一种调配绕流驱动旋转杆旋转的涡激振动抑制装置及方法

摘要

本发明涉及一种调配绕流驱动旋转杆旋转的涡激振动抑制装置及方法，装置由旋转部件、导流罩壳和传动系统三部分构成，旋转部件由T形滑槽和带撑杆的T形滑扣组成，负责整个装置的旋转，导流罩壳由开孔导流罩和调向尾板组成，传动系统由两对传动旋转杆及配套的传动螺杆、齿轮、轴承座和连接杆组成。在本装置开孔导流罩入流口流量调配、从动旋转杆旋转剪切、开孔导流罩出流口射流、调向尾板分割尾流区的共同作用下，使外部绕流总流量减小、绕流边界层分离点延后、旋涡形成长度延长、尾迹宽度变小，实现了无能耗的涡激振动抑制。

说明书

技术领域

本发明属于海洋立管设施铺设技术领域，具体涉及一种调配绕流驱动旋转杆旋转的涡激振动抑制装置及方法。

背景技术

目前，我国陆地油气资源早已供不应求，油气对外依存度持续攀升，能源危机凸显。大力开发海洋油气资源，是缓解这一危机的关键措施之一。海洋立管是从海床油气井口到海面储集处理设施的核心输送管道，在海洋油气资源开发中起到至关重要的作用。随着海洋油气开发的不断深入，海洋立管置身于复杂的海洋环境中，一方面受到波浪及海流的涡激振动影响，极易引发疲劳损伤，缩短使用寿命；另一方面海洋立管的长径比越来越大，由涡激振动引起的疲劳失效几率急剧升高。一旦立管失效，将会造成严重的经济损失和环境破坏。因此，如何有效抑制立管涡激振动一直是海洋油气开采必须面对的棘手问题。

现有的海洋立管涡激振动抑制装置主要分为主动控制和被动控制两种。主动控制是通过对流场和结构物受力进行实时监测，利用计算机自动控制能量注入系统，将外部能量引入流场从而控制旋涡脱落，如声激励系统、抽吸与喷吹、控制杆的旋转等。主动控制装置需要额外的能量输入，连接复杂且工况要求严苛。被动控制通过改变结构表面形状或增设附属装置以改变绕流流场，从而控制旋涡的形成和发展过程，抑制旋涡的脱落。常见的被动控制装置有分离盘、整流罩等，但这些装置只适用于特定方向的来流，且抑制效果一般。因此，面对方向时刻变化的实际海流，设计出一种能够适应方向改变，综合主动与被动控制优点的无能耗涡激振动抑制装置十分必要。

发明内容

本发明所要解决的问题是针对现有海洋立管涡激振动抑制装置存在的不足，提出一种综合主动与被动控制优点、无能耗的调配绕流驱动旋转杆旋转的涡激振动抑制装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种调配绕流驱动旋转杆旋转的涡激振动抑制装置由旋转部件、导流罩壳和传动系统三部分构成。旋转部件由上、下两个旋转模块组成，旋转模块包括一个T形滑槽和四个带撑杆的T形滑扣。T形滑槽是横截面为T形缺口的槽道，T形滑槽由两个半环形构件通过螺栓连接而成，T形滑槽套装固定在立管外壁；T形滑扣的卡扣横截面与T形滑槽的T形缺口匹配，T形滑扣的卡扣旋套入T形滑槽，四个带撑杆的T形滑扣绕T形滑槽周向均匀分布，每个T形滑扣外侧壁中部连接有一根撑杆，该撑杆与T形滑槽在同一平面，每根T形滑扣的撑杆末端均设有螺纹。

导流罩壳由对称的两半塑料质构件通过螺栓对接套装在旋转部件外，导流罩壳包括开孔导流罩和调向尾板。开孔导流罩为一圆筒，调向尾板为一矩形平板，开孔导流罩与调向尾板为一整体，且调向尾板与开孔导流罩的轴线位于同一平面。在开孔导流罩上背对调向尾板的一侧开有与轴线平行的狭长入流口，在调向尾板两侧的开孔导流罩上各开有一条狭长的出流口。在开孔导流罩上对应每个旋转模块T形滑扣撑杆末端螺纹的位置都开有匹配的螺纹孔，每一个T形滑扣的撑杆通过螺纹与开孔导流罩衔接固定，使开孔导流罩可以随T形滑扣转动。所述的开孔导流罩开有供传动系统的连接杆和传动螺杆安装固定的通孔。

传动系统包括两根内旋转杆、四根传动螺杆、八个齿轮、两根从动旋转杆、八个内置转动轴承的轴承座和四根连接杆。所述的内旋转杆安装在开孔导流罩内部立管的两侧，所述的从动旋转杆安装在开孔导流罩外部两侧，且从动旋转杆与内旋转杆并列布置，一根从动旋转杆和一根内旋转杆为一对传动旋转杆。每对传动旋转杆均安装固定于入流口与调向尾板中间的开孔导流罩壁面上。从动旋转杆与内旋转杆的两端均套装于内置转动轴承的轴承座中，且每对传动旋转杆一端的两个内置转动轴承的轴承座之间用一根连接杆连接，连接杆穿过开孔导流罩上的通孔，使内旋转杆和从动旋转杆分别位于开孔导流罩的内、外两侧，且内旋转杆到开孔导流罩内壁的距离小于内旋转杆到立管壁的距离，在连接杆与开孔导流罩通孔间的间隙中填充密封脂进行密封。每根内旋转杆的表面布设有交错的矩形翅片，且矩形翅片与内旋转杆表面垂直；每根内旋转杆的两端设有外螺纹，每根从动旋转杆的两端设有一个齿轮，在一对传动旋转杆的内旋转杆端部外螺纹与从动旋转杆端部齿轮之间安有一根传动螺杆，传动螺杆穿过开孔导流罩上的通孔，在传动螺杆与开孔导流罩通孔间的间隙中填充密封脂进行密封；传动螺杆的一端为齿轮，另一端为外螺纹，传动螺杆的齿轮与内旋转杆端部的外螺纹啮合，传动螺杆的外螺纹与从动旋转杆端部的齿轮啮合。

利用所述的调配绕流驱动旋转杆旋转的涡激振动抑制装置可以提供一种调配绕流驱动旋转杆旋转的涡激振动抑制方法。当海流与调向尾板之间存在攻角时，海流冲击调向尾板使调向尾板带动整个装置绕立管旋转，直至调向尾板转至立管背流侧且与流向平行。在装置旋转过程中，海流从开孔导流罩的入流口进入，并从调向尾板两侧的出流口流出，对装置调向起辅助推动作用，加快了流向变化引起的装置自适应调整速度。调向尾板转至立管背流侧后达到稳定，部分海流从开孔导流罩入流口流入至开孔导流罩与立管之间的环形空间，在经过内旋转杆时，冲击在内旋转杆交错布置的矩形翅片上，产生扭矩使内旋转杆转动。由于内旋转杆安装位置靠近开孔导流罩，从内旋转杆与开孔导流罩之间的间隙通过的海流流速大于从内旋转杆与立管之间的间隙通过的海流流速，因而内旋转杆的转动方向与该内旋转杆所在一侧的海流绕过立管的流动方向一致。内旋转杆转动后通过传动螺杆带动从动旋转杆转动，并且从动旋转杆转动方向与同侧的内旋转杆转动方向相同。转动的从动旋转杆给开孔导流罩与从动旋转杆之间的绕流边界层注入了额外的动量，延迟了边界层的分离点，使尾流区宽度变窄。从开孔导流罩出流口喷射出的海流汇入绕流剪切层，将旋涡的形成区向下游推移，冲散了开孔导流罩背流侧的低压区，减小了开孔导流罩的压差阻力。同时，旋涡的形成长度增长，旋涡脱落周期延长，脱落频率减小。调向尾板将背流侧低压区及两侧旋涡有效分割，进一步抑制了旋涡的发展，从而减小了绕流升力。在开孔导流罩入流口流量调配、从动旋转杆旋转剪切、开孔导流罩出流口射流、调向尾板分割尾流区的共同作用下，使外部绕流总流量减小、绕流边界层分离点延后、旋涡形成长度延长、尾迹宽度变小，实现了旋涡的抑制，进而抑制涡激振动。

本发明由于采取以上方案，其具有以下优点：

1. 本发明在水流冲击下，调向尾板可带动整个装置旋转，适应于不同方向的来流；

2. 本发明综合了主动控制与被动控制的优点，实现了主动控制与被动控制协同作用；

3. 本发明作为一个基本单元，可根据实际需要在立管上间隔布置多个单元。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图

图2为本发明结构拆分示意图

图3为本发明导流罩壳结构示意图

图4为本发明传动系统示意图

图5为本发明旋转部件示意图

图6为本发明内旋转杆上的矩形翅片分布示意图

图7为本发明传动螺杆衔接示意图

图8为本发明工作示意图

其中：1、立管；2、开孔导流罩；3、从动旋转杆；4、调向尾板；5、内旋转杆；6、矩形翅片；7、出流口；8、入流口；9、T形滑槽；10、T形滑扣；11、外螺纹；12、传动螺杆；13、齿轮；14、内置转动轴承的轴承底座；15、连接杆。

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，一种调配绕流驱动旋转杆旋转的涡激振动抑制装置，由旋转部件、导流罩壳和传动系统三部分构成。旋转部件由上、下两个旋转模块组成，旋转模块包括一个T形滑槽9和四个带撑杆的T形滑扣10。

如图5所示，T形滑槽9是横截面为T形缺口的槽道，T形滑槽9由两个半环形构件通过螺栓连接而成，T形滑槽9套装固定在立管1外壁；T形滑扣10的卡扣横截面与T形滑槽9的T形缺口匹配，T形滑扣10的卡扣旋套入T形滑槽9，四个带撑杆的T形滑扣10绕T形滑槽9周向均匀分布，每个T形滑扣10外侧壁中部连接有一根撑杆，该撑杆与T形滑槽9在同一平面，每根T形滑扣10的撑杆末端均设有螺纹。

如图3所示，导流罩壳由对称的两半塑料质构件通过螺栓对接套装在旋转部件外，导流罩壳包括开孔导流罩2和调向尾板4。开孔导流罩2为一圆筒，调向尾板4为一矩形平板，开孔导流罩2与调向尾板4为一整体，且调向尾板4与开孔导流罩2的轴线位于同一平面。在开孔导流罩2上背对调向尾板4的一侧开有与轴线平行的狭长入流口8，在调向尾板两侧的开孔导流罩2上各开有一条狭长的出流口7。在开孔导流罩2上对应每个旋转模块T形滑扣10撑杆末端螺纹的位置都开有匹配的螺纹孔，每一个T形滑扣10的撑杆通过螺纹与开孔导流罩2衔接固定，使开孔导流罩2可以随T形滑扣10转动。所述的开孔导流罩2开有供传动系统的连接杆15和传动螺杆12安装固定的通孔。

如图4所示，传动系统包括两根内旋转杆5、四根传动螺杆12、八个齿轮13、两根从动旋转杆3、八个内置转动轴承的轴承座14和四根连接杆15。如图2所示，所述的内旋转杆5安装在开孔导流罩2内部立管的两侧，所述的从动旋转杆3安装在开孔导流罩2外部两侧，且从动旋转杆3与内旋转杆5并列布置，一根从动旋转杆3和一根内旋转杆5为一对传动旋转杆。每对传动旋转杆均安装固定于入流口8与调向尾板4中间的开孔导流罩2壁面上。从动旋转杆3与内旋转杆5的两端均套装于内置转动轴承的轴承座14中，且每对传动旋转杆一端的两个内置转动轴承的轴承座14之间用一根连接杆15连接，连接杆15穿过开孔导流罩2上的通孔，使内旋转杆5和从动旋转杆3分别位于开孔导流罩2的内、外两侧，且内旋转杆5到开孔导流罩2内壁的距离小于内旋转杆5到立管1壁的距离，在连接杆15与开孔导流罩2通孔间的间隙中填充密封脂进行密封。如图6所示，每根内旋转杆5的表面布设有交错的矩形翅片6，且矩形翅片6与内旋转杆5表面垂直。如图7所示，每根内旋转杆5的两端设有外螺纹11，每根从动旋转杆3的两端设有一个齿轮13，在一对传动旋转杆的内旋转杆5端部外螺纹11与从动旋转杆3端部齿轮13之间安有一根传动螺杆12，传动螺杆12穿过开孔导流罩2上的通孔，在传动螺杆12与开孔导流罩2通孔间的间隙中填充密封脂进行密封。传动螺杆12的一端为齿轮13，另一端为外螺纹11，传动螺杆12的齿轮13与内旋转杆5端部的外螺纹11啮合，传动螺杆12的外螺纹11与从动旋转杆3端部的齿轮13啮合。

如图8所示，利用所述的调配绕流驱动旋转杆旋转的涡激振动抑制装置提供一种调配绕流驱动旋转杆旋转的涡激振动抑制方法。当海流与调向尾板4之间存在攻角时，海流冲击调向尾板4使调向尾板4带动整个装置绕立管1旋转，直至调向尾板4转至立管1背流侧且与流向平行。在装置旋转过程中，海流从开孔导流罩2的入流口8进入，并从调向尾板4两侧的出流口7流出，对装置调向起辅助推动作用，加快了流向变化引起的装置自适应调整速度。调向尾板4转至立管1背流侧后达到稳定，部分海流从开孔导流罩2入流口8流入至开孔导流罩2与立管1之间的环形空间，在经过内旋转杆5时，冲击在内旋转杆5交错布置的矩形翅片6上，产生扭矩使内旋转杆5转动。由于内旋转杆5安装位置靠近开孔导流罩2，从内旋转杆5与开孔导流罩2之间的间隙通过的海流流速大于从内旋转杆5与立管1之间的间隙通过的海流流速，因而内旋转杆5的转动方向与该内旋转杆5所在一侧的海流绕过立管1的流动方向一致。内旋转杆5转动后通过传动螺杆12带动从动旋转杆3转动，并且从动旋转杆3转动方向与同侧的内旋转杆5转动方向相同。转动的从动旋转杆3给开孔导流罩2与从动旋转杆3之间的绕流边界层注入了额外的动量，延迟了边界层的分离点，使尾流区宽度变窄。从开孔导流罩2出流口7喷射出的海流汇入绕流剪切层，将旋涡的形成区向下游推移，冲散了开孔导流罩2背流侧的低压区，减小了开孔导流罩2的压差阻力。同时，旋涡的形成长度增长，旋涡脱落周期延长，脱落频率减小。调向尾板4将背流侧低压区及两侧旋涡有效分割，进一步抑制了旋涡的发展，从而减小了绕流升力。在开孔导流罩2入流口8流量调配、从动旋转杆3旋转剪切、开孔导流罩2出流口7射流、调向尾板4分割尾流区的共同作用下，使外部绕流总流量减小、绕流边界层分离点延后、旋涡形成长度延长、尾迹宽度变小，实现了旋涡的抑制，进而抑制涡激振动。

实施例：

安装本发明装置时，采用分模块安装方式。首先安装旋转部件，如图4所示，将四个带撑杆的T形滑扣10旋套入T形滑槽9的槽道内，再将T形滑槽9通过螺栓连接固定在立管1外壁上，旋转部件上、下两个旋转模块间的距离由开孔导流罩2上与T形滑扣10撑杆末端螺纹匹配的螺纹孔的位置确定。

然后，在导流罩壳上安装传动系统，由于导流罩壳和传动系统均关于立管1呈对称分布，因而在每半导流罩壳上安装一对传动旋转杆。如图2所示，将连接杆15穿过开孔导流罩2上供传动系统的连接杆15安装固定的通孔，连接杆15两端安装有两个内置转动轴承的轴承座14，两个内置转动轴承的轴承座14的横截面与立管1的横截面平行，在连接杆15与开孔导流罩2通孔间的间隙中填充密封脂进行密封。将传动螺杆12穿过供传动螺杆12安装固定的通孔，有齿轮13一端放置于开孔导流罩2内侧，在传动螺杆12与开孔导流罩2通孔间的间隙中填充密封脂进行密封。将内旋转杆5与从动旋转杆3套装在内置转动轴承的轴承座14中，并将内旋转杆5端部外螺纹11与传动螺杆12端部齿轮13啮合，将从动旋转杆3端部齿轮13与传动螺杆12端部外螺纹11啮合。内旋转杆5安装在导流罩壳内，从动旋转杆3安装在导流罩壳外。

最后，将两半导流罩壳通过螺栓对接固定，并使旋转部件的八个带撑杆的T形滑扣10撑杆末端螺纹与开孔导流罩2的螺纹孔衔接固定。

安装完毕后，将安有该装置的立管1放置于海流中。当海流与调向尾板4之间存在攻角时，海流冲击调向尾板4使调向尾板4带动整个装置绕立管1旋转，直至调向尾板4转至立管1背流侧且与流向平行。在装置旋转过程中，海流从开孔导流罩2的入流口8进入，并从调向尾板4两侧的出流口7流出，对装置调向起辅助推动作用，加快了流向变化引起的装置自适应调整速度。调向尾板4转至立管1背流侧后达到稳定，部分海流从开孔导流罩2入流口8流入至开孔导流罩2与立管1之间的环形空间，在经过内旋转杆5时，冲击在内旋转杆5交错布置的矩形翅片6上，产生扭矩使内旋转杆5转动。由于内旋转杆5安装位置靠近开孔导流罩2，从内旋转杆5与开孔导流罩2之间的间隙通过的海流流速大于从内旋转杆5与立管1之间的间隙通过的海流流速，因而内旋转杆5的转动方向与该内旋转杆5所在一侧的海流绕过立管1的流动方向一致。内旋转杆5转动后通过传动螺杆12带动从动旋转杆3转动，并且从动旋转杆3转动方向与同侧的内旋转杆5转动方向相同。转动的从动旋转杆3给开孔导流罩2与从动旋转杆3之间的绕流边界层注入了额外的动量，延迟了边界层的分离点，使尾流区宽度变窄。从开孔导流罩2出流口7喷射出的海流汇入绕流剪切层，将旋涡的形成区向下游推移，冲散了开孔导流罩2背流侧的低压区，减小了开孔导流罩2的压差阻力。同时，旋涡的形成长度增长，旋涡脱落周期延长，脱落频率减小。调向尾板4将背流侧低压区及两侧旋涡有效分割，进一步抑制了旋涡的发展，从而减小了绕流升力。在开孔导流罩2入流口8流量调配、从动旋转杆3旋转剪切、开孔导流罩2出流口7射流、调向尾板4分割尾流区的共同作用下，使外部绕流总流量减小、绕流边界层分离点延后、旋涡形成长度延长、尾迹宽度变小，实现了旋涡的抑制，进而抑制涡激振动。