一种适用于加压条件下的碳烟热泳采样装置,用以解决现有技术中采用滤芯吸附法对碳烟颗粒物进行采样时测量结果误差较大的缺陷。
7.本实用新型提供一种适用于加压条件下的碳烟热泳采样装置,包括:燃烧室,所述燃烧室的外部设有引导件,所述引导件具有空腔,所述空腔与所述燃烧室连通,所述燃烧室用于产生湍流火焰;球阀,设置于所述引导件,用于控制所述空腔的通断;探针和驱动组件,所述探针与所述驱动组件连接,在所述驱动组件的作用下,所述探针能够沿自身的轴线方向往复运动,在所述球阀处于打开的状态下,所述探针能够贯穿所述空腔延伸至所述燃烧室内部进行采样。
8.根据本实用新型提供的一种适用于加压条件下的碳烟热泳采样装置,所述探针包括:夹持部,所述夹持部用于与所述驱动组件连接;采样部,所述采样部由所述夹持部夹持,所述采样部沿自身的长度方向设置有至少一个采样膜。
9.根据本实用新型提供的一种适用于加压条件下的碳烟热泳采样装置,所述采样部包括:一对片材,所述一对片材由所述夹持部夹持,所述采样膜夹设于所述一对片材之间,每个所述片材与所述采样膜相对的位置设置有通孔,所述通孔的直径小于所述采样膜的直
径。
10.根据本实用新型提供的一种适用于加压条件下的碳烟热泳采样装置,所述采样膜包括:金属网;碳层,所述碳层覆盖于所述金属网。
11.根据本实用新型提供的一种适用于加压条件下的碳烟热泳采样装置,所述燃烧室还包括:燃烧室机匣;运动板,所述运动板与所述燃烧室机匣活动连接,所述运动板与所述燃烧室机匣构造成所述燃烧室,所述引导件设置于所述运动板。
12.根据本实用新型提供的一种适用于加压条件下的碳烟热泳采样装置,所述燃烧室还包括:连接板,所述连接板与所述燃烧室机匣可拆卸连接,所述运动板夹设于所述连接板与所述燃烧室机匣之间。
13.根据本实用新型提供的一种适用于加压条件下的碳烟热泳采样装置,所述驱动组件包括:气缸,所述气缸的活塞杆与所述探针连接;电磁切换阀,所述电磁切换阀通过管路与所述气缸的有杆腔和无杆腔连接;断电继电器,所述断电继电器与所述电磁切换阀电性连接,以通过所述电磁切换阀控制所述活塞杆伸缩。
14.根据本实用新型提供的一种适用于加压条件下的碳烟热泳采样装置,还包括:转接件,所述转接件为中空结构,所述转接件的一端与所述引导件连接。
15.根据本实用新型提供的一种适用于加压条件下的碳烟热泳采样装置,还包括:调节件,所述调节件的端面与所述气缸的端面连接,所述调节件套接在所述转接件的外部,所述调节件转动时能够带动所述转接件相对于所述气缸的端面靠近或远离。
16.根据本实用新型提供的一种适用于加压条件下的碳烟热泳采样装置,所述碳烟热泳采样装置的采样时间大于或等于50毫秒。
17.本实用新型提供的适用于加压条件下的碳烟热泳采样装置,通过设置引导件、探针和驱动组件,在驱动组件的作用下,探针可伸入至燃烧室内采集碳烟颗粒物,利用火焰和探针之间的温度梯度产生的热泳力作用,使碳烟颗粒物附着于探针上,采样速度快,从而提高了样本的测量精度,同时,还可对碳烟颗粒物进行显微观察以获得碳烟颗粒物的微观结构信息。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本实用新型提供的适用于加压条件下的碳烟热泳采样装置的结构示意图;
20.图2是气缸、调节件、转接件和探针的剖面图;
21.图3是探针的结构示意图;
22.图4是驱动组件的结构示意图;
23.附图标记:
24.11:运动板;12:连接板;13:引导件;20:球阀;30:转接件;40:调节件;51:气缸;52:电磁切换阀;53:断电继电器;54:气源;55:电源;60:探针;61:夹持部;62:采样部;511:活塞杆。
具体实施方式
25.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本实用新型中的附图,对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本实用新型保护的范围。
26.本实用新型的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
27.下面结合图1-图4描述本实用新型的适用于加压条件下的碳烟热泳采样装置。
28.如图1所示,在本实用新型的一个实施例中,适用于加压条件下的碳烟热泳采样装置包括:燃烧室、球阀20、探针60和驱动组件。燃烧室的外部设有引导件13,引导件13具有空腔,空腔与燃烧室连通,燃烧室用于产生湍流火焰。球阀20设置于引导件13,用于控制空腔的连通。探针60与驱动组件连接,在驱动组件的作用下,探针60能够沿自身的轴线方向往复运动,在球阀20处于打开的状态下,探针60能够贯穿空腔延伸至燃烧室内部进行采样。
29.具体来说,引导件13为中空结构,引导件13与燃烧室连通。球阀20设置在引导件13上,在探针60不进行采样时,球阀20关闭,使探针60与燃烧室内的火焰隔绝。在需要采样时,球阀20打开,在驱动组件的作用下,探针60沿引导件13的空腔运动,延伸至燃烧室内采集碳烟颗粒物样本。采样后,在驱动组件的作用下,探针60沿相反方向运动,退出引导件13,球阀20关闭。
30.进一步地,在本实施例中,探针60采样的原理为热泳现象,即非等温场中由于高温部分的气体分子比低温部分的气体分子具有更高的动能,导致悬浮在气态介质中的固体颗粒受到与温度梯度相反的热泳力作用而向低温部分移动。依据该原理,可使火焰中的碳烟颗粒物附着在具有较低温度的探针60上。
31.本实用新型实施例提供的适用于加压条件下的碳烟热泳采样装置,通过设置引导件、探针和驱动组件,在驱动组件的作用下,探针可伸入至燃烧室内部采集碳烟颗粒物,利用火焰和探针之间的温度梯度产生的热泳力作用,使碳烟颗粒物附着于探针上,采样速度快,从而提高了样本的测量精度,同时,对于采集到的碳烟颗粒物样本,可使用透射电子显微镜进行拍摄分析,通过imagej软件处理图像可以获得碳烟颗粒物的平均直径、尺寸分布和形态学特征。
32.如图3所示,在本实用新型的一个实施例中,探针60包括夹持部61和采样部62。夹持部61用于与驱动组件连接,采样部62由夹持部61夹持,采样部62沿自身的长度方向设置有至少一个采样膜。
33.具体来说,在本实施例中,采样部62包括一对片材,采样膜夹设于一对片材之间,一对片材由夹持部61夹持,从而使采样膜固定在两个片材之间。进一步地,每个片材与采样膜相对的位置设置有通孔,以使碳烟颗粒物可以附着于采样膜上。
34.进一步地,在本实用新型的实施例中,采样膜包括:金属网和碳层。碳层覆盖于金属网。具体地,金属网为铜网,其直径为3mm,铜网的一侧覆盖有碳层。片材上的通孔的直径小于采样膜的直径,以防止采样膜由通孔掉落。可选地,通孔的直径为2mm。
35.进一步地,可沿一对片材的长度方向设置多个通孔,每个通孔的位置夹设采样膜,当将探针60伸入至燃烧室内时,多个采样膜可同时采样,实现多个径向位置同时采样。进一步地,为防止其他元素对碳烟颗粒物采样效果的干扰,片材的材质可以为钛合金。
36.如图1所示,在本实用新型的一个实施例中,燃烧室还包括:燃烧室机匣和运动板11。运动板11与燃烧室机匣活动连接,运动板11与燃烧室机匣构造成燃烧室,引导件13设置于运动板11。
37.具体来说,在本实施例中,燃烧室机匣与运动板11构造成燃烧室,燃烧室机匣内用于产生湍流火焰,运动板11可沿燃烧室机匣移动,从而改变引导件13相对于燃烧室机匣的位置。当探针60伸入燃烧室时,可获得燃烧室内不同位置的碳烟颗粒物。可选地,在本实施例中,探针60可在以引导件13为中心,21cm半径的范围内进行采样。
38.进一步地,燃烧室还包括连接板12。连接板12与燃烧室机匣可拆卸连接,运动板11夹设于连接板12与燃烧室机匣之间。
39.具体来说,为了保证燃烧室的工作稳定性,需要保证燃烧室各部件之间具有良好的密封效果。运动板11与连接板12之间采用橡胶圈密封连接,连接板12与燃烧室机匣之间采用石墨垫片进行静止密封。进一步地,运动板11夹设于连接板12与燃烧室机匣之间,推动运动板11移动,可调整引导件13与燃烧室内部的相对位置,从而调节探针60进入燃烧室内部的采样位置。
40.如图4所示,在本实用新型的一个实施例中,驱动组件包括:气缸51、电磁切换阀52和断电继电器53。气缸51的活塞杆511与探针60连接,电磁切换阀52通过管路与气缸51的有杆腔和无杆腔连接。断电继电器53与电磁切换阀52电性连接,以通过电磁切换阀52控制活塞杆511伸缩。
41.具体来说,电磁切换阀52与气源54连接,电源55为电磁切换阀52和断电继电器53供电。气缸51中活塞杆511在初始状态处于收缩装置,在采样时,电源55为断电继电器53和电磁切换阀52通电,气源54中的气体经过电磁切换阀52进入气缸51的无杆腔,使无杆腔的压力高于有杆腔,活塞杆511伸长,带动探针60向靠近燃烧室的方向运动,球阀20打开,探针60贯穿引导件13的腔体延伸至燃烧室内部,利用火焰和探针60之间的温度梯度产生的热泳力作用,使碳烟颗粒物附着于探针60的采样膜上,实现碳烟颗粒的采样。
42.采样后,断电继电器53可以设置断电时间,到达断电时间后电磁切换阀52切换气体的流动方向,气体经过电磁切换阀52后进入气缸51的有杆腔,此时有杆腔压力大于无杆腔,活塞杆511收缩,带动探针60复位。在采样过程中,为了得到具有合理性的碳烟颗粒物样本,同时又不至于使探针60在火焰中停留时间过长导致碳烟颗粒物沉积而无法分辨,需要根据火焰场调整碳烟颗粒物的采样时间,即调整断电继电器53的断电时间。通常在燃烧室中常用的采样时间为100ms,采用本实用新型实施例提供的碳烟热泳采样装置,采样最短时间可缩短至50ms。
43.在探针60运动过程中,在燃烧室内运动时间过长会使采样膜采集到运动路径上的碳烟颗粒物,从而使采样结果具有误差,因此,在采样过程中需要使用高速摄像机对探针运行特性进行标定。使用高速摄像机统计探针60的运行特性的结果如表1所示。
44.在下表中,断电继电器53的设定时间不小于0.35s,探针60在燃烧室运动时间所占比例低于20%,即探针60在燃烧室内运动过程中可能采集到的路径上的碳烟颗粒物与在设
定采样位置(探针停留位置)的采集量相比是相对小量,不会对最终结果造成显著影响。
45.表1探针在燃烧室内的运动时间和停留时间统计
[0046][0047]
可选地,在本实用新型的实施例中,气源54为氮气。
[0048]
如图1和图2所示,在本实用新型的一个实施例中,适用于加压条件下的碳烟热泳采样装置还包括转接件30和调节件40。转接件30为中空结构,转接件30的一端与引导件13连接。调节件40的端面与气缸51的端面连接,调节件40套接在转接件30的外部,调节件40转动时能够带动转接件30相对于气缸51的端面靠近或远离。
[0049]
具体来说,探针60在气缸51的带动下伸长时,探针60先经过转接件30,然后经过引导件13伸入燃烧室内。调节件40与转接件30螺纹连接,通过转动调节件40可调节气缸51与转接件30之间的距离,以改变气缸51的位置,由此可以在采样时微调径向采样位置,方便进行径向位置的定位。
[0050]
本实用新型实施例提供的适用于加压条件下的碳烟热泳采样装置,能够精确控制采样时间,提高采样结果的可靠性。同时,该采样装置可以同时完成某一轴向位置处多个径向位置的碳烟采集,通过调节运动板的位置,可以灵活改变轴向采样位置,操作简单,大大提高了采样效率。本实用新型实施例提供的适用于加压条件下的碳烟热泳采样装置中的密封设计可以使该装置完成加压燃烧室的碳烟采集,有效减少因采样造成燃烧室压力损失,起到稳定采样的作用,填补了目前国内在实际燃烧室湍流火焰中进行碳烟颗粒物侵入式采样的技术空白。
[0051]
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案,而非对其限制;
尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。