祝長江,呂 波 ,虞擇斌,劉政崇

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心,四川綿陽 621000)

0 引 言

φ 5m立式風洞是我國第一座大型立式風洞,它的建成填補了我國立式風洞的空白。開口單回流形式且垂直布置的大尺寸風洞結(jié)構(gòu)是該風洞結(jié)構(gòu)的顯著特點、也是該風洞與常規(guī)低速風洞結(jié)構(gòu)的重要區(qū)別。筆者將針對φ 5m立式風洞結(jié)構(gòu)特點主要介紹其結(jié)構(gòu)設計,而與常規(guī)低速風洞結(jié)構(gòu)設計相似的部分在此不再贅述。

1 風洞簡介

1.1 風洞型式及部段組成

該風洞為開口單回流形式、垂直布置,是一座由風扇驅(qū)動的開口單回流低速風洞,氣流在試驗段內(nèi)由下向上運動。如圖1所示,風洞結(jié)構(gòu)由第一擴散段(含減振環(huán)和阻尼器)、第二擴散段、第三擴散段、第四擴散段、第一拐角段、第二拐角段、第三拐角段、第四拐角段、風扇段、穩(wěn)定段、收縮段、開口試驗段(模型試驗區(qū))等部段組成。

1.2 風洞主要尺寸

(1)回路中心線尺寸：44.66m(高)×16m(寬)。(2)圓形開口試驗段：φ 5m。(3)最大截面內(nèi)尺寸：φ 12m。(4)最大外形尺寸：高約55m、寬約27m。

2 風洞結(jié)構(gòu)設計

該風洞結(jié)構(gòu)設計的關鍵技術(shù)問題是：洞體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、洞體結(jié)構(gòu)材料的選擇、第一擴散段懸置結(jié)構(gòu)方案的確定、大型結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安裝、定位和聯(lián)接、大型設備(特別動力電機)維護保養(yǎng)等。

2.1 結(jié)構(gòu)材料的選擇

該風洞采用鋼、玻璃鋼和砼的混合結(jié)構(gòu)?；亓鞯纼?nèi)的四個拐角導流片組件、第一擴散段殼體、風扇段內(nèi)件(除外殼體外)、收縮段前后連接構(gòu)件等為鋼結(jié)構(gòu),收縮段、一擴減振環(huán)和阻尼器調(diào)節(jié)片、風扇葉片為玻璃鋼結(jié)構(gòu),其余部件為砼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)多數(shù)采用Q235A材質(zhì),蜂窩器采用不銹鋼。

玻璃鋼結(jié)構(gòu)具有密度小、易成型、強度較高等特點。

砼結(jié)構(gòu)質(zhì)量大、抗壓性能好、吸振性好,通過模板初成型,面抹水泥砂漿精成型,成型精度高,且造價較低。由于風洞洞體結(jié)構(gòu)大部分采用砼結(jié)構(gòu),便于風洞洞體結(jié)構(gòu)與試驗廠房結(jié)構(gòu)有機統(tǒng)一在一起,統(tǒng)一設計、統(tǒng)一施工,較好地解決了風洞洞體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題、洞體懸臂結(jié)構(gòu)的支撐問題、洞體結(jié)構(gòu)與試驗廠房結(jié)構(gòu)間的溫度變形的補償問題(風洞洞體采用鋼結(jié)構(gòu)時溫度變形的補償問題解決較困難)等。同時,大量的風洞砼洞體表面防腐簡單、可維護性好。

該風洞結(jié)構(gòu)材料的選擇,充分利用了鋼結(jié)構(gòu)、玻璃鋼結(jié)構(gòu)和砼結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)點。在這樣的混合結(jié)構(gòu)中,砼結(jié)構(gòu)(包括洞體與廠房)現(xiàn)澆為一整體,完美地解決了開口式立式風洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題。鋼結(jié)構(gòu)通過焊接與砼結(jié)構(gòu)中的預埋件連接,使得鋼結(jié)構(gòu)的安裝調(diào)整比較簡便,玻璃鋼結(jié)構(gòu)則通過螺接與鋼結(jié)構(gòu)連接。

圖1 φ 5m立式風洞結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the φ 5m vertical wind tunnel

2.2 砼結(jié)構(gòu)洞體設計

該風洞洞體主要采用砼結(jié)構(gòu),為解決洞體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題,設計時將風洞砼洞體結(jié)構(gòu)與試驗廠房土建結(jié)構(gòu)連成整體。試驗廠房土建結(jié)構(gòu)對砼洞體起作支撐作用,增加了砼洞體橫向剛度和穩(wěn)定性,特別是砼洞體懸臂部分支撐在試驗廠房土建結(jié)構(gòu)上,與試驗廠房土建結(jié)構(gòu)形成有機的統(tǒng)一體,有效解決了風洞洞體懸臂結(jié)構(gòu)的支撐、洞體結(jié)構(gòu)與試驗廠房結(jié)構(gòu)間的溫度變形的補償?shù)葐栴}。

在垂直布置的風洞中,風洞的中心線平面位于豎直平面內(nèi),因而高度尺寸較大,通常都將風洞洞體的一部分埋入地下,將洞體埋入零標高以下的部分高度稱之風洞洞體的埋深。風洞洞體的埋深不宜過小,也不宜過大。埋深過小,不僅增加了施工高度、建筑物高度和等級、各種梯臺高度、試驗人員和設備進出的高度,而且洞體軸向載荷產(chǎn)生的傾覆力矩也大,增加了基礎投資。埋深過大,使地坑太深,增加了地下工程的投資,同時防水處理也較麻煩。綜合該風洞建設地點的地質(zhì)、地貌、地下工程防水設計的情況,進行充分的技術(shù)經(jīng)濟比較后,確定了該單回流立式風洞洞體埋深約為15m、地面上建筑約為40m。

2.3 第一擴散段設計

第一擴散段懸置于試驗大廳內(nèi),如圖2所示,由殼體、減振環(huán)、減振環(huán)移動調(diào)節(jié)機構(gòu)、阻尼器、斜撐、防護網(wǎng)等組成。該部段結(jié)構(gòu)設計特點,一是減振環(huán)在調(diào)試階段可上下移動;二是阻尼器調(diào)節(jié)片可繞自身軸線逆時針方向旋轉(zhuǎn)90°,無級調(diào)節(jié)。故要求該段結(jié)構(gòu)側(cè)向穩(wěn)定性好、重量輕、剛度大、運動件調(diào)節(jié)簡便可靠。據(jù)此,采取了以下措施：

圖2 第一擴散段結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of the first diffuser

(1)殼體采用框架蒙皮鋼結(jié)構(gòu),減振環(huán)采用框架蒙皮玻璃鋼結(jié)構(gòu),最大限度降低了該段的重量,從而降低了該段對砼圈梁的承載要求,也降低了減振環(huán)移動機構(gòu)承載能力;

(2)通過該段殼體出口法蘭與試驗廠房砼圈梁上端的鋼預埋件焊接,上游殼體加撐與圈梁下端面預埋件焊接,從而使擴散段固定,保證了該段的側(cè)向穩(wěn)定性;

(3)由于減振環(huán)僅在調(diào)試階段需要移動,采用了簡單的吊裝移動裝置,當減振環(huán)升降到所需位置時,通過鎖緊定位裝置定位和鎖緊。該結(jié)構(gòu)既簡單、又經(jīng)濟;

(4)阻尼器調(diào)節(jié)片由伺服電機驅(qū)動,通過絲桿螺母副、活塞,將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為活塞的直線運動,再通過安裝在活塞頂面的曲柄連桿機構(gòu)將活塞的直線運動轉(zhuǎn)化為調(diào)節(jié)片繞自身軸線的同步旋轉(zhuǎn)運動。調(diào)節(jié)片可沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)90°,并在任意位置自鎖。

2.4 拐角導流片組件設計

為了保證拐角導流片的加工和安裝精度,將導流片設計成由橢圓環(huán)殼體、導流片、橫隔板、圓弧板等組成的導流片組件結(jié)構(gòu),整體吊裝安裝。導流片組件安裝時通過預埋件支撐、調(diào)節(jié)、定位后將導流片組件橢圓框與預埋鋼板焊接固定。澆注混凝土橢圓筒體時,將待澆注砼結(jié)構(gòu)中的鋼筋與導流片組件橢圓框上所開的孔牢固地捆綁成一體,后進行橢圓筒體的澆注。

垂直布置風洞拐角導流片與一般風洞拐角導流片相比有如下特點：

(1)與水平風洞相比,導流片在殼體中是橫置,相當于梁,自重影響大,剛性差;

(2)與暫沖式風洞相比,開車時間長,回路溫升大,熱影響大;

(3)與全鋼結(jié)構(gòu)風洞相比,材料的熱膨脹系數(shù)差異大。

針對以上特點,設計中采取了如下措施：

(1)將導流片設計成為由導流片本體與橢圓環(huán)殼體、橫隔板等組成的導流片組件,保證了導流片的加工和安裝精度;

(2)各導流片采用框架蒙皮結(jié)構(gòu),盡可能提升剛度而減小自重;

(3)各導流片兩端均設置有2個銷軸,與橢圓框殼體采用活動銷連接,使導流片在橢圓框內(nèi)可自由伸縮,實現(xiàn)溫度補償;

(4)組件中設置橫隔板,與導流片、橢圓環(huán)焊接,提高導流片組件的強度和剛度。

2.5 蜂窩器設計

蜂窩器由隔框、蜂窩單元、前后整流罩、擋塊等組成。蜂窩器通過隔框焊接固定在砼結(jié)構(gòu)預埋件上。蜂窩器平置、剛性差,這也是該風洞結(jié)構(gòu)的特點。為增加蜂窩器的剛度,設置隔框?qū)ⅵ?12m的圓形截面分成若干個框格,多個蜂窩管形成蜂窩單元,安裝在隔框框格中,通過擋塊固定,隔框加強板通過前后整流罩整流,減少流動阻力。

2.6 阻尼網(wǎng)、速度網(wǎng)設計

(1)阻尼網(wǎng)

常規(guī)風洞阻尼網(wǎng)豎向布置,而該風洞的阻尼網(wǎng)則是水平布置。阻尼網(wǎng)結(jié)構(gòu)設計的關鍵在于網(wǎng)的固定與張緊。阻尼網(wǎng)由絲網(wǎng)、壓板、U形夾頭、螺桿和調(diào)節(jié)螺母等組成。絲網(wǎng)采用壓板壓緊,通過調(diào)節(jié)螺桿頭上的螺母,使絲網(wǎng)固定和張緊。

(2)速度網(wǎng)

收縮段出口設置一層速度網(wǎng),以實現(xiàn)試驗段模型區(qū)域風速的正碟型分布。速度網(wǎng)由固定環(huán)、模型捕獲網(wǎng)、速度型絲網(wǎng)等組成。速度型絲網(wǎng)緊貼在模型捕獲網(wǎng)下,依靠模型捕獲網(wǎng)支撐,而模型捕獲網(wǎng)則固定在收縮段出口的固定環(huán)上,實現(xiàn)了速度網(wǎng)的張緊和固定。

2.7 風扇段設計

如圖3所示,風扇段由砼結(jié)構(gòu)殼體、電機、頭罩、尾罩、鑲木段、轉(zhuǎn)子、止旋片、支撐片等組成。電機為立式交流變頻電機,電機額定功率1800kW、額定轉(zhuǎn)速360r/min。轉(zhuǎn)子直徑為φ 7.3m,其葉片為14片,葉片采用玻璃鋼材質(zhì)。前支撐片9片、止旋片13片、尾支撐片8片。

圖3 風扇段結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of the fan sections

頭罩通過前支撐片與風扇段砼殼體上的預埋件連接,支撐頭罩重量和承受部分氣動載荷,同時頭罩頭部設置6根張線,解決頭罩側(cè)向穩(wěn)定性問題。尾罩通過止旋片和尾支撐片與風扇段砼殼體上的預埋件連接,支撐風扇段其余內(nèi)件的重量和承受主要氣動載荷。

電機采用強迫風冷,冷卻風由2個尾支撐片進入,3個尾支撐片排出。另3個尾支撐片布置測控管線和油冷管線。

該風洞中,風扇段位置較高,且受風扇結(jié)構(gòu)的限制,風扇各部件的維護與保養(yǎng)較困難,特別是動力電機。對于電機,既考慮了日常維護,也考慮了整體移出維修或更換的可能。設計時在尾罩上布置一小門(0.9m×1.5m),用于電機的日常檢查與維護保養(yǎng),同時在尾罩上布置一大門(2.8m×4.1m),砼外殼體相應位置留有一大孔洞,孔洞由紅磚砌成。當電機需要整體移出維修或更換時,可將孔洞的紅磚移走,鋪設臨時導軌,再從地面架設一平臺達到電機高度位置,將電機移至洞體外。另外,在鑲木段開一個0.51m×0.51m的葉片維修孔,需要維修時,葉片可通過該孔取出。

2.8 收縮段、減振環(huán)設計

該風洞中的收縮段及減振環(huán)均為垂直安裝,選擇玻璃鋼作為兩構(gòu)件的材質(zhì)。由于收縮段、減振環(huán)兩構(gòu)件尺寸較大,分別將收縮段、減振環(huán)設計成分塊結(jié)構(gòu)。兩構(gòu)件在工廠制作、裝配,檢查合格后拆卸,運至安裝位置再進行組裝。這樣便于運輸、吊裝、保證質(zhì)量,且可在其它結(jié)構(gòu)施工完成后進行現(xiàn)場安裝,解決了因交叉施工而延長工程建設周期的問題。

3 結(jié) 論

(1)采用鋼、玻璃鋼和砼相結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)形式,充分利用了上述材質(zhì)各自的優(yōu)點;

(2)風洞砼洞體與試驗廠房一體化設計,較好地解決了垂直風洞洞體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題,同時風洞洞體懸臂結(jié)構(gòu)支撐問題得以較好的解決;

(3)較好地解決了第一擴散段在試驗大廳內(nèi)懸置、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安裝定位和調(diào)整及聯(lián)接等問題、施工實踐證明該風洞結(jié)構(gòu)設計工藝性好;

(4)采取的結(jié)構(gòu)維護措施設計周密,特別是動力電機維修措施,增加了設備可維修性,解決了后顧之憂;

(5)風洞調(diào)試和流場校測結(jié)果達到設計指標、風洞運行可靠,證明風洞結(jié)構(gòu)設計思路正確、措施得當。

[1]伍榮林,王振羽,等.風洞設計原理[M].北京航空學院出版社,1985.

[2]劉政崇,廖達雄,董誼信,等.高低速風洞氣動與結(jié)構(gòu)設計[M].國防工業(yè)出版社,2003,

[3]劉政崇,彭強,陳吉明,等.立式風洞設計關鍵技術(shù)探索與實驗研究[J].空氣動力學學報,2005,23(1)：68-70.