一种引流喷射破坏绕流边界层的涡激振动抑制装置及方法 |
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| 申请号 | CN201610497136.7 | 申请日 | 2016-06-30 | 公开(公告)号 | CN106089108A | 公开(公告)日 | 2016-11-09 |
| 申请人 | 西南石油大学; | 发明人 | 朱红钧; 张爱婧; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种引流喷射破坏绕流 边界层 的涡激振动抑制装置及方法，装置由固定圆盘、 滚动 轴承 、引流入 水 管、开孔附属管组成。固定圆盘套装于海洋立管外壁，上、下两个固定圆盘间安装有六根开孔附属管，开孔附属管的存在被动控制了海洋立管壁面绕流 旋涡 的形成。引流入水管安装于下固定圆盘底端，可根据海流方向自适应调节，引入 海水 至开孔附属管，并从开孔附属管的出水孔喷出。出水孔正对海洋立管壁面，喷出的海水对海洋立管表面的绕流边界层产生直接的冲击破坏，进一步抑制了旋涡的形成和脱落，从而实现涡激振动的抑制。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种引流喷射破坏绕流边界层的涡激振动抑制装置，其特征在于：由固定圆盘(2)、滚动轴承、引流入水管(3)、开孔附属管(4)组成；固定圆盘(2)由两个对称的半圆环形构件对接组装而成，固定圆盘(2)有两个，按间隔一个开孔附属管(4)高度分别套装在海洋立管(1)外壁，通过螺栓固定；固定圆盘(2)沿周向均匀开设有六个贯穿固定圆盘(2)的圆形固定衔接孔，且固定衔接孔的轴线与固定圆盘(2)的轴线平行；固定衔接孔一端孔径大，另一端孔径小，固定衔接大孔(6)与固定衔接小孔(5)间形成了台阶面，固定衔接大孔(6)与固定衔接小孔(5)内壁中部均设有母螺纹；上部固定圆盘(2)的固定衔接大孔(6)开口朝上，下部固定圆盘(2)的固定衔接大孔(6)开口朝下，且上、下固定圆盘(2)的固定衔接孔圆心同轴；滚动轴承为中间设滚珠(9)的内外圈结构，滚动轴承内圈(8)内壁中部设有母螺纹，滚动轴承外圈(7)外壁中部设有公螺纹；每个固定衔接大孔(6)均安置一个滚动轴承，且滚动轴承外圈(7)外壁的公螺纹与固定衔接大孔(6)内壁的母螺纹啮合；引流入水管(3)整体呈T字形，其T字形水平方向的一端设有圆锥面盲通板，另一端设有喇叭口，且喇叭开口向外；引流入水管(3)T字形垂直方向的端部外壁设有公螺纹，其与下部固定圆盘(2)的固定衔接大孔(6)中的滚动轴承内圈(8)内壁母螺纹啮合；每对上部固定圆盘(2)的固定衔接小孔(5)与下部固定圆盘(2)的固定衔接小孔(5)之间安装有一根开孔附属管(4)，开孔附属管(4)两端外壁加工有公螺纹，分别与上部固定圆盘(2)固定衔接小孔(5)内壁母螺纹和下部固定圆盘(2)固定衔接小孔(5)内壁母螺纹啮合；开孔附属管(4)壁面沿其管轴方向均匀开设有一列圆形出水孔(10)，且开孔正对海洋立管(1)壁面。 |
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| 说明书全文 | 一种引流喷射破坏绕流边界层的涡激振动抑制装置及方法技术领域[0001] 本发明属于海洋立管设施铺设领域，具体涉及一种引流喷射破坏绕流边界层的涡激振动抑制装置及方法。技术背景 [0002] 随着海洋油气资源开采力度的加大和向深水挺进步伐的加快，海洋立管长径比逐渐增大，其所处的海洋环境也更加恶劣。当海流、波浪以一定的速度流经海洋立管时，会在海洋立管尾部产生周期性交替脱落的旋涡，旋涡的脱落改变了海洋立管壁面应力分布，并使其呈现周期性的变化，从而引发海洋立管振动，即涡激振动。在持续的涡激振动作用下，海洋立管会发生疲劳损坏和结构失稳，对安全作业和海洋环境都带来了严重的隐患。因此，开展涡激振动的抑制研究有极为重要的工程实际意义。 [0003] 在过去的半个多世纪中，国内外学者对涡激振动的机理研究已经取得了许多阶段性成果，部分学者针对实际工程问题也提出了多种抑制涡激振动的措施，这些方法主要从流场控制和管道性能改变入手，流场控制又分为主动控制型和被动控制型两种，主动控制型抑制装置是指利用传感器监测尾部流场信息，根据信息判断后发出动态指令，引入相应大小的外部能量至流场中，从而有效控制旋涡脱落。被动控制则直接改变结构表面形状或附加额外装置以改变绕流剖面，从而改变流场，破坏旋涡的形成。管道性能改变主要通过调整管道自身结构的动力学参数，如质量、阻尼、刚度等，从而削弱管道的振动强度，减小其振动幅度。能否有机综合这几种手段，更为有效地抑制深水海洋立管的涡激振动是目前深水油气开发亟待解决的问题。 发明内容[0004] 针对背景技术中所提出的问题，本发明旨在提供一种多功能、结构简单、低成本的引流喷射破坏绕流边界层的涡激振动抑制装置及方法。 [0005] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为： [0006] 一种引流喷射破坏绕流边界层的涡激振动抑制装置由固定圆盘、滚动轴承、引流入水管、开孔附属管组成。固定圆盘由两个对称的半圆环形构件对接组装而成，固定圆盘有两个，按间隔一个开孔附属管高度分别套装在海洋立管外壁，通过螺栓固定。固定圆盘沿周向均匀开设有六个贯穿固定圆盘的圆形固定衔接孔，且固定衔接孔的轴线与固定圆盘的轴线平行。固定衔接孔一端孔径大，另一端孔径小，固定衔接大孔与固定衔接小孔间形成了台阶面，固定衔接大孔与固定衔接小孔内壁中部均设有母螺纹。上部固定圆盘的固定衔接大孔开口朝上，下部固定圆盘的固定衔接大孔开口朝下，且上、下固定圆盘的固定衔接孔圆心同轴。 [0007] 滚动轴承为中间设滚珠的内外圈结构，滚动轴承内圈内壁中部设有母螺纹，滚动轴承外圈外壁中部设有公螺纹。每个固定衔接大孔均安置一个滚动轴承，且滚动轴承外圈外壁的公螺纹与固定衔接大孔内壁的母螺纹啮合，使滚动轴承外圈固定于固定衔接大孔中，而滚动轴承内圈可以相对于滚动轴承外圈转动。 [0008] 引流入水管整体呈T字形，其T字形水平方向的一端设有圆锥面盲通板，另一端设有喇叭口，且喇叭开口向外；引流入水管T字形垂直方向的端部外壁设有公螺纹，其与下部固定圆盘的固定衔接大孔中的滚动轴承内圈内壁母螺纹啮合，使引流入水管安装固定于滚动轴承内圈。 [0009] 每对上部固定圆盘的固定衔接小孔与下部固定圆盘的固定衔接小孔之间安装有一根开孔附属管，开孔附属管两端外壁加工有公螺纹，分别与上部固定圆盘固定衔接小孔内壁母螺纹和下部固定圆盘固定衔接小孔内壁母螺纹啮合。开孔附属管壁面沿其管轴方向均匀开设有一列圆形出水孔，且开孔正对海洋立管壁面。 [0010] 所述的滚动轴承高度等于固定圆盘的固定衔接大孔高度。 [0011] 利用所述的引流喷射破坏绕流边界层的涡激振动抑制装置可以提供一种引流喷射破坏绕流边界层的涡激振动抑制方法。将安装本发明装置的海洋立管置于海水中，海流流经海洋立管时，受到六根开孔附属管的干扰，绕流边界层被扰乱，对旋涡的形成产生抑制。另外，海流冲击在引流入水管的圆锥形盲通端和喇叭口上，驱动引流入水管旋转，使其喇叭开口正对来流，并将海水引入至开孔附属管，使海流动能转变为压能；开孔附属管中的压强大于外部海流压强，使得开孔附属管中的海水又从出水孔喷出，由于出水孔正对海洋立管壁面，喷出的海水对海洋立管表面的绕流边界层产生直接的冲击破坏，进一步抑制了旋涡的形成和脱落，从而实现了涡激振动的抑制。 [0012] 本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点： [0013] 1、本发明装置引流入水管的圆锥形盲通端和喇叭口结构，可根据海流流向发生转动调节，使引流入水管喇叭开口正对来流，既可引入更大流量的水流，又可将更多的来流动能转变为开孔附属管出水孔的喷射压能。 [0014] 2、本发明装置可以作为一个基本单元，在实际安装使用时，按照一定的间距在海洋立管上串列布置，实现不同部位的涡激振动抑制。 [0016] 图1为本发明装置结构示意图； [0017] 图2为本发明装置固定圆盘示意图； [0018] 图3为本发明装置引流入水管示意图； [0019] 图4为本发明装置滚动轴承整体示意图； [0020] 图5为本发明装置一半滚动轴承拆分示意图； [0021] 图6为本发明装置开孔附属管示意图； [0022] 其中：1、海洋立管；2、固定圆盘；3、引流入水管；4、开孔附属管；5、固定衔接小孔；6、固定衔接大孔；7、滚动轴承外圈；8、滚动轴承内圈；9、滚珠；10、出水孔。 具体实施方式[0023] 下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步描述。 [0024] 如图1所示，一种引流喷射破坏绕流边界层的涡激振动抑制装置由固定圆盘2、滚动轴承、引流入水管3、开孔附属管4组成。如图2所示，固定圆盘2由两个对称的半圆环形构件对接组装而成，固定圆盘2有两个，按间隔一个开孔附属管4高度分别套装在海洋立管1外壁，通过螺栓固定。固定圆盘2沿周向均匀开设有六个贯穿固定圆盘2的圆形固定衔接孔，且固定衔接孔的轴线与固定圆盘2的轴线平行。固定衔接孔一端孔径大，另一端孔径小，固定衔接大孔6与固定衔接小孔5间形成了台阶面，固定衔接大孔6与固定衔接小孔5内壁中部均设有母螺纹。上部固定圆盘2的固定衔接大孔6开口朝上，下部固定圆盘2的固定衔接大孔6开口朝下，且上、下固定圆盘2的固定衔接孔圆心同轴。 [0025] 如图4、图5所示，滚动轴承为中间设滚珠9的内外圈结构，滚动轴承内圈8内壁中部设有母螺纹，滚动轴承外圈7外壁中部设有公螺纹。每个固定衔接大孔6均安置一个滚动轴承，且滚动轴承外圈7外壁的公螺纹与固定衔接大孔6内壁的母螺纹啮合，使滚动轴承外圈7固定于固定衔接大孔6中，而滚动轴承内圈8可以相对于滚动轴承外圈7转动。 [0026] 如图3所示，引流入水管3整体呈T字形，其T字形水平方向的一端设有圆锥面盲通板，另一端设有喇叭口，且喇叭开口向外；引流入水管3T字形垂直方向的端部外壁设有公螺纹，其与下部固定圆盘2的固定衔接大孔6中的滚动轴承内圈8内壁母螺纹啮合，使引流入水管3安装固定于滚动轴承内圈8。 [0027] 如图1所示，每对上部固定圆盘2的固定衔接小孔5与下部固定圆盘2的固定衔接小孔5之间安装有一根开孔附属管4，如图6所示，开孔附属管4两端外壁加工有公螺纹，分别与上部固定圆盘2固定衔接小孔5内壁母螺纹和下部固定圆盘2固定衔接小孔5内壁母螺纹啮合。开孔附属管4壁面沿其管轴方向均匀开设有一列圆形出水孔10，且开孔正对海洋立管1壁面。 [0028] 所述的滚动轴承高度等于固定圆盘2的固定衔接大孔6高度。 [0029] 利用所述的引流喷射破坏绕流边界层的涡激振动抑制装置可以提供一种引流喷射破坏绕流边界层的涡激振动抑制方法。将安装本发明装置的海洋立管1置于海水中，海流流经海洋立管1时，受到六根开孔附属管4的干扰，绕流边界层被扰乱，对旋涡的形成产生抑制。另外，海流冲击在引流入水管3的圆锥形盲通端和喇叭口上，驱动引流入水管3旋转，使其喇叭开口正对来流，并将海水引入至开孔附属管4，使海流动能转变为压能；开孔附属管4中的压强大于外部海流压强，使得开孔附属管4中的海水又从出水孔10喷出，由于出水孔10正对海洋立管1壁面，喷出的海水对海洋立管1表面的绕流边界层产生直接的冲击破坏，进一步抑制了旋涡的形成和脱落，从而实现了涡激振动的抑制。 [0030] 实施例 [0031] 本发明装置可以作为一个基本单元，按照一定的间距在海洋立管上串列布置，实现不同部位的涡激振动抑制。 [0032] 现场安装时，首先安装下部固定圆盘2，将固定圆盘2套装在海洋立管1外壁，并使其固定衔接大孔6开口朝下。然后在固定衔接大孔6中安放滚动轴承，并使滚动轴承外圈7外壁的公螺纹与固定衔接大孔6内壁的母螺纹啮合。接着，将引流入水管3的外壁公螺纹与下部固定圆盘2的固定衔接大孔6中的滚动轴承内圈8内壁母螺纹啮合。然后，将开孔附属管4的一端公螺纹与下部固定圆盘2的固定衔接小孔5内壁母螺纹啮合，并使开孔附属管4的出水孔10正对海洋立管1壁面。其次，安装上部固定圆盘2，先在上部固定圆盘2的固定衔接大孔6中安放滚动轴承，然后将固定圆盘2套装在海洋立管1外壁，并使上部固定圆盘2的固定衔接大孔6开口朝上。最后，将开孔附属管4的上端公螺纹与上部固定圆盘2的固定衔接小孔5内壁母螺纹啮合，完成整个装置的安装固定。 [0033] 将安装完本发明装置的海洋立管1置于海水中，海流流经海洋立管1时，受到六根开孔附属管4的干扰，绕流边界层被扰乱，对旋涡的形成产生抑制。另外，海流冲击在引流入水管3的圆锥形盲通端和喇叭口上，驱动引流入水管3旋转，使其喇叭开口正对来流，并将海水引入至开孔附属管4，使海流动能转变为压能；开孔附属管4中的压强大于外部海流压强，使得开孔附属管4中的海水又从出水孔10喷出，由于出水孔10正对海洋立管1壁面，喷出的海水对海洋立管1表面的绕流边界层产生直接的冲击破坏，进一步抑制旋涡的形成和脱落，从而实现涡激振动的抑制。 |
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