В статье речь идёт об оригинальных конструктивных решениях по узлам аэродинамического тракта промышленной дозвуковой аэродинамической трубы замкнутого типа с открытой рабочей частью. Решения выполнены на основе тщательного экспериментального исследования влияния вносимых конструктивных решений на параметры потока в открытой рабочей части. В статье также коротко отражены координатно-позиционирующие устройства, позволяющие расширить варианты исполнения открытой рабочей части аэродинамической трубы.
Ключевые слова: дозвуковая аэродинамическая труба, открытая рабочая часть, диффузор, конфузор (сопло), поворотные секции, хонейкомб, поворотные лопатки.
История развития и становления аэродинамических труб на математико-механическом факультете СПбГУ изложена по работе [1]. Первая дозвуковая аэродинамическая труба АТ-12 была сдана в эксплуатацию к 7 ноября 1933 г. В дальнейшем развитие экспериментальной базы и создание в Петродворце аэродинамического комплекса во второй половине прошлого века связано с именем С. В. Валландера. В этот комплекс в 1976 г состоялся переезд аэродинамической трубы АТ-12, и в модернизированном виде в 1978 г АТ-12 была сдана в эксплуатацию.
После завершения строительства всего корпуса аэродинамики была смонтирована еще одна аэродинамическая труба — труба АТ-11. Первый пуск трубы АТ-11 состоялся в июне 1989 г. Аэродинамическая труба АТ-11 была “заморожена” в строительстве с 1989 г. по 2009 г. В 2009 г. руководством математико-механического факультета было принято принципиальное решение: всеми возможными способами достроить и модернизировать аэродинамическую трубу АТ-11, сдать трубу в эксплуатацию и интегрировать с трубой современные измерительные технологии. Данное решение было воплощено в жизнь.
Эскизный и рабочий проекты аэродинамической трубы АТ-11 выполнены коллективом сотрудников лаборатории аэродинамики под руководством зав. лабораторией Р. Н. Мирошина [3]. После всестороннего анализа построенных на то время (60-е — 80-е годы прошлого века) экспериментальных установок и опубликованных работ, с учетом требования достижения критического числа Рейнольдса, авторами [3] были выбраны следующие конструктивные параметры аэродинамической трубы АТ-11:
размер выходного сечения коллектора (сопла) — круг диаметром 2,25 м;
длина рабочей части — 4 м;
максимальная скорость потока — 70 м/с.
Следует отметить, что существовало ограничение на габариты установки, главным образом на ее длину, определяемое размерами зала для размещения аэродинамической трубы АТ-11, которое наложило свой отпечаток на эскизный проект аэродинамической трубы АТ-11 и, в дальнейшем, на реализованную конструкцию аэродинамической трубы.
В соответствии с требованиями к установке была выбрана общая её компоновка: аэродинамическая труба замкнутого типа с одним обратным каналом и открытой рабочей частью. Установки подобного конструктивного типа наиболее рациональны как с точки зрения удобства проведения эксперимента, так и с точки зрения качества потока и экономичности трубы.
Аэродинамический контур АТ-11, см. рис.1, показан в горизонтальной плоскости трубы и состоит из следующих основных элементов: рабочей части, диффузора, переходной части, одноступенчатого осевого вентилятора, поворотных секций, поворотных лопаток в поворотных секциях, обратного канала, участка быстрого расширения потока, форкамеры с хонейкомбом, коллектора (сопла).
Силовой каркас аэродинамической трубы АТ-11 представляет собой конструкцию из шпангоутов и стрингеров и выполнен из деревянных деталей. Внутренняя и внешняя поверхности трубы выполнены из 5-милиметровой фанеры. Заполнение между двумя слоями фанеры отсутствует.
Рис. 1. Аэродинамический контур трубы АТ-11
Рабочая часть
Рабочая часть аэродинамической трубы АТ-11 — открытая, длиной Lрч = 4000 мм от выходного сечения сопла (диаметр сопла Dс = 2250 мм) до входного сечения диффузора. Поток в рабочей части представляет собой участок свободной турбулентной струи
В процессе модернизации трубы АТ-11 разработаны и изготовлены поворотные круги под рабочей частью и в весовой, 2 сменных координатно-позиционирующих устройства с устанавливаемыми на них аэродинамическими моделями, технологическим и измерительным оборудованием.
X-Y координатно-позиционирующее устройство (КПУ № 1).
На X-Y координатно-позиционирующее устройство можно устанавливать различные измерительные зонды и лёгкие аэродинамические модели. Фотография КПУ № 1, на фоне диффузора, приведена на рис. 2. КПУ № 1 представляет собой конструкцию перемещаемой по рельсам тележки с закреплёнными на ней двумя взаимно перпендикулярными каретками форматно-раскроечного станка Z-3200, перемещаемыми приводами кареток по на 1,5 метра по каждой координате. На поперечной каретке видна установленная на ней вертикально гребенка с измерительными зондами (трубками Пито-Прандтля). Управляется КПУ № 1 оригинальной системой программно-позиционного управления.
Рис. 2. X-Y координатно-позиционирующее устройство
Координатно-позиционирующее устройство № 2 (КПУ № 2).
КПУ № 2 схематично показано на рис. 3.
На рис. 3 обозначены: поз.1 — сопло, поз. 2 — диффузор, поз. 3 — кольцевой раструб, поз. 4 — КПУ № 2. КПУ № 2 по направляющим рельсам вкатывается из весовой в открытую рабочую часть и устанавливается на нижний поворотный круг 5. На КПУ № 2 размещен стол-экран 6, положение которого по высоте и в горизонте регулируется с помощью натяжных тросов. Стол-экран 6 установлен на поперечной (ось Y) оси с возможностью качения относительно горизонтальной плоскости. Внутри стола-экрана выполнен поворотный круг 7 с возможностью поворота в плоскости стола-экрана на 360°. Регулировочными механизмами обеспечивается, при установке КПУ № 2 на поворотном круге 5, перпендикулярность оси Y стола-экрана оси X потока и положение оси Y в горизонте.
Рис. 3. Схема КПУ № 2
На КПУ № 2 размещен 3D координатник 8, на котором могут быть установлены различные измерительные зонды. В частности, на рис. 3 обозначены поз. 9 — двойной импульсный лазер и поз. 10 — две кросскорреляционные камеры, входящие в состав PIV-системы. 3D координатник позволяет сканировать измерительными зондами или измерительной вертикальной плоскостью PIV-системы поток в открытой рабочей части в объёме 1000х1000х1000 мм. Для управления 3D координатником разработано специализированное программное обеспечение.
Диффузор с кольцевым раструбом
За открытой рабочей частью находится диффузор. Диффузор аэродинамической трубы АТ-11 от входного сечения на расстоянии Lдц = 500мм — цилиндрический, а далее — расширяющийся канал круглого поперечного сечения длиной 6300 мм. Входное сечение диффузора — круг диаметром Dд = 2450 мм. Выходное сечение диффузора — круг диаметром 3000 мм. Угол раскрытия диффузора — 5°. Перед диффузором аэродинамической трубы АТ-11 установлен кольцевой раструб, охватывающий диффузор снаружи и имеющий по внутренней поверхности в поперечном сечении форму кольцевого крыла. Кольцевой раструб установлен на тележке, которая может перемещаться в осевом направлении.
При модернизации аэродинамической трубы АТ-11в конце диффузора, перед цилиндрической частью вентилятора, был установлен обтекатель. Схема расположения обтекателя относительно вентилятора и основные размеры такой компоновки показаны на рис. 4.
Рис. 4. Схема расположения обтекателя
Цилиндрическое тело вентилятора 1 имеет по переднему торцу выемку глубиной 130 мм. Цилиндрическая образующая выемки — тонкая, толщиной 5 мм. Расстояние между вентилятором и обтекателем 2–500 мм, что позволяет проводить технические работы по монтажу и обслуживанию вентилятора и обтекателя. Обтекатель выполнен коническим с оживальной формой в начале его. Длина обтекателя — 2000мм; диаметр у основания — 1200 мм. Несущие пластины 3 (6 шт) обтекателя выполнены из фанеры толщиной 16 мм и шириной 750 мм. Проходное сечение в конце диффузора в связи с размещением обтекателя уменьшилось на 5,5 %, но сохранилось значительно большим проходного сечения на входе в диффузор.
Виды со стороны рабочей части на вентилятор без обтекателя и с установленным обтекателем показаны на рис.5.
Рис. 5. Виды на вентилятор
На переднем плане рис. 5 видны элементы защитной прямоугольной сетки, и, далее, — обтекатель с 6-ю несущими пластинами, исходящими из тела обтекателя в направлении к внутренней поверхности диффузора и закрепленными на 3-х элементах швеллера № 16. За оголовком и несущими пластинами видны лопасти вентилятора. Воздушный поток засасывается в диффузор десяти лопастным вентилятором, расположенным в переходном участке трубы. Сами лопасти находятся в начале переходного участка.
Десяти лопастной осевой вентилятор, установленный с консольным вылетом на двух подшипниковых опорах, соединен промежуточным валом с электродвигателем постоянного тока и развивает напор, достаточный для преодоления сопротивления всего контура аэродинамической трубы. Регулирование скорости потока в рабочей части трубы обеспечивается регулированием скорости вращения вала электродвигателя с помощью привода постоянного тока.
По проекту [3] предполагалось выполнить в стенках диффузора демпфирующие сквозные отверстия на расстоянии (0.53- 0.86)Dд от входного сечения диффузора диаметром Dд; форма, размеры и число отверстий, как указано в [3], определяются из конструктивных соображений; общая площадь отверстий должна была составить величину ~2м2 (0.42 % от площади входного сечения диффузора).
Демпфирующие сквозные отверстия были выполнены при модернизации трубы на основе экспериментальных результатов по исследованию инфразвуковых пульсаций давления в рабочем канале аэродинамической трубы. Эскиз с расположением демпфирующих отверстий представлен на рис. 6.
Рис. 6. Диффузор с демпфирующими отверстиями. 1 — диффузор; 2 — кольцевой раструб; 3 — лопасти вентилятора
Переходный участок
К диффузору примыкает переходный участок длиной 2500 мм. На длине этого участка осуществляется плавный конструктивный переход от круглого поперечного сечения диффузора к восьмиугольному поперечному сечению контура аэродинамической трубы. Начало переходного участка представляет собой цилиндр постоянного поперечного сечения диаметром 3000 мм и длиной 300 мм.
В переходном участке расположен ведомый вал вентилятора, установленный на двух подшипниковых опорах. Опоры установлены на горизонтальных площадках, размещенных каждая на трёх силовых пластинах толщиной 40 мм и шириной 400 мм. Опоры и силовые пластины связаны между собой полуцилиндрическим трубным сегментом. Опоры, трубный сегмент, три силовые пластины удалённой от лопастей вентилятора опоры скрыты цилиндрическим телом вентилятора, см. рис.5; видны лишь три силовые пластины ближайшей к вентилятору опоры.
При экспериментальных исследованиях потока в открытой рабочей части аэродинамической трубы было выявлено существование значительного по амплитуде и площади вихревого течения, выходящего из сопла и, предположительно, индуцированного лопастями вентилятора. Ослаблению влияния вихревого течения до приемлемых параметров потока в открытой рабочей части способствовало конструктивное решение по установке в переходном участке за лопастями вентилятора спрямляющих поток пластин и короба, накрывающего полуцилиндрический трубный сегмент. Фотография элементов конструкции за лопастями вентилятора приведена на рис. 7.
Рис. 7. Вид на спрямляющие пластины и короб за лопастями вентилятора
Поворотные секции
За переходным участком расположены 1 и 2 поворотные секции, обратный канал (конструктивное исполнение внутреннего канала аэродинамической трубы от переходного участка до сопла — восьмиугольное поперечное сечение), 3 и 4 поворотные секции.
Для уменьшения потерь на сопротивление и улучшения поля скоростей потока в поворотных секциях установлены направляющие лопатки, профилированные в соответствии с рекомендациями работ [2,4]. Выполненный нами расчёт в соответствии с указанными рекомендациями дан в таблице 1, где:
— площадь проходного сечения секции в м2;
— условный диаметр проходного сечения секции в м;
— размер хорды поворотной лопатки в м;
— приведённый размер хорды;
— количество лопаток фактическое, оптимальное или нормальное.
Таблица 1
Данные по лопаткам секций
|
секции |
|
|
|
|
|
|
примечание |
|
№ 1 |
7.45 |
3.08 |
0.755 |
0.252 |
8 |
8 опт. |
приемлемая |
|
№ 2 |
7.45 |
3.08 |
0.755 |
0.252 |
8 |
8 опт. |
приемлемая |
|
№ 3 |
17.5 |
4.72 |
0.755 |
0.164 |
12 |
12 опт. |
короткая |
|
№ 4 |
17.5 |
4.72 |
0.630 |
0.133 |
22 |
21 норм. |
короткая |
Расчёт показал, что в 3 и 4 секциях неоправданно установлены поворотные лопатки с короткими хордами. Такие лопатки приводят к геометрической прозрачности канала, не обеспечивают поворот потока, что может иметь следствием плохое качество потока на входе в форкамеру.
При модернизации поворотных секций выполнено:
удлинение хорд лопаток во 2 и 4 поворотных секциях в направлении движения потока вставками из бакелитовой фанеры толщиной 7 мм, шириной 450 мм и высотой, равной высоте этих лопаток;
соединение вставок между собой и с корпусом аэродинамической трубы в жёсткую конструкцию по горизонтальным линиям элементами из той же бакелитовой фанеры и профиля для гипсокартона.
На рис. 8 и рис. 9 показаны схема удлинения лопаток 2 секции и фотография с монтажом вставок 4 секции, соответственно.
Рис.8. Схема удлинения поворотных лопаток
Рис. 9. Монтаж вставок 4-ой секции (вид из форкамеры)
В результате: на выходе поворотных секций построены жёсткие ячеистые конструкции; размер ячеек по вертикали ~450 мм, размер по горизонтали — шаг установки поворотных лопаток; удлинение хорды поворотной лопатки 4-ой секции до ~1080 мм (приведенный размер хорды составил величину 
).
Форкамера аэродинамической трубы
При модернизации форкамеры выполнены площадка в форкамере и фундамент с наружной нижней стороны форкамеры для установки облегченного хонейкомба, отличающегося конструктивно от классического.
Хонейкомб смонтирован из секций профилированного решётчатого настила размером 1000х1000х30 мм. Размер ячейки в секции 30х30 мм. Хонейкомб представляет собой двухслойную вертикальную конструкцию шириной 360 мм, заполняющую внутренний канал форкамеры.
На рис. 10 приведена фотография, иллюстрирующая размеры и процесс монтажа хонейкомба.
Традиционно считается [4], что наличие хонейкомба и детурбулизирующих сеток обеспечивают качество потока в рабочей части аэродинамической трубы. Вместе с тем, в ряде крупногабаритных аэродинамических труб ЦАГИ (трубы Т-102, Т-103 и Т-104) детурбулизирующие сетки отсутствуют, а в трубе Т-104 отсутствует и хонейкомб [5].
В аэродинамической трубе АТ-11 в процессе модернизации было принято решение отказаться от установки детурбулизирующих сеток по всему аэродинамическому тракту АТ-11 и только на входе в диффузор установить защитную сетку.
Рис. 10. Хонейкомб в процессе монтажа
Модернизированная аэродинамическая труба АТ-11 обеспечивает в открытой рабочей части:
скорость потока до 70 м/с;
степень турбулентности потока менее 1 %;
неравномерность скорости потока в поперечном направлении на длине 1,5 м менее 1,5 %;
В аэродинамической трубе практически полностью демпфированы пульсации давления инфразвукового диапазона.
Литература:
- Богатко В. И., Мирошин Р. Н., Цибаров В. А. О развитии аэродинамики в Ленинградском-Санкт-Петербургском университете // В сб.: Аэродинамика (к 60-летию лаборатории аэродинамики С.-Петербургского университета) / Под ред. Р. Н. Мирошина. CПб.: Изд-во С.-Петербургского ун-та, 1997. С. 5–29.
- Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М. -Машиностроение, 1992. 672 с.
- Мирошин Р. Н., Крылов В. Д. Проектирование, отладка и пуск аэродинамических труб АТ-11 и АТ-13. Модернизация трубы АТ-12 (промежуточный отчет № 2 — эскизный проект аэродинамической трубы АТ-11). Отчет НИММ ЛГУ, 1980. 40 с.
- Повх И. Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. Изд. 3-е, доп. исправл., Изд-во Машиностроение (Ленингр. отд-ние). 1974. 480 с.
- Экспериментальная база ЦАГИ [Электронный ресурс]. URL: http://www.tsagi.ru/experimental_base/ (дата обращения 05.11.2015)
