[发明专利]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

说明书

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。

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。