大型風洞風機鋼結構管道制作安裝技術探討

（中國水利水電第十二工程局機電安裝分局，浙江 麗水 323000）

1 概述

風洞是進行空氣動力學試驗的基本設備，而風機作為風源，所產生的流場在很大程度上影響了風洞試驗的結果。傳統風洞風機是由普通電機、齒輪箱、潤滑冷卻等系統及風洞洞體、風洞整流罩、整流導葉環和葉輪等組成，結構雜亂煩瑣，制造裝配工藝困難，體積大。汽車風洞是專門用以產生人工氣流并能觀測氣流，或氣流與汽車之間相互作用的管道實驗裝置。汽車風洞通過對汽車與空氣之間相對運動的力學研究，對汽車產品開發過程中有關減小空氣阻力、降低油耗、減少噪聲，保障安全性、穩定性，以及發動機冷卻等方面進行科學驗證和改進的專門設施。汽車風洞市場在國內起步較晚，中國汽車技術研究中心汽車風洞項目風洞項目完工后，將大大緩解車企測試難的局面，對于提升我國車企整體設計開發水平，促進我國汽車工業技術進步，具有深遠的社會意義。本文介紹的是中國汽車技術研究中心汽車風洞項目（天津）氣動聲學風洞的風機進出口段制作及安裝技術。

2 工程介紹

氣動聲學風洞（簡稱AAWT）除風機本體外共分三部分，結構形式見圖1，分別是①轉接頭，②入口消音段，③出口消音段，氣流方向由轉接頭流向出口消音段。鋼結構段之間及與風機本體之間采用法蘭螺栓鏈接，風機風管鋼結構管道前后為混凝土管道，風機風管與混凝土采用法蘭螺栓軟性膨脹節連接，入口消音段與風機本體法蘭螺栓膨脹節連接，其余連接部位;轉接頭與入口消音段，風機與擴壓消音段之間采用法蘭螺栓直接連接。風機風管底部安裝好調平后通過地腳螺栓澆筑高強無收縮灌漿料與底面基礎連接。安裝順序以氣流入口為定位基準，將管道鋼結構安裝完成后安裝風機本體，安裝轉接頭→入口消音段→擴壓消音段→風機本體。

圖1 風機風洞結構形式

風機管道分內外筒，內外筒之間的空間為空氣流道，外筒內側和芯筒外側設消音面，對鋼結構的整體平面度有很高要求。轉接頭入口部分是方形，出口部分是圓形，包括外殼、整流罩、支承導葉等構件；總重34210kg，圓口內徑10000mm，方口尺寸9030×9280mm，軸向長度5000mm，外殼材質為Q235，壁厚10mm。整流罩（球形）半徑4500mm，材質Q235，壁厚8mm。入口消音段由外殼、芯筒、支承導葉等構件組成；總重56664.7kg，外殼內徑10590mm，外殼長度7000mm，芯筒外壁尺寸3900mm，長度8000mm。材質均為Q235,板厚均為10mm。擴壓消音段由外殼、錐筒、支承導葉等構件組成；總重161355kg，外殼入口內徑9604mm，外殼出口內徑10094mm，外殼長度14000mm，材質為Q235,壁厚10mm；錐筒外壁入口尺寸3896mm，錐筒外壁出口尺寸272mm，長度14000mm，材質為Q235,板厚均為8mm。

3 風機管道制作

3．1 制作分節

由于管道尺寸較大，若整體運輸較為困難，采用船舶經海路運輸時間較長，無法滿足現場安裝工期；采用汽車經公路運輸，制造廠距離天津項目安裝地點約1500km，整體制造超過公路運輸限制，需考慮好制造分節，既要減少分節以降低現場拼裝焊接量，又要滿足汽車運輸條件。各段鋼管均分為外筒和芯筒，芯筒通過支承導葉與外筒連接支承，支承導葉與內外筒的連接焊縫在現場焊接，各段內外筒均按運輸尺寸分節。外筒分節為瓦片，瓦片開口用臨時支撐固定，避免運輸過程中的變形。轉接頭芯筒整流罩整體制造，外殼部分從方口段分上、下、左、右四段，下段與底座焊成整體運輸。入口段消音段芯筒從中心線剖分為上下兩片瓦片；外殼段長度方向分兩段，端面方向按120°分三節，共六個運輸分節。擴壓消音段芯筒為錐形筒，長度方向分兩端，直徑大段從中心線剖分為上下兩節；外殼段長度方向分三段，端面方向按120°分三節，共九個運輸分節。根據設計要求，筒身各制造分節之間設計法蘭螺栓連接，螺栓間距約300mm，M20高強度螺栓連接，瓦片管口設米字形臨時支撐，臨時支撐用鋼管兩側焊接連接板開螺栓孔與管口法蘭連接，可方便安裝拆卸，減少焊接打磨工作量。

3．2 轉接頭制作

轉接頭外殼尺寸大，板較薄，制作過程需嚴格控制變形，整體組焊需在外部和內部加足夠的臨時支撐。由圓變方的設計通常是將圓錐面素線匯集到方口直邊的交點上，但在實際制作時，錐面按素線在成型過程中尖點面積較小，無法按理論弧度成型，為此在制作時將方口邊線交點改為圓弧過渡，保證成型效果。制作時需按素線展開圖分解為瓦片結構，圓弧段使用卷板機卷制，頂部圓錐弧度太小無法用卷板機卷制，采用壓力機按素線折彎達到圓弧過渡效果，素線法主要是指根據瓦片劃線時畫出的等分素線作為

卷制或壓制的參照線，卷制或壓制時通過控制行程來控制瓦片的變形量，上輥對素線在小范圍內來回滾壓或液壓機進行素線模壓成形，并隨時用樣板檢查瓦片的弧度，直至其達到要求的弧度為止。瓦片組焊成整體后，為保證運輸在在分節位置焊接組對法蘭后按拆分面切割拆分。在組拼過程中由于局部壓制不均勻，會使拼裝難度加大，必須采用局部校正，方法是結合面保持一致，檢測各部位尺寸，合格后用內支撐加固，并焊接縱縫，然后進行整拼，將制作合格的上下兩段進行拼接，通過測量四個圓錐面素線直線度和四個三角形垂直高、直線度保證整體拼裝尺寸符合要求。完成后進行整體檢查調整 ，主要是測量圓口和方口的平面度和平行度，對超標的管口利用水平儀和經緯儀進行放樣切割，達到質量要求。整流罩為半球結構，尺寸較大無法直接壓制成型，故進行分解，從球頂部至直徑為2m段作為悶頭整體壓制，其余部分沿縱向分解為10件瓦片，在平臺上搭設半球內部模板架，將加工好的悶頭和瓦片在模板上拼焊成型。

3．3 入口段和擴壓段制作

入口段內外筒均為直管形式，按設計圖紙分片下料后卷板拼焊，整體組裝，筒體制作時，搭設平面組裝平臺，筒體豎立進行各瓦片組裝，為保證與轉接頭法蘭連接精度，連接法蘭需同時劃線配鉆，組裝時以連接法蘭為基準對筒體調圓，芯筒外部設有消音層，消音層圍板精度高采用二氧化碳氣體保護焊，小電流斷續焊減少變形。擴壓段內外筒為錐形結構，按設計圖紙下料后卷板拼焊，整體組裝，芯筒根據設計分解為5段錐度不同的錐管制作，外部消音層圍板按錐桶制作分段下料，待芯筒整體組裝完成后拼焊，拼焊過程用2m長靠尺控制各圍板間直線度，制作過程密切關注焊接電流，嚴格控制焊接變形。

3．4 支撐桿制作

各段芯筒與外殼間靠支承桿連接承重，芯筒與外殼之間為空氣流道，故支撐桿設計為流線型結構，且需按指定方向和角度安裝，以減少對空氣流動的影響，制作精度高。通過對整體結構的三維建模，能得到支撐桿的理論外形尺寸圖，但經實際測量，由于制作和安裝過程中的尺寸累計誤差，導致與理論尺寸偏差，且與外筒和芯筒的相貫線無法在支撐桿制作過程中實現，故在安裝過程中，使用無縫管和薄鐵皮制作了模具，模擬支撐桿，通過在外殼和芯筒上測量確定支撐桿定位位置，擺放模具，測量數據后在支撐桿上切割長度和相貫線，切割后的支撐桿與內外筒焊接，滿足設計要求。

4 風機管道安裝

風機管道安裝在試驗廠房內，試驗廠房外墻已形成，需等風機風管安裝完成后結頂，廠房內無可用起重設備，安裝方案只能選擇汽車式起重機在廠房外墻以外，通過廠房頂部將風管吊裝至安裝位置，先吊裝風管底部構件，各構件找平，地腳螺栓就位；吊裝芯筒至風管底部臨時存放，風管頂部兩件在廠房外組裝成整體，連接好分節法蘭連接螺栓，然后各段頂部分別吊裝至風管底部，連接與底部的分節法蘭螺栓。外筒吊裝后通過在外殼內臨時支撐位置設置葫蘆將芯筒提升至安裝位置，焊接芯筒支撐，最后焊接支撐桿。安裝過程中設置定位點，對安裝過程中的結構尺寸變形隨時關注調整。

5 結語

大型鋼結構管道的制作安裝難點主要是在控制尺寸和制作過程中的變形，管壁較薄的情況下由于自重和加工精度影響在拼裝過程中發現間隙和局部變形較為明顯，需在制作過程中選擇適當的余量以供修割調整；廠內倒運過程中盡量使用平衡梁吊裝減少吊裝變形，焊接時采用小坡口、小電流，減少焊接填充量和熱輸入；整體組裝時支撐要加固牢靠，并在允許的情況下選擇螺栓連接的方式，減少切割打磨工作；面板局部的凹凸變形校形較為困難的情況，可采取少量耐高溫多功能原子灰以刮膩子的方式修補，對異形管道通過分節構件采用不同的加工工藝制作并結合模具模擬定位會有較好的效果。