一种可自动调节的圆筒型浮式核能平台涡激运动抑制装置 |
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| 申请号 | CN202210568955.1 | 申请日 | 2022-05-24 | 公开(公告)号 | CN114919711B | 公开(公告)日 | 2024-05-14 |
| 申请人 | 上海交通大学; | 发明人 | 曹辰泽; 何炎平; 陈哲; 王梓; 刘亚东; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种可 自动调节 的圆筒型浮式核能平台涡激运动抑制装置，主船体结构四周竖向分布若干电动滑轨，各电动滑轨上设有相匹配的可滑动支座；主船体结构底部设有外径大于主船体结构的柱靴结构，柱靴结构上设有与电动滑轨一一对应的凹形固定支座；电动滑轨和凹形固定支座之间布置了可伸缩的扰流杆，扰流杆下端部与凹形固定支座连接并可绕凹形固定支座转动，扰流杆上端部与可滑动支座相连接并可绕可滑动支座转动；可绕可滑动支座上设有可实时监测 吃 水 深度的 传感器 ，控制中心根据传感器的电 信号 控制可滑动支座移动，在可滑动支座移动时，扰流杆在压 力 的作用下可进行相应伸缩改变。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种可自动调节的圆筒型浮式核能平台涡激运动抑制装置，其特征在于： |
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| 说明书全文 | 一种可自动调节的圆筒型浮式核能平台涡激运动抑制装置技术领域[0001] 本发明涉及一种可自动调节的圆筒型浮式核能平台涡激运动抑制装置，属于海洋工程技术领域。 背景技术[0002] 圆筒型浮式核能平台的单柱式主船体结构使得平台在海流的持续作用下，平台尾流区两侧会形成交替性的漩涡泻放，该现象会导致平台在顺流方向和垂直顺流方向上分别受到周期性的拖曳力和升力作用，进行诱导平台发生周期性的涡激运动，持续性的涡激运动将加速系泊、立管系统疲劳损害并严重影响平台正常的生活与作业环境。 [0003] 涡激运动发生的本质为结构物表面的边界层分离现象，基于这一流体力学基本理论，目前单柱式结构涡激运动(涡激振动)抑制的工作原理均为干扰结构物表面流场形态进而破坏边界层分离以达到抑制漩涡生成的目的。这些涡激运动装置主要可以分为“主动”和“被动”两大类： [0004] “主动”类涡激运动抑制装置通常需要消耗一定能源来给予装置一定驱动力，进而对结构物表面规律的流场形态进行扰乱破坏，如公布日为2021年9月28日，公开号为CN113445934A的中国专利文献，用波浪能产生合成射流，并向流场注入了有利干扰，合成射流与主流剪切层强烈耦合，抑制了平台的涡激运动；但是该装置运作的动力来源仅为波浪能，单一且不稳定，该装置在波浪能资源匮乏但是海流作用强的海域中工作效率较低。 [0005] “被动”类涡激运动抑制装置则是通过在结构物表面安装一些附体结构来扰乱结构物表面的流动，进而抑制结构物表面漩涡生成，如在结构物表面安装扰流板、扰流块和螺旋列板等。如公布日为2020年5月5日，公布号为CN111098978A的中国专利文献将具有一定截面形式的绳子螺旋缠绕在铠装缆上，实现对螺旋列板的替代与模拟，起到螺旋列板相同的抑制涡激振动效果；螺旋列板截面、螺旋角、螺距随时可调，可以在铠装缆和其他海洋工程中的圆柱形结构上用于抑制涡激振动。但是该装置使用起来自动化水平不够高，装置无法实时对吃水深度进行判断进而自行改变装置在轴向的总布置长度，而且该装置起主要作用的为绳子，装置的实际工作效率和使用安全性及寿命具有一定局限性。 [0006] 对比专利文件列表： [0007] 【1】一种利用波浪力抑制海洋平台涡激运动的装置，公开号CN113445934A，公开日2021.09.28。 [0008] 【2】一种可快速装卸的螺旋列板涡激振动抑制装置及方法，公开号CN111098978A，公开日2020.05.05。 发明内容[0009] 本发明需要解决的问题是：现有的两类海洋平台涡激运动抑制技术中，“主动类”装置通过消耗一定能源来产生涡激运动抑制作用，但是装置工作时所需的动力来源不稳定，进而导致装置不能持续高效的运行。“被动”类装置通过在平台表面安装或布置附体结构来干扰平台表面的流动分离，进而抑制平台尾流区漩涡的生成，减小平台在水平面上的横荡、纵荡和艏摇运动，但是这类装置的自动化工作能力不高，装置在平台轴向的总布置距离无法随吃水深度变化实时变化，从而造成一定的资源浪费；同时，部分附体结构还会增加平台水线面以下的总迎流面积，进而导致平台受到的总流体拖曳力增加。 [0010] 因此本发明旨在提供一种可自动调节的圆筒型浮式核能平台涡激运动抑制装置，在“被动”类装置的基础上，使得提供抑制作用的功能部件能够随吃水深度变化实时变化，使得功能部件能够进行动态调整，从而在任意时刻下均刚好处于浸没在水线面以下的状态，即功能部件在任意时刻下发挥的抑制作用都是最充分的，避免了功能部件因部分长度处于水线面以上而无法充分发挥抑制作用的弊端，避免资源上的浪费。 [0011] 本发明采取以下技术方案： [0012] 一种可自动调节的圆筒型浮式核能平台涡激运动抑制装置，主船体结构2四周竖向分布若干电动滑轨7，各所述电动滑轨7上设有相匹配的可滑动支座6；主船体结构2底部设有外径大于所述主船体结构2的柱靴结构3，所述柱靴结构3上设有与所述电动滑轨7一一对应的凹形固定支座5；所述电动滑轨7和凹形固定支座5之间布置了可伸缩的扰流杆4，所述扰流杆4下端部与凹形固定支座5连接并可绕凹形固定支座5转动，所述扰流杆4上端部与可滑动支座6相连接并可绕可滑动支座6转动；所述可绕可滑动支座6上设有可实时监测吃水深度的传感器603，控制中心根据所述传感器603的电信号控制所述可滑动支座6移动，在可滑动支座6移动时，扰流杆4在压力的作用下可进行相应伸缩改变。 [0013] 本发明基于流体力学基本理论，从边界层分离和涡激运动产生的根本原理出发，结合人工智能技术知识设计了一套自动化水平较高的圆筒型浮式核能平台涡激运动抑制装置。当圆筒型浮式核能平台吃水深度发生超过一定数值的变化后，涡激运动抑制装置可及时监测到这种变化并控制整套装置的工作范围正好完全处于平台吃水深度内；面对不同来流方向的海流作用，装置内的扰流杆结构均可对单柱式主船体表面的边界层分离进行干扰，打乱了单柱式主船体结构表面的三维流线结构，破坏了单柱式主船体结构表面脱落漩涡的垂向相关性，进而一定程度上抑制了圆筒型浮式核能平台的涡激运动，进而保证了平台内部核反应堆的正常运行并可为涡激运动抑制装置持续高效地提供电力来源。 [0014] 优选的，所述扰流杆4为三段不同粗细的圆筒型杆子互相嵌套组成。 [0015] 优选的，所述凹形固定支座5和可滑动支座6均与扰流杆4通过转动嵌套方式连接，方便扰流杆4进行安装或拆卸。 [0016] 优选的，所述可滑动支座6内置所述传感器603，传感器603可对圆筒型浮式核能平台的吃水深度进行实时监测，进而使得可滑动支座6可随水线面变化向始终位于水线面以下设定距离的趋势进行移动。 [0017] 优选的，所述电动滑轨7由凸形轨道701和滚珠702组成，其中凸形轨道701安装在主船体结构表面，凸形轨道701长度涵盖了圆筒型浮式核能平台的最大吃水深度。 [0018] 优选的，所述扰流杆4、凹形固定支座5、可滑动支座6、电动滑轨7构成的涡激运动抑制装置单元在每个柱靴结构上间隔40°布置一套，共9套。 [0019] 优选的，圆筒型浮式核能平台的内部核反应堆的运行为涡激运动抑制装置持续地提供电力。 [0020] 本发明的有益效果在于： [0021] 1)滑块上的传感器可对平台吃水进行实时监测，配合电动滑轨可以自适应调节整套涡激运动抑制装置的工作范围，避免了资源浪费，可发挥装置的最大工作效益。 [0022] 2)整套扰流杆结构具有更小的迎流面积，避免了平台所受流体拖曳力的大幅增加；整套扰流杆结构周向多根布置，形状大小一致，制造成本低且安装、拆修方便。 [0023] 3)整套涡激运动抑制装置在发挥抑制作用的同时还构建了圆筒型浮式核能平台主船体结构和柱靴结构之间的结构力学联系，一定程度上增加了整个平台的结构稳定性。 [0024] 4)圆筒型浮式核能平台内置核反应堆装置与涡激运动装置相辅相成，核反应堆运行产生电能通过分支向涡激运动抑制装置输送，充当涡激运动抑制装置的持续性动力来源；涡激运动抑制装置的持续高效工作也保证了平台在海流作用下的稳定性，进而保证了核反应堆的安全稳定运行。 [0025] 5)可伸缩的扰流杆结构不会引起平台受到的总流体拖曳力大幅增加； [0026] 6)涡激运动抑制装置单元成套设置、安装和拆卸方便； [0028] 图1为圆筒型浮式核能平台及平台表面涡激运动抑制装置的主视图。 [0029] 图2为圆筒型浮式核能平台及平台表面涡激运动抑制装置的俯视图。 [0030] 图3为本发明一种圆筒型浮式核能平台涡激运动抑制装置的结构图。 [0031] 图4为本发明凸形电动滑轨与可滑动支座的剖视图。 [0032] 图5为本发明扰流杆结构示意图。 [0033] 图6为本发明凹形固定支座结构示意图。 [0034] 图7为整套扰流杆设备工作流程示意图。 具体实施方式[0035] 下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。 [0036] 参见图1‑7，一种可自动调节的圆筒型浮式核能平台涡激运动抑制装置主要由扰流杆4、凹形固定支座5、可滑动支座6、电动滑轨7组成。 [0037] 参见图1‑2，该装置安装于主船体结构2的周围，并位于顶部平台1的下方。 [0038] 参见图3和图5，扰流杆4是由粗、中、细三根不同直径大小的圆筒型杆相邻嵌套组成，分别为细扰流杆402、中扰流杆403和粗扰流杆404。可伸缩的扰流杆结构在产生涡激运动抑制作用的同时相比于传统“被动”类装置的扰流板和螺旋列板等，极大程度减小了装置迎流面积和平台总迎流面积的增幅，进而减小了平台受到的总流体拖曳力的增幅。此外，扰流杆4的上端部和下端部分别焊接了正方体转动连接件401和长方体转动连接件405，正方体转动连接件401与长方体转动连接件405分别与凹形固定支座5和可滑动支座6连接。 [0039] 参见图3‑6，凹形固定支座5主要由圆杆(粗)501、固定式底座502、正五边形螺栓(大号)503组成，可滑动支座6主要由圆杆(细)601、正五边形螺栓(小号)602、传感器603、滑动式底座604组成。正方体转动连接件401与圆杆(细)601套合并可随圆杆(细)601转动，长方体转动连接件405与圆杆(粗)501套合并可随圆杆(粗)501转动。可伸缩的扰流杆结构相比于焊接在平台表面的螺旋列板和扰流板等，扰流杆4两端的转动连接方式方便了整个扰流杆结构的安装与拆卸；而且周向布置的多根扰流杆结构型号一致，可以批量生产，制造成本低。整套涡激运动抑制装置通过主船体表面可滑动支座6、扰流杆4、柱靴结构表面凹形固定支座5建立起圆筒型浮式核能平台主船体结构和柱靴结构的结构力学联系，一定程度上增加了平台在海、浪、流等海洋环境作用下的结构稳定性。 [0040] 参见图3‑4，传感器603安装在滑动式底座604表面，传感器具备良好防水性能和防腐蚀性能，可对圆筒型浮式核能平台的吃水深度进行实时监测；传感器603还可进行程序自定义，从而能自定义监测大于一定数值的吃水深度变化，增加了涡激运动抑制装置的工作效率。传感器603可以准确捕捉水线面进而将信号反馈给控制器，控制器对信号进行处理并对滑轨中的电机给出执行命令，电动滑轨受到执行命令后开始进行相应运转，进而可以动态实时改变扰流杆的长度，从而发挥扰流杆的最大效益，避免了资源浪费。 [0041] 需要说明的是，传统的涡激运动抑制装置因为结构件是直接焊接在平台表面的，导致在某些情况下，焊接在表面的结构件部分长度是处于水线面以上，这部分长度是无法产生抑制作用的，结构件因此也无法充分发挥其抑制作用。而本实施例中，滑块上的传感器可对平台周围各个部位的吃水进行实时监测，通过滑块在滑轨上的移动带动扰流杆伸缩，进而实现扰流杆可以根据水线面的变化进行实时动态调整，通过动态调整扰流杆的长度可以使得扰流杆在任意时刻下均刚好处于浸没在水线面以下的状态，即扰流杆在任意时刻下发挥的抑制作用都是最充分的，避免了扰流杆因部分长度处于水线面以上而无法充分发挥抑制作用的弊端，避免了资源上的浪费。 [0042] 参见图1‑3，电动滑轨7主要由凸形滑道701、滚珠702组成，使得可滑动支座能上下灵活移动，扩大了涡激运动抑制装置的工作范围，保证了当圆筒型浮式核能平台用于不同吃水深度海域时此套涡激运动抑制装置仍然具备良好的适用性，发挥了装置的最大工作效益。此外，圆筒型浮式核能平台内置核反应堆装置，核反应堆工作产生电能，该电能可通过分支持续性输送到主船体结构表面的电动滑轨装置进而保证整套涡激运动抑制装置能持续高效工作，充分发挥涡激运动抑制作用。 [0043] 综上，本发明基于流体力学基本理论，从边界层分离和涡激运动产生的根本原理出发，结合人工智能技术知识设计了一套自动化水平较高的圆筒型浮式核能平台涡激运动抑制装置。当圆筒型浮式核能平台吃水深度发生超过一定数值的变化后，涡激运动抑制装置可及时监测到这种变化并控制整套装置的工作范围正好完全处于平台吃水深度内；面对不同来流方向的海流作用，装置内的扰流杆结构均可对单柱式主船体表面的边界层分离进行干扰，打乱了单柱式主船体结构表面的三维流线结构，破坏了单柱式主船体结构表面脱落漩涡的垂向相关性，进而一定程度上抑制了圆筒型浮式核能平台的涡激运动，进而保证了平台内部核反应堆的正常运行并可为涡激运动抑制装置持续高效地提供电力来源。 [0044] 以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改机都应当属于本发明要求保护的范围之内。 |
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