一种开窗引流与旋摆结合的立管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，具体涉及一种开窗引流与旋摆结合的立管涡激振动抑制装置及方法。

背景技术：

大力开发海洋油气资源是降低目前居高不下的油气对外依存度的关键方法之一。我国深水油气开发技术已迈入国际先进行列，海洋立管作为连接海床至平台的关键纽带，承载着安全高效输送采出流体的重要使命。然而，随着开采水深的增加，海洋风、浪、流等物理环境对立管的影响徒增。尤其是在海洋波、流的作用下，立管后方会形成旋涡，从而诱发涡激振动。当旋涡脱落频率与立管固有频率相近时，会引起共振，加速立管的疲劳损伤，从而耽误作业周期，造成巨大的经济损失和生态环境破坏。因此，涡激振动的抑制一直是海洋工程技术人员关注的热点。

目前，涡激振动的被动抑制装置主要通过改变立管表面形状，造成边界层分离点的迁移，从而抑制尾流旋涡的形成或发展，如分离盘、整流罩、整流飘带、螺旋列板等。这些装置大多采用金属材质，增加了立管的负担，需要配备更大的浮力块，且金属材质的抑制装置浸泡在海水中易产生腐蚀，从而失去抑制效果。另外，海流方向不断变化，随流转动的抑制装置才能真正适应流向连续变化的海洋环境。涡激振动的主动抑制装置需要注入外部能量来驱动附属装置转动，能耗较大，不便于现场采用。因此，急需轻质、可旋转、非金属材料、无能耗的涡激振动抑制装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有涡激振动抑制装置的不足，提供一种轻质、经济、无能耗的随流旋转的开窗引流与旋摆结合的立管涡激振动抑制装置及方法。

为了实现上述目的，本发明装置采用如下技术方案：

一种开窗引流与旋摆结合的立管涡激振动抑制装置，由旋摆模块和开窗引流网罩组成；旋摆模块包括两个转动轴承、四个圆盘轴承、两个固定支架、八个弧形开孔叶片和一个鱼尾式隔水板。转动轴承为内嵌圆柱滚子的内外圈结构，转动轴承内径等于立管的外径，上、下两个转动轴承按间隔一个开窗引流网罩的高度套装固定在立管外壁。所述的转动轴承高度为固定支架高度的2倍。

固定支架为圆环一侧连接有三根棍柄的三趾爪形结构，所述的三根棍柄的中间一根为长棍柄，其余两根是关于中间长棍柄对称布置的短棍柄，长棍柄轴向开有隔水板插槽，短棍柄端部伸出固定支撑柱，用于固定圆盘轴承；固定支架的圆环内径等于转动轴承的外径，上、下两个固定支架通过各自的圆环分别套装于上、下两个转动轴承外，且上固定支架长棍柄上的隔水板插槽开口向下、下固定支架长棍柄上的隔水板插槽开口向上。

鱼尾式隔水板为表面开有均匀水平凹槽的鱼尾形塑料板，鱼尾式隔水板的上、下两端分别插入上、下两个固定支架的隔水板插槽安装固定，并使鱼尾式隔水板的尾端向外；在固定支架的每个短棍柄端部伸出的固定支撑柱外套装一个内嵌圆柱滚子的圆盘轴承，每个圆盘轴承的圆盘面上沿周向均布四个通孔；弧形开孔叶片为横截面为翼形的长条形叶片，在弧形开孔叶片上沿垂向等间距开有通孔，弧形开孔叶片的两端设支撑柱，弧形开孔叶片的支撑柱伸入圆盘轴承的通孔中固定；每对上、下对应的圆盘轴承间固定四个弧形开孔叶片，且固定后的弧形开孔叶片的翼形头部向内、尾部向外，四个弧形开孔叶片呈旋转轴对称布置。

开窗引流网罩为一圆筒，在其表面沿轴向等间隔开有引流窗口和射流出口；在同一水平高度，开窗引流网罩的一侧开有一个引流窗口，另一侧开有两个射流出口，且该引流窗口与两个射流出口间的开窗引流网罩的筒壁内空，使引流窗口与两个射流出口连通；所述的引流窗口对应的圆心角为90°，所述的射流出口对应的圆心角为10°；在开窗引流网罩上每两个引流窗口之间的区域沿周向均匀开设网状通孔，使开窗引流网罩的内、外侧连通。开窗引流网罩由塑料加工成型，开窗引流网罩的内径等于转动轴承的外径，开窗引流网罩套装于转动轴承外，且开窗引流网罩的上、下两端分别紧挨上、下两个固定支架，并使开有引流窗口的一侧背向鱼尾式隔水板，引流窗口的垂直中心线与鱼尾式隔水板在同一平面，射流出口中心和开窗引流网罩圆心的连线与鱼尾式隔水板所在平面构成的锐角为60°，射流出口正对临近鱼尾式隔水板的一个弧形开孔叶片的弧面。

利用所述的开窗引流与旋摆结合的立管涡激振动抑制装置提供一种开窗引流与旋摆结合的立管涡激振动抑制方法。海流与鱼尾式隔水板间存在攻角时，鱼尾式隔水板在海流的冲击下发生旋转，直至鱼尾式隔水板绕至立管背流侧且与海流流向处于同一平面。一方面，海流从开窗引流网罩的网状通孔部分通过，受网状通孔的节流和整流作用，海流的流向和流速得到调整，同时网状通孔使立管周围的绕流边界层受到破坏，加剧了绕流边界层的湍动强度。另一方面，海流从开窗引流网罩的引流窗口通过，沿着开窗引流网罩圆筒壁内的内空通道流至射流出口，从射流出口喷射出的海流对立管背流侧的尾流区产生了强烈的扰动，使尾部旋涡受到挤压破碎，此外，射流出口喷射出的海流冲击在弧形开孔叶片的弧面上，推动弧形开孔叶片旋转；而被开窗引流网罩的网状通孔节流阻挡的水流部分转移至从引流窗口通过，增加了引流窗口过流的流量，增大了射流出口的流速，加速了弧形开孔叶片的转速。由于开窗引流网罩圆筒表面的网状通孔和引流窗口交替布置，使得海流在垂直方向产生了流动的转移，分散了绕流流体的总能量。在射流出口水流的冲击下，鱼尾式隔水板两侧的弧形开孔叶片旋转方向不同，但均由立管外侧向立管内侧旋转，使得外部流体的动量注入到立管壁面的绕流边界层中，推迟旋涡的形成。同时，部分水流从弧形开孔叶片上的通孔流过，使弧形开孔叶片在旋转的过程中对周围流体产生深度的扰动作用，破坏立管绕流旋涡的形成。水流流至立管背流侧后，鱼尾式隔水板将两侧水流分割，抑制了旋涡的发展，且部分水流沿鱼尾式隔水板的水平凹槽流动，对水流的流动方向又再次做了调整。因而，在开窗引流网罩的网状通孔节流、引流窗口导流、射流出口喷射出流、弧形开孔叶片旋转调配边界层动量和扰乱空间流动、鱼尾式隔水板分割流动空间和调整流向的共同作用下，使立管绕流边界层受到深度破坏，改变了边界层分离点和三维尾流旋涡结构，使绕流流场的湍动强度增大，抑制了大旋涡的形成，从而实现了无能耗的涡激振动抑制。

本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：

1.本发明装置的鱼尾式隔水板在海流冲击下可发生旋转，有效带动转动轴承和开窗引流网罩发生旋转，使整个装置适应流向变化的海洋环境。

2.本发明装置开窗引流网罩的网状通孔使来流流束得到破碎，减小了整个装置受到的阻力。

3.本发明装置开窗引流网罩射流出口喷出的水流部分冲击在鱼尾式隔水板上，并沿鱼尾式隔水板上的水平凹槽流动，增强了鱼尾式隔水板对来流方向的敏感性，更好地顺应来流。

4.本发明装置的固定支架、鱼尾式隔水板、开窗引流网罩和弧形开孔式叶片均由轻质材料加工，整体装置重量轻，不易腐蚀。

附图说明

图1为本发明装置立体结构示意图；

图2为本发明装置的拆装图；

图3为本发明装置转动轴承结构示意图；

图4为本发明装置固定支架及鱼尾式隔水板结构示意图；

图5为本发明装置圆盘轴承装配图；

图6为本发明装置圆盘轴承示意图；

图7为本发明装置圆盘轴承与弧形开孔式叶片连接示意图；

图8为本发明装置开窗引流网罩立体结构示意图；

图9为本发明装置开窗引流网罩a-a剖面图；

图10为本发明装置的工作原理示意图。

其中：1、立管；2、转动轴承；3、固定支架；4、开窗引流网罩；5、鱼尾式隔水板；6、弧形开孔叶片；7、圆盘轴承；8、隔水板插槽；9、引流窗口；10、射流出口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。

如图1所示，一种开窗引流与旋摆结合的立管涡激振动抑制装置，由旋摆模块和开窗引流网罩4组成。旋摆模块包括两个转动轴承2、四个圆盘轴承7、两个固定支架3、八个弧形开孔叶片6和一个鱼尾式隔水板5。

如图3所示，转动轴承2为内嵌圆柱滚子的内外圈结构，转动轴承2内径等于立管1的外径，如图2所示，上、下两个转动轴承2按间隔一个开窗引流网罩4的高度套装固定在立管1外壁。所述的转动轴承2高度为固定支架3高度的2倍。

如图4所示，固定支架3为圆环一侧连接有三根棍柄的三趾爪形结构，所述的三根棍柄的中间一根为长棍柄，其余两根是关于中间长棍柄对称布置的短棍柄，长棍柄轴向开有隔水板插槽8，短棍柄端部伸出固定支撑柱，用于固定圆盘轴承7；固定支架3的圆环内径等于转动轴承2的外径，上、下两个固定支架3通过各自的圆环分别套装于上、下两个转动轴承2外，且上固定支架3长棍柄上的隔水板插槽8开口向下、下固定支架3长棍柄上的隔水板插槽8开口向上。

如图4所示，鱼尾式隔水板5为表面开有均匀水平凹槽的鱼尾形塑料板，鱼尾式隔水板5的上、下两端分别插入上、下两个固定支架3的隔水板插槽8安装固定，并使鱼尾式隔水板5的尾端向外；如图5所示，在固定支架3的每个短棍柄端部伸出的固定支撑柱外套装一个内嵌圆柱滚子的圆盘轴承7，圆盘轴承7一端为圆盘面，如图6所示，每个圆盘轴承7的圆盘面上沿周向均布四个通孔；如图2、图7所示，弧形开孔叶片6为横截面为翼形的长条形叶片，在弧形开孔叶片6上沿垂向等间距开有通孔，弧形开孔叶片6的两端设支撑柱，弧形开孔叶片6的支撑柱伸入圆盘轴承7的通孔中固定；每对上、下对应的圆盘轴承7间固定四个弧形开孔叶片6，且固定后的弧形开孔叶片6的翼形头部向内、尾部向外，四个弧形开孔叶片6呈旋转轴对称布置。

如图8所示，开窗引流网罩4为一圆筒，在其表面沿轴向等间隔开有引流窗口9和射流出口10；在同一水平高度，开窗引流网罩4的一侧开有一个引流窗口9，另一侧开有两个射流出口10，且该引流窗口9与两个射流出口10间的开窗引流网罩4的筒壁内空，使引流窗口9与两个射流出口10连通，如图9所示；所述的引流窗口9对应的圆心角为90°，所述的射流出口10对应的圆心角为10°；在开窗引流网罩4上每两个引流窗口9之间的区域沿周向均匀开设网状通孔，使开窗引流网罩4的内、外侧连通。开窗引流网罩4由塑料加工成型，开窗引流网罩4的内径等于转动轴承2的外径，开窗引流网罩4套装于转动轴承2外，且开窗引流网罩4的上、下两端分别紧挨上、下两个固定支架3，并使开有引流窗口9的一侧背向鱼尾式隔水板5，引流窗口9的垂直中心线与鱼尾式隔水板5在同一平面，射流出口10中心和开窗引流网罩4圆心的连线与鱼尾式隔水板5所在平面构成的锐角为60°，射流出口10正对临近鱼尾式隔水板5的一个弧形开孔叶片6的弧面。

如图10所示，利用所述的开窗引流与旋摆结合的立管涡激振动抑制装置提供一种开窗引流与旋摆结合的立管涡激振动抑制方法。海流与鱼尾式隔水板5间存在攻角时，鱼尾式隔水板5在海流的冲击下发生旋转，直至鱼尾式隔水板5绕至立管1的背流侧且与海流流向处于同一平面。一方面，海流从开窗引流网罩4的网状通孔部分通过，受网状通孔的节流和整流作用，海流的流向和流速得到调整，同时网状通孔使立管1周围的绕流边界层受到破坏，加剧了绕流边界层的湍动强度。另一方面，海流从开窗引流网罩4的引流窗口9通过，沿着开窗引流网罩4圆筒壁内的内空通道流至射流出口10，从射流出口10喷射出的海流对立管1背流侧的尾流区产生了强烈的扰动，使尾部旋涡受到挤压破碎，此外，射流出口10喷射出的海流冲击在弧形开孔叶片6的弧面上，推动弧形开孔叶片6旋转；而被开窗引流网罩4的网状通孔节流阻挡的水流部分转移至从引流窗口9通过，增加了引流窗口9过流的流量，增大了射流出口10的流速，加速了弧形开孔叶片6的转速。由于开窗引流网罩4圆筒表面的网状通孔和引流窗口9交替布置，使得海流在垂直方向产生了流动的转移，分散了绕流流体的总能量。在射流出口10水流的冲击下，鱼尾式隔水板5两侧的弧形开孔叶片6旋转方向不同，但均由立管1外侧向立管1内侧旋转，使得外部流体的动量注入到立管1壁面的绕流边界层中，推迟旋涡的形成。同时，部分水流从弧形开孔叶片6上的通孔流过，使弧形开孔叶片6在旋转的过程中对周围流体产生深度的扰动作用，破坏立管1绕流旋涡的形成。水流流至立管1背流侧后，鱼尾式隔水板5将两侧水流分割，抑制了旋涡的发展，且部分水流沿鱼尾式隔水板5的水平凹槽流动，对水流的流动方向又再次做了调整。因而，在开窗引流网罩4的网状通孔节流、引流窗口9导流、射流出口10喷射出流、弧形开孔叶片6旋转调配边界层动量和扰乱空间流动、鱼尾式隔水板5分割流动空间和调整流向的共同作用下，使立管1绕流边界层受到深度破坏，改变了边界层分离点和三维尾流旋涡结构，使绕流流场的湍动强度增大，抑制了大旋涡的形成，从而实现了无能耗的涡激振动抑制。

实施例：

安装本发明装置时，首先安装转动轴承2，确定了上、下转动轴承2的间距后，分别将上、下转动轴承2从两侧套装在立管1上，用螺栓连接固定。然后，把下固定支架3套装于下转动轴承2上，且下固定支架3中间的长棍柄上的隔水板插槽8向上。

接着，将两个圆盘轴承7分别从两侧套装在下固定支架3的两个短棍柄端部的固定支撑柱上，用螺栓连接固定；并在这两个圆盘轴承7的通孔中分别插入四个弧形开孔叶片6，用螺母进行固定，且每个圆盘轴承7上固定的弧形开孔叶片6呈旋转轴对称布置。

然后，将鱼尾式隔水板5下端插入下固定支架3的长棍柄端上的隔水板插槽8中。从上方套入开窗引流网罩4，使开窗引流网罩4套装于转动轴承2外，且开窗引流网罩4的下端紧挨着下固定支架3，并使开有引流窗口9的一侧背向鱼尾式隔水板5，引流窗口9的垂直中心线与鱼尾式隔水板5在同一平面，射流出口10正对临近鱼尾式隔水板5的一个弧形开孔叶片6的弧面。

然后，取两个圆盘轴承7分别从两侧套装在上固定支架3的两个短棍柄端部的固定支撑柱上，用螺栓连接固定。接着，在上转动轴承2的上方套入上固定支架3，并使上固定支架3的中间长棍柄上的隔水板插槽8向下，开窗引流网罩4的上端紧挨着上固定支架3。调整上固定支架3，使上固定支架3的隔水板插槽8对齐鱼尾式隔水板5、上圆盘轴承7的通孔对齐弧形开孔叶片6上的支撑柱后，将鱼尾式隔水板5上端插入上固定支架3的长棍柄端上的隔水板插槽8中，弧形开孔叶片6上端的支撑柱插入上方的两个圆盘轴承7，并用螺母进行固定。

安装完毕后，将安有本发明装置的立管1置于海洋环境中使用。海流与鱼尾式隔水板5间存在攻角时，鱼尾式隔水板5在海流的冲击下发生旋转，直至鱼尾式隔水板5绕至立管1的背流侧且与海流流向处于同一平面。一方面，海流从开窗引流网罩4的网状通孔部分通过，受网状通孔的节流和整流作用，海流的流向和流速得到调整，同时网状通孔使立管1周围的绕流边界层受到破坏，加剧了绕流边界层的湍动强度。另一方面，海流从开窗引流网罩4的引流窗口9通过，沿着开窗引流网罩4圆筒壁内的内空通道流至射流出口10，从射流出口10喷射出的海流对立管1背流侧的尾流区产生了强烈的扰动，使尾部旋涡受到挤压破碎，此外，射流出口10喷射出的海流冲击在弧形开孔叶片6的弧面上，推动弧形开孔叶片6旋转；而被开窗引流网罩4的网状通孔节流阻挡的水流部分转移至从引流窗口9通过，增加了引流窗口9过流的流量，增大了射流出口10的流速，加速了弧形开孔叶片6的转速。由于开窗引流网罩4圆筒表面的网状通孔和引流窗口9交替布置，使得海流在垂直方向产生了流动的转移，分散了绕流流体的总能量。在射流出口10水流的冲击下，鱼尾式隔水板5两侧的弧形开孔叶片6旋转方向不同，但均由立管1外侧向立管1内侧旋转，使得外部流体的动量注入到立管1壁面的绕流边界层中，推迟旋涡的形成。同时，部分水流从弧形开孔叶片6上的通孔流过，使弧形开孔叶片6在旋转的过程中对周围流体产生深度的扰动作用，破坏立管1绕流旋涡的形成。水流流至立管1背流侧后，鱼尾式隔水板5将两侧水流分割，抑制了旋涡的发展，且部分水流沿鱼尾式隔水板5的水平凹槽流动，对水流的流动方向又再次做了调整。因而，在开窗引流网罩4的网状通孔节流、引流窗口9导流、射流出口10喷射出流、弧形开孔叶片6旋转调配边界层动量和扰乱空间流动、鱼尾式隔水板5分割流动空间和调整流向的共同作用下，使立管1绕流边界层受到深度破坏，改变了边界层分离点和三维尾流旋涡结构，使绕流流场的湍动强度增大，抑制了大旋涡的形成，从而实现了无能耗的涡激振动抑制。