CN115264953B - 一种用于超大型蓄热式加热器的支撑装置及安装方法 - Google Patents
一种用于超大型蓄热式加热器的支撑装置及安装方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于高超声速风洞试验设备领域，公开了一种用于超大型蓄热式加热器的支撑装置及安装方法。该支撑装置的安装基础为顶面开口、底面封闭的竖直放置的方形体，安装基础设置有中心空腔；安装支座固定在安装基础的顶面，立式蓄热式加热器通过安装支座悬挂安装在安装基础的内腔中；气流流出立式蓄热式加热器后折转90°流入水平放置的喷管。该安装方法包括在立式蓄热式加热器的承压壳体上固定安装支座，在安装基础上加工支撑墩，预埋地脚螺栓，吊装、安装、调整立式蓄热式加热器，安装立式蓄热式加热器的蓄热体。该支撑装置及安装方法能够适应2米量级大型高超声速风洞试验气流加热需求，具有工程实用性。
Description
技术领域
本发明属于高超声速风洞试验设备领域，具体涉及一种用于超大型蓄热式加热器的支撑装置及安装方法。
背景技术
在用空气作试验介质的常规高超声速风洞中，由于气流流速极高，达到马赫数5至10，气流经喷管剧烈膨胀后，气流中的水蒸汽和二氧化碳发生凝结，造成流场的不均匀性，使得试验数据不准确，这在高超声速风洞气动试验中是不允许的。因此，在以空气为介质的常规高超声速风洞中需要设置蓄热式加热器，将气流加热到所需要的防冷凝温度。
蓄热式加热器由内部的蓄热体和外部的承压壳体组成，蓄热式加热器的工作原理是预先将蓄热体加热到要求的温度，之后气流过蓄热体并与蓄热体换热，将气流加热到所需要的防冷凝温度后，气流流出蓄热式加热器至下游喷管，形成超音速流场。
喷管出口直径为2米量级的大型高超声速风洞所配置的蓄热式加热器，要长期在大流量、高温、高压、高速气体环境下工作，经测算，其最高使用温度达1373K，运行压力范围为10Mpa~12MPa，最大气流量大于650kg/s，蓄热式加热器下游最大气流速度为马赫数10。
通常，蓄热式加热器水平布置，即采用卧式蓄热式加热器形式，下游直接连接喷管，卧式蓄热式加热器的中心轴线与喷管的中心轴线重合。为了满足2米量级大型高超声速风洞试验对气流的加热需求，卧式蓄热式加热器总长度大于17m，筒体外径大于Φ3500mm；内部的蓄热体长度大于12米，重量大于300吨，卧式蓄热式加热器的总重量超过500吨。
卧式蓄热式加热器支撑的支撑装置设计面临以下困难：
1.在长期保温蓄热过程中，蓄热体的大部分支撑装置处于卧式蓄热式加热器最高工作温度区域内，支撑装置既要耐高温还要保证强度，会导致支撑装置截面积增大；而蓄热体与承压壳体之间的导热面积大，容易导致承压壳体的筒体段超温，影响使用安全，需要在整个筒体段设置外部水冷夹层，增大冷却面积；但是增大冷却面积会增大蓄热体的热量损失，降低卧式蓄热式加热器的加热效率，甚至使卧式蓄热式加热器无法满足气流加热要求；
2.卧式蓄热式加热器，包括蓄热体在内的内部元件重达几百吨，安装、拆卸困难；
3.卧式蓄热式加热器，占地面积大，增加厂房建设成本。
假设采用立式蓄热式加热器，支撑装置的固支点位于立式蓄热式加热器的下封头底部。同时要求，在各种工况下，立式蓄热式加热器的出气口高度不能改变，以确保喷管中心标高固定，不上下移动。则底部支撑立式蓄热式加热器具有以下问题：
1.在高温高压工况下，承压壳体的温度升高，承压壳体受热伸长，立式蓄热式加热器会增高，进而改变喷管中心标高，甚至损坏立式蓄热式加热器及下游喷管；
2.气流从立式蓄热式加热器进入喷管高速喷出时，会在立式蓄热式加热器内部产生极大的气流反作用力，而立式蓄热式加热器固支点在最底部且立式蓄热式加热器高度超过17米，会产生一个较大的力距，可能导致立式蓄热式加热器倾斜甚至倾覆；
3.立式蓄热式加热器内部蓄热体高度大于12米，重量大于300吨，蓄热体外为薄壁的内衬筒及纤维棉保温层，需要确保立式蓄热式加热器的垂直度，以避免蓄热体发生倾斜时损坏内衬筒和纤维棉保温层。
当前，亟需发展一种用于超大型蓄热式加热器的支撑装置及安装方法。
发明内容
为了解决卧式蓄热式加热器存在的支撑装置结构复杂、外部水冷夹层降低加热效率、内部元件安装拆卸困难、增大厂房占地面积；立式蓄热式加热器支撑装置的固支点位于下封头所产生的，立式蓄热式加热器出气口标高改变、气流反作用力影响安全、内部蓄热体可能发生倾斜等问题，本发明提供了一种用于超大型蓄热式加热器的支撑装置及安装方法。
本发明的用于超大型蓄热式加热器的支撑装置，其特点是，所述的支撑装置包括安装支座和安装基础；安装基础为顶面开口、底面封闭的竖直放置的方形体，安装基础设置有中心空腔，方形体的下部位于地面以下，对应的地面以下的中心空腔为地坑；安装支座固定在安装基础的顶面，立式蓄热式加热器通过安装支座悬挂安装在安装基础的内腔中；气流流出立式蓄热式加热器后折转90°流入水平放置的喷管；
立式蓄热式加热器的内部元件支撑装置位于立式蓄热式加热器的下封头内腔中，实现蓄热体的内部支撑；安装支座套装在立式蓄热式加热器的筒体段最上端，实现立式蓄热式加热器的悬挂安装；
安装支座由两个左右对称分布的弧形支座组成，每个弧形支座包括1个包裹在立式蓄热式加热器的筒体段最上端的半圆弧垫块，1个包裹在半圆弧垫块外侧的半圆弧耳块，2个安装在半圆弧耳块的上表面、左右对称分布的吊耳，2个贯穿半圆弧耳块、左右对称分布的地脚螺栓孔，以及沿半圆弧耳块周向均匀分布、用于提高半圆弧耳块强度的若干个加强筋。
进一步地，所述的安装基础的两侧设置有左右对称的2个方形的支撑墩，支撑墩的长度大于对应的半圆弧耳块的长度，支撑墩的宽度大于对应的半圆弧耳块的宽度；支撑墩到立式蓄热式加热器的筒体段外壁面的距离为100mm。
进一步地，所述的弧形支座的上下两侧去除部分圆弧部段，修型为直线部段。
本发明的用于超大型蓄热式加热器的支撑装置的安装方法，包括以下步骤：
S10.在立式蓄热式加热器的承压壳体上固定安装支座；
对半圆弧垫块进行修形，确保半圆弧垫块与承压壳体筒体段外壁面的贴合度，两者之间的最大间隙小于1mm，然后将半圆弧垫块四周与筒体段最上端焊接，达到全焊透的要求；在半圆弧垫块的外侧焊接半圆弧耳块，焊接前调整半圆弧耳块上下表面的平面度和水平度，确保平面度小于1mm、水平倾斜角小于0.05°，焊接后半圆弧耳块的上下表面与筒体段垂直；在每个半圆弧耳块的上表面焊接2个吊耳，4个吊耳中心对称；
S20.在安装基础两侧设置支撑墩；
在安装基础的两侧左右对称设置2个支撑墩，支撑墩的上表面的平面度小于1mm、水平倾斜角小于0.05°；
S30.预埋地脚螺栓；
在安装基础的上端预埋4个地脚螺栓，地脚螺栓的位置与地脚螺栓孔的位置对应，裸露的地脚螺栓高度大于半圆弧耳块和对应螺母高度之和；并将地脚螺栓附近的支撑墩上表面继续打磨平整，确保支撑墩的上表面的平面度小于1mm、水平倾斜角小于0.05°；
S40.吊装立式蓄热式加热器；
采用吊装设备通过吊耳将立式蓄热式加热器吊装起来，并将立式蓄热式加热器的姿态调整到竖直状态，直至立式蓄热式加热器的垂直度小于0.3°；
S50.安装立式蓄热式加热器；
保持立式蓄热式加热器的竖直静止平衡状态，利用吊装设备将立式蓄热式加热器从安装基础上部缓慢插入地坑内，直至地脚螺栓孔完全套入地脚螺栓，半圆弧耳块的下表面接触支撑墩；
S60.调整立式蓄热式加热器；
首先调整立式蓄热式加热器的垂直度，然后调整立式蓄热式加热器的位置，确保立式蓄热式加热器的垂直度小于0.3°，同时确保中心线A与喷管中心线平行且在同一垂直平面上，最后拆除吊装设备；
S70.安装立式蓄热式加热器的蓄热体；
继续利用吊装设备，在立式蓄热式加热器的支撑孔板上，从下往上堆叠蓄热体，在堆叠的过程中不断调整蓄热体，确保堆叠完成后，蓄热体与支撑孔板垂直，蓄热体的中心轴线与立式蓄热式加热器的中心轴线重合。
通过本发明的用于超大型蓄热式加热器的支撑装置实现了蓄热式加热器的竖直悬挂安装，立式蓄热式加热器内部热气上浮、冷气下沉，下封头的温度大幅下降，确保下封头是整个立式蓄热式加热器温度最低的区域，降低了内部元件支撑装置的耐温要求，使得内部元件支撑装置的支撑孔板直径减小，支撑孔板与承压壳体之间的导热面减小，热量损失减小；同时，通过在下封头外壁面设置外部水冷夹层，继续减小承压壳体的热量损失，提高立式蓄热式加热器的加热效率。
本发明的用于超大型蓄热式加热器的支撑装置中的安装支座设置在立式蓄热式加热器筒体段最上端，大幅缩短安装支座的安装支点到立式蓄热式加热器的出口高度，将立式蓄热式加热器向上的热伸长量大幅减小到允许范围内，不会改变喷管中心标高；同时减小喷管气流反作用力带来的力距，确保立式蓄热式加热器不发生倾斜倾覆。
本发明的用于超大型蓄热式加热器的支撑装置中的安装支座的弧形支座上下两侧去除部分圆弧部段，修型为直线部段，减小了安装支座的宽度，进而减小地坑的宽度，减小地基施工量，节约厂房空间；而且在承压壳体长途运输过程中，能用于支撑固定承压壳体，保证承压壳体在运输过程中稳定。
本发明的用于超大型蓄热式加热器的支撑装置中的安装支座的半圆弧耳块下表面在同一水平面上，且与立式蓄热式加热器的中心轴线垂直，确保立式蓄热式加热器的重量均匀分布在2个半圆弧耳块上。
本发明的用于超大型蓄热式加热器的支撑装置中的支撑墩的长度和宽度分别大于半圆弧耳块的长度和宽度；确保半圆弧耳块和安装基础受力均匀，避免喷管气流反作用力导致立式蓄热式加热器发生倾斜或者倾覆。
本发明的用于超大型蓄热式加热器的支撑装置及安装方法具有以下优点：
1.采用地坑竖直悬挂安装，大幅减小占地面积，节约厂房建设成本；
2.采用地坑竖直悬挂安装，能够利用行车等设备进行内部元件的吊装，安装、拆卸更加方便、快捷；
3.采用地坑竖直悬挂安装，将内部元件支撑装置设置在立式蓄热式加热器温度最低的下封头上，降低了内部元件支撑装置的设计难度，减小了立式蓄热式加热器内部热量损失，提高了加热效率；
4.采用地坑竖直悬挂安装，将安装支座设置在筒体段最上端，大幅缩短安装支点到立式蓄热式加热器的出口高度，将立式蓄热式加热器向上的热伸长量大幅减小到允许范围内，不会改变喷管中心标高；同时减小气流反作用力带来的力距，确保立式蓄热式加热器不发生倾斜倾覆；
5.支撑装置采用左右对称分布的弧形支座，弧形支座及安装基础受力均匀，在大流量高温高速气流冲击环境下，支撑稳定性良好；
6.支撑装置的制造过程以及安装方法的安装过程中，严格保证立式蓄热式加热器承压壳体的竖直度、安装支座与承压壳体的垂直度、内部蓄热体与承压壳体的平行度，使得内部的蓄热体支撑稳定、水平倾斜角小于0.05°，不易发生倾斜。
本发明的用于超大型蓄热式加热器的支撑装置及安装方法能够适应2米量级大型高超声速风洞试验气流加热需求，具有工程实用性。
附图说明
图1为本发明的用于超大型蓄热式加热器的支撑装置的结构示意图；
图2a为本发明的用于超大型蓄热式加热器的支撑装置中的安装支座结构示意图（主视图）；
图2b为本发明的用于超大型蓄热式加热器的支撑装置中的安装支座结构示意图（俯视图）；
图3为本发明的用于超大型蓄热式加热器的支撑装置中的安装支座的位置示意图（俯视图）。
图中，1.立式蓄热式加热器；2.安装支座；3.地坑；4.安装基础；5.半圆弧垫块；6.半圆弧耳块；7.吊耳；8.地脚螺栓孔；9.加强筋。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例1
如图1、图2a、图2b、图3所示，本实施例的用于超大型蓄热式加热器的支撑装置，其特点是，所述的支撑装置包括安装支座2和安装基础4；安装基础4为顶面开口、底面封闭的竖直放置的方形体，安装基础4设置有中心空腔，方形体的下部位于地面以下，对应的地面以下的中心空腔为地坑3；安装支座2固定在安装基础4的顶面，立式蓄热式加热器1通过安装支座2悬挂安装在安装基础4的内腔中；气流流出立式蓄热式加热器1后折转90°流入水平放置的喷管；
立式蓄热式加热器1的内部元件支撑装置位于立式蓄热式加热器1的下封头内腔中，实现蓄热体的内部支撑；安装支座2套装在立式蓄热式加热器1的筒体段最上端，实现立式蓄热式加热器1的悬挂安装；
安装支座2由两个左右对称分布的弧形支座组成，每个弧形支座包括1个包裹在立式蓄热式加热器1的筒体段最上端的半圆弧垫块5，1个包裹在半圆弧垫块5外侧的半圆弧耳块6，2个安装在半圆弧耳块6的上表面、左右对称分布的吊耳7，2个贯穿半圆弧耳块6、左右对称分布的地脚螺栓孔8，以及沿半圆弧耳块6周向均匀分布、用于提高半圆弧耳块6强度的若干个加强筋9。
进一步地，所述的安装基础4的两侧设置有左右对称的2个方形的支撑墩，支撑墩的长度大于对应的半圆弧耳块6的长度，支撑墩的宽度大于对应的半圆弧耳块6的宽度；支撑墩到立式蓄热式加热器1的筒体段外壁面的距离为100mm。
进一步地，所述的弧形支座的上下两侧去除部分圆弧部段，修型为直线部段。
本实施例的用于超大型蓄热式加热器的支撑装置的安装方法，包括以下步骤：
S10.在立式蓄热式加热器1的承压壳体上固定安装支座2；
对半圆弧垫块5进行修形，确保半圆弧垫块5与承压壳体筒体段外壁面的贴合度，两者之间的最大间隙小于1mm，然后将半圆弧垫块5四周与筒体段最上端焊接，达到全焊透的要求；在半圆弧垫块5的外侧焊接半圆弧耳块6，焊接前调整半圆弧耳块6上下表面的平面度和水平度，确保平面度小于1mm、水平倾斜角小于0.05°，焊接后半圆弧耳块6的上下表面与筒体段垂直；在每个半圆弧耳块6的上表面焊接2个吊耳7，4个吊耳7中心对称；
S20.在安装基础4两侧设置支撑墩；
在安装基础4的两侧左右对称设置2个支撑墩，支撑墩的上表面的平面度小于1mm、水平倾斜角小于0.05°；
S30.预埋地脚螺栓；
在安装基础4的上端预埋4个地脚螺栓，地脚螺栓的位置与地脚螺栓孔8的位置对应，裸露的地脚螺栓高度大于半圆弧耳块6和对应螺母高度之和；并将地脚螺栓附近的支撑墩上表面继续打磨平整，确保支撑墩的上表面的平面度小于1mm、水平倾斜角小于0.05°；
S40.吊装立式蓄热式加热器1；
采用吊装设备通过吊耳7将立式蓄热式加热器1吊装起来，并将立式蓄热式加热器1的姿态调整到竖直状态，直至立式蓄热式加热器1的垂直度小于0.3°；
S50.安装立式蓄热式加热器1；
保持立式蓄热式加热器1的竖直静止平衡状态，利用吊装设备将立式蓄热式加热器1从安装基础4上部缓慢插入地坑3内，直至地脚螺栓孔8完全套入地脚螺栓，半圆弧耳块6的下表面接触支撑墩；
S60.调整立式蓄热式加热器1；
首先调整立式蓄热式加热器1的垂直度，然后调整立式蓄热式加热器1的位置，确保立式蓄热式加热器1的垂直度小于0.3°，同时确保中心线A与喷管中心线平行且在同一垂直平面上，最后拆除吊装设备；
S70.安装立式蓄热式加热器1的蓄热体；
继续利用吊装设备，在立式蓄热式加热器1的支撑孔板上，从下往上堆叠蓄热体，在堆叠的过程中不断调整蓄热体，确保堆叠完成后，蓄热体与支撑孔板垂直，蓄热体的中心轴线与立式蓄热式加热器1的中心轴线重合。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (3)
1.一种用于超大型蓄热式加热器的支撑装置，其特征在于，所述的支撑装置包括安装支座（2）和安装基础（4）；安装基础（4）为顶面开口、底面封闭的竖直放置的方形体，安装基础（4）设置有中心空腔，方形体的下部位于地面以下，对应的地面以下的中心空腔为地坑（3）；安装支座（2）固定在安装基础（4）的顶面，立式蓄热式加热器（1）通过安装支座（2）悬挂安装在安装基础（4）的内腔中；气流流出立式蓄热式加热器（1）后折转90°流入水平放置的喷管；
立式蓄热式加热器（1）的内部元件支撑装置位于立式蓄热式加热器（1）的下封头内腔中，实现蓄热体的内部支撑；安装支座（2）套装在立式蓄热式加热器（1）的筒体段最上端，实现立式蓄热式加热器（1）的悬挂安装；
安装支座（2）由两个左右对称分布的弧形支座组成，每个弧形支座包括1个包裹在立式蓄热式加热器（1）的筒体段最上端的半圆弧垫块（5），1个包裹在半圆弧垫块（5）外侧的半圆弧耳块（6），2个安装在半圆弧耳块（6）的上表面、左右对称分布的吊耳（7），2个贯穿半圆弧耳块（6）、左右对称分布的地脚螺栓孔（8），以及沿半圆弧耳块（6）周向均匀分布、用于提高半圆弧耳块（6）强度的若干个加强筋（9）；
所述的安装基础（4）的两侧设置有左右对称的2个方形的支撑墩，支撑墩的长度大于对应的半圆弧耳块（6）的长度，支撑墩的宽度大于对应的半圆弧耳块（6）的宽度；支撑墩到立式蓄热式加热器（1）的筒体段外壁面的距离为100mm。
2.根据权利要求1所述的用于超大型蓄热式加热器的支撑装置，其特征在于，所述的弧形支座的上下两侧去除部分圆弧部段，修型为直线部段。
3.根据权利要求1~2所述的任意一种用于超大型蓄热式加热器的支撑装置的安装方法，其特征在于，所述的安装方法包括以下步骤：
S10.在立式蓄热式加热器（1）的承压壳体上固定安装支座（2）；
对半圆弧垫块（5）进行修形，确保半圆弧垫块（5）与承压壳体筒体段外壁面的贴合度，两者之间的最大间隙小于1mm，然后将半圆弧垫块（5）四周与筒体段最上端焊接，达到全焊透的要求；在半圆弧垫块（5）的外侧焊接半圆弧耳块（6），焊接前调整半圆弧耳块（6）上下表面的平面度和水平度，确保平面度小于1mm、水平倾斜角小于0.05°，焊接后半圆弧耳块（6）的上下表面与筒体段垂直；在每个半圆弧耳块（6）的上表面焊接2个吊耳（7），4个吊耳（7）中心对称；
S20.在安装基础（4）两侧设置支撑墩；
在安装基础（4）的两侧左右对称设置2个支撑墩，支撑墩的上表面的平面度小于1mm、水平倾斜角小于0.05°；
S30.预埋地脚螺栓；
在安装基础（4）的上端预埋4个地脚螺栓，地脚螺栓的位置与地脚螺栓孔（8）的位置对应，裸露的地脚螺栓高度大于半圆弧耳块（6）和对应螺母高度之和；并将地脚螺栓附近的支撑墩上表面继续打磨平整，确保支撑墩的上表面的平面度小于1mm、水平倾斜角小于0.05°；
S40.吊装立式蓄热式加热器（1）；
采用吊装设备通过吊耳（7）将立式蓄热式加热器（1）吊装起来，并将立式蓄热式加热器（1）的姿态调整到竖直状态，直至立式蓄热式加热器（1）的垂直度小于0.3°；
S50.安装立式蓄热式加热器（1）；
保持立式蓄热式加热器（1）的竖直静止平衡状态，利用吊装设备将立式蓄热式加热器（1）从安装基础（4）上部缓慢插入地坑（3）内，直至地脚螺栓孔（8）完全套入地脚螺栓，半圆弧耳块（6）的下表面接触支撑墩；
S60.调整立式蓄热式加热器（1）；
首先调整立式蓄热式加热器（1）的垂直度，然后调整立式蓄热式加热器（1）的位置，确保立式蓄热式加热器（1）的垂直度小于0.3°，同时确保中心线A与喷管中心线平行且在同一垂直平面上，最后拆除吊装设备；
S70.安装立式蓄热式加热器（1）的蓄热体；
继续利用吊装设备，在立式蓄热式加热器（1）的支撑孔板上，从下往上堆叠蓄热体，在堆叠的过程中不断调整蓄热体，确保堆叠完成后，蓄热体与支撑孔板垂直，蓄热体的中心轴线与立式蓄热式加热器（1）的中心轴线重合。
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