CN103485732A - 一种带旋转叶片的螺旋列板涡激振动抑制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带旋转叶片的螺旋列板涡激振动抑制装置及方法，其特征在于：装置由多个基本单元组合而成，所述的基本单元由套筒，螺旋列板和叶片组成。套筒外表面有三片螺旋列板，呈120°均匀分布，每片螺旋列板绕套筒旋转一周，套筒外侧周向的三根垂线上安装可自由旋转的六个叶片。在海流的作用下，叶片被驱动旋转，破坏了立管的绕流边界层。在螺旋列板与叶片的共同作用下，立管绕流流场受到了根本性破坏，从而实现了涡激振动抑制效果的提高。本发明由塑料加工而成，成本低廉，耐腐蚀，可重复使用。

Description

一种带旋转叶片的螺旋列板涡激振动抑制装置及方法
技术领域
本发明属于海洋立管设施铺设技术领域，具体涉及一种带旋转叶片的螺旋列板涡激振动抑制装置及方法。
背景技术
随着石油需求量的日益增大，人们已经将目光转向蕴藏丰富油气的深海，开发开采深海油气已成为解决当前能源危机的关键途径。海洋立管是深海油气开采的“生命通道”，它连接了海底井口与海上平台，为油气的举升提供了通道，它的安全服役是深海油气开采的根本保障。但海洋环境恶劣，波浪、海流都不断地对立管造成冲击，尤其是水流流经立管时，由于压力分布的不均将产生交替脱落的漩涡，由漩涡脱落诱发的非定常流体力将引发立管的振动响应。当漩涡的脱落频率与立管的某一阶固有频率接近时，立管将形成强烈的振动，从而加剧立管的疲劳损伤。立管的破坏不仅会造成巨大的经济损失，形成重大的安全事故，更为严重的是它将污染局部海域，造成局部海域生态环境的毁灭性破坏。随着开采水深的进一步加大，海洋立管的涡激振动问题将越发突出，抑制涡激振动以提高立管使用寿命，是国际石油界必须关注也是一直关注的热点难题。
现有的海洋立管涡激振动抑制装置通常是在立管表面增加一些附属结构，通过改变立管的表面形状来改变周围流场，从而削弱周期性漩涡的形成和发展。目前，海洋立管涡激振动抑制装置主要有螺旋列板、分离盘、整流罩、扰流板和叉排浮块等。其中，螺旋列板对海流方向不断变化的真实海洋环境的适应性较好，得到了广泛的应用。螺旋列板抑制装置主要由三块螺旋列板绕立管表面螺旋上升而成，很大程度上改变了海洋立管光滑的圆柱外形，但螺旋列板的存在增大了立管的拖曳力，造成了更大的纵向载荷，且在螺旋列板之间仍有部分光滑圆柱暴露在海流中，其涡激振动抑制效果有待进一步提高。
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，提供一种在现有螺旋列板抑制装置的基础上，在螺旋列板之间安装旋转叶片，以提高对立管周围扰流场破坏的带旋转叶片的螺旋列板涡激振动抑制装置及方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种带旋转叶片的螺旋列板涡激振动抑制装置，由多个基本单元沿海洋立管轴线方向串列组合而成，所述的基本单元由套筒，螺旋列板和叶片组成。套筒与立管同轴，套装固定在立管上。套筒外表面有三片螺旋列板，呈120°均匀分布，每片螺旋列板绕套筒旋转一周，螺旋列板的横截面为矩形。在位于套筒一半高度位置上的三片螺旋列板中心设有垂直放置的支座，与其同一垂线上的螺旋列板中心设有同样的支座，即每片螺旋列板上设有三个支座，每个支座中心开有轴孔。套筒，螺旋列板和支座为整体加塑成型。在垂向的两个支座中间安装一个塑料质叶片，叶片的高度等于两个邻近支座间的垂直间距，叶片中心开有与支座轴孔同轴的叶片轴孔，叶片的横截面为曲边菱形。由螺杆穿过同一垂线上三个支座的轴孔和三个支座之间两个叶片的叶片轴孔，螺杆一端由螺母连接固定。
一种带旋转叶片的螺旋列板涡激振动抑制方法，在三片螺旋列板之间安装可自由旋转的叶片，当海流流经立管时，水流冲击在叶片上的流体力驱动叶片旋转，破坏了立管的绕流边界层。叶片的存在减少了光滑柱体在海流中的暴露面积，在螺旋列板与叶片的共同作用下，立管绕流流场受到了根本性破坏，从而提高涡激振动的抑制效果。
本发明还包括：
1、螺旋列板的鳍高为H，与叶片连接的支座至螺旋列板的垂直高度为h，螺旋列板与套筒底部平面的夹角为φ，叶片菱形截面长对角线的一半L<min(H/2，h/tanφ)。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明由塑料加工而成，成本低廉，耐腐蚀，可重复使用；
2、本发明可根据现场实际情况，调节各基本单元之间的距离，以达到最佳的抑制效果。
附图说明
图1为本发明立体结构示意图
图2为本发明装配示意图
图3为本发明叶片截面示意图
图4为本发明套筒及螺旋列板沿周向展开示意图
其中：1.套筒；2.螺旋列板；3.支座；4.叶片；5.叶片轴孔；6.螺杆；7.螺母。
具体实施方式
下面结合附图对发明的具体实施作进一步描述。
本发明是多个基本单元沿海洋立管轴线方向串列组合而成，如图1、图2所示，所述的基本单元由套筒1，螺旋列板2和叶片4组成。
套筒1与立管同轴，套装1固定在立管上。套筒1外表面有三片螺旋列板2，呈120°均匀分布，每片螺旋列板2绕套筒1旋转一周，螺旋列板2的横截面为矩形。在位于套筒1一半高度位置上的三片螺旋列板2中心设有垂直放置的支座3，与其同一垂线上的螺旋列板2中心设有同样的支座3，即每片螺旋列板2上设有三个支座3，每个支座3中心开有轴孔。套筒1，螺旋列板2和支座3为整体加塑成型。
在垂向的两个支座3中间安装一个塑料质叶片4，叶片4的高度等于两个邻近支座3间的垂直间距，叶片4中心开有与支座3轴孔同轴的叶片轴孔5，叶片4的横截面为曲边菱形，如图3所示。由螺杆6穿过同一垂线上三个支座3的轴孔和三个支座3之间两个叶片4的叶片轴孔5，螺杆6一端有螺纹，由螺母7连接固定。
安装好的一个基本单元由一个套筒1、三片螺旋列板2和六个叶片4组成。
一种带旋转叶片的螺旋列板涡激振动抑制方法，在三片螺旋列板2之间安装可自由旋转的叶片4，当海流流经立管时，水流冲击在叶片4上的流体力驱动叶片4旋转，破坏了立管的绕流边界层。叶片4的存在减少了光滑柱体在海流中的暴露面积，在螺旋列板2与叶片4的共同作用下，立管绕流流场受到了根本性破坏，从而提高涡激振动的抑制效果。
如图2、图3、图4所示，所述的螺旋列板2的鳍高为H，与叶片4连接的支座3至螺旋列板2的垂直高度为h，螺旋列板2与套筒1底部平面的夹角为φ，叶片4菱形截面长对角线的一半L<min(H/2，h/tanφ)。
立管在水下可至上千米，为确保抑制效果，可根据实际情况，调节各基本单元之间的距离，以达到理想的抑制效果。
具体实施例：
根据实际海洋立管的长细比和当地海洋波浪、海流的常年统计信息，设计合理的基本单元间距，计算出需要的基本单元个数n，即带螺旋列板2和支座3的套筒1个数为n，叶片4个数为6n，螺杆6和螺母7个数为3n。
在安装单个基本单元时，首先将套筒1套装固定在立管上的合适位置，再取两个叶片4置于同一垂线上的支座3之间，并使叶片轴孔5与支座3的轴孔对齐，由螺杆6从上至下穿过该垂线上三个支座3的轴孔和三个支座3之间两个叶片4的叶片轴孔5，螺杆6一端的螺纹由螺母7咬合固定。至此，安装完成了一根垂线上的两个叶片4，以同样的方法安装另外两根垂线上余下的四个叶片4，即完成了一个基本单元的组装。随后，按照同样的安装顺序串列安装剩余的基本单元。
装置安装完毕后，将海洋立管置于海水中。在海流的作用下，叶片4被驱动旋转，破坏了立管的绕流边界层。在螺旋列板2与叶片4的共同作用下，立管绕流流场受到了根本性破坏，从而实现了涡激振动抑制效果的提高。

Claims (2)

1.本发明涉及一种开孔导流螺旋列板涡激振动抑制装置，由多个基本单元沿海洋立管轴线方向串列组合而成，其特征在于：所述的基本单元由套筒（1）和开设导流孔（3）的螺旋列板（2）组成；套筒（1）与立管同轴，套筒（1）套装固定在立管上；套筒（1）外表面有三片螺旋列板（2），呈120°均匀分布，每片螺旋列板（2）绕套筒（1）旋转一周，螺旋列板（2）的横截面为矩形；在每片螺旋列板（2）上，沿立管轴线方向等垂向高度间距开设四个导流孔（3）。
2.如权利要求1所述的一种开孔导流螺旋列板涡激振动抑制装置，其特征在于：套筒（1）和螺旋列板（2）为一整体，由模具一次加塑成型。
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