Design av en optisk förbränningskammare : Generering av 3D-modeller och utvärdering av konstruktionslösningar

Abstract

Optiska testriggar används för undersökning av händelser inuti förbränningsutrymmet, utveckling av bränsleinsprutning, förbränningsprocesser och dess prestanda. Syftet med detta examensarbete är att generera detaljerade 3D-modeller för en optisk förbränningskammare som opererar i höga tryck och temperaturer. Målet är att kammaren skall vara optimerad med avseende på optisk funktionalitet. Arbetet tar avstamp från en kort presentation av olika typer av optiska testriggar, grundläggande teorier om optisk sprejdiagnostik jämte teorier för konstruktionens nyckelelement, så som fönster. Teoridelen fungerar som beslutsgrund för konstruktions-lösningar för att uppnå målet. Under konstruktionsarbetets gång diskuteras och presenteras olika lösningsalternativ för konstruktionsproblem. För att validera olika komponenters hållfasthet görs enkla FE-simuleringar med NX Nastran. Arbetet resulterar i detaljerade 3D-modeller för en moduluppbyggd konstant volyms för-förbrännings testrigg där olika injektorer kan monteras. Modultänkandet visade sig vara en god lösning för testriggen för att bibehålla flexibilitet och styrka framtida möjligheter till att optimera testriggen för olika undersökningar.

Optisia testirigejä käytetään palotilan tutkimista sekä polttoaineen ruiskutuksen, palamisprosessien ja suorituskyvyn kehittämistä varten. Tämän oppinäytetyön tarkoitus oli tuottaa 3D-malleja optisesta polttokammiosta, joka toimii korkeissa paineissa ja lämpötiloissa. Tavoitteena oli optimoida kammion optinen toiminnallisuus. Ensin erilaiset optiset testirigit on esitelty lyhyesti. Optisen sprejdiagnostiikan teoria on esitelty ja lopuksi tärkeiden suunnitteluelementtien kuten tiivisteen ja lasien teoriaa on käyty läpi. Kaikki ratkaisut perustuvat teoriaan, sillä tavalla kaikki tavoitteet on saavutettu. Suunnitteluprosessin aikana erilaiset ratkaisut esiteltiin ja ongelmista on keskusteltu. Yksinkertaiset simulaatiot on tehty NX Nastranilla erilaisten komponenttien kestävyyden varmistamiseksi. Lopputulos on 3D-malleja moduulipohjaiseen ruiskutuskammioon. Ruiskutuskammio lämmitetään esipolttojärjestelmällä. Ruiskutuskammiossa on vakiotilavuus ja siihen voi asentaa erilaisia injektoreita. Moduulirakenteen ansiosta tulevaisuudessa on hyvät mahdollisuudet käyttää tätä kammiota kaikenlaisiin tutkimusprojekteihin.

Optical test rigs are frequently used for in-cylinder research, development of fuel injection, combustion processes and their performance. The purpose of this thesis is to generate detailed 3Dmodels of an optical combustion chamber which operates at high pressures and temperatures. The goal is to optimize the chamber for optical functionality. The thesis presents different types of optical testrigs, basic spraydiagnostics and some theory about key elements such as the windows. The theory chapter will support the design work in order to achieve all design targets. During the design phase different solutions and alternatives will be presented and discussed. In order to validate the strength of the design NX Nastran was used for FE simulations of the key components in the testrig. This thesis resulted in a detailed 3D-design of an optical high-pressure combustion chamber consisting of modules. The module thinking was one of the key solutions in order to make the test rig as flexible as possible. This strengthens the possibilities to customize the test rig for future research projects.