CN114263658B - 一种磁力滑移与导流旋转结合的涡激振动抑制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁力滑移与导流旋转结合的涡激振动抑制装置及方法，装置由旋摆单元和滑动单元组成，旋摆单元由转动轴承和套筒组成，套筒外壁两侧对称地固接有导流板和尾部挡板；滑动单元由滑动装置和干涉板组成，滑动装置外焊有垂直于套筒的干涉板，干涉板上开设干涉孔。在本装置导流板、尾部挡板、干涉板中分别设有内嵌磁铁，在海流冲击力与磁铁斥力的共同作用下，干涉板沿滑动轴承的半圆形滑轨往复滑动，破坏了立管周围的绕流流场；同时，海流流过干涉板上的干涉孔后流速与流向发生改变，进一步破坏旋涡的形成与发展，实现无能耗的振动抑制。
Description
背景技术
海洋能源在维护海洋权益和保障国家能源安全、缓解资源与环境的制约等方面具有十分深远的战略意义。我国深水油气开发技术已迈入国际先进行列，海洋立管是连接海底与海面浮体间的关键通道，在海洋油气资源开发中起着至关重要的作用。然而，海洋立管处于复杂的环境中，长期承受着内部高压多相流和外部波流的作用，且上端受到浮体运动以及海冰等冲击载荷的作用。当波流绕过立管时，在一定的流速下产生旋涡脱落，使立管发生涡激振动。当海洋立管自振频率与旋涡脱落频率接近时，会发生“锁定”现象，使立管振动增强，加速立管疲劳损失。因此，抑制涡激振动是海洋工程技术人员关注的热点问题。
目前，涡激振动抑制装置主要分为主动抑制和被动抑制两大类。主动抑制装置需要额外消耗外部能量达到抑制效果，如抽吸、喷射、旋转控制杆等，需要安装驱动装置，不适于大规模安装应用。被动抑制装置不消耗外部能量，如分离盘、整流罩等，但这些装置大多采用金属材料，不仅增加了立管的负担，且长期侵泡在海水中，容易腐蚀失效。此外。被动抑制装置不能随来流方向自适应调节，大大减弱了涡激振动的抑制效果，若能采用轻质的非金属材料，且能随来流方向自适应旋转，将会大大提高抑制装置的能效。
发明内容
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、无能耗的一种磁力滑移与导流旋转结合的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：
一种磁力滑移与导流旋转结合的涡激振动抑制装置，由旋摆单元和滑动单元组成；旋摆单元由上、下两个转动轴承和一个套筒组成，转动轴承为内嵌圆柱滚子的内外圈结构，转动轴承内圈内径等于立管的外径，转动轴承从两侧对称的套装在立管外壁，通过螺栓连接固定，上、下两个转动轴承按间隔一个套筒的高度安装在立管外壁。转动轴承外圈外壁设有一对对称分布的矩形插片，矩形插片高度等于轴承高度。套筒为一圆筒结构，套筒外壁的两侧对称地固接有一块导流板和尾部挡板。所述的导流板的长度为立管外径的1～1.5倍，尾流挡板的长度为立管外径的2～4倍。在导流板和尾部挡板上、下两端分别对称地安装有内嵌磁铁，其中导流板内嵌磁铁的两极与尾部挡板内嵌磁铁的两极磁铁方向一致，在套筒两端内壁关于中轴线对称地开设四个矩形凹槽，矩形凹槽所在的平面与导流板及尾部挡板所在的平面垂直，矩形凹槽的高度与深度分别与转动轴承外圈外壁矩形插片的高度和厚度相等。上、下两个转动轴承外圈外壁的矩形插片分别插入套筒上、下两端内壁的矩形凹槽中，实现套筒的限位。
滑动单元由一个滑动装置和干涉板组成，滑动轴承由滑动轴承内圈、滑动轴承外圈嵌套组合而成，滑动装置从两侧套装在套筒外壁中部，通过螺栓连接固定。滑动轴承内圈由对称的两半圆形钢质构件组成，每一半滑动轴承内圈外壁均沿周向加工有长度小于滑动轴承内圈一半周长的半圆形滑轨，每根半圆形滑轨两端均加工有T型凹槽，T型凹槽与限位翅片的尺寸一致，限位翅片插入T型凹槽内固定，限位翅片固定后有一半圆形平板垂直于滑动轴承内圈壁伸出。滑动轴承外圈由对称的两个圆弧形钢质构件组成，圆弧形钢质构件的长度小于半圆形滑轨的长度，每个圆弧形钢质构件内壁加工有半圆形滑槽，半圆形滑槽与半圆形滑轨的尺寸一致，滑动轴承外圈的半圆形滑槽套入滑动轴承内圈的半圆形滑轨，实现滑动轴承外圈的滑移。半圆形滑轨两端限位翅片对滑动轴承外圈的滑动起限位作用。滑动轴承外圈的圆弧形钢质构件两端分别焊接有垂直于套筒壁的干涉板，干涉板的高度等于立管高度，宽度等于导流板宽度。干涉板上开设干涉孔，在干涉板上、下两端对称位置处安有内嵌磁铁，其中内嵌磁铁的磁极方向分别与邻近的导流板和尾部挡板中的内嵌磁铁的磁极方向相同，且干涉板上靠近尾部挡板的内嵌磁铁大于靠近导流板的内嵌磁铁。
利用所述的磁力滑移与导流旋转结合的涡激振动抑制装置提供一种磁力滑移与导流旋转结合的涡激振动抑制方法。当海流流向与尾部挡板及导流板之间存在夹角时，尾部挡板和导流板在海流冲击力的作用下发生整体旋转，直至与海流方向一致，且导流板位于迎流面，尾部挡板位于背流面。海流流经立管时，一方面，海流在导流板的作用下发生分流，推动干涉板在滑动轴承外圈的带动下沿套筒的周向向后滑移，由于干涉板中的内嵌磁铁和尾部挡板中的内嵌磁铁磁极相同，产生同极相斥的斥力，使干涉板又向前滑移，因而在海流冲击力与内嵌磁铁斥力的共同作用下，干涉板沿滑动轴承内圈半圆形滑轨发生往复的滑移运动，破坏了立管周围的绕流流场结构。另一方面，海流流过干涉板上的干涉孔后流速与流向都发生改变，使立管周向上的边界层分离点位置发生转移，进一步破坏漩涡的形成与发展。尾部挡板在海流的冲击下，发生自适应旋转，干扰了尾流旋涡的形成，破坏了剪切层的干涉，实现了涡激振动的抑制。
本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：
1.本发明装置的尾部挡板和导流板在海流流向之间存在攻角时，在海流的冲击下使套筒整体发生旋转，使装置在流向不断变化的海洋环境中产生良好的适应性。
2.本发明装置干涉板上的干涉孔使来流流束得到破碎，改变了流动方向与流速，减小了整个装置受到的阻力，同时破坏了边界层的发展，抑制了尾部漩涡的产生和发展。
3.本发明装置的导流板、尾部挡板和干涉板都有内嵌磁铁，干涉板在海流冲击力和磁极斥力的作用下往复滑移运动，破坏了立管周围的流场结构，增强了涡激振动的抑制效果。
4.本发明装置的套筒、导流板、尾部挡板和干涉板均由轻质材料加工，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为本发明装置转动轴承结构示意图；
图3为本发明装置套筒、导流板和尾部挡板的整体结构示意图；
图4为本发明装置滑动轴承内圈结构示意图；
图5为本发明装置滑动轴承外圈与干涉板的整体结构示意图；
其中：1、立管；2、转动轴承；3、套筒；4、滑动轴承；5、干涉板；6、轴承外圈；7、轴承内圈；8、矩形插片；9、导流板；10、尾部挡板；11、内嵌磁铁；12、矩形凹槽；13、滑动轴承内圈；14、半圆形滑轨；15、T型凹槽；16、限位翅片；17、滑动轴承外圈；18、半圆形滑槽；19、干涉孔。
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，一种磁力滑移与导流旋转结合的涡激振动抑制装置，由旋摆单元和滑动单元组成；旋摆单元由上、下两个转动轴承2和一个套筒组成3，如图2所示，转动轴承2为内嵌圆柱滚子的内外圈结构，转动轴承内圈7内径等于立管1的外径，转动轴承2从两侧对称的套装在立管1外壁，通过螺栓连接固定，上、下两个转动轴承2按间隔一个套筒3的高度安装在立管1外壁。转动轴承外圈6外壁设有一对对称分布的矩形插片8，矩形插片8高度等于轴承2高度。如图3所示，套筒3为一圆筒结构，套筒3外壁的两侧对称地固接有一块导流板9和尾部挡板10，所述的导流板9的长度为立管1外径的1～1.5倍，尾流挡板10的长度为立管1外径的2～4倍。在导流板9和尾部挡板10上、下两端分别对称地安装有内嵌磁铁11，其中导流板9内嵌磁铁11的两极与尾部挡板10内嵌磁铁11的两极磁铁方向一致，在套筒3两端内壁关于中轴线对称地开设四个矩形凹槽12，矩形凹槽12所在的平面与导流板9及尾部挡板10所在的平面垂直，矩形凹槽12的高度与深度分别与转动轴承外圈6外壁矩形插片8的高度和厚度相等。上、下两个转动轴承外圈6外壁的矩形插片8分别插入套筒3上、下两端内壁的矩形凹槽12中，实现套筒3的限位。
滑动单元由一个滑动装置和干涉板3组成，滑动轴承由滑动轴承内圈13、滑动轴承外圈17嵌套组合而成，滑动装置从两侧套装在套筒3外壁中部，通过螺栓连接固定。如图4所示，滑动轴承内圈13由对称的两半圆形钢质构件组成，每一半滑动轴承内圈13外壁均沿周向加工有长度小于滑动轴承内圈13一半周长的半圆形滑轨14，每根半圆形滑轨14两端均加工有T型凹槽15，T型凹槽15与限位翅片16的尺寸一致，限位翅片16插入T型凹槽15内固定，限位翅片16固定后有一半圆形平板垂直于滑动轴承内圈13壁伸出。如图5所示，滑动轴承外圈17由对称的两个圆弧形钢质构件组成，圆弧形钢质构件的长度小于半圆形滑轨14的长度，每个圆弧形钢质构件内壁加工有半圆形滑槽18，半圆形滑槽18与半圆形滑轨14的尺寸一致，滑动轴承外圈17的半圆形滑槽18套入滑动轴承内圈13的半圆形滑轨14，实现滑动轴承外圈17的滑移。半圆形滑轨14两端限位翅片16对滑动轴承外圈17的滑动起限位作用。滑动轴承外圈17的圆弧形钢质构件两端分别焊接有垂直于套筒3壁的干涉板5，干涉板5的高度等于立管1高度，宽度等于导流板9宽度。干涉板5上开设干涉孔19，在干涉板5上、下两端对称位置处安有内嵌磁铁11，其中内嵌磁铁11的磁极方向分别与邻近的导流板9和尾部挡板10中的内嵌磁铁11的磁极方向相同，且干涉板5上靠近尾部挡板10的内嵌磁铁11大于靠近导流板的内嵌磁铁11。
如图1所示，利用所述的磁力滑移与导流旋转结合的涡激振动抑制装置提供一种磁力滑移与导流旋转结合的涡激振动抑制方法。当海流流向与尾部挡板及导流板9之间存在夹角时，尾部挡板10和导流板9在海流冲击力的作用下发生整体旋转，直至与海流方向一致，且导流板9位于迎流面，尾部挡板10位于背流面。海流流经立管时，一方面，海流在导流板9的作用下发生分流，推动干涉板5在滑动轴承外圈17的带动下沿套筒3的周向向后滑移，由于干涉板5中的内嵌磁铁11和尾部挡板10中的内嵌磁铁11磁极相同，产生同极相斥的斥力，使干涉板5又向前滑移，因而在海流冲击力与内嵌磁铁11斥力的共同作用下，干涉板11沿滑动轴承内圈13半圆形滑轨14发生往复的滑移运动，破坏了立管1周围的绕流流场结构。另一方面，海流流过干涉板5上的干涉孔19后流速与流向都发生改变，使立管1周向上的边界层分离点位置发生转移，进一步破坏漩涡的形成与发展。尾部挡板10在海流的冲击下，发生自适应旋转，干扰了尾流漩涡的形成，破坏了剪切层的干涉，实现了涡激振动的抑制。
实施例：
安装本发明装置时，首先将两个转动轴承2从上、下两侧对称的套装在立管1外壁，然后把套筒3通过上、下两个转动轴承外圈6外壁的矩形插片8插入套筒3上、下两端内壁的矩形凹槽12，实现套筒3的限位。
然后，将滑动轴承内圈13从两侧套装在套筒3外壁中部，使滑动轴承内圈13对称地分布在导流板9和尾部挡板10所在平面两侧，通过螺栓连接固定，并将滑动轴承外圈17通过滑动轴承外圈17的半圆形滑槽18套入滑动轴承内圈13的半圆形滑轨14，使滑动轴承外圈17焊接的垂直于套筒3壁的干涉板5对称地分布在导流板9和尾部挡板10所在平面两侧，实现滑动轴承外圈17的滑移。
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。当海流流向与尾部挡板及导流板9之间存在夹角时，尾部挡板10和导流板9在海流冲击力的作用下发生整体旋转，直至与海流方向一致。且导流板9位于迎流面，尾部挡板10位于背流面。海流流经立管时，一方面，海流在导流板9的作用下发生分流，推动干涉板5在滑动轴承外圈17的带动下沿套筒3的周向向后滑移，由于干涉板5中的内嵌磁铁11和尾部挡板10中的内嵌磁铁11磁极相同，产生同极相斥的斥力，使干涉板5又向前滑移，因而在海流冲击力与内嵌磁铁11斥力的共同作用下，干涉板11沿滑动轴承内圈13半圆形滑轨14发生往复的滑移运动，破坏了立管1周围的绕流流场结构。另一方面，海流流过干涉板5上的干涉孔19后流速与流向都发生改变，使立管1周向上的边界层分离点位置发生转移，进一步破坏漩涡的形成与发展。尾部挡板10在海流的冲击下，发生自适应旋转，干扰了尾流漩涡的形成，破坏了剪切层的干涉，实现了涡激振动的抑制。
Claims (2)
1.一种磁力滑移与导流旋转结合的涡激振动抑制装置，由旋摆单元和滑动单元组成；旋摆单元由上、下两个转动轴承(2)和一个套筒组成(3)，转动轴承(2)为内嵌圆柱滚子的内外圈结构，转动轴承内圈(7)内径等于立管(1)的外径，转动轴承(2)从两侧对称的套装在立管(1)外壁，通过螺栓连接固定，上、下两个转动轴承(2)按间隔一个套筒(3)的高度安装在立管(1)外壁；转动轴承外圈(6)外壁设有一对对称分布的矩形插片(8)，矩形插片(8)高度等于转动轴承(2)高度；套筒(3)为一圆筒结构；滑动单元由滑动轴承(4)和干涉板(5)组成，滑动轴承(4)由滑动轴承内圈(13)、滑动轴承外圈(17)嵌套组合而成，滑动轴承(4)从两侧套装在套筒(3)外壁中部，通过螺栓连接固定；其特征在于：所述的套筒(3)外壁的两侧对称地固接有一块导流板(9)和尾部挡板(10)，导流板(9)的长度为立管(1)外径的1～1.5倍，尾流挡板(10)的长度为立管(1)外径的2～4倍；在导流板(9)和尾部挡板(10)上、下两端分别对称地安装有内嵌磁铁(11)，其中导流板(9)内嵌磁铁(11)的两极与尾部挡板(10)内嵌磁铁(11)的两极磁铁方向一致，在套筒(3)两端内壁关于中轴线对称地开设四个矩形凹槽(12)，矩形凹槽(12)所在的平面与导流板(9)及尾部挡板(10)所在的平面垂直，矩形凹槽(12)的高度与深度分别与转动轴承外圈(6)外壁矩形插片(8)的高度和厚度相等；上、下两个转动轴承外圈(6)外壁的矩形插片(8)分别插入套筒(3)上、下两端内壁的矩形凹槽(12)中，实现套筒(3)的限位；所述的滑动轴承内圈(13)由对称的两半圆形钢质构件组成，每一半滑动轴承内圈(13)外壁均沿周向加工有长度小于滑动轴承内圈(13)一半周长的半圆形滑轨(14)，每根半圆形滑轨(14)两端均加工有T型凹槽(15)，T型凹槽(15)与限位翅片(16)的尺寸一致，限位翅片(16)插入T型凹槽(15)内固定；限位翅片(16)固定后有一半圆形平板垂直于滑动轴承内圈(13)壁伸出；滑动轴承外圈(17)由对称的两个圆弧形钢质构件组成，圆弧形钢质构件的长度小于半圆形滑轨(14)的长度，每个圆弧形钢质构件内壁加工有半圆形滑槽(18)，半圆形滑槽(18)与半圆形滑轨(14)的尺寸一致，滑动轴承外圈(17)的半圆形滑槽(18)套入滑动轴承内圈(13)的半圆形滑轨(14)，实现滑动轴承外圈(17)的滑移；半圆形滑轨(14)两端限位翅片(16)对滑动轴承外圈(17)的滑动起限位作用；滑动轴承外圈(17)的圆弧形钢质构件两端分别焊接有垂直于套筒(3)壁的干涉板(5)，干涉板(5)的高度等于立管(1)高度，宽度等于导流板(9)宽度，干涉板(5)上开设干涉孔(19)，在干涉板(5)上、下两端对称位置处安有内嵌磁铁(11)，其中内嵌磁铁(11)的磁极方向分别与邻近的导流板(9)和尾部挡板(10)中的内嵌磁铁(11)的磁极方向相同，且干涉板(5)上靠近尾部挡板(10)的内嵌磁铁(11)大于靠近导流板的内嵌磁铁(11)。
2.一种磁力滑移与导流旋转结合的涡激振动抑制方法，采用如权利要求1所述的磁力滑移与导流旋转结合的涡激振动抑制装置，其特征在于：当海流流向与尾部挡板及导流板(9)之间存在夹角时，尾部挡板(10)和导流板(9)在海流冲击力的作用下发生整体旋转，直至与海流方向一致；且导流板(9)位于迎流面，尾部挡板(10)位于背流面；海流流经立管时，一方面，海流在导流板(9)的作用下发生分流，推动干涉板(5)在滑动轴承外圈(17)的带动下沿套筒(3)的周向向后滑移，由于干涉板(5)中的内嵌磁铁(11)和尾部挡板(10)中的内嵌磁铁(11)磁极相同，产生同极相斥的斥力，使干涉板(5)又向前滑移，因而在海流冲击力与内嵌磁铁(11)斥力的共同作用下，干涉板(11)沿滑动轴承内圈(13)半圆形滑轨(14)发生往复的滑移运动，破坏了立管(1)周围的绕流流场结构；另一方面，海流流过干涉板(5)上的干涉孔(19)后流速与流向都发生改变，使立管(1)周向上的边界层分离点位置发生转移，进一步破坏漩涡的形成与发展；尾部挡板(10)在海流的冲击下，发生自适应旋转，干扰了尾流旋涡的形成，破坏了剪切层的干涉，实现了涡激振动的抑制。
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