超聲速風(fēng)洞總體設(shè)計(jì)

0提升跨聲速風(fēng)動力2.2m超速價(jià)差是中國最大的超聲速價(jià)差。它可以與現(xiàn)有的2.4m矩陣電機(jī)通道相結(jié)合，形成2m級亞、橫向和超速氣動力測試能力，以滿足大多數(shù)超速機(jī)對測試馬匹高度的要求。筆者將針對該風(fēng)洞的特點(diǎn)介紹在結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)上需要考慮和解決的問題。1韓德評論1.1回采主導(dǎo)、引射器系統(tǒng)進(jìn)氣管路該風(fēng)洞為下吹-引射式暫沖型超聲速風(fēng)洞,可采用3種運(yùn)行方式即常壓運(yùn)行方式、增(速)壓運(yùn)行方式和降(速)壓運(yùn)行方式。風(fēng)洞水平布置,全鋼結(jié)構(gòu),主要包括主進(jìn)氣管路、引射系統(tǒng)進(jìn)氣管路、主洞體以及測量裝置和輔助設(shè)施等,如圖1所示。該風(fēng)洞除部分主、引射器系統(tǒng)進(jìn)氣管路外均布置在廠房內(nèi),廠房主要分3段,Ⅰ段廠房內(nèi)安裝有主進(jìn)氣管路中的液動蝶閥及其旁路、主調(diào)壓閥、旁路閥、混氣室和相應(yīng)的管道,同時(shí)還安裝有驅(qū)動各閥門的油源系統(tǒng);Ⅱ段中除主洞體中的引射器段、亞擴(kuò)段和外場消聲器外均布置在其中,同時(shí)Ⅱ段中還包括試驗(yàn)段和試驗(yàn)裝置的更換區(qū)和停放區(qū)、模型運(yùn)輸平臺以及大量的液壓、控制系統(tǒng);Ⅲ段包括引射器段、亞擴(kuò)段以及大部分引射系統(tǒng)進(jìn)氣管路。在兩個(gè)進(jìn)氣管路分別配有電動碟閥、液動快速啟閉碟閥和調(diào)壓閥。主洞體由大開角段、穩(wěn)定段、收縮段、撓性壁噴管段、試驗(yàn)段、補(bǔ)償段、超擴(kuò)段、過渡段、引射器、亞擴(kuò)段、外場消聲器等部段組成,如圖2所示。1.2主進(jìn)氣管道通徑d2400mm,長6m(1)最大外形尺寸:長約為195m,寬約為70m,高約為24m。(2)試驗(yàn)段截面2m×2m,長7m。(3)最大截面內(nèi)尺寸:?9.5m。(4)主進(jìn)氣管道通徑DN2400mm,引射系統(tǒng)進(jìn)氣管道通徑DN1300mm。(5)主洞體軸線標(biāo)高定位5.8m,主進(jìn)氣管路軸線標(biāo)高5.8m,入口處與2.03m原氣源管路連接,引射系統(tǒng)進(jìn)氣管路沿軸線標(biāo)高從1.5m。22洞體整體布局和防護(hù)2m超聲速風(fēng)洞結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)主要解決了風(fēng)洞總體布局、模型更換方式、支座布局、閥門配置、風(fēng)洞洞體各部段間連接、密封和定位、風(fēng)洞洞體的強(qiáng)度和剛度、洞體水壓試驗(yàn)等問題。2.1試驗(yàn)部分和模型的更換2.1.1超擴(kuò)段的移動試驗(yàn)段更換方式既要考慮用戶的需求又要考慮更換的效率,同時(shí)還要從經(jīng)濟(jì)上考慮如何盡可能減少成本。2m風(fēng)洞設(shè)有兩個(gè)試驗(yàn)段,兩個(gè)試驗(yàn)段長度不一致,中間通過補(bǔ)償段彌補(bǔ)它們間的長度差;試驗(yàn)段需要更換,試驗(yàn)段與其前后段間必須要留出適當(dāng)?shù)拈g隙既滿足更換的要求又要保護(hù)部段的安全,防止刮擦,這就要求位于試驗(yàn)段后的超擴(kuò)段要具有整體向后移動或其前端可沿軸向伸縮的能力,FL-23風(fēng)洞采用的是前一種方案及超擴(kuò)段連同部分亞擴(kuò)段可沿軸線移動。由于該風(fēng)洞超擴(kuò)段有20m長、質(zhì)量達(dá)4000kN,超擴(kuò)段移動和為克服風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)的軸向載荷將需要非常大驅(qū)動力,同時(shí)對地面支撐和移動導(dǎo)向帶來很大難度,綜合考慮放棄了這種方案,采用了在超擴(kuò)段入口增加一節(jié)活動套筒的方式來滿足試驗(yàn)段更換的要求,套筒可沿軸向移動120mm,套筒的移動通過4個(gè)同步驅(qū)動的油缸和4根導(dǎo)向軌來實(shí)現(xiàn)。120mm的移動空間可使補(bǔ)償段沿軸向向后移動并沿垂直軸向方向移動退出至試驗(yàn)大廳適當(dāng)位置,試驗(yàn)段也可按相同的方法在試驗(yàn)大廳內(nèi)完成更換(如圖3所示)。這種更換方式具有投資少、更換周期短和便捷等特點(diǎn)。2.1.2超聲速ph機(jī)在試驗(yàn)大廳中,有很多可移動部段,如試驗(yàn)段、補(bǔ)償段、模型安裝車和紋影議安裝平臺等,長短不一,采用車輪軌道運(yùn)輸方式將會使試驗(yàn)大廳軌道密集布置,同時(shí)還需要考慮車輪的換向問題。國外在上世紀(jì)六、七十年代就在大型低速風(fēng)洞中采用氣墊運(yùn)輸方式,它能高效、安全地對移動部件進(jìn)行任意位置移動,將不受軌道的限制,使試驗(yàn)大廳更加整潔、有序。在2m超聲速風(fēng)洞中可移動最重部件重量近3000kN,由于氣墊在運(yùn)輸過程中在地面間形成氣膜,摩擦力較采用車輪運(yùn)輸方式大大降低,采用兩套10kN推力的驅(qū)動單元驅(qū)動移動部件移動。氣墊安裝在移動部件支腿周邊,依據(jù)移動部件的重量選擇不同規(guī)格的氣墊,氣墊總的頂起負(fù)載有50%左右的冗余度。2.1.3模型安裝到試驗(yàn)段模型的更換需從試驗(yàn)用戶的需求出發(fā),還需考慮效率。2m超聲速風(fēng)洞的Ⅱ段廠房內(nèi)設(shè)有獨(dú)立的模型準(zhǔn)備間,用戶可在各自的準(zhǔn)備間內(nèi)完成模型的前期準(zhǔn)備工作,再通過模型運(yùn)輸通道采用不同的方式安裝到模型支架上。對于常規(guī)試驗(yàn)段,大模型的更換借助模型安裝車來完成,小模型的更換既可直接從試驗(yàn)段后部進(jìn)入試驗(yàn)段(補(bǔ)償段已移走)又可通過位于補(bǔ)償段順氣流右側(cè)小門進(jìn)入試驗(yàn)段來完成;對于投放試驗(yàn)段,小模型的更換可直接從試驗(yàn)段小門進(jìn)入,否則均需將試驗(yàn)段退到試驗(yàn)大廳進(jìn)行安裝。更換模型的多樣性,減少了占洞時(shí)間,風(fēng)洞運(yùn)行效率大幅提高。2.1.4尾撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前2m超風(fēng)洞模型均采用尾撐方式。從用戶需求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā),在兩個(gè)試驗(yàn)段安裝了不同的模型支撐方式,基本能滿足試驗(yàn)要求。常規(guī)試驗(yàn)段尾撐為全彎刀機(jī)構(gòu),模型支桿安裝在彎刀的中部支架上,實(shí)現(xiàn)迎角-20°～+30°的變化(如圖4所示),同時(shí)可通過更換中部支架安裝雙轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)模型側(cè)滑角-10°～+10°、滾轉(zhuǎn)角-180°～+180°的變化(如圖5所示)。投放試驗(yàn)段采用半彎刀機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模型-10°～+40°迎角變化,并可沿試驗(yàn)段軸線移動2.1m、沿垂直方向移動1.5m(如圖6所示),同時(shí)在投放試驗(yàn)段上壁安裝有CTS試驗(yàn)裝置。2.2連接、密封和定位洞的各個(gè)方面2.2.1法蘭與焊接連接通常情況,風(fēng)洞洞體各部段之間不外乎有焊接和法蘭連接兩種方式。針對該風(fēng)洞的特點(diǎn),采取了以下措施:(1)撓性噴管段、試驗(yàn)段、補(bǔ)償段、超擴(kuò)段為外委加工件,需獨(dú)立制作和安裝,這些部段之間以及撓性噴管段與收縮段之間、超擴(kuò)段與過渡段之間采用法蘭連接。(2)其余部段間采用焊接方式連接,主洞體最終合攏位置在引射器前端的平直端上,采用焊接方式連接。(3)對可移動部段,為了盡可能減少勞動強(qiáng)度、提高工作效率效率,將可移動部段間以及與前后部段間法蘭的連接分別采用快速連接方式(如圖7所示),在法蘭4個(gè)角適當(dāng)位置各有一組,采用兩個(gè)相互垂直的插桿和拉桿在油缸驅(qū)動下各自完成拔插到位和拉緊到位程式,風(fēng)洞運(yùn)行過程中向拉桿油缸有桿腔加高壓油,保證兩法蘭面貼緊。2.2.2自動恢復(fù)原型的改造部段間密封性能的好壞不僅直接影響試驗(yàn)性能同時(shí)還影響人員、設(shè)備的安全,因此在確定密封方式時(shí)要做到穩(wěn)妥可靠。采取了以下措施:(1)收縮段與撓性噴管段之間、試驗(yàn)段與撓性噴管段和補(bǔ)償段之間、超擴(kuò)段套筒與補(bǔ)償段之間采用充氣橡膠管密封,截面型式如圖8,該類型具有放氣自動恢復(fù)原型的特點(diǎn),不容易磨損,提高了使用壽命。(2)其它法蘭間采用O型橡膠圈(條)或石棉橡膠板密封?？梢苿硬慷涡枰休^高的重復(fù)定位精度,尤其是試驗(yàn)段與撓性噴管段之間的階差對試驗(yàn)段的流場品質(zhì)影響較大,故從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了考慮:(1)在部段間設(shè)有定位導(dǎo)向裝置。法蘭間采用斜面銷定位,依靠部段自身重力沿斜面孔向下滑動。由于各法蘭安裝面有一定的不垂直度以及安裝斜面孔處各部段的剛度不同,可能出現(xiàn)移動部段在下滑過程中向后移動現(xiàn)象,一方面通過調(diào)整氣墊的充氣壓力控制部件下降的速度和高度,一方面可在下降過程中通過快速連接裝置在下降中途進(jìn)行調(diào)整。(2)氣墊運(yùn)輸裝置對地面的要求是比較高的,但氣源壓力的波動以及地面的不平整度都將導(dǎo)致氣墊在移動過程中運(yùn)動不平穩(wěn),會給部段的定位、導(dǎo)向帶來了不小難度,因此,在試驗(yàn)大廳氣墊運(yùn)輸區(qū)域的適當(dāng)位置增加了一套定位、導(dǎo)向裝置,如圖9、10所示。2.3快速閥閥管道建模水壓試驗(yàn)時(shí)水的質(zhì)量以及風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)洞體承受的載荷是通過支座系統(tǒng)傳到風(fēng)洞的地基上。因風(fēng)洞洞體軸線較長,所以必須設(shè)置多個(gè)支座。為確保風(fēng)洞正常運(yùn)行,并在溫度變化和風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)氣動載荷作用下風(fēng)洞洞體可自由伸縮以減小洞體內(nèi)的應(yīng)力,風(fēng)洞的支座型式和布置是十分重要的,因此從以下幾個(gè)方面考慮:(1)殼體選用圈座,即在設(shè)置支座的殼體部位焊接加強(qiáng)圈,加強(qiáng)圈下焊接角型支座;進(jìn)氣管道選用鞍式支座。(2)主洞體中,在承受較大的軸向載荷部段位置、并考慮部段的平移對試驗(yàn)段流場的影響,設(shè)有三組固定支座,分別位于穩(wěn)定段下游、撓性噴管段和超擴(kuò)段上游,由于固定支座間部段留有可伸縮環(huán)節(jié),可防止洞體產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力。在撓性噴管段下游方向布置了三組單向滑動支座,在超擴(kuò)段下游布置了三組單向滑動支座,同時(shí),為避免引射系統(tǒng)進(jìn)氣管路對主洞體軸線的影響,引射器入口和引射器混合室出口處的滑動支座也布置成單向滑動支座,其余支座為多向滑動支座,滑動支座采用橋梁盆式橡膠支座。(3)在主進(jìn)氣管路中,考慮管道氣流壓降將導(dǎo)致拐角處盲板力變化,使快速閥閥后管道擺動,在主調(diào)壓閥下設(shè)有單向滑動支座,除電動蝶閥處管線標(biāo)高與原氣源管路標(biāo)高相差較大,需要在高度上進(jìn)行調(diào)節(jié)而采用球面橋梁盆式橡膠支座外其他均為雙向滑動支座。(4)在引射系統(tǒng)進(jìn)氣管路中,在調(diào)壓閥處布置有一組固定支座,其余支承采用滑動支座,滑動支座型式與主進(jìn)氣管路的滑動支座相同。(5)由于風(fēng)洞洞體由多支座支承,所以風(fēng)洞的支座系統(tǒng)是一個(gè)靜不定結(jié)構(gòu)。支座除承受洞體自重外,還要承受風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)的氣動載荷、洞體水壓試驗(yàn)時(shí)水的質(zhì)量及地震載荷等,支座系統(tǒng)的受力分析計(jì)算十分復(fù)雜,采用簡化理論計(jì)算和有限元分析方法得出各支座處的基礎(chǔ)載荷。2.4壓力面積法的計(jì)算2m超聲速風(fēng)洞洞體為承壓焊接結(jié)構(gòu)。風(fēng)洞殼體不但要承受風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)的內(nèi)外壓差,還要承受氣流脈動壓力和水壓試驗(yàn)時(shí)的載荷,同時(shí)又要考慮溫度變化在殼體內(nèi)引起的應(yīng)力,因此風(fēng)洞殼體受力比較復(fù)雜。為確保風(fēng)洞洞體的強(qiáng)度和剛度,使風(fēng)洞能長期、安全運(yùn)行,洞體設(shè)計(jì)采取了以下措施:(1)承壓殼體嚴(yán)格按壓力容器規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)。(2)承壓殼體材料選用壓力容器鋼板。(3)2m超聲速風(fēng)洞是一座大型地面設(shè)備,必須能長期、安全使用。風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常按靜態(tài)設(shè)計(jì),但風(fēng)洞在實(shí)際運(yùn)行時(shí),風(fēng)洞洞體要承受氣流脈動的作用而伴有的振動,因此,在設(shè)計(jì)時(shí)安全系數(shù)的選取要略高于通常壓力容器,取安全系數(shù)nb≥3,撓性噴管段撓性板的安全系數(shù)ns取1.3～1.5,對于振動較大的部段如大開角段、引射器段,安全系數(shù)要更大一些,以增加洞體的動剛度。(4)利用有限元分析方法對主調(diào)壓閥前的主進(jìn)氣管路和主調(diào)壓閥后至收縮段出口兩段進(jìn)行了分析。這里只對主調(diào)壓閥前的主進(jìn)氣管路進(jìn)行結(jié)果分析,另一段將在水壓試驗(yàn)章節(jié)中進(jìn)行闡述。對主調(diào)壓閥前的主進(jìn)氣管路進(jìn)行有限元分析的主要目的是校核管路布置形式在溫差和內(nèi)壓作用下的變形情況,尤其是進(jìn)口端DN2400等徑三通的應(yīng)力應(yīng)變情況。為了能更精確地對管路進(jìn)行分析,主進(jìn)氣管路進(jìn)氣端連帶原氣源管路兩固定支座間管路、出口端一直延伸到主洞體穩(wěn)定段下固定支座處,如圖11、12所示。大口徑的等徑三通通常需要補(bǔ)強(qiáng),補(bǔ)強(qiáng)方法有等面積補(bǔ)強(qiáng)法、極限分析法和彈塑性失效法。按國內(nèi)現(xiàn)有的焊制三通的計(jì)算方法都限制主管直徑,雖然可采用西德鍋爐規(guī)范TRD-301,按壓力面積法進(jìn)行計(jì)算,但考慮三通在現(xiàn)場進(jìn)行壓制,受設(shè)備等限制即使?jié)L壓成型,現(xiàn)場疊加焊接也有相當(dāng)大難度,尤其在三通相貫線處,因此決定采用整體補(bǔ)強(qiáng)法,適當(dāng)增加管道壁厚并在三通相貫線處局部加強(qiáng),計(jì)算壓力按2.31MPa、溫差按30℃考慮,通過計(jì)算可滿足設(shè)計(jì)要求,最大應(yīng)力為σ=131MPa<≈163MPa,如圖13所示,管道其它位置應(yīng)力水平較低。大開角段和引射器段是風(fēng)洞中振動較大的部段。對于大開角段,為了增加該段的強(qiáng)度和剛度、減小振動對結(jié)構(gòu)的影響,采取以下措施:(1)增加殼體壁厚,提高殼體的動強(qiáng)度;(2)通過沿圓周方向均勻分布六塊Y型隔板將中心倒錐和殼體焊接連接;(3)增加隔板厚度,改善隔板和殼體間的焊接方式,提高此處焊縫的沖擊韌性;(4)施工工藝上,避免孔板與殼體間的強(qiáng)迫焊接。對于引射器段,除采用上述措施外,在外圈的引射彎管適當(dāng)位置增加了彎管間的整體剛度。2.5水壓試驗(yàn)壓力按照壓力容器國家標(biāo)準(zhǔn),承壓殼體必須進(jìn)行壓力試驗(yàn),檢驗(yàn)洞體的強(qiáng)度和焊接質(zhì)量。通常,壓力試驗(yàn)包括水壓試驗(yàn)和氣壓試驗(yàn),水壓試驗(yàn)比較安全但使基礎(chǔ)負(fù)載增大,由于管道壓力較高,氣壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.15倍,將達(dá)到2.66MPa,將產(chǎn)生較大的安全隱患,但基礎(chǔ)負(fù)載將大大降低。綜合考慮后決定進(jìn)行水壓試驗(yàn),水壓試驗(yàn)壓力為1.25倍設(shè)計(jì)壓力。根據(jù)2m超聲速風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),水壓試驗(yàn)分3段進(jìn)行:(1)主進(jìn)氣管路調(diào)壓閥、旁路閥后至收縮段出口,試驗(yàn)壓力1.65MPa;(2)引射系統(tǒng)進(jìn)氣管路調(diào)壓閥后至引射集氣室間,試驗(yàn)壓力1.375MPa;(3)主進(jìn)氣管路電動蝶閥后至調(diào)壓閥、旁路閥前,試驗(yàn)壓力2.9MPa。主進(jìn)氣管路調(diào)壓閥、旁路閥后至收縮段出口間的壓力試驗(yàn)是重點(diǎn),因?yàn)樵摱瓮◤阶兓容^大,從DN2.4m至DN9.5m,同時(shí)還要在收縮段出口設(shè)置一大盲板,試驗(yàn)用水量達(dá)到1612m3。為了安全起見,在水壓試驗(yàn)前進(jìn)行了有限元分析、試驗(yàn)過程中進(jìn)行了應(yīng)力監(jiān)測,同時(shí)還開展了結(jié)構(gòu)完整性評價(jià)與焊接返修部位、局部應(yīng)力集中部位的重點(diǎn)監(jiān)測工作,這項(xiàng)工作在風(fēng)洞洞體水壓試驗(yàn)中首次采用,洞體的承載能力和支撐基礎(chǔ)均經(jīng)受住了考驗(yàn)。2.5.1采用堵板受力分析通過有限元分析的結(jié)果看,該段的總體應(yīng)力水平不高,如圖14所示,最高壓力分布在靠近收縮段出口的環(huán)向肋和縱向肋的工藝孔以及承壓殼體圓方過渡處肋板與外殼體相焊接的位置。由于在該段水壓試驗(yàn)時(shí),需要在收縮段出口安裝一大的堵板,盲板力非常大,進(jìn)行有限元分析時(shí),除了要考慮堵板的承載能力外還要考慮堵板變形對密封性能的影響,通過計(jì)算分析,位于洞體軸線處連接螺栓孔處應(yīng)力水平較高,達(dá)到324MPa,其他位置較低,通過在最大應(yīng)力處增加輔助工裝及增加局部的連接強(qiáng)度,保證了水壓試驗(yàn)順利完成;法蘭密封端面的變形為最大為2mm(如圖15所示),在水壓試驗(yàn)前通過適當(dāng)增加密封面厚度和上述減小應(yīng)力水平的方法保證了密封要求。2.5.2殼體外部監(jiān)測