CN111188815B - 一种大头鱼形开槽导流喷射与摆尾的抑振装置及方法 - Google Patents

一种大头鱼形开槽导流喷射与摆尾的抑振装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大头鱼形开槽导流喷射与摆尾的抑振装置及方法，装置由叶轮导流模块和引流旋罩模块组成。叶轮导流模块由中心叶轮、套筒轴承、小叶轮和小叶轮转轴组成，引流旋罩模块由引流前罩、开孔射流后罩和尾翼组成。装置套装在立管外壁，在水平矩形凹槽的引流与空间调配、中心叶轮的流量分配、小叶轮的流向调整、侧向导流孔的导流、侧后方减缩孔的射流以及旋摆尾翼的流动空间分割和尾涡搅动的共同作用下，立管两侧和尾部的绕流边界层受到深度破坏，抑制了大旋涡的形成，结合了主动与被动抑制的优点实现了涡激振动的抑制。

Description

一种大头鱼形开槽导流喷射与摆尾的抑振装置及方法
技术领域
本发明属于海洋立管涡激振动抑制装置领域，具体涉及一种大头鱼形开槽导流喷射与摆尾的抑振装置及方法。
背景技术
随着人类社会与经济的高速发展，陆上已探明的油气资源不断被开发利用，总量整体呈下降趋势。尤其我国油气对外依存度居高不下，大力开发海洋油气资源成为了重要突破口。海洋立管作为海洋油气开采的关键运输通道，其服役环境复杂恶劣。当海流流经立管时，在立管尾部会出现交替脱落的旋涡，产生周期性的流体作用力，从而激发涡激振动，引起立管的疲劳损伤，造成关井停泵和修井作业，不仅引起巨大的经济损失，还对生态环境产生了严重的破坏。因而，抑制涡激振动是安全开采海洋油气的前提。
常见的涡激振动抑制装置分为主动控制和被动控制两种类型，主动控制主要通过抽吸、射流等方式扰乱流场结构，抑制旋涡的产生，但需要额外提供抽吸或喷射的能量，给装置的安装增加了难度。被动控制主要通过改变立管表面形状来破坏绕流边界层，达到抑制旋涡脱落的目的，但往往只能适应一种流向，适用范围较窄。若可以无需外部能量注入而产生射流，且能自适应流向变化的实际需求，实现主动抑制与被动抑制功能的组合，则更有利于实际工程应用。
发明内容
本发明针对背景技术提出的现有海洋立管涡激振动抑制装置的不足，提供一种安装与拆卸方便、无能耗且结合主动与被动控制优点的大头鱼形开槽导流喷射与摆尾的抑振装置及方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种大头鱼形开槽导流喷射与摆尾的抑振装置，由叶轮导流模块和引流旋罩模块组成。叶轮导流模块包括一个中心叶轮、两个套筒轴承、八个小叶轮和两根小叶轮转轴。引流旋罩模块包括一个引流前罩、一个开孔射流后罩和两块尾翼。
中心叶轮为内嵌圆柱滚子的内外圈结构，其内圈固定于立管外壁，外圈表面周向均匀布置有弧形叶片，在水流的冲击下，中心叶轮可绕立管顺时针旋转。套筒轴承是内嵌滚子的内外圈结构，两个套筒轴承按间隔大于一个中心叶轮高度套装在立管外壁，且分布在中心叶轮的上、下两侧。上方套筒轴承的下表面距中心叶轮上表面为三分之一个套筒轴承的高度，下方套筒轴承的上表面距中心叶轮的下表面为三分之一个套筒轴承的高度。
引流前罩为三分之一个内空圆筒，其凸表面正对迎流方向的中部开有一个圆形的前引流孔，前引流孔对应的圆弧角度为20度。引流前罩上、下两个圆环端面分别卡装于上方套筒轴承的上表面和下方套筒轴承的下表面。开孔射流后罩为开有缺口的内空椭圆筒，椭圆筒的短轴与引流前罩圆筒的直径相等。开孔射流后罩的上、下两个环面也分别卡装于上方套筒轴承的上表面和下方套筒轴承的下表面，且引流前罩与开孔射流后罩通过螺栓无缝对接，引流前罩填补了开孔射流后罩的周向缺口，引流前罩与开孔射流后罩对接后形成一个整体的引流旋罩，将中心叶轮罩在其内部。在开孔射流后罩沿椭圆筒短轴方向的两侧面开有对称的侧向导流孔，正对引流前罩前引流孔的开孔射流后罩内壁面设有扇形凸块，扇形凸块的两侧开孔射流后罩壁上开有对称的侧后方减缩孔，侧后方减缩孔由内向外直径逐渐减小。由引流前罩和开孔射流后罩构成的引流旋罩内壁开有等间距的四条水平矩形凹槽。
开孔射流后罩上、下两个环面沿短轴方向对称开有固定小叶轮的圆孔，两根小叶轮转轴穿过圆孔固定在中心叶轮两侧，在每根小叶轮转轴的轴向等间距套装有四个小叶轮，小叶轮的弧形叶片凹面朝向与中心叶轮弧形叶片的凹面朝向相反。
开孔射流后罩设扇形凸块一侧的外壁面安有固定尾翼的尾翼支撑柱，两块尾翼的一端套装在尾翼支撑柱上，另一端可以绕尾翼支撑柱旋转。在两块尾翼之间连接有一根弹簧，以限制两块尾翼之间的相对位移。
利用所述的大头鱼形开槽导流喷射与摆尾的抑振装置提供一种大头鱼形开槽导流喷射与摆尾的抑振方法。海流流经立管且与尾翼之间存在攻角时，尾翼在海流冲击下发生旋转，带动整个装置旋转至立管背流侧，且两个尾翼所夹锐角的中心线与海流速度方向平行。海流从引流前罩的引流孔中流入，冲击在中心叶轮的弧形叶片上驱动中心叶轮旋转，耗散了原本直接施加在立管上的水流冲击力，且中心叶轮的旋转使得从其两侧流过的海流流量不等，实现了空间上的流量调配；海流沿中心叶轮两侧绕行，顺着装置的内空通道和罩壁的水平矩形凹槽流动。当海流流至小叶轮处，驱动小叶轮旋转，进一步调整了海流的流速和流向。一部分海流沿着小叶轮旋转的切向从侧向导流孔射出，射流与罩外海流方向垂直，向引流旋罩的绕流边界层注入了流体动能，使边界层分离点向后迁移；另一部分海流继续沿水平矩形凹槽流动，到达侧后方减缩孔处受侧后方减缩孔缩径节流作用，流速增大，在开孔射流后罩尾部形成射流，干扰了立管背流侧旋涡的交替脱落。由于水平矩形凹槽和小叶轮沿垂向布置，从侧向导流孔流出的海流在垂向流速分布不均匀，破坏了立管周围流场的三维空间结构。装置内部流动的海流，带动中心叶轮顺时针旋转，而驱动小叶轮逆时针旋转，对装置内的海流起到加速作用。由于小叶轮在垂向按一定间距布置，使得海流在垂向发生了流向的转移。此外，限位弹簧限制了两块尾翼的相对位移，侧后方减缩孔射出的射流撞击在尾翼上使得尾翼绕尾翼支撑柱做旋转开合运动，扰乱了剪切层的发展，抑制了旋涡的形成。因此，在水平矩形凹槽的引流与空间调配、中心叶轮的流量分配、小叶轮的流向调整、侧向导流孔的导流、侧后方减缩孔的射流以及旋摆尾翼的流动空间分割和尾涡搅动的共同作用下，立管两侧和尾部的绕流边界层受到深度破坏，抑制了大旋涡的形成，从而结合了主动与被动抑制的优点实现了涡激振动的抑制。
本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：
1、本发明装置为一个安装单元，可灵活选择安装位置，并可根据海流方向自适应旋转，适用于不同方向的来流；
2、本发明装置侧后方减缩孔喷出的水流部分冲击尾翼使尾翼旋摆，结合了主动抑制与被动抑制的功能，增强了抑制效果；
3、本发明装置的引流前罩、开孔射流后罩、尾翼以及旋转叶轮均由轻质材料加工而成，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拆分示意图；
图2为本发明装置的中心叶轮与小叶轮装配图；
图3为本发明装置小叶轮结构示意图；
图4为本发明装置局部剖视图；
图5为本发明装置串列安装示意图；
图6为本发明装置工作示意图。
其中：1、立管；2、引流前罩；3、开孔射流后罩；4、前引流孔；5、侧后方减缩孔；6、尾翼；7、套筒轴承；8、中心叶轮；9、小叶轮；10、小叶轮转轴；11、水平矩形凹槽；12、侧向导流孔。
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，一种大头鱼形开槽导流喷射与摆尾的抑振装置，由叶轮导流模块和引流旋罩模块组成。叶轮导流模块包括一个中心叶轮8、两个套筒轴承7、八个小叶轮9和两根小叶轮转轴10。引流旋罩模块包括一个引流前罩2、一个开孔射流后罩3和两块尾翼6。
如图2所示，中心叶轮8为内嵌圆柱滚子的内外圈结构，其内圈固定于立管1外壁，外圈表面周向均匀布置有弧形叶片，在水流的冲击下，中心叶轮8可绕立管1顺时针旋转。套筒轴承7是内嵌滚子的内外圈结构，两个套筒轴承7按间隔大于一个中心叶轮8高度套装在立管1外壁，且分布在中心叶轮8的上、下两侧。上方套筒轴承7的下表面距中心叶轮8上表面为三分之一个套筒轴承7的高度，下方套筒轴承7的上表面距中心叶轮8的下表面为三分之一个套筒轴承7的高度。
引流前罩2为三分之一个内空圆筒，其凸表面正对迎流方向的中部开有一个圆形的前引流孔4，前引流孔4对应的圆弧角度为20度。引流前罩2上、下两个圆环端面分别卡装于上方套筒轴承7的上表面和下方套筒轴承7的下表面。开孔射流后罩3为开有缺口的内空椭圆筒，椭圆筒的短轴与引流前罩2圆筒的直径相等。开孔射流后罩3的上、下两个环面也分别卡装于上方套筒轴承7的上表面和下方套筒轴承7的下表面，且引流前罩2与开孔射流后罩3通过螺栓无缝对接，引流前罩2填补了开孔射流后罩3的周向缺口，引流前罩2与开孔射流后罩3对接后形成一个整体的引流旋罩，将中心叶轮8罩在其内部。在开孔射流后罩3沿椭圆筒短轴方向的两侧面开有对称的侧向导流孔12，正对引流前罩2前引流孔4的开孔射流后罩3内壁面设有扇形凸块，扇形凸块的两侧开孔射流后罩3壁上开有对称的侧后方减缩孔5，侧后方减缩孔5由内向外直径逐渐减小。由引流前罩2和开孔射流后罩3构成的引流旋罩内壁开有等间距的四条水平矩形凹槽11，如图4所示。
开孔射流后罩3上、下两个环面沿短轴方向对称开有固定小叶轮9的圆孔，两根小叶轮转轴10穿过圆孔固定在中心叶轮8两侧，在每根小叶轮转轴10的轴向等间距套装有四个小叶轮9，如图3所示，小叶轮9的弧形叶片凹面朝向与中心叶轮8弧形叶片的凹面朝向相反。
开孔射流后罩3设扇形凸块一侧的外壁面安有固定尾翼6的尾翼支撑柱，两块尾翼6的一端套装在尾翼支撑柱上，另一端可以绕尾翼支撑柱旋转。在两块尾翼6之间连接有一根弹簧，以限制两块尾翼6之间的相对位移。
利用所述的大头鱼形开槽导流喷射与摆尾的抑振装置提供一种大头鱼形开槽导流喷射与摆尾的抑振方法。如图6所示，海流流经立管1且与尾翼6之间存在攻角时，尾翼6在海流冲击下发生旋转，带动整个装置旋转至立管1背流侧，且两个尾翼6所夹锐角的中心线与海流速度方向平行。海流从引流前罩2的引流孔中流入，冲击在中心叶轮8的弧形叶片上驱动中心叶轮8旋转，耗散了原本直接施加在立管1上的水流冲击力，且中心叶轮8的旋转使得从其两侧流过的海流流量不等，实现了空间上的流量调配；海流沿中心叶轮8两侧绕行，顺着装置的内空通道和罩壁的水平矩形凹槽11流动。当海流流至小叶轮9处，驱动小叶轮9旋转，进一步调整了海流的流速和流向。一部分海流沿着小叶轮9旋转的切向从侧向导流孔12射出，射流与罩外海流方向垂直，向引流旋罩的绕流边界层注入了流体动能，使边界层分离点向后迁移；另一部分海流继续沿水平矩形凹槽11流动，到达侧后方减缩孔5处受侧后方减缩孔5缩径节流作用，流速增大，在开孔射流后罩3尾部形成射流，干扰了立管1背流侧旋涡的交替脱落。由于水平矩形凹槽11和小叶轮9沿垂向布置，从侧向导流孔12流出的海流在垂向流速分布不均匀，破坏了立管1周围流场的三维空间结构。装置内部流动的海流，带动中心叶轮8顺时针旋转，而驱动小叶轮9逆时针旋转，对装置内的海流起到加速作用。由于小叶轮9在垂向按一定间距布置，使得海流在垂向发生了流向的转移。此外，限位弹簧限制了两块尾翼6的相对位移，侧后方减缩孔5射出的射流撞击在尾翼6上使得尾翼6绕尾翼支撑柱做旋转开合运动，扰乱了剪切层的发展，抑制了旋涡的形成。因此，在水平矩形凹槽11的引流与空间调配、中心叶轮8的流量分配、小叶轮9的流向调整、侧向导流孔12的导流、侧后方减缩孔5的射流以及旋摆尾翼6的流动空间分割和尾涡搅动的共同作用下，立管1两侧和尾部的绕流边界层受到深度破坏，抑制了大旋涡的形成，从而结合了主动与被动抑制的优点实现了涡激振动的抑制。
实施例：
安装本发明装置时，首先将中心叶轮8套装在立管1上，在水流的冲击下，中心叶轮8可绕立管1顺时针旋转，根据中心叶轮8的高度确定上、下两个套筒轴承7的间距，将两个套筒轴承7套装在立管1上。上方套筒轴承7的下表面距中心叶轮8上表面为三分之一个套筒轴承7的高度，下方套筒轴承7的上表面距中心叶轮8的下表面为三分之一个套筒轴承7的高度。
然后，在开孔射流后罩3内安装小叶轮9和小叶轮转轴10，两根小叶轮转轴10穿过开孔射流后罩3上、下两个环面所开的圆孔固定在中心叶轮8两侧，在每根小叶轮转轴10的轴向等间距套装四个小叶轮9，小叶轮9的弧形叶片凹面朝向与中心叶轮8弧形叶片的凹面朝向相反。开孔射流后罩3的上、下两个环面分别卡装于上方套筒轴承7的上表面和下方套筒轴承7的下表面，如图2所示。
之后，安装引流前罩2，引流前罩2上、下两个圆环端面也分别卡装于上方套筒轴承7的上表面和下方套筒轴承7的下表面，且引流前罩2通过螺栓与开孔射流后罩3无缝对接。引流前罩2与开孔射流后罩3对接后形成一个整体的引流旋罩。
最后，安装两块尾翼6，两块尾翼6的一端套装在尾翼支撑柱上，使另一端可以绕尾翼支撑柱旋转。在两块尾翼6之间连接有一根弹簧，以限制两块尾翼6之间的相对位移。
如图5所示，将本装置视为一个安装单元根据需要串列安装在立管上。
安装完毕后，将该装置放置于海流中。当海流流经立管1且与尾翼6之间存在攻角时，尾翼6在海流冲击下发生旋转，带动整个装置旋转至立管1背流侧，且两个尾翼6所夹锐角的中心线与海流速度方向平行。海流从引流前罩2的引流孔中流入，冲击在中心叶轮8的弧形叶片上驱动中心叶轮8旋转，耗散了原本直接施加在立管1上的水流冲击力，且中心叶轮8的旋转使得从其两侧流过的海流流量不等，实现了空间上的流量调配；海流沿中心叶轮8两侧绕行，顺着装置的内空通道和罩壁的水平矩形凹槽11流动。当海流流至小叶轮9处，驱动小叶轮9旋转，进一步调整了海流的流速和流向。一部分海流沿着小叶轮9旋转的切向从侧向导流孔12射出，射流与罩外海流方向垂直，向引流旋罩的绕流边界层注入了流体动能，使边界层分离点向后迁移；另一部分海流继续沿水平矩形凹槽11流动，到达侧后方减缩孔5处受侧后方减缩孔5缩径节流作用，流速增大，在开孔射流后罩3尾部形成射流，干扰了立管1背流侧旋涡的交替脱落。由于水平矩形凹槽11和小叶轮9沿垂向布置，从侧向导流孔12流出的海流在垂向流速分布不均匀，破坏了立管1周围流场的三维空间结构。装置内部流动的海流，带动中心叶轮8顺时针旋转，而驱动小叶轮9逆时针旋转，对装置内的海流起到加速作用。由于小叶轮9在垂向按一定间距布置，使得海流在垂向发生了流向的转移。此外，限位弹簧限制了两块尾翼6的相对位移，侧后方减缩孔5射出的射流撞击在尾翼6上使得尾翼6绕尾翼支撑柱做旋转开合运动，扰乱了剪切层的发展，抑制了旋涡的形成。因此，在水平矩形凹槽11的引流与空间调配、中心叶轮8的流量分配、小叶轮9的流向调整、侧向导流孔12的导流、侧后方减缩孔5的射流以及旋摆尾翼6的流动空间分割和尾涡搅动的共同作用下，立管1两侧和尾部的绕流边界层受到深度破坏，抑制了大旋涡的形成，从而结合了主动与被动抑制的优点实现了涡激振动的抑制。

Claims (3)

1.一种大头鱼形开槽导流喷射与摆尾的抑振装置，由叶轮导流模块和引流旋罩模块组成；叶轮导流模块包括一个中心叶轮(8)、两个套筒轴承(7)、八个小叶轮(9)和两根小叶轮转轴(10)；引流旋罩模块包括一个引流前罩(2)、一个开孔射流后罩(3)和两块尾翼(6)；中心叶轮(8)为内嵌圆柱滚子的内外圈结构，其内圈固定于立管(1)外壁，外圈表面周向均匀布置有弧形叶片，在水流的冲击下，中心叶轮(8)可绕立管(1)顺时针旋转；套筒轴承(7)是内嵌滚子的内外圈结构，两个套筒轴承(7)按间隔大于一个中心叶轮(8)高度套装在立管(1)外壁，且分布在中心叶轮(8)的上、下两侧；引流前罩(2)上、下两个圆环端面分别卡装于上方套筒轴承(7)的上表面和下方套筒轴承(7)的下表面；开孔射流后罩(3)的上、下两个环面也分别卡装于上方套筒轴承(7)的上表面和下方套筒轴承(7)的下表面，且引流前罩(2)与开孔射流后罩(3)通过螺栓无缝对接；开孔射流后罩(3)设扇形凸块一侧的外壁面安有固定尾翼(6)的尾翼支撑柱，两块尾翼(6)的一端套装在尾翼支撑柱上，另一端可以绕尾翼支撑柱旋转；在两块尾翼(6)之间连接有一根弹簧，以限制两块尾翼(6)之间的相对位移；其特征在于：所述的引流前罩(2)为三分之一个内空圆筒，其凸表面正对迎流方向的中部开有一个圆形的前引流孔(4)；开孔射流后罩(3)为开有缺口的内空椭圆筒，椭圆筒的短轴与引流前罩(2)圆筒的直径相等，引流前罩(2)填补了开孔射流后罩(3)的周向缺口，引流前罩(2)与开孔射流后罩(3)对接后形成一个整体的引流旋罩，将中心叶轮(8)罩在其内部；在开孔射流后罩(3)沿椭圆筒短轴方向的两侧面开有对称的侧向导流孔(12)，正对引流前罩(2)前引流孔(4)的开孔射流后罩(3)内壁面设有扇形凸块，扇形凸块的两侧开孔射流后罩(3)壁上开有对称的侧后方减缩孔(5)，侧后方减缩孔(5)由内向外直径逐渐减小；由引流前罩(2)和开孔射流后罩(3)构成的引流旋罩内壁开有等间距的四条水平矩形凹槽(11)；开孔射流后罩(3)的上、下两个环面沿其所在水平面的短轴方向对称开有固定小叶轮(9)的圆孔，两根小叶轮转轴(10)穿过圆孔固定在中心叶轮(8)两侧，在每根小叶轮转轴(10)的轴向等间距套装有四个小叶轮(9)，小叶轮(9)的弧形叶片凹面朝向与中心叶轮(8)弧形叶片的凹面朝向相反。
2.如权利要求1所述的一种大头鱼形开槽导流喷射与摆尾的抑振装置，其特征在于：上方套筒轴承(7)的下表面距中心叶轮(8)上表面为三分之一个套筒轴承(7)的高度，下方套筒轴承(7)的上表面距中心叶轮(8)的下表面为三分之一个套筒轴承(7)的高度；所述的前引流孔(4)对应的圆弧角度为20度。
3.一种大头鱼形开槽导流喷射与摆尾的抑振方法，采用如权利要求1所述的大头鱼形开槽导流喷射与摆尾的抑振装置，其特征在于：海流流经立管(1)且与尾翼(6)之间存在攻角时，尾翼(6)在海流冲击下发生旋转，带动整个装置旋转至立管(1)背流侧，且两个尾翼(6)所夹锐角的中心线与海流速度方向平行；海流从引流前罩(2)的引流孔中流入，冲击在中心叶轮(8)的弧形叶片上驱动中心叶轮(8)旋转，耗散了原本直接施加在立管(1)上的水流冲击力，且中心叶轮(8)的旋转使得从其两侧流过的海流流量不等，实现了空间上的流量调配；海流沿中心叶轮(8)两侧绕行，顺着装置的内空通道和罩壁的水平矩形凹槽(11)流动；当海流流至小叶轮(9)处，驱动小叶轮(9)旋转，进一步调整了海流的流速和流向；一部分海流沿着小叶轮(9)旋转的切向从侧向导流孔(12)射出，射流与罩外海流方向垂直，向引流旋罩的绕流边界层注入了流体动能，使边界层分离点向后迁移；另一部分海流继续沿水平矩形凹槽(11)流动，到达侧后方减缩孔(5)处受侧后方减缩孔(5)缩径节流作用，流速增大，在开孔射流后罩(3)尾部形成射流，干扰了立管(1)背流侧旋涡的交替脱落；由于水平矩形凹槽(11)和小叶轮(9)沿垂向布置，从侧向导流孔(12)流出的海流在垂向流速分布不均匀，破坏了立管(1)周围流场的三维空间结构；装置内部流动的海流，带动中心叶轮(8)顺时针旋转，而驱动小叶轮(9)逆时针旋转，对装置内的海流起到加速作用；由于小叶轮(9)在垂向按一定间距布置，使得海流在垂向发生了流向的转移；此外，限位弹簧限制了两块尾翼(6)的相对位移，侧后方减缩孔(5)射出的射流撞击在尾翼(6)上使得尾翼(6)绕尾翼支撑柱做旋转开合运动，扰乱了剪切层的发展，抑制了旋涡的形成；因此，在水平矩形凹槽(11)的引流与空间调配、中心叶轮(8)的流量分配、小叶轮(9)的流向调整、侧向导流孔(12)的导流、侧后方减缩孔(5)的射流以及旋摆尾翼(6)的流动空间分割和尾涡搅动的共同作用下，立管(1)两侧和尾部的绕流边界层受到深度破坏，抑制了大旋涡的形成，从而结合了主动与被动抑制的优点实现了涡激振动的抑制。
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