[发明专利]双向剪切流下斜置立管的涡激振动旋转测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的装置，具体是一种斜置于海洋工程深水池中柔性管件模型在双向剪切流下的涡激振动旋转检测装置。

背景技术

根据流体力学知识，将柱状结构物置于一定速度的来流当中，其两侧会发生交替泻涡。与漩涡的生成和泻放相关联，柱体会受到横向和流向的脉动压力。如果此时柱体是弹性支撑的，那么脉动流体力会引发柱体的振动，柱体的振动反过来又会改变其尾流结构。这种流体结构物相互作用的问题称为涡激振动。例如在海流的作用下，悬置于海中的海洋平台立管、拖缆、海底管线、spar平台的浮筒、系泊缆索等柔性管件上会出现涡激振动现象，将会导致柔性管件的疲劳破坏。

于海洋油气开采向深水推进，深水环境中的立管可视为细长柔性结构，小变形理论不再适用，这使得立管的涡激振动问题更加突出。目前为止，对柔性管件涡激振动现象的研究最重要的方法之一就是模型测试方法。测试中模拟的现象更加接近于自然界中的真实情况，采用先进的测试装置可以保证测试数据的可靠性。通过模型测试的方法可以设计出更好的抑制海洋立管涡激振动的抑振装置。

经过对现有技术的检索发现，目前的涡激振动测试装置一般在拖曳海洋工程深水池中进行，有的在环形水槽中进行，有的用拖船拖动立管进行涡激振动测试。在第14届国际近海与极地工程会议“Proceedings of the Fourteen(2004)International Offshore and PolarEngineering Conference”中的论文“Laboratory Investigation of Long Riser VIVResponse”(长立管涡激振动响应的实验研究)是关于柔性管件涡激振动实验研究的，文中提到了一种柔性管件涡激振动模型测试技术，把柔性立管横置于拖曳水池中，拖车拖动立管模型产生均匀流场。用布置在立管内部的加速度传感器来测量立管的运动，在立管壁内布置光栅测量立管壁内的应变量。经分析，该测试技术的不足之处在于：1.一般只能模拟小尺度管件的涡激振动，难以有效的进行实雷诺数下的涡激振动测试。2.受拖曳海洋工程深水池长度的限制，所得到的测试段距离较小，测得的测试数据较少。3.一般只能模拟均匀流场中立管的涡激振动，不能模拟阶梯流场中立管的涡激振动。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种双向剪切流下斜置立管的涡激振动旋转测试装置，能够模拟大型实际尺寸立管、双向剪切流场、测试时间更长的斜置于海洋工程深水池中柔性管件模型的涡激振动旋转检测装置。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：立管模型机构、测量分析系统平台模块、驱动模块、顶部悬臂模块、圆筒轴分段模块、底部悬臂模块和底部支撑模块，其中：立管模型通过特殊设计的固定端固定在顶部悬臂模块与底部悬臂模块之间，通过垂直置于海洋工程深水池中的圆筒轴分段模块将底部支撑模块、驱动模块、顶部悬臂模块垂直连接，底部支撑模块通过高强度螺栓固定在水池钢制升降底上，通过驱动模块带动圆筒轴和悬臂梁旋转，测量分析系统平台模块的各测量仪器分散布置于管件模型、顶部悬臂模块、底部悬臂模块之中。

所述的立管模型机构包括：立管模型、万向节、三分力传感器、滑动轴、连接板、立管固定接头、直线轴承、缓冲弹簧和立管固定座，其中：第一立管固定接头的两端分别与立管模型的顶端和第一万向节的一端相连，第一万向节的另一端固定设置于固定设置于立管固定座上，第二立管固定接头的两端分别与立管模型的底端和第二万向节的一端相连，第二万向节的另一端固定设置于三分力传感器上，直线轴承分别与滑动轴和缓冲弹簧相连。

所述的驱动模块包括：变速齿轮箱、电机、传递齿轮、驱动轴、驱动齿轮，其中：电机与变速齿轮箱相连接，变速齿轮箱与驱动轴相连接，驱动轴与驱动齿轮相连接，电机、变速齿轮箱、驱动齿轮、驱动轴分别固定设置于可调节支撑底座上实现封装。可调节支撑底座安装于海洋工程深水池拖车的钢架上。

所述的变速齿轮箱的减速比为40∶1；所述的该齿轮传动机构的减速比为7。

所述的顶部悬臂模块包括：斜拉锁、第一悬臂、斜撑、顶部悬臂圆筒轴，其中：第一悬臂上部使用斜拉锁和顶部悬臂圆筒轴相连接，为第一悬臂提供预应力，第一悬臂下部使用斜撑和顶部悬臂圆筒轴相连接，第一悬臂的末端将与立管模型机构中的固定装置连接，数据线通过试件的末端和第一悬臂进入圆筒轴，然后通过顶部悬臂圆筒轴向上连接到测量分析系统平台模块。