用于水中桩柱涡激抑制的阻尼自适应整流罩装置

摘要

本发明属于水下整流罩技术领域，具体涉及用于水中桩柱涡激抑制的阻尼自适应整流罩装置。其技术方案为：用于水中桩柱涡激抑制的阻尼自适应整流罩装置，包括套设在桩柱上的若干转动部，转动部外连接有整流罩主体，整流罩主体的横截面形状为水滴形；还包括连接于桩柱上的若干用于对整流罩主体进行支撑的支撑杆，所述转动部上连接有若干用于顶紧桩柱的阻尼杆。本发明提供了一种通过阻尼装置来阻止水流流速较弱时发生摆动的用于水中桩柱涡激抑制的阻尼自适应整流罩装置。

说明书

技术领域

本发明属于水下整流罩技术领域，具体涉及用于水中桩柱涡激抑制的阻尼自适应整流罩装置。

背景技术

随着时代的进步，我国对于海洋的重视程度加深，对海洋的开发更加全面。如今位于海上的建筑包括有林立的油井、海上风力发电机、跨海大桥等等，它们都有共同的特点，那就是有许多桩柱立于海水中。桩柱结构的建筑成本高，工程难度大，如果出现问题，将会带来巨大的经济损失，对于类似油田的建筑，甚至会造成严重的生态污染。位于海底的桩柱，当波浪和海流流经它时，在水流流速达到一定条件时，将会在桩柱沿水流方向的两侧交替形成漩涡，在背流侧漩涡又会脱落。漩涡的脱落会对桩柱产生一个周期性的可变大小的作用力，使得桩柱在沿水流方向的垂直方向上产生横向振动，结构的振动又会反作用于流场，使得漩涡增强，从而让桩柱的阻力增加，如此恶性循环，在一定的时间积累之后就会产生疲劳破坏。因此，对海洋中建筑的桩柱涡激振动压制问题的研究就显得尤为重要。

为了尽量削弱涡激振动对桩柱带来的损害，通常会对桩柱采用涡激振动抑制装置，以此来增加桩柱的安全性，延长它的使用年限，进而降低成本。常用的涡激振动抑制技术分为主动控制技术和被动控制技术两种，其中主动控制技术是指利用外界能量输入的驱动装置，如主动协调阻尼系统，来降低桩柱结构的涡激振幅，但是由于其建造复杂、成本高，因此不易推广。而被动控制技术拥有这方面的优势，它是指通过扰流装置来压制或削弱涡激振幅，如螺旋导板、固定整流罩等，这些方法已经在工程实践中进行应用。

现有技术中，专利号为US2007/0104542A1的发明专利是采用流线型结构的固定整流罩来压制涡激振动，它根据水流方向设置整流罩安装角度，将整流罩横截面的长径方向与水流方向保持平行，可以取得较好的压制效果。但固定整流罩只适用于水流方向固定不变的情况，当水流方向与长径方向呈现一定的角度时，它的压制效果就急剧下降，甚至会因为其增加了桩柱的迎流面积，从而增加桩柱的流体压力，带来更大的损害。因此，面对具有复杂洋流的海洋环境，固定整流罩装置具有显而易见的缺点。

申请公布号为CN102071883A和CN102134972A的发明专利，通过加入旋转模块使得整流罩可以实现自由转动，以此来适应水流方向的变化，在一定程度上降低了固定整流罩涡激振动压制效果对水流方向的敏感性。但是由于其没有对旋转模块加以限制，因此在水流流速变化较小但流向不稳定时，存在整流罩摇摆不定的问题，这个情况反而会增加桩柱的阻力，带来更大的伤害。。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种通过阻尼装置来阻止水流流速较弱时发生摆动的用于水中桩柱涡激抑制的阻尼自适应整流罩装置。

本发明所采用的技术方案为：

用于水中桩柱涡激抑制的阻尼自适应整流罩装置，包括套设在桩柱上的若干转动部，转动部外连接有整流罩主体，整流罩主体的横截面形状为水滴形；还包括连接于桩柱上的若干用于对整流罩主体进行支撑的支撑杆，所述转动部上连接有若干用于顶紧桩柱的阻尼杆。

阻尼杆与桩柱之间具有一定压力，从而转动部相对于桩柱转动时需要克服该压力对应的摩擦力。因此，通过调节阻尼杆与桩柱之间的压力，即可调节阻尼力阈值。在水流方向与整流罩主体的长径方向一致时，水流对装置的转动力矩为零，装置静止不动。当水流方向发生变化，则在整流罩主体两侧形成流速差，水流对装置的转动力矩增加，若水流方向与整流罩主体长径方向之间的夹角逐渐加大，则水流对装置的转动力矩随之迅速增加，当超过预先设定的阻尼力阈值时，装置就发生转动来调整方向，再次达到平衡，从而降低桩柱所受到的阻力及减弱涡激振动的产生。

在转动部与桩柱之间增加阻尼杆的设计，其优点在于可以避免整个装置在水流方向存在变化但流速变化较弱的情况下而出现一直摆动的情况发生。因为若装置一直摆动，不仅不能使得桩柱所受到的涡激振动减弱，反而使得桩柱所受到的阻力增加。通过阻尼杆对转动部增加一个阻尼力，可以保证整个装置的稳定性，使得其能真正达到降低涡激振动的效果。

作为本发明的优选方案，所述阻尼杆为阻尼螺栓，阻尼螺栓与转动部螺纹连接。通过将阻尼螺栓旋进不同的圈数，得到超出转动部不同的长度，对桩柱产生不同的压力，因此可以调整转动部受到的阻尼力阈值。

作为本发明的优选方案，所述整流罩主体上设置有连接孔，部分阻尼杆穿过连接孔后再与转动部连接。整流罩主体与转动部通过阻尼杆连接，可减少连接件的使用。并且，阻尼杆的外端从整流罩主体的连接孔露出，方便操作阻尼杆。整流罩主体的尖端部不与转动部接触，此处的转动部上的阻尼杆不与整流罩主体连接。

作为本发明的优选方案，所述整流罩主体的顶部和底部分别与转动部之间连接密封部。密封部能对整流罩主体的顶部和底部分别进行密封，从而整流罩主体、密封部和转动部围成封闭空腔，隔绝外部水流进入整流罩主体内部，避免了水流对整流罩主体产生的扰动，使得装置更加稳定。并且，当内部空腔在置于水中时可以产生浮力。

作为本发明的优选方案，所述阻尼杆朝向桩柱的一端的形状为半球形。阻尼杆的末端采用半球形设计，则阻尼杆以点的方式对桩柱提供压力，从而当整流罩主体附近水流流速超过阈值时，转动部可以更灵活的转动。

作为本发明的优选方案，所述转动部与桩柱之间的间隙不大于5mm。转动部套在桩柱上面，转动部的直径略大于桩柱的直径，使得转动部能相对于桩柱转动。转动部与桩柱之间的间隙不大于5mm，方便阻尼杆接触桩柱。

作为本发明的优选方案，所述转动部包括若干弧形构件，相邻弧形构件通过连接螺栓连接。转动部采用若干弧形构件拼接，考虑到了海上的建筑其水下桩柱的直径都比较大，因此选择将一个圆环，拆分成四个相同的弧形构件，从而达到便于工业生产的目的，同时也是方便安装整个装置。

作为本发明的优选方案，所述整流罩主体包括若干弧形板和两块尖端板，若干弧形板之间、弧形板与尖端板之间均通过连接螺栓连接。

作为本发明的优选方案，所述两个尖端板之间的夹角为40～80°。

作为本发明的优选方案，所述转动部的厚度为1～3cm。

本发明的有益效果为：

在水流方向存在变化但流速变化较弱的情况下，阻尼杆能阻止转动部相对于桩柱转动。在转动部与桩柱之间增加阻尼杆的设计，避免了整个装置在水流方向存在变化但流速变化较弱的情况下而出现一直摆动的情况发生，保证了整个装置的稳定性，达到降低涡激振动的效果。

附图说明

图1是本发明的立体图；

图2是本发明的俯视图；

图3是转动部的拆分图；

图4是本发明的结构示意图；

图5是阻尼螺栓的结构示意图。

图中，1-桩柱；2-转动部；3-支撑杆；4-整流罩主体；5-阻尼螺栓；6-密封部；21-弧形构件；41-弧形板；42-尖端板。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1、图2和图4所示，本实施例的用于水中桩柱涡激抑制的阻尼自适应整流罩装置，包括套设在桩柱1上的转动部2，还包括连接于桩柱1上的若干用于对转动部2进行支撑的支撑杆3，转动部2外连接有整流罩主体4，整流罩主体4的横截面形状为水滴形；所述转动部2上连接有若干用于顶紧桩柱1的阻尼杆。

其中，如图5所示，阻尼杆为阻尼螺栓5，阻尼螺栓5与转动部2螺纹连接。通过将阻尼螺栓5旋进不同的圈数，得到超出转动部2不同的长度，对桩柱1产生不同的压力，因此可以调整转动部2受到的阻尼力阈值。阻尼螺栓5的末端采用半球形设计，则阻尼螺栓5以点的方式对桩柱1提供压力，则当整流罩主体4附近水流流速超过阈值时，转动部2可以更灵活的转动。

如图3所示，转动部2由完全相同的四个不锈钢材质弧形构件21组成，四个弧形构件21通过连接螺栓进行首尾连接，形成一个闭合圆环并套设桩柱1上。转动部2的内径略大于桩柱1的外径，二者的间隙不超过5mm，这样可以保证转动部2的自由转动，转动部2的厚度控制在1～3cm左右，转动部2的高度为10cm。转动部2采用四个弧形构件21的设计，其优点在于考虑到了海上的建筑其水下桩柱1的直径都比较大，因此选择将一个圆环，拆分成四个相同的弧形构件21，从而达到便于工业生产的目的，同时也方便安装整个装置。

组成转动部2的每一个弧形构件21上面都有一个圆孔，是连接阻尼螺栓5的内螺纹孔所在的位置。圆孔内壁是螺纹结构，将由阻尼螺栓5进行连接。四个圆孔对称分布，将阻尼螺栓5旋进转动部2的内螺纹孔中，其长度可以超过转动部2后顶住桩柱1，支撑在桩柱1上面。通过将阻尼螺栓5旋进不同的圈数，得到超出转动部2不同的长度，对桩柱1产生不同的压力，因此可以调整转动部2受到的阻尼力阈值。在水流方向与整流罩主体4长径方向一致时，水流对装置的转动力矩为零，装置静止不动。当水流方向发生变化，则在整流罩主体4两侧形成流速差，水流对装置的转动力矩增加，若水流方向与整流罩主体4长径方向之间的夹角逐渐加大，则水流对装置的转动力矩随之迅速增加，当超过预先设定的阻尼力阈值时，装置就发生转动来调整方向，再次达到平衡，从而降低桩柱1所受到的阻力及减弱涡激振动的产生。

在转动部2增加阻尼螺栓5的设计，其优点在于可以避免整个装置在水流方向存在变化但流速变化较弱的情况下而出现一直摆动的情况发生。因为若装置一直摆动，不仅不能使得桩柱1所受到的涡激振动减弱，反而使得桩柱1所受到的阻力增加。通过阻尼螺栓5对转动部2增加一个阻尼力，可以保证整个装置的稳定性，使得其能真正达到降低涡激振动的效果。四个阻尼螺栓5在转动部2上面对称分布，使得阻尼螺栓5对桩柱1的压力均匀分布，保证提供的阻尼力受力平衡，同时也可以保证整个装置的平衡。

整流罩主体4位于装置的最外层，其横截面的外形呈现水滴状，呈前圆后尖，表面光滑。整流罩主体4的宽度是转动部2直径的2～3倍，高度是转动部2直径的4～6倍。整流罩主体4前面的圆弧形头部为迎流方向，尖型尾部的尖端板42与圆弧形头部相切。整流罩主体4的材料采用可塑形金属薄片，厚度在5～10mm。相较于桩柱1的直径，整流罩主体4的厚度可以忽略不计，其圆弧形头部与转动部2的圆环同轴。整流罩主体4上设置有连接孔，部分阻尼杆穿过连接孔后再与转动部2连接。阻尼螺栓5的长度略大于转动部2和整流罩的厚度之和，长度超过部分为5到8mm。整流罩主体4与转动部2通过阻尼杆连接，可减少连接件的使用。并且，阻尼杆的外端从整流罩主体4的连接孔露出，方便操作阻尼杆。整流罩主体4的连接孔可设置内螺纹或设置光滑内壁，即阻尼螺栓5可与整流罩主体4的连接孔螺纹连接，也可以仅为套设关系。整流罩主体4的尖端部不与转动部2接触，此处的转动部2上的阻尼杆不与整流罩主体4连接。整流罩主体4由五个部分组成，其中尖型尾部沿长径分成对称的两个尖端板42，另外三个部分为会弧形板41。其中迎流方向的圆弧夹角为120°，沿长径对称分布的两个尖端板42的夹角为60°。整流罩主体4的顶部和底部均设有转动部2，保证转动的平衡性。在整流罩主体4内部通过连接螺栓连接，而外部则不设螺孔保证外形的光滑。

整流罩主体4的材料采用可塑形金属薄片的设计，可以减小整个装置的重量以及对桩柱1直径长度的增加。若因为加装涡激抑制装置使得原有桩柱1的直径增加过多，同样会增加桩柱1所受到的阻力，反而不利于涡激振动的压制。

整流罩主体4的顶部和底部分别与转动部2之间连接密封部6。密封部6能对整流罩主体4的顶部和底部分别进行密封，从而整流罩主体4、密封部6和转动部2围成封闭空腔，隔绝外部水流进入整流罩主体4内部，避免了水流对整流罩主体4产生的扰动，使得装置更加稳定。并且，当内部空腔在置于水中时可以产生浮力。密封部6的材料采用同整流罩主体4的可塑形金属薄片，可大大减轻了装置的重量，因此通过密封部6所形成的空腔产生的浮力来抵消装置的部分重力，从而减弱装置对支撑杆3的压力。

支撑杆3的数量为四个，四个支撑杆3在桩柱1表面均布，从而对整流罩主体4进行支撑。支撑杆3为柱状，且与桩柱1螺纹连接，其材料为不锈钢，长度为8～10cm，直径为6cm。

考虑到海上或江河上建筑在水下桩柱1的高度较大，因此可以采用多段式安装整个装置，相邻两个装置的间隔为桩柱1的直径。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。