[發明專利]一種安設軸向滑移旋轉葉輪對的渦激振動抑制裝置及方法

有效

• 申請號: 201610945326.0
• 申請日: 2016-11-02
• 公開（公告）號: CN106499352B
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 朱紅鈞;張愛婧;廖梓行
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: E21B17/10
• 分類號: E21B17/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于海洋立管設施鋪設技術領域，具體涉及一種安設軸向滑移旋轉葉輪對的渦激振動抑制裝置及方法。

背景技術

海洋工程領域的大多關鍵結構為圓柱體結構，例如海洋立管、錨鏈、系泊纜、動力纜等。隨著深海資源開發力度的加大，安全穩定的大長徑比立管系統和系泊系統是正常開發和生產的保證，這就需要對圓柱體結構物進行深入的水動力學研究，掌握其在復雜海洋環境下的流固耦合特性。以海洋立管為代表的圓柱體結構物在海流的作用下會發生渦激振動，從而誘使結構疲勞破壞。近年來的立管振動斷裂、平臺樁柱振動疲勞損傷等事件頻發，產生了嚴重的安全事故，不僅造成巨大的經濟損失，還嚴重破壞了區域環境。因此，設計有效抑制海洋柱體結構物振動的裝置十分緊迫和必要。

渦激振動本身屬于流固耦合問題，繞流邊界層的分離，旋轉脫落模式與泄放形態，結構振動反過來對流場旋渦的影響等都增加了問題的難度。現有的渦激振動抑制裝置主要從改變邊界層分離點入手，如各種改變繞流結構物形狀的被動抑制裝置，但這些裝置大都固定安裝，不能適應海流方向地變化，無法自主調整。另有一些利用外部能量注入邊界層的方法，但由于消耗額外能量，在實際使用時存在較大的困難。

發明內容

針對背景技術中所提出的問題，本發明旨在提供一種能夠適應海流流向變化、無需消耗外部能量的安設軸向滑移旋轉葉輪對的渦激振動抑制裝置及方法。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為：

一種安設軸向滑移旋轉葉輪對的渦激振動抑制裝置由上、下兩個轉動件、一個套筒、兩個固定環和四根彈簧組成。套筒內徑等于立管外徑，套筒套裝在立管外。套筒外壁周向等間距均布四條滑軌，滑軌與套筒軸線平行。

轉動件由轉動件內圈、轉動件外圈和滾珠組成。轉動件內圈為一圓環，其內壁面周向等間距均勻開設有四條滑槽，該滑槽與套筒外壁上的滑軌對應契合。轉動件內圈一側端面沿周向均布四個螺紋孔，且每個螺紋孔剛好位于兩個滑槽中間，轉動件內圈外壁面開設一圈凹槽。轉動件外圈為對稱的兩個半圓環形構件通過螺栓連接而成，其內壁面開設一圈凹槽，轉動件內圈與轉動件外圈的凹槽間布置滾珠，轉動件外圈套裝在轉動件內圈外，可發生相對轉動。轉動件外圈的外壁面沿周向等間距布設四片尺寸相同的圓弧形葉片，且四片葉片的圓弧與水平面的夾角相同。

上轉動件內圈端面的螺紋孔開口向下，下轉動件內圈端面的螺紋孔開口向上，且上、下轉動件內圈的螺紋孔在垂線上成對對齊。上轉動件外圈葉片的圓弧凹面向上，下轉動件外圈葉片的圓弧凹面向下，即上、下轉動件外圈葉片關于水平面鏡像對稱。

彈簧兩端各連有一個固定鉤，固定鉤端部布有螺紋，與轉動件內圈的螺紋孔嚙合，在上、下轉動件的四對螺紋孔間各布置一根彈簧，使上、下轉動件由四根彈簧連接，且彈簧的初始狀態為自然伸長狀態。

固定環由對稱的兩個半圓環形構件組成，通過螺栓套裝固定在套筒的端部。兩個固定環分別與套筒頂端和底端相抵，固定環外壁直徑等于滑軌高度，可以防止轉動件從滑軌兩端滑出。

利用所述的安設軸向滑移旋轉葉輪對的渦激振動抑制裝置可以提供一種安設軸向滑移旋轉葉輪對的渦激振動抑制方法。將安有本裝置的立管置于海水中，海流流經立管時，由于葉片和彈簧存在，影響了海水繞流，破壞了邊界層，進一步影響旋渦的形成和脫落，起到了被動控制渦激振動的效果。同時，海水沖擊兩個轉動件的葉片，在葉片上下表面產生壓力差，驅動葉片帶動轉動件外圈旋轉，且葉片產生垂向升力，可帶動轉動件在軸向沿滑軌滑移。由于上、下轉動件葉片圓弧凹面方向相反，所以上、下兩個轉動外圈的旋轉方向相反，上、下兩個轉動件受到的軸向升力也相反。上、下兩轉動件在軸向向相反方向運動，將拉伸彈簧受力。由于海水速度和方向的不穩定性，會使彈簧不斷的伸長與收縮，使轉動件在滑軌上不斷滑移，套筒兩端的固定環對轉動件的軸向滑移起到有效限位。旋轉的葉片和軸向滑移的轉動件使立管壁面繞流邊界層受到深度破壞，起到了主動控制渦激振動的作用。因而，實現主動與被動共同抑制渦激振動的功能。

本發明由于采取以上技術方案，具有以下優點：

1、本發明裝置轉動件受海流沖擊后，外圈能夠自由旋轉且轉動件在軸向沿滑軌移動，不需要額外提供動力就能產生相對運動。

2、本發明裝置巧妙地運用了彈簧，控制了上、下轉動件之間的距離，有效避免兩轉動件在軸向運動時發生碰撞。

3、本發明裝置可以作為一個基本單元，在實際安裝使用時，可按照一定的間距在海洋立管上串列布置，實現不同部位的渦激振動抑制。