一种安设轴向滑移旋转叶轮对的涡激振动抑制装置及方法与流程

本发明属于海洋立管设施铺设技术领域，具体涉及一种安设轴向滑移旋转叶轮对的涡激振动抑制装置及方法。

背景技术：

海洋工程领域的大多关键结构为圆柱体结构，例如海洋立管、锚链、系泊缆、动力缆等。随着深海资源开发力度的加大，安全稳定的大长径比立管系统和系泊系统是正常开发和生产的保证，这就需要对圆柱体结构物进行深入的水动力学研究，掌握其在复杂海洋环境下的流固耦合特性。以海洋立管为代表的圆柱体结构物在海流的作用下会发生涡激振动，从而诱使结构疲劳破坏。近年来的立管振动断裂、平台桩柱振动疲劳损伤等事件频发，产生了严重的安全事故，不仅造成巨大的经济损失，还严重破坏了区域环境。因此，设计有效抑制海洋柱体结构物振动的装置十分紧迫和必要。

涡激振动本身属于流固耦合问题，绕流边界层的分离，旋转脱落模式与泄放形态，结构振动反过来对流场旋涡的影响等都增加了问题的难度。现有的涡激振动抑制装置主要从改变边界层分离点入手，如各种改变绕流结构物形状的被动抑制装置，但这些装置大都固定安装，不能适应海流方向地变化，无法自主调整。另有一些利用外部能量注入边界层的方法，但由于消耗额外能量，在实际使用时存在较大的困难。

技术实现要素：

针对背景技术中所提出的问题，本发明旨在提供一种能够适应海流流向变化、无需消耗外部能量的安设轴向滑移旋转叶轮对的涡激振动抑制装置及方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种安设轴向滑移旋转叶轮对的涡激振动抑制装置由上、下两个转动件、一个套筒、两个固定环和四根弹簧组成。套筒内径等于立管外径，套筒套装在立管外。套筒外壁周向等间距均布四条滑轨，滑轨与套筒轴线平行。

转动件由转动件内圈、转动件外圈和滚珠组成。转动件内圈为一圆环，其内壁面周向等间距均匀开设有四条滑槽，该滑槽与套筒外壁上的滑轨对应契合。转动件内圈一侧端面沿周向均布四个螺纹孔，且每个螺纹孔刚好位于两个滑槽中间，转动件内圈外壁面开设一圈凹槽。转动件外圈为对称的两个半圆环形构件通过螺栓连接而成，其内壁面开设一圈凹槽，转动件内圈与转动件外圈的凹槽间布置滚珠，转动件外圈套装在转动件内圈外，可发生相对转动。转动件外圈的外壁面沿周向等间距布设四片尺寸相同的圆弧形叶片，且四片叶片的圆弧与水平面的夹角相同。

上转动件内圈端面的螺纹孔开口向下，下转动件内圈端面的螺纹孔开口向上，且上、下转动件内圈的螺纹孔在垂线上成对对齐。上转动件外圈叶片的圆弧凹面向上，下转动件外圈叶片的圆弧凹面向下，即上、下转动件外圈叶片关于水平面镜像对称。

弹簧两端各连有一个固定钩，固定钩端部布有螺纹，与转动件内圈的螺纹孔啮合，在上、下转动件的四对螺纹孔间各布置一根弹簧，使上、下转动件由四根弹簧连接，且弹簧的初始状态为自然伸长状态。

固定环由对称的两个半圆环形构件组成，通过螺栓套装固定在套筒的端部。两个固定环分别与套筒顶端和底端相抵，固定环外壁直径等于滑轨高度，可以防止转动件从滑轨两端滑出。

利用所述的安设轴向滑移旋转叶轮对的涡激振动抑制装置可以提供一种安设轴向滑移旋转叶轮对的涡激振动抑制方法。将安有本装置的立管置于海水中，海流流经立管时，由于叶片和弹簧存在，影响了海水绕流，破坏了边界层，进一步影响旋涡的形成和脱落，起到了被动控制涡激振动的效果。同时，海水冲击两个转动件的叶片，在叶片上下表面产生压力差，驱动叶片带动转动件外圈旋转，且叶片产生垂向升力，可带动转动件在轴向沿滑轨滑移。由于上、下转动件叶片圆弧凹面方向相反，所以上、下两个转动外圈的旋转方向相反，上、下两个转动件受到的轴向升力也相反。上、下两转动件在轴向向相反方向运动，将拉伸弹簧受力。由于海水速度和方向的不稳定性，会使弹簧不断的伸长与收缩，使转动件在滑轨上不断滑移，套筒两端的固定环对转动件的轴向滑移起到有效限位。旋转的叶片和轴向滑移的转动件使立管壁面绕流边界层受到深度破坏，起到了主动控制涡激振动的作用。因而，实现主动与被动共同抑制涡激振动的功能。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

1、本发明装置转动件受海流冲击后，外圈能够自由旋转且转动件在轴向沿滑轨移动，不需要额外提供动力就能产生相对运动。

2、本发明装置巧妙地运用了弹簧，控制了上、下转动件之间的距离，有效避免两转动件在轴向运动时发生碰撞。

3、本发明装置可以作为一个基本单元，在实际安装使用时，可按照一定的间距在海洋立管上串列布置，实现不同部位的涡激振动抑制。

4、本发明装置的套筒高度可以根据实际海洋环境设置，以改变供转动件滑移的路程，达到最佳的涡激振动抑制效果。

附图说明

图1为本发明装置整体结构示意图；

图2为本发明装置套筒及转动件内圈结构示意图；

图3为本发明装置转动件和弹簧连接示意图；

图4为本发明装置转动件拆分示意图；

图5为本发明装置弹簧和固定钩连接示意图；

图6为本发明装置固定环结构示意图；

其中：1、立管；2、套筒；3、固定环；4、叶片；5、滑轨；6、弹簧；7、转动件外圈；8、转动件内圈；9、滚珠；10、固定钩；11、螺纹孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步描述。

如图1，图2所示，一种安设轴向滑移旋转叶轮对的涡激振动抑制装置由上、下两个转动件、一个套筒2、两个固定环3和四根弹簧6组成。套筒2内径等于立管1外径，套筒2套装在立管1外。套筒2外壁周向等间距均布四条滑轨5，滑轨5与套筒2轴线平行。

如图3，图4所示，转动件由转动件内圈8、转动件外圈7和滚珠9组成。转动件内圈8为一圆环，其内壁面周向等间距均匀开设有四条滑槽，该滑槽与套筒2外壁上的滑轨5对应契合。转动件内圈8一侧端面沿周向均布四个螺纹孔11，且每个螺纹孔11刚好位于两个滑槽中间，转动件内圈8外壁面开设一圈凹槽。转动件外圈7为对称的两个半圆环形构件通过螺栓连接而成，其内壁面开设一圈凹槽，转动件内圈8与转动件外圈7的凹槽间布置滚珠9，转动件外圈7套装在转动件内圈8外，可发生相对转动。转动件外圈7的外壁面沿周向等间距布设四片尺寸相同的圆弧形叶片4，且四片叶片4的圆弧与水平面的夹角相同。

上转动件内圈8端面的螺纹孔11开口向下，下转动件内圈8端面的螺纹孔11开口向上，且上、下转动件内圈8的螺纹孔11在垂线上成对对齐。上转动件外圈7叶片4的圆弧凹面向上，下转动件外圈7叶片4的圆弧凹面向下，即上、下转动件外圈7叶片4关于水平面镜像对称。

如图5所示，弹簧6两端各连有一个固定钩10，固定钩10端部布有螺纹，与转动件内圈8的螺纹孔11啮合，在上、下转动件的四对螺纹孔11间各布置一根弹簧6，使上、下转动件由四根弹簧6连接，且弹簧6的初始状态为自然伸长状态。

如图6所示，固定环3由对称的两个半圆环形构件组成，通过螺栓套装固定在套筒2的端部。两个固定环3分别与套筒2顶端和底端相抵，固定环3外壁直径等于滑轨5高度，可以防止转动件从滑轨5两端滑出。

利用所述的安设轴向滑移旋转叶轮对的涡激振动抑制装置可以提供一种安设轴向滑移旋转叶轮对的涡激振动抑制方法。将安有本装置的立管1置于海水中，海流流经立管1时，由于叶片4和弹簧6存在，影响了海水绕流，破坏了边界层，进一步影响旋涡的形成和脱落，起到了被动控制涡激振动的效果。同时，海水冲击两个转动件的叶片4，在叶片4上下表面产生压力差，驱动叶片4带动转动件外圈7旋转，且叶片4产生垂向升力，可带动转动件在轴向沿滑轨5滑移。由于上、下转动件叶片4圆弧凹面方向相反，所以上、下两个转动外圈7的旋转方向相反，上、下两个转动件受到的轴向升力也相反。上、下两转动件在轴向向相反方向运动，将拉伸弹簧6受力。由于海水速度和方向的不稳定性，会使弹簧6不断的伸长与收缩，使转动件在滑轨5上不断滑移，套筒2两端的固定环3对转动件的轴向滑移起到有效限位。旋转的叶片4和轴向滑移的转动件使立管1壁面绕流边界层受到深度破坏，起到了主动控制涡激振动的作用。因而，实现主动与被动共同抑制涡激振动的功能。

实施例

本发明装置可以作为一个基本单元，按照一定的间距在立管1上串列布置，实现不同部位的涡激振动抑制。

现场安装时，首先安装套筒2，将套筒2套装在立管1外壁，然后在套筒2外套装上、下转动件的转动件内圈8，使转动件内圈8内壁面的滑槽与套筒2外壁面的滑轨5对应契合，并使上转动件内圈8的螺纹孔11开口朝下，下转动件内圈8的螺纹孔11开口朝上，且上、下转动件内圈8的螺纹孔11成对对齐。接着，分别在上、下两个转动件内圈8的四个螺纹孔11中插入固定钩10，固定钩10端部的公螺纹与螺纹孔11的母螺纹啮合。然后，在上、下两个转动件内圈8的固定钩10之间分别连接四根弹簧6，使弹簧6处于自然伸长状态。随后，在转动件内圈8外部安装转动件外圈7，内、外圈间的凹槽布置滚珠9，并使上、下转动件叶片4圆弧凹面方向相反。最后，在套筒2的两端分别安装一个固定环3。

将安装完本发明装置的立管1置于海水中，海流流经立管1时，由于叶片4和弹簧6存在，影响了海水绕流，破坏了边界层，进一步影响旋涡的形成和脱落，起到了被动控制涡激振动的效果。同时，海水冲击两个转动件的叶片4，在叶片4上下表面产生压力差，驱动叶片4带动转动件外圈7旋转，且叶片4产生垂向升力，可带动转动件在轴向沿滑轨5滑移。由于上、下转动件叶片4圆弧凹面方向相反，所以上、下两个转动外圈7的旋转方向相反，上、下两个转动件受到的轴向升力也相反。上、下两转动件在轴向向相反方向运动，将拉伸弹簧6受力。由于海水速度和方向的不稳定性，会使弹簧6不断的伸长与收缩，使转动件在滑轨5上不断滑移，套筒2两端的固定环3对转动件的轴向滑移起到有效限位。旋转的叶片4和轴向滑移的转动件使立管1壁面绕流边界层受到深度破坏，起到了主动控制涡激振动的作用。因而，实现主动与被动共同抑制涡激振动的功能。