φ 5m立式風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

祝長江,呂 波 ,虞擇斌,劉政崇

(中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心,四川綿陽 621000)

0 引 言

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

1 風(fēng)洞簡介

1.1 風(fēng)洞型式及部段組成

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

1.2 風(fēng)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(yàn)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(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)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(kuò)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(shè)備(特別動(dòng)力電機(jī))維護(hù)保養(yǎng)等。

2.1 結(jié)構(gòu)材料的選擇

該風(fēng)洞采用鋼、玻璃鋼和砼的混合結(jié)構(gòu)?；亓鞯纼?nèi)的四個(gè)拐角導(dǎo)流片組件、第一擴(kuò)散段殼體、風(fēng)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(kuò)減振環(huán)和阻尼器調(diào)節(jié)片、風(fēng)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(qiáng)度較高等特點(diǎn)。

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(jià)較低。由于風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)大部分采用砼結(jié)構(gòu),便于風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)廠房結(jié)構(gòu)有機(jī)統(tǒng)一在一起,統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一施工,較好地解決了風(fēng)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(yàn)廠房結(jié)構(gòu)間的溫度變形的補(bǔ)償問題(風(fēng)洞洞體采用鋼結(jié)構(gòu)時(shí)溫度變形的補(bǔ)償問題解決較困難)等。同時(shí),大量的風(fēng)洞砼洞體表面防腐簡單、可維護(hù)性好。

該風(fēng)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(diǎn)。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(fēng)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(yù)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(fēng)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(shè)計(jì)

該風(fēng)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(shè)計(jì)時(shí)將風(fēng)洞砼洞體結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)廠房土建結(jié)構(gòu)連成整體。試驗(yàn)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(yàn)廠房土建結(jié)構(gòu)上,與試驗(yàn)廠房土建結(jié)構(gòu)形成有機(jī)的統(tǒng)一體,有效解決了風(fēng)洞洞體懸臂結(jié)構(gòu)的支撐、洞體結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)廠房結(jié)構(gòu)間的溫度變形的補(bǔ)償?shù)葐栴}。

在垂直布置的風(fēng)洞中,風(fēng)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(fēng)洞洞體的一部分埋入地下,將洞體埋入零標(biāo)高以下的部分高度稱之風(fēng)洞洞體的埋深。風(fēng)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(yàn)人員和設(shè)備進(jìn)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(chǔ)投資。埋深過大,使地坑太深,增加了地下工程的投資,同時(shí)防水處理也較麻煩。綜合該風(fēng)洞建設(shè)地點(diǎn)的地質(zhì)、地貌、地下工程防水設(shè)計(jì)的情況,進(jìn)行充分的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后,確定了該單回流立式風(fēng)洞洞體埋深約為15m、地面上建筑約為40m。

2.3 第一擴(kuò)散段設(shè)計(jì)

第一擴(kuò)散段懸置于試驗(yàn)大廳內(nèi),如圖2所示,由殼體、減振環(huán)、減振環(huán)移動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、阻尼器、斜撐、防護(hù)網(wǎng)等組成。該部段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn),一是減振環(huán)在調(diào)試階段可上下移動(dòng);二是阻尼器調(diào)節(jié)片可繞自身軸線逆時(shí)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(yùn)動(dòng)件調(diào)節(jié)簡便可靠。據(jù)此,采取了以下措施：

圖2 第一擴(kuò)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(dòng)機(jī)構(gòu)承載能力;

(2)通過該段殼體出口法蘭與試驗(yàn)廠房砼圈梁上端的鋼預(yù)埋件焊接,上游殼體加撐與圈梁下端面預(yù)埋件焊接,從而使擴(kuò)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(dòng),采用了簡單的吊裝移動(dòng)裝置,當(dāng)減振環(huán)升降到所需位置時(shí),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(jì);

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

2.4 拐角導(dǎo)流片組件設(shè)計(jì)

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

垂直布置風(fēng)洞拐角導(dǎo)流片與一般風(fēng)洞拐角導(dǎo)流片相比有如下特點(diǎn)：

(1)與水平風(fēng)洞相比,導(dǎo)流片在殼體中是橫置,相當(dāng)于梁,自重影響大,剛性差;

(2)與暫沖式風(fēng)洞相比,開車時(shí)間長,回路溫升大,熱影響大;

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

針對以上特點(diǎn),設(shè)計(jì)中采取了如下措施：

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

(2)各導(dǎo)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(dǎo)流片兩端均設(shè)置有2個(gè)銷軸,與橢圓框殼體采用活動(dòng)銷連接,使導(dǎo)流片在橢圓框內(nèi)可自由伸縮,實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償;

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

2.5 蜂窩器設(shè)計(jì)

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(yù)埋件上。蜂窩器平置、剛性差,這也是該風(fēng)洞結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。為增加蜂窩器的剛度,設(shè)置隔框?qū)ⅵ?12m的圓形截面分成若干個(gè)框格,多個(gè)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(qiáng)板通過前后整流罩整流,減少流動(dòng)阻力。

2.6 阻尼網(wǎng)、速度網(wǎng)設(shè)計(jì)

(1)阻尼網(wǎng)

常規(guī)風(fēng)洞阻尼網(wǎng)豎向布置,而該風(fēng)洞的阻尼網(wǎng)則是水平布置。阻尼網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)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(shè)置一層速度網(wǎng),以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)段模型區(qū)域風(fēng)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(shí)現(xiàn)了速度網(wǎng)的張緊和固定。

2.7 風(fēng)扇段設(shè)計(jì)

如圖3所示,風(fēng)扇段由砼結(jié)構(gòu)殼體、電機(jī)、頭罩、尾罩、鑲木段、轉(zhuǎn)子、止旋片、支撐片等組成。電機(jī)為立式交流變頻電機(jī),電機(jī)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(fēng)扇段結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of the fan sections

頭罩通過前支撐片與風(fēng)扇段砼殼體上的預(yù)埋件連接,支撐頭罩重量和承受部分氣動(dòng)載荷,同時(shí)頭罩頭部設(shè)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(fēng)扇段砼殼體上的預(yù)埋件連接,支撐風(fēng)扇段其余內(nèi)件的重量和承受主要?dú)鈩?dòng)載荷。

電機(jī)采用強(qiáng)迫風(fēng)冷,冷卻風(fēng)由2個(gè)尾支撐片進(jìn)入,3個(gè)尾支撐片排出。另3個(gè)尾支撐片布置測控管線和油冷管線。

該風(fēng)洞中,風(fēng)扇段位置較高,且受風(fēng)扇結(jié)構(gòu)的限制,風(fēng)扇各部件的維護(hù)與保養(yǎng)較困難,特別是動(dòng)力電機(jī)。對于電機(jī),既考慮了日常維護(hù),也考慮了整體移出維修或更換的可能。設(shè)計(jì)時(shí)在尾罩上布置一小門(0.9m×1.5m),用于電機(jī)的日常檢查與維護(hù)保養(yǎng),同時(shí)在尾罩上布置一大門(2.8m×4.1m),砼外殼體相應(yīng)位置留有一大孔洞,孔洞由紅磚砌成。當(dāng)電機(jī)需要整體移出維修或更換時(shí),可將孔洞的紅磚移走,鋪設(shè)臨時(shí)導(dǎo)軌,再從地面架設(shè)一平臺達(dá)到電機(jī)高度位置,將電機(jī)移至洞體外。另外,在鑲木段開一個(gè)0.51m×0.51m的葉片維修孔,需要維修時(shí),葉片可通過該孔取出。

2.8 收縮段、減振環(huán)設(shè)計(jì)

該風(fēng)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(shè)計(jì)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(yùn)至安裝位置再進(jìn)行組裝。這樣便于運(yùn)輸、吊裝、保證質(zhì)量,且可在其它結(jié)構(gòu)施工完成后進(jìn)行現(xiàn)場安裝,解決了因交叉施工而延長工程建設(shè)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(diǎn);

(2)風(fēng)洞砼洞體與試驗(yàn)廠房一體化設(shè)計(jì),較好地解決了垂直風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題,同時(shí)風(fēng)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(kuò)散段在試驗(yàn)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(shí)踐證明該風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝性好;

(4)采取的結(jié)構(gòu)維護(hù)措施設(shè)計(jì)周密,特別是動(dòng)力電機(jī)維修措施,增加了設(shè)備可維修性,解決了后顧之憂;

(5)風(fēng)洞調(diào)試和流場校測結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)、風(fēng)洞運(yùn)行可靠,證明風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路正確、措施得當(dāng)。

[1]伍榮林,王振羽,等.風(fēng)洞設(shè)計(jì)原理[M].北京航空學(xué)院出版社,1985.

[2]劉政崇,廖達(dá)雄,董誼信,等.高低速風(fēng)洞氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].國防工業(yè)出版社,2003,

[3]劉政崇,彭強(qiáng),陳吉明,等.立式風(fēng)洞設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)探索與實(shí)驗(yàn)研究[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào),2005,23(1)：68-70.