2m超声速风洞总体结构设计.doc
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1、文 章 编 号 :() 超声速风洞总体结构设计 虞择斌,廖达雄,刘政崇,陈振华(中国空气动力研究与发展中 心 空气动力学国家重点实验室 ,四 川 绵 阳)摘 要 :“高 速 化 ”、“精 确 化 ”是未来飞行器一 个 极为重要的发展方向 ,是提高飞行器效能的有效手段 ,而 先 进 飞行 器的研制强烈依赖于地面模拟试验设备 风 洞 。 目前我国现有的超声速风洞设备尺寸和试验模拟能力还有 很 大 不 足 ,主要体现在真实模拟 、模 拟 能 力 、精 确 测 量 等 方 面 。 在 这 种 背 景 下 ,开 展 了 超 声速风洞的建设 ,笔 者 针 对风洞的特点主要介绍结构总体设计概况 。 该 风
2、洞 为 下 吹 引射式暂冲型超声速风洞 ,采 用 全 钢 结 构 ,主 要 涉 及风洞总体布局 、模 型 更 换 方 式 、支 座 布 局 、风 洞 洞 体各部段间连接 、密 封 和 定 位 、风洞洞体的强度和刚度 、洞 体 水 压 试 验 等 问 题 。关 键 词 :超 声 速 风 洞 ;结 构 设 计中 图 分 类 号 :文 献 标 识 码 : , , ,(, ,): , , , , , , ,:;和 降(速)压 运 行 方 式 。 风 洞 水 平 布 置 ,全 钢 结 构 ,主要包括主进气 管 路 、引 射 系 统 进 气 管 路 、主 洞 体 以 及 测量装置和辅 助 设 施 等 ,如
3、 图 所 示 。该 风 洞 除 部 分主 、引 射 器 系 统 进 气管路 外均布置在厂房内 ,厂 房 主要 分 段 ,段 厂房 内 安 装 有主进气管路中的 液 动蝶 阀 及 其 旁 路 、主 调 压 阀 、旁 路 阀 、混 气室和相应的管 道 ,同 时 还 安 装 有 驱动各阀门的油源系统 ; 段 中 除 主洞体中的引 射 器 段 、亚 扩 段和外场消声器外 均 布置 在 其 中 ,同 时 段中 还 包 括 试验段和试验装置 的 更换 区 和 停 放 区 、模 型 运输平 台以及大量的液压 、控 制 系 统 ;段 包 括 引 射 器 段 、亚扩段以及大部分引 射 系统 进 气 管 路 。引
4、言 超 声 速 风 洞 是 我 国 最 大 的 一座超声速风洞 ,可 以 和 现 有 的 跨 声 速 风 洞 配 套 形 成 量 级 的 亚 、跨 、超 声 速 气 动 力 试 验 能 力 ,可 以满足绝大部分超 声 速 飞 行 器 对 试 验 马 赫 数 范 围 的 要 求 。 笔 者 将 针 对 该 风 洞 的 特 点 介 绍 在结构总 体设 计上需要考虑和 解 决 的 问 题 。风 洞 简 介风 洞 型 式 及 部 段 组 成该 风 洞 为 下 吹 引 射 式 暂 冲 型 超 声 速 风 洞 ,可 采 主 进 气 管 路 段 厂 房 段 厂 房 主 洞 体 纹 影 仪 工 作 区 补 偿
5、 段 停 放 区 试 验 段 停 放 区 引射系统进气管路 段 厂 房图 超声速风洞结构 闭 碟 阀 和 调 压 阀 。 主洞体由大开角段 、稳 定 段 、收 缩段 、挠 性 壁 喷 管 段 、试 验 段 、补 偿 段 、超 扩 段 、过 渡 段 、引 射 器 、亚 扩 段 、外 场 消 声 器 等 部 段 组 成 ,如 图 所 示 。总 体 布 局 、模 型 更 换 方 式 、支 座 布 局 、阀 门 配 置 、风洞体各部段间 连 接 、密 封 和 定 位 、风 洞 洞 体 的 强 度刚 度 、洞 体 水 压 试 验 等 问 题。试 验 段 和 模 型 更 换试 验 段 更 换风 洞 主 要
6、 尺 寸()最 大 外 形 尺 寸 :长 约 为 ,宽 约 为 ,高 约 为 。()试 验 段 截 面 ,长 。()最 大 截 面 内 尺 寸 。()主 进 气 管 道 通 径 ,引 射 系 统 进 气 管 道 通 径 。()主 洞体轴线标高定位 ,主 进 气 管 路 轴 线 标 高 ,入 口 处 与 原 气 源 管 路 连 接 ,引 射 系 统 进 气 管 路 沿 轴 线 标 高 从 。试 验 段 更 换 方 式 既要考虑用户的需求又 要 考更 换 的 效 率 ,同 时还 要 从 经 济上考虑如何尽可 能 减成 本 。 风 洞 设 有 两 个 试 验 段 ,两 个 试 验 段 长 度一 致
7、,中 间 通 过 补 偿段弥 补它们间的长度差 ;试 验需 要 更 换 ,试验 段与 其 前 后 段间必须要留出适 当 的隙 既 满 足 更 换 的 要 求 又 要 保 护 部 段 的 安 全 ,防 止擦 ,这就要求位 于试 验 段 后 的超扩段要具有整 体 向移动或其前端 可 沿 轴 向伸 缩的 能 力 , 风 洞 采的是前一种方 案 及 超 扩段连同部分亚扩段可 沿 轴移 动 。由 于 该 风 洞 超 扩 段 有长 、质 量 达 超声速风洞结构总体设计 超 声 速 风洞 结 构总 体设 计主要解决了风洞 超扩段移动和 为 克 服 风洞运行时的轴向载荷 将 需非常 大 驱 动 力 ,同 时
8、对 地 面 支 撑 和 移 动 导 向 带 来 很 大 开 角 段 稳 定 段 收 缩 段 挠 性 喷 管 段 试 验 段 补 偿 段 超 扩 段 过 渡 段 引 射 器 亚 扩 段 外 场 消 声 器图 主 洞 体 结 构 难 度 ,综 合 考 虑 放 弃 了 这 种 方 案 ,采 用了在超扩段入 口 增 加 一 节 活 动 套 筒 的方式来 满足 试验段更换的要 求 ,套 筒 可 沿 轴 向 移 动 ,套 筒 的 移 动 通 过 个 同 步 驱 动 的 油 缸 和 根 导 向 轨 来 实 现 。 的 移动 空 间 可 使 补 偿 段 沿 轴向向后 移动 并沿垂直轴向方 向 移 动 退 出
9、至 试 验 大 厅 适 当 位 置 ,试验段也可按相同 的 方 法 在 试 验 大 厅 内 完 成 更 换 (如 图 所 示 )。 这 种 更 换 方 式 具 有 投 资 少 、更 换 周 期 短 和 便 捷 等 特 点 。验 段(补 偿 段 已 移 走 )又 可 通过位于补偿段顺 气 流右 侧小门进入试 验 段 来 完 成 ;对于投放试验段 ,小 模 型 的更换可直接 从 试 验 段小 门进入 ,否 则 均 需 将 试 验 段 退到试验大厅 进 行 安 装 。更 换 模 型 的 多 样 性 ,减少了占洞时间 ,风 洞 运 行 效 率 大 幅 提 高 。模 型 支 撑 装 置目 前 超风洞模
10、型均采用尾撑方式 。 从 用 户需求和结构特 点 出 发 ,在 两 个试验段安装了不 同 的模 型 支 撑 方 式 ,基 本 能 满 足 试 验 要 求 。常 规 试 验 段 尾 撑为 全 弯 刀 机 构 ,模 型 支 杆 安装在弯刀的中部支架上 ,实 现 迎 角 的 变 化 (如 图 所 示 ),同 时 可通过更换中部 支 架 安 装双 转轴机构 ,实 现 模 型 侧 滑 角、滚 转 角 的 变 化 (如 图 所 示)。图 试 验 段 的 更 换移动部段的运输工具 在 试 验 大 厅 中 ,有 很 多 可 移 动 部 段 ,如 试 验 段 、补偿 段 、模 型 安 装 车 和 纹 影 议 安
11、 装 平 台 等 ,长 短 不 一 ,采 用车 轮轨 道运输方 式将会使试验大厅轨道密集布置 , 同 时 还 需 要 考 虑 车 轮 的 换 向 问 题 。国外在上世纪六 、 七 十 年 代 就 在 大 型 低 速 风 洞 中 采 用 气 垫 运 输 方 式 , 它 能 高 效 、安 全 地 对移动部件进行任意位置移动 ,将 不 受 轨 道 的 限 制 ,使 试 验 大 厅 更 加 整 洁 、有 序 。在 超 声 速 风 洞 中 可 移 动 最 重 部 件 重 量 近,由 于 气 垫 在 运 输 过 程 中在地面间形 成 气 膜 ,摩 擦 力 较 采 用 车 轮 运 输 方 式 大 大 降 低
12、 ,采 用 两 套 推 力 的 驱 动 单 元 驱 动 移 动 部 件 移 动 。 气 垫 安 装 在 移 动 部 件 支 腿 周 边 ,依据移动 部件的重量选择不 同 规 格 的 气 垫 ,气 垫 总 的 顶 起 负 载 有 左 右 的 冗 余 度 。图 常规试验段模型支撑系统 (迎 角 机 构 ) ()图 常规试验段模型支撑系统 (双 转 轴 机 构 ) ()投 放 试 验 段 采 用 半 弯 刀 机 构 实 现 模 型 迎 角 变 化 ,并 可 沿 试 验 段 轴 线 移 动 、沿 垂 直 方 向 移 动 (如 图 所 示 ),同 时 在 投 放 试 验 段 上 壁 安 装 有 试 验
13、装 置 。模 型 更 换 方 式模型 的更换需 从试验用户的需求出发 ,还 需 考 虑效 率 。 超 声 速 风 洞 的 段 厂 房内设有独立的模 型 准 备 间 ,用户可在各 自的准备间 内完成模型的前期 准 备 工 作 ,再通过模型 运输通道采 用不同的方式安装 到 模 型 支 架 上 。风 洞 洞 体 各 部 段 间 连 接 、密 封 和 定 位主洞体各部段间连接 通 常 情 况 ,风洞 洞 体 各 部段之间不外乎有 焊 接和 ()其它法兰间采用 型 橡 胶 圈 (条 )或 石 棉胶 板 密 封 。可移动部段 需 要 有较 高的重复定位精度 ,尤 其试验段与挠性 喷 管 段 之间的阶差对
14、试验段的 流 场质 影 响 较 大,故 从以下几个方面进 行 了 考 虑 :()在部段间设有定 位 导 向 装 置 。 法 兰 间 采斜 面 销 定 位 ,依 靠 部 段 自 身重力沿斜面孔向下滑 图 投放试验段模型支撑系统 由于各法兰安 装 面 有 一定的不垂直度以及安 装 斜 加工件,需独立 制 作 和 安 装,这 些 部 段 之间以及挠性喷 管段与收 缩 段 之 间、超 扩 段 与 过 渡段 之间采用法兰连 接。()其余部段间采用焊接方式连接,主洞体最终合 拢位置在引射器前端的平直端上,采用焊接方式连接。()对 可 移 动 部 段 ,为 了 尽 可 能 减 少 劳 动 强 度 、提 高
15、工 作 效 率 效 率 ,将 可移动部段 间以及与前后部段 间法 兰的 连接分别 采用快速连接方式 (如 图 所 示),在 法 兰 个 角 适 当 位 置 各 有 一 组 ,采用两个相互垂直 的 插 杆 和 拉 杆 在 油 缸 驱动下各 自完 成拔插到位和拉 紧 到 位 程 式 ,风洞运行 过程中向拉 杆油缸有杆腔加高 压 油 ,保 证 两 法 兰 面 贴 紧 。孔处各部段的 刚 度 不 同 ,可 能出现移动部段在 下 滑程中向后移动 现 象 ,一 方 面 通过调整气垫的充 气 压控制部件下降 的 速 度 和高 度 ,一方面可在下降 过 程通过快速连接 装 置 在 下降 中途进行调整 。()气
16、 垫 运 输 装 置 对 地 面 的 要 求 是 比 较 高 的气源压力的波 动 以 及 地面的不平整度都将导 致 气在移动过程中 运 动 不 平 稳 ,会给部段的定位 、导 向来 了 不 小 难 度 ,因 此 ,在 试验大厅气垫运输区 域 的当位置增加了 一 套 定 位 、导 向 装 置 ,如 图 、所 示 挠 性 喷 管 段 拉 紧 油 罐 试 验 段 插 销 油 缸 推 杆 导 向 销 销 套 预 埋 钢 板图 快 速 连 接 装 置图 试验段定位导向装置 风洞洞体各部段间密封和定位 部 段 间 密 封 性 能 的好坏不 仅直 接影响试验性能 同 时 还 影 响 人 员 、设 备 的 安
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- 超声速 风洞 总体 结构设计
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