楊文國(guó)，王睿，尹永濤，陳萬(wàn)華

中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心， 綿陽(yáng) 621000

隨著時(shí)代的進(jìn)步，對(duì)用于模擬航空飛行器及地面交通運(yùn)輸設(shè)備噪聲指標(biāo)的航空聲學(xué)風(fēng)洞提出了高要求。國(guó)外已建成的并投入使用的大尺寸航空聲學(xué)風(fēng)洞有20 多座，分布于世界各地，如美洲、歐洲、亞洲等［1-2］，見表1，被世界公認(rèn)性能最優(yōu)的航空聲學(xué)風(fēng)洞當(dāng)屬1980 年投入使用的德-荷共建的DNW-LLF 風(fēng)洞。國(guó)內(nèi)投入使用的有中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心（CARDC）的5.5 m×4 m 航空聲學(xué)風(fēng)洞、同濟(jì)大學(xué)汽車風(fēng)洞以及中航工業(yè)空氣動(dòng)力研究院FL-10 風(fēng)洞等聲學(xué)風(fēng)洞。隨著國(guó)內(nèi)不同需求的大型航空聲學(xué)風(fēng)洞成功研制，對(duì)推動(dòng)我國(guó)大型飛機(jī)、直升機(jī)、重型運(yùn)載火箭、高速列車、風(fēng)力機(jī)等高新技術(shù)裝備的創(chuàng)新與發(fā)展發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

表1 世界上主要航空聲學(xué)風(fēng)洞Table 1 The main aeroacoustic wind tunnel in world

5.5m×4 m 航空聲學(xué)風(fēng)洞歷經(jīng)5 年的建設(shè)周期，2015 年正式投入使用，是中國(guó)首座大型工程型航空聲學(xué)風(fēng)洞，填補(bǔ)了中國(guó)在飛行器氣動(dòng)聲學(xué)試驗(yàn)地面研究平臺(tái)領(lǐng)域的空白［3］，它以氣動(dòng)聲學(xué)試驗(yàn)為主，能夠滿足飛機(jī)全模、部件模型、發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳的氣動(dòng)聲學(xué)試驗(yàn)，滿足直升機(jī)的全模氣動(dòng)聲學(xué)試驗(yàn)，滿足轎車車體實(shí)物和部分高速列車模型等的氣動(dòng)聲學(xué)試驗(yàn)。該風(fēng)洞還可兼顧飛行器氣動(dòng)力試驗(yàn)和低湍流度試驗(yàn)。5.5 m×4 m航空聲學(xué)風(fēng)洞設(shè)計(jì)時(shí)要求具有開口與閉口、腹撐系統(tǒng)與尾撐系統(tǒng)等多種試驗(yàn)狀態(tài)組合的多功能需求；具有總體尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)件加工和安裝精度要求高等特點(diǎn)。

本文主要針對(duì)該風(fēng)洞總體布局、氣動(dòng)聲學(xué)性能兼顧、各種試驗(yàn)狀態(tài)在快速切換過(guò)程中精確控制和定位等問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)闡述；同時(shí)針對(duì)風(fēng)洞主要部段設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決措施進(jìn)行了說(shuō)明。該風(fēng)洞歷經(jīng)結(jié)構(gòu)靜態(tài)調(diào)試、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)、性能校測(cè)、流場(chǎng)校測(cè)、標(biāo)模和型號(hào)試驗(yàn)，目前狀態(tài)良好。流場(chǎng)指標(biāo)全部達(dá)到國(guó)軍標(biāo)品質(zhì)規(guī)范要求［4］，開口試驗(yàn)狀態(tài)背景噪聲指標(biāo)優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類風(fēng)洞，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

1 風(fēng)洞簡(jiǎn)介

1. 1 主要參數(shù)

風(fēng)洞主要參數(shù)如下［5］：

1） 試驗(yàn) 段 尺寸：5.5 m（寬）×4 m（高）×14 m（長(zhǎng)）。

2） 試 驗(yàn) 段 風(fēng) 速 范 圍：8～100（130）m/s，開（閉）口試驗(yàn)段。

3） 開口試驗(yàn)段背景噪聲：≤80 dB（A）（距噴管出口中心側(cè)向距離7.95 m 處，截止頻率200 Hz，風(fēng)速80 m/s）。

4） 模型中心區(qū)域氣流湍流度：開（閉）口試驗(yàn)段ε 型中心0.2%（0.05%）。

5） 腹撐系統(tǒng)：迎角變化范圍-30°～45°，側(cè)滑角連續(xù)變化范圍-180°～180°；迎角及側(cè)滑角最大試驗(yàn)速度1 （°）/s，回零速度2 （°）/s，速度可調(diào)，定位精度優(yōu)于±0.02 mm。

6） 尾撐系統(tǒng)：模型試驗(yàn)迎角連續(xù)變化范圍為-15°～90°，側(cè)滑角連續(xù)變化范圍：-30°～30°，迎角及側(cè)滑角最大試驗(yàn)速度1 （°）/s，回零速度2 （°）/s，速度可調(diào)，定位精度優(yōu)于±0.02 mm。

1. 2 主要組成

5.5m×4 m 航空聲學(xué)風(fēng)洞的洞體結(jié)構(gòu)布局采取臥式結(jié)構(gòu)布局，回路中心線尺寸約為142 m（長(zhǎng)軸）×42 m（短軸），洞體中心軸線標(biāo)高8 m。該風(fēng)洞由砼結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)部段組成。如圖1 所示，砼結(jié)構(gòu)組成部段為穩(wěn)定段、收縮段、消聲室、第1 擴(kuò)散 段、第1 拐角段、第2 擴(kuò)散 段、第2 拐角段、第3 拐角段、第4 拐角段等；鋼結(jié)構(gòu)組成部段為聲學(xué)噴口、閉口試驗(yàn)段、收集器、補(bǔ)償段、風(fēng)扇段、換熱器系統(tǒng)、腹撐系統(tǒng)、尾撐系統(tǒng)等。

圖1 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)布局Fig.1 Layout of wind tunnel structure

2 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

5.5m×4 m 航空聲學(xué)風(fēng)洞洞體最大截面尺寸為21 m×21 m，結(jié)構(gòu)尺寸大、聲學(xué)與氣動(dòng)性能要求高、試驗(yàn)狀態(tài)多、設(shè)備加工安裝精度要求高等特點(diǎn)。根據(jù)該風(fēng)洞氣動(dòng)、聲學(xué)及功能需求，結(jié)合國(guó)外同類型風(fēng)洞設(shè)計(jì)特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從總體角度出發(fā)，從風(fēng)洞結(jié)構(gòu)總體布局、洞體材料選取、聲學(xué)結(jié)構(gòu)方案、試驗(yàn)狀態(tài)快速定位及切換等方面進(jìn)行了考慮及設(shè)計(jì)。

2. 1 總體布局及洞體材料選取

1） 總體布局

具有低的風(fēng)洞背景噪聲是航空聲學(xué)風(fēng)洞的重要特征之一，因此在風(fēng)洞布局更要考慮航空聲學(xué)風(fēng)洞的特點(diǎn)及要求［6-8］。為實(shí)現(xiàn)該風(fēng)洞開口與閉口兼顧的功能，在風(fēng)洞消聲室外側(cè)設(shè)置有獨(dú)立更換設(shè)備的停放大廳，當(dāng)風(fēng)洞在開口狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，移出消聲室內(nèi)的閉口試驗(yàn)段、補(bǔ)償段等設(shè)備，減少了消聲室內(nèi)不參與工作設(shè)備的聲反射，為開口試驗(yàn)狀態(tài)提供良好背景噪聲環(huán)境，減少了對(duì)聲學(xué)性能的影響。風(fēng)洞洞體中心軸線標(biāo)高8 m，滿足了聲學(xué)試驗(yàn)和風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)對(duì)消聲室布置的要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備維修、試驗(yàn)段和模型的更換方便的需求。采用地坑沉降的尾撐系統(tǒng)布局形式，實(shí)現(xiàn)了開、閉口試驗(yàn)狀態(tài)間的切換以及尾撐系統(tǒng)開、閉口試驗(yàn)公用。采用整體移出式氣墊驅(qū)動(dòng)隔聲大門方案，解決隔聲門與消聲室墻體之間的隔聲密封問(wèn)題。

2） 洞體材料選取

根據(jù)聲學(xué)風(fēng)洞的形式和特點(diǎn)，綜合考慮風(fēng)洞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)、及風(fēng)洞建設(shè)投資等因素，洞體回路采用“砼結(jié)構(gòu)+鋼結(jié)構(gòu)”相結(jié)合的洞體結(jié)構(gòu)形式，該組合形式良好地平衡了聲學(xué)性能與試驗(yàn)狀態(tài)快速切換的功能需求。砼結(jié)構(gòu)采用“常規(guī)混凝土+水磨石內(nèi)襯”的結(jié)構(gòu)方案，大跨度“薄壁密筋”梁板采用內(nèi)模開槽技術(shù)，水磨石內(nèi)襯采用“三軸基座調(diào)節(jié)”高精度測(cè)控定位方法，實(shí)現(xiàn)了高精度、低成本、可靠安全的建造目標(biāo)。鋼結(jié)構(gòu)部段主要采用Q235B 普通碳鋼，其中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)零部件主要采用強(qiáng)度高的30CrMnSiA 材料，吸聲襯里材料為離心玻璃棉氈等。

2. 2 洞體回路聲學(xué)結(jié)構(gòu)方案

洞體回路聲學(xué)結(jié)構(gòu)方案是該風(fēng)洞關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一，是關(guān)系到該風(fēng)洞噪聲指標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)［9］。如圖2 所示，根據(jù)該航空聲學(xué)風(fēng)洞的聲源及傳播路徑的分析，需要進(jìn)行聲學(xué)處理的部位分為與氣流表面接觸和非氣流表面兩種類型，其中與氣流表面接觸的為聲學(xué)噴口、收集器、第1 擴(kuò)散段、風(fēng)扇段以及拐角段，非氣流表面接觸消聲室及隔聲大門。

圖2 洞體回路聲學(xué)處理位置Fig.2 Position of acoustic processing in tunnel body loop

在消聲結(jié)構(gòu)材料選擇上采用具有體積小、導(dǎo)熱率低、不燃燒、耐腐蝕、防潮和吸聲系數(shù)高、鋪裝較均勻、在有氣流情況下纖維不易飛散等優(yōu)點(diǎn)的離心玻璃棉氈［10-11］。在結(jié)構(gòu)形式上采用鋼結(jié)構(gòu)框架+玻璃棉填充的結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式利于施工工藝方便性。

如圖3 所示，與氣流接觸表面消聲處理采用在鋼結(jié)構(gòu)框格內(nèi)填充預(yù)先切制成形的玻璃纖維棉氈（體積密度為32 kg/m3），吸聲表面鉚接穿孔護(hù)面板（板厚1.6 mm，孔徑5 mm，正三角形布置，開孔率35%）的結(jié)構(gòu)。依據(jù)所消聲部位不同，采取不同的厚度（50～600 mm），厚度不同吸聲系數(shù)有所差別，主要針對(duì)中低頻噪聲消聲；在護(hù)面板與吸聲材料接觸表面采用熱壓工藝預(yù)先粘貼1 層PVF（聚氟乙烯薄膜）用于防止吸聲材料纖維溢出，很好地兼顧了氣動(dòng)型面和吸聲性能要求。第1 擴(kuò)散段從入口起30 m 范圍的洞體墻面做聲學(xué)處理（ 聲學(xué)處理厚度400 mm 吸聲材料+100 mm 空腔）；4 個(gè)拐角段導(dǎo)流片均采用低阻損導(dǎo)流片設(shè)計(jì)，在聲學(xué)處理方案采用框架結(jié)構(gòu)，在框格內(nèi)填充吸聲材料進(jìn)行聲學(xué)處理，在框架表面鉚接復(fù)合型穿孔板作為框架結(jié)構(gòu)蒙皮以滿足導(dǎo)流片型面要求。風(fēng)扇段除在氣動(dòng)設(shè)計(jì)中采用主動(dòng)降噪措施外，還在風(fēng)扇段外殼體（聲學(xué)處理厚度600 mm）及其內(nèi)整流體（聲學(xué)處理厚度50 mm）進(jìn)行了聲學(xué)處理進(jìn)行被動(dòng)降噪。

圖3 聲學(xué)處理結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of acoustic processing

非氣流接觸表面的消聲室采用采用全消聲室的方案［12］，消聲室聲學(xué)要求為其截至頻率為100 Hz（1/3 倍頻程），混響時(shí)間 T60≤0.1 s，墻體噪聲衰減指數(shù)≥ 50 dB（A）（截至頻率為100 Hz，1/3 倍頻程）［13］。在設(shè)計(jì)方案中采用專門研制的JPC8082 型號(hào)產(chǎn)品，具體結(jié)構(gòu)組成及尺寸見圖3 和圖4［14］。該吸聲尖劈各頻率對(duì)應(yīng)的吸聲系數(shù)見表2。在其壁面采用“龍骨框架+掛鉤尖劈”結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，維護(hù)方便，且龍骨框架與壁面之間構(gòu)成空腔、有效改善了消聲室低頻聲學(xué)性能；在消聲室地面采用預(yù)制成型的吸聲尖劈（見圖5）模塊放置方案，可快速鋪設(shè)與更換（見圖6），實(shí)現(xiàn)開閉口試驗(yàn)狀態(tài)的能力切換。

圖4 吸聲尖劈結(jié)構(gòu)［14］Fig.4 Structure of sound absorption wedge［14］

圖5 吸聲尖劈外形尺寸Fig.5 Shape and size of sound absorption wedge

圖6 消聲室尖劈組件Fig.6 Wedge assembly in anechoic chamber

表2 吸聲尖劈各頻率對(duì)應(yīng)的吸聲系數(shù)Table 2 Sound absorption coefficient responding to frequency of sound absorption wedge

通過(guò)上述聲學(xué)處理方案，該風(fēng)洞開口試驗(yàn)段在不同來(lái)流風(fēng)速條件下的背景噪聲測(cè)試結(jié)果見圖7。

圖7 不同風(fēng)速下背景噪聲Fig.7 Background noise at different wind speeds

2. 3 試驗(yàn)狀態(tài)切換

根據(jù)5.5 m×4 m 航空聲學(xué)風(fēng)洞功能需求，該風(fēng)洞具有開、閉口試驗(yàn)功能。聲學(xué)噴口、收集器及消聲室等組合構(gòu)成開口試驗(yàn)狀態(tài)，該試驗(yàn)狀態(tài)能夠兼顧開口氣動(dòng)試驗(yàn)與聲學(xué)試驗(yàn)需求；閉口試驗(yàn)段為全鋼結(jié)構(gòu)，與補(bǔ)償段組合構(gòu)成閉口試驗(yàn)狀態(tài)，用于開展低湍流度試驗(yàn)， 如圖8 所示。為了減少風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)在開口狀態(tài)下對(duì)聲學(xué)性能的影響和受消聲室空間布局影響，所有試驗(yàn)狀態(tài)切換后的部段全部移動(dòng)至停放大廳。實(shí)踐證明，該風(fēng)洞由閉口試驗(yàn)狀態(tài)到開口試驗(yàn)狀態(tài)完成用時(shí)7～8 h，由開口試驗(yàn)狀態(tài)到閉口試驗(yàn)狀態(tài)完成用時(shí)10～12 h。風(fēng)洞試驗(yàn)狀態(tài)的切換主要解決兩方面問(wèn)題：①部段的快速切換；②部段定位與聯(lián)接。

圖8 風(fēng)洞回路開閉口試驗(yàn)狀態(tài)Fig.8 Open and closed test status in wind tunnel loop

2.3.1 部段快速切換

為提高風(fēng)洞開、閉口試驗(yàn)狀態(tài)各部段快速切換能力，實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞試驗(yàn)狀態(tài)的高效運(yùn)行。在設(shè)計(jì)中對(duì)閉口試驗(yàn)段、腹撐系統(tǒng)、補(bǔ)償段及收集器段等采用整體可移動(dòng)式的設(shè)計(jì)方案；同時(shí)尾撐系統(tǒng)Y 向機(jī)構(gòu)采用地坑沉降的方案；在與收縮段出口密封采用了充氣密封圍帶的密封結(jié)構(gòu)形式，滿足了風(fēng)洞開閉口運(yùn)行狀態(tài)切換的需求。

對(duì)整體可移動(dòng)部段移動(dòng)采用氣墊運(yùn)輸方式（氣墊托浮+電動(dòng)牽引）［15］。為了保證設(shè)備在移動(dòng)過(guò)程中的安全穩(wěn)定性難題，在設(shè)計(jì)中對(duì)整體可移動(dòng)部段采用降低重心的設(shè)計(jì)原則，保證在移動(dòng)過(guò)程中設(shè)備受沖擊后的穩(wěn)定性問(wèn)題；同時(shí)為了保證同一設(shè)備所有驅(qū)動(dòng)氣墊托浮高度方向一致，在氣墊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中增設(shè)了一套高度調(diào)壓自平衡系統(tǒng)，解決了運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性問(wèn)題，保障了設(shè)備移動(dòng)過(guò)程中的安全問(wèn)題。

2.3.2 部段定位與聯(lián)接

在每種試驗(yàn)狀態(tài)下，為滿足流場(chǎng)指標(biāo)，部段聯(lián)接有著較高的同軸度要求，所以在提供試驗(yàn)狀態(tài)切換效率的前提下，要保證部段聯(lián)接的快速實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位功能是設(shè)計(jì)中必須考慮的問(wèn)題。采用氣墊移動(dòng)部段方案，在移動(dòng)過(guò)程中其支腿底面與地面之間存在約10 mm 的托浮高度（氣墊模塊充氣環(huán)因充氣壓力膨脹高度），如何保證在氣墊泄壓后，部段能夠就位到設(shè)計(jì)中需要的位置，也需要在設(shè)計(jì)中解決這一問(wèn)題。

為了保證移動(dòng)部段與固定部段的同軸度，通過(guò)在固定部段兩側(cè)安裝“滾輪導(dǎo)向裝置+插銷”裝置（見圖9），在移動(dòng)部段對(duì)應(yīng)高度位置設(shè)置插銷，通過(guò)氣墊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)調(diào)整移動(dòng)部段左右位置，讓插銷通過(guò)“滾輪導(dǎo)向裝置+插銷”裝置中心，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)部段在軸線水平方向上的安裝到位；為解決10 mm 的托浮高度問(wèn)題，在滾輪導(dǎo)向裝置下方設(shè)置有復(fù)位彈簧，當(dāng)氣墊泄壓后，依靠復(fù)位彈簧功能，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)部段與固定部段中心軸線的重合，確保了風(fēng)洞的流場(chǎng)品質(zhì)。

圖9 彈性滾輪導(dǎo)向裝置Fig.9 Elastic roller guide device

各移動(dòng)部段切換就位后，為了保證在風(fēng)洞運(yùn)行過(guò)程中部段的穩(wěn)定性，在氣動(dòng)力反向設(shè)置電動(dòng)錐形固定銷裝置，一方面利于錐形銷順利插入，另一方面防止設(shè)備軸向和垂直方向的震動(dòng)，有效的保障了風(fēng)洞的安全運(yùn)行。

3 主要部段設(shè)計(jì)與優(yōu)化

3. 1 閉口試驗(yàn)段

試驗(yàn)段入口尺寸為5.5 m（寬）×4 m（高），出口尺寸為5.62 m（寬）×4 m（高），結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)15.5 m。由框架、上下壁板、側(cè)壁板、上下轉(zhuǎn)盤、提升機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)及支腿等組成，如圖10 所示。其結(jié)構(gòu)形式采用框架結(jié)構(gòu)，上下壁板和側(cè)壁板與框架相連，壁板均可拆卸，過(guò)渡段、上下轉(zhuǎn)盤均安裝在框架上，隨動(dòng)轉(zhuǎn)盤直徑4 m，電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。下壁板（帶下隨動(dòng)轉(zhuǎn)盤）可更換，采用行走輪將下壁板沿軌道插入框架或自框架內(nèi)抽出，就位后通過(guò)插銷定位。模型支撐系統(tǒng)從下壁板進(jìn)入。在上壁板上開設(shè)有孔，用以進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c尾撐系統(tǒng)變角度機(jī)構(gòu)的吊裝通道。

圖10 閉口試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of closed test section

由于該試驗(yàn)段要承擔(dān)多種試驗(yàn)的需求，進(jìn)出試驗(yàn)段模型和尾撐系統(tǒng)變角度機(jī)構(gòu)進(jìn)出試驗(yàn)段的高效使用性是設(shè)計(jì)中需要考慮的重點(diǎn)內(nèi)容之一；同時(shí)其結(jié)構(gòu)尺寸大，裝配精度要求高（如要求兩側(cè)壁對(duì)稱度≤2 mm，上壁和下壁平行度≤5 mm 等），所以解決大跨度的框架的剛度問(wèn)題優(yōu)化設(shè)計(jì)尤顯重要。

解決措施包括：

1） 設(shè)計(jì)中通過(guò)對(duì)上壁板拆分成前、中、后3 段，前、后段上壁板固定，中段開設(shè)5.5 m（長(zhǎng)）×5.3 m（寬）的安裝孔用來(lái)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c尾撐系統(tǒng)變角度機(jī)構(gòu)的進(jìn)出通道。由于中段上壁板重達(dá)十幾噸重，所以對(duì)于其啟閉功能的實(shí)現(xiàn)采用提升機(jī)構(gòu)+平移機(jī)構(gòu)組合裝置，來(lái)實(shí)現(xiàn)在軸向和垂直方向空間。其中提升機(jī)構(gòu)通過(guò)采用一組4 臺(tái)機(jī)械同步的螺旋升降機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)上中壁板的提升功能；平移機(jī)構(gòu)采用兩側(cè)對(duì)稱絲桿螺母副驅(qū)動(dòng)、直線導(dǎo)軌副導(dǎo)向，并控制兩側(cè)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)同步驅(qū)動(dòng)。

2） 為了使閉口試驗(yàn)段總體剛度滿足要求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上選取了框架+壁板組合設(shè)計(jì)思路［16］?？蚣苓x用剛度較大的工字鋼及箱型梁結(jié)構(gòu)作為主要的承力構(gòu)件，同時(shí)并采用了有限元軟件對(duì)試驗(yàn)段框架進(jìn)行剛度進(jìn)行多次經(jīng)反復(fù)優(yōu)化迭代，閉口試驗(yàn)段完成最終結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，其最大變形2.2 mm，滿足結(jié)構(gòu)剛度要求（見圖11）。

圖11 閉口試驗(yàn)段框架變形Fig.11 Deformation of closed test section frame

3. 2 模型支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模型支撐系統(tǒng)包括腹撐系統(tǒng)與尾撐系統(tǒng)，分別用于進(jìn)行腹撐試驗(yàn)與尾撐試驗(yàn)。2 個(gè)模型支撐系統(tǒng)分別與開、閉口試驗(yàn)段組合，可開展開口腹撐、閉口腹撐、開口尾撐、閉口尾撐實(shí)現(xiàn)。模型支撐系統(tǒng)為風(fēng)洞關(guān)鍵部件，其性能是否達(dá)標(biāo)關(guān)系到風(fēng)洞是否具備試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

腹撐系統(tǒng)具備迎角變化及側(cè)滑角機(jī)構(gòu)變化功能，除具備常規(guī)試驗(yàn)?zāi)芰ν?，還要具備動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)、大振幅試驗(yàn)、顫振試驗(yàn)等多個(gè)特種試驗(yàn)?zāi)芰Φ纫蟆Ｓ赡Ｐ椭窝b置、迎角機(jī)構(gòu)、側(cè)滑角機(jī)構(gòu)、多功能平臺(tái)以及移動(dòng)支架等組成，具體見圖12。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用開、閉口腹撐試驗(yàn)裝置集成于一體設(shè)計(jì)方案。

圖12 腹撐系統(tǒng)Fig.12 Abdominal support system

該腹撐系統(tǒng)與常規(guī)腹撐系統(tǒng)不同之處在于除了要實(shí)現(xiàn)開、閉口試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膯吸c(diǎn)、兩點(diǎn)和三點(diǎn)腹部支撐外，還要滿足其他特種試驗(yàn)需求；系統(tǒng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)范圍大、定位精度高、堵塞度要求小、沖擊載荷大為解決上述關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，解決措施為：

1） 為同時(shí)具備聲學(xué)常規(guī)試驗(yàn)和其他特種試驗(yàn)?zāi)芰?，該腹撐系統(tǒng)在傳統(tǒng)腹撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上新增設(shè)計(jì)了直徑6 500 mm 的多功能平臺(tái)，整個(gè)臺(tái)面布置T 型槽，其T 型槽為用于旋翼試驗(yàn)臺(tái)、大振幅試驗(yàn)、顫振試驗(yàn)、動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)等其他特種試驗(yàn)裝置的安裝的接口；多功能平臺(tái)內(nèi)置的轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)取代了常規(guī)試驗(yàn)段地面轉(zhuǎn)盤。平臺(tái)的臺(tái)面預(yù)留支桿開孔（并配套開孔蓋板），安裝支桿后可實(shí)現(xiàn)開、閉口試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膯吸c(diǎn)、兩點(diǎn)和三點(diǎn)腹部支撐。該多功能支撐平臺(tái)拓展了聲學(xué)風(fēng)洞的試驗(yàn)?zāi)芰?，滿足了飛行器氣動(dòng)聲學(xué)試驗(yàn)和低湍流度試驗(yàn)的需要，同時(shí)也具備和其他常規(guī)低速試驗(yàn)的功能。

2） 為了保證系統(tǒng)在各工況下運(yùn)行安全，采用國(guó)際上通用的MSC／NASTRAN 進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度分析，選取了在試驗(yàn)過(guò)程中最大氣動(dòng)載荷工況條件。經(jīng)多次迭代優(yōu)化結(jié)果為，支桿頂部變形量約為6.37 mm，多功能支撐平臺(tái)最大變形約為2.55 mm，框架最大變形約為0.5 mm，腹撐裝置最大等效應(yīng)力約116 MPa，見圖13 和圖14。滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)精度要求和材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

圖13 結(jié)構(gòu)變形云圖Fig.13 Structural deformation nephogram

圖14 結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.14 Structural stress nephogram

3） 迎角機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)采用標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品電動(dòng)推桿直接驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體結(jié)構(gòu)見圖15。該方案從安裝、維護(hù)、成本、效率、可靠性、制造安裝周期等各方面都具有蝸輪蝸桿不可替代的優(yōu)勢(shì)。有效簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，避免了蝸輪蝸桿副高制造成本、低傳動(dòng)效率、頻繁更新劑潤(rùn)滑、維護(hù)工作量大、安裝調(diào)試及更換困難等弊端。

圖15 迎角機(jī)構(gòu)Fig.15 Angle of attack mechanism

聲學(xué)風(fēng)洞尾撐系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖16 所示，系統(tǒng)由變角度機(jī)構(gòu)、Y 向機(jī)構(gòu)等組成。變角度機(jī)構(gòu)由模型支桿、迎角頭、前拐臂、后拐臂和基座組成，由油缸伺服驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)角度變化；Y 向機(jī)構(gòu)由單支板、箱型架、過(guò)渡架、T 型架、Y 向油缸、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副和管線引出管等組成，其安置于消聲室地面后部的洞體回路軸線上深18 m 地坑中，地坑深6 m 的位置有地下通道和地下室，用于安放輔助設(shè)施和方便安裝維護(hù)保養(yǎng)。這套系統(tǒng)既可以進(jìn)行閉口試驗(yàn)段的常規(guī)攻角和大攻角試驗(yàn)，又能進(jìn)行開口試驗(yàn)段氣動(dòng)試驗(yàn)，同時(shí)滿足聲學(xué)試驗(yàn)的要求。

圖16 尾撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.16 Structure of tail support system

結(jié)合風(fēng)洞自身的特點(diǎn)和試驗(yàn)要求，該尾撐系統(tǒng)變角度機(jī)構(gòu)由油缸伺服驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)角度變化；Y向機(jī)構(gòu)采用單支板與箱體結(jié)構(gòu)聯(lián)接成整體，并利用兩根行程8 100 mm，桿徑200 mm，定位精度優(yōu)于0.1 mm 的伺服油缸驅(qū)動(dòng)進(jìn)行垂直移動(dòng)的方案，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償模型變迎角時(shí)模型中心相對(duì)于風(fēng)洞軸線的偏移量、確保變迎角時(shí)模型中心與風(fēng)洞軸線重合；變角度機(jī)構(gòu)與單支板采用錐銷連接方案。

該尾撐系統(tǒng)與同類型系統(tǒng)相比，其受載更大情況下堵塞度的要求高（≤5%）的特點(diǎn)；Y 向機(jī)構(gòu)的超大行程、大負(fù)載、高精度運(yùn)動(dòng)工況下機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度的保證問(wèn)題；該系統(tǒng)的多機(jī)構(gòu)運(yùn)行的安全保護(hù)問(wèn)題。上述問(wèn)題為該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，在設(shè)計(jì)中具體采取的措施有：

1） 為滿足大載荷工況下，堵塞度的要求高的要求，采用高強(qiáng)度材料整體鍛件的單支板支撐方案；對(duì)變角度機(jī)構(gòu)的對(duì)主拐臂采取高性能材料焊接結(jié)構(gòu)［17］，采用中空設(shè)計(jì)，液壓伺服閥組、控制器和測(cè)控管線至于其中。依靠上述解決途徑，通過(guò)有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求情況下（具體見圖17 和圖18），實(shí)現(xiàn)了堵塞度為4.4%結(jié)果，滿足了氣動(dòng)要求。

圖17 尾撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.17 Nephogram of structural stress of tail support system

圖18 尾撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變形云圖Fig.18 Nephogram of structural deformation of tail support system

2） Y 向機(jī)構(gòu)兩側(cè)分別設(shè)置2 根直線導(dǎo)軌導(dǎo)向裝置，形成框式布局，增加了剛度，使其運(yùn)行精度滿足設(shè)計(jì)要求。采用了通過(guò)二次灌漿將升降機(jī)構(gòu)支撐鋼架與砼結(jié)構(gòu)地坑壁面澆筑為一體的技術(shù)方案，尾撐裝置升降支板通過(guò)4 根重載直線導(dǎo)軌安裝在經(jīng)精加工的鋼架導(dǎo)向面上，確保了裝置整體強(qiáng)度、剛度、導(dǎo)向精確性與穩(wěn)定性。在鋼架與地坑壁面澆筑過(guò)程中，采用了微膨脹灌漿料結(jié)合分層多次澆筑、柔性材料隔離鋼結(jié)構(gòu)與灌漿料等工藝措施，有效避免了因灌漿料在凝固過(guò)程中收縮、發(fā)熱導(dǎo)致鋼架變形的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，確保了升降機(jī)構(gòu)的安裝精度。最終實(shí)現(xiàn)了Y 向運(yùn)動(dòng)精度優(yōu)于0.5 mm 的技術(shù)指標(biāo)要求。

3） 為了保證設(shè)備運(yùn)行安全，防止超行程問(wèn)題重大安全事故發(fā)生，避免造成人員、設(shè)備的損失。在設(shè)計(jì)中采用了3 層保護(hù)措施。具體為：第1 層次為軟件保護(hù)，在控制程序中設(shè)定了試驗(yàn)過(guò)程中各個(gè)機(jī)構(gòu)的油缸行程；第2 層次為硬件限位，即在機(jī)構(gòu)各自由度在最大行程處均安裝了限位開關(guān)，在極限位置還安裝有機(jī)械碰塊；而Y 向機(jī)構(gòu)在其上下極限行程時(shí)，均保證了Y 向機(jī)構(gòu)的變角度機(jī)構(gòu)不與試驗(yàn)段壁板相碰；第3 層次為零位保護(hù)，保證機(jī)構(gòu)零位存放時(shí)的安全。

模型支撐系統(tǒng)在完成安裝后與控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)，對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試工作。各姿態(tài)角的運(yùn)行速度和精度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，其定位精度測(cè)試結(jié)果見表3［18］。

表3 模型支撐系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果［18］Table 3 Test results of model support system［18］

3. 3 風(fēng)扇段設(shè)計(jì)

風(fēng)扇段總長(zhǎng)23.5 m，葉輪直徑9 m，軸功率12.5 MW，額定轉(zhuǎn)速360 r/min。主要由殼體、葉片、輪轂及電機(jī)等組成，具體如圖19 所示。為減輕葉片重量，采用碳纖維復(fù)合材料，其余均采用普通碳鋼材料。為減少傳動(dòng)鏈，電機(jī)內(nèi)置于風(fēng)扇段整流體內(nèi)，通過(guò)聯(lián)軸器與風(fēng)扇轉(zhuǎn)子相連，由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子運(yùn)行。

圖19 風(fēng)扇段結(jié)構(gòu)圖Fig.19 Structure of fan section

風(fēng)扇段是低速風(fēng)洞核心部段之一，是風(fēng)洞運(yùn)行的動(dòng)力源，同時(shí)也是主要噪聲源之一。該風(fēng)扇段有尺寸大、輸入功率高、葉片安裝角可調(diào)，風(fēng)扇噪聲低等特點(diǎn)。除在氣動(dòng)設(shè)計(jì)和被動(dòng)降噪外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮的關(guān)鍵問(wèn)題有：解決葉根與輪轂之間的間隙產(chǎn)生的噪聲；大尺度風(fēng)扇段的維護(hù)問(wèn)題；葉片安裝角可調(diào)并能可靠鎖緊的結(jié)構(gòu)方案。在設(shè)計(jì)中采用如下措施：

1） 輪轂采用球面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，可使風(fēng)扇葉片在其安裝角調(diào)節(jié)范圍內(nèi)保持較小的、均勻的葉根間隙（≤1 mm），不僅提高了風(fēng)扇效率，而且降低了葉根間隙產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲。同時(shí)結(jié)合氣動(dòng)上采取的任意渦設(shè)計(jì)方法［19］和風(fēng)扇前、后段殼體內(nèi)壁以及整流體尾罩等位置采用的新型吸聲結(jié)構(gòu)等措施一起，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇低噪聲的需求。

2） 機(jī)殼采用水平中面分瓣設(shè)計(jì)方案，便于電機(jī)、葉輪等大型設(shè)備整體移出風(fēng)扇段外維護(hù)保養(yǎng)，而常規(guī)的簡(jiǎn)單維護(hù)可通過(guò)設(shè)置在殼體上的維修通道進(jìn)入風(fēng)扇段內(nèi)進(jìn)行；軸系自由端采用剖分軸承支承、固定端（尾端）采用“調(diào)心滾子軸承+退卸套”組合結(jié)構(gòu)支承方案［20］，可實(shí)現(xiàn)無(wú)需拆卸葉輪和軸的情況下維護(hù)或更換軸承，從而提高了風(fēng)扇段結(jié)構(gòu)的可維護(hù)性，解決了風(fēng)扇段的維護(hù)保養(yǎng)問(wèn)題。

3） 葉柄與葉片采用螺紋連接，法蘭對(duì)頂防松設(shè)計(jì)方案［21］，以使槳葉既能靈活調(diào)節(jié)其安裝角又能可靠的防止其旋轉(zhuǎn)，保證了風(fēng)扇的安全運(yùn)行的需求。

4 結(jié) 論

1） 5.5 m×4 m 航空聲學(xué)風(fēng)洞研制成功到現(xiàn)在已進(jìn)行多期型號(hào)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該風(fēng)洞達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)要求。開口試驗(yàn)段最大風(fēng)速100.1 m/s，60 m/s 和80 m/s 風(fēng)速下對(duì)應(yīng)的軸向靜壓梯度均小于0.003，在風(fēng)速80 m/s 時(shí)，背景噪聲達(dá)到75.6 dB（A）國(guó)際先進(jìn)指標(biāo)；閉口試驗(yàn)段風(fēng)速130.9 m/s，模型中心湍流度小于0.043%；通過(guò)調(diào)節(jié)試驗(yàn)段擴(kuò)開角其軸向靜壓梯度在各風(fēng)速下均小于0.003。同時(shí)在開閉口工況下風(fēng)洞運(yùn)行結(jié)構(gòu)可靠，各機(jī)構(gòu)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，試驗(yàn)效率高效。

2） 完成了國(guó)內(nèi)大型航空聲學(xué)風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為同類型風(fēng)洞提供了可參考價(jià)值。采用可更換的大型鋼結(jié)構(gòu)與砼結(jié)構(gòu)相結(jié)合的風(fēng)洞回路，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)洞氣動(dòng)與聲學(xué)、開口與閉口兼顧的多功能布局需求，滿足風(fēng)洞試驗(yàn)需求。

3） 在大尺度低速風(fēng)洞中采用整體可移動(dòng)、推桿驅(qū)動(dòng)的多功能腹撐裝置和沉入式大行程、高精度、可升降尾撐機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了開/閉口試驗(yàn)等試驗(yàn)功能和狀態(tài)的快速切換。