本发明专利技术涉及一种磁力旋摆与导流旋转相结合的涡振抑制装置及方法，装置由旋摆模块和套筒模块组成，旋摆模块包括内嵌磁铁摆动支架、条形磁铁、螺旋杆、叶轮；套筒模块包括转动轴承、开窗引流前置套筒、后置套筒、内嵌磁铁波状隔水板、条形磁铁。在本装置引流窗口和引流槽道导流、泄流出口喷射出流、螺旋杆旋转、内嵌磁铁摆动支架往复摆动、内嵌磁铁波状隔水板分割流动空间和调整流向的共同作用下，使海洋立管绕流边界层受到深度破坏，改变了边界层分离点，破坏了尾流旋涡的三维结构，抑制了旋涡的形成与发展，从而实现无能耗的涡激振动抑制。
【技术实现步骤摘要】
一种磁力旋摆与导流旋转相结合的涡振抑制装置及方法
本专利技术属于海洋立管设施铺设
，具体涉及一种磁力旋摆与导流旋转相结合的涡振抑制装置及方法。
技术介绍
大力开发海洋油气资源是降低目前居高不下的油气对外依存度的关键方法之一。我国深水油气开发技术已迈入国际先进行列，海洋立管作为连接海床至平台的关键纽带，承载着安全高效输送采出流体的重要使命。然而，随着开采水深的增加，海洋风、浪、流等物理环境对立管的影响徒增。尤其是在海洋波、流的作用下，立管后方会形成旋涡，从而诱发涡激振动。当旋涡脱落频率与立管固有频率相近时，会引起共振，加速立管的疲劳损伤，从而延误作业周期，造成巨大的经济损失和生态环境破坏。因此，涡激振动的抑制一直是海洋工程技术人员关注的热点。目前，涡激振动的被动抑制装置主要通过改变立管表面形状，造成边界层分离点的迁移，从而抑制尾流旋涡的形成或发展，如分离盘、整流罩、整流飘带、螺旋列板等。这些装置大多采用金属材质，增加了立管的负重，需要配备更大的浮力块，且金属材质的抑制装置浸泡在海水中易产生腐蚀，从而失去抑制效果。另外，海流方向不断变化，随流转动的抑制装置才能真正适应流向连续变化的海洋环境。涡激振动的主动抑制装置需要注入外部能量来驱动附属装置转动，能耗较大，不便于现场采用。因此，急需轻质、非金属材料、无能耗、多种运动方式结合的涡激振动抑制装置。
技术实现思路
本专利技术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、无能耗的随流旋转的磁力旋摆与导流旋转相结合的涡振抑制装置及方法。为了实现上述目的，本专利技术装置采用如下技术方案：一种磁力旋摆与导流旋转相结合的涡振抑制装置，由旋摆模块和套筒模块组成；旋摆模块包括六个内嵌磁铁摆动支架、六个条形磁铁、四个螺旋杆、四个叶轮；套筒模块包括两个转动轴承、一个开窗引流前置套筒、一个后置套筒、一个内嵌磁铁波状隔水板、三个条形磁铁；转动轴承为内嵌圆柱滚子的内外圈结构，转动轴承的内径等于海洋立管的外径，上方转动轴承的上平面至下方转动轴承的下平面的距离等于套筒模块的高度。开窗引流前置套筒是半圆筒结构，由塑料加工成型，开窗引流前置套筒的内径等于转动轴承的外径，开窗引流前置套筒中部开有引流窗口，引流窗口所对应的圆心角为90°；开窗引流前置套筒内空，使水流在其中穿行；开窗引流前置套筒内部布设有六块鱼嘴分流块，鱼嘴分流块均为等腰直角曲面三角块，垂直相邻鱼嘴分流块的顶点间距离等于后置套筒内引流槽道的高度；开窗引流前置套筒端部四角开有螺纹孔，用于与后置套筒连接。后置套筒和内嵌磁铁波状隔水板为一个整体，均由塑料加工成型，所述的后置套筒为半圆筒结构，后置套筒的内径等于转动轴承的外径，内嵌磁铁波状隔水板布置在后置套筒外表面的中垂线上，后置套筒内部关于内嵌磁铁波状隔水板对称地开有六条摆动滑槽、四条引流槽道和四个泄流出口，摆动滑槽和引流槽道沿后置套筒垂向彼此交错等间距排布；摆动滑槽所对应的圆心角为70°，摆动滑槽高度大于内嵌磁铁摆动支架的圆柱滚子端高度；引流槽道所对应的圆心角为80°，引流槽道的高度大于叶轮的高度，每个引流槽道外壁上开有一孔，孔中设滑动轴承卡抱叶轮和螺旋杆之间的连接轴，引流槽道外壁开孔位置距引流槽道入口所对应的圆心角为30°；后置套筒上的泄流出口所对应的圆心角为10°，泄流出口与引流槽道相连；内嵌磁铁波状隔水板末端呈波浪状，内嵌磁铁波状隔水板与后置套筒连接端自上而下开有三条垂向等间距的通槽，通槽内安装条形磁铁；后置套筒端部四角开有螺纹孔，用于与开窗引流前置套筒连接。内嵌磁铁摆动支架为长条中空结构，一端连接有两个贯穿的圆柱滚子，该圆柱滚子端安装在后置套筒的摆动滑槽内，安装方式为卡板螺母连接，内嵌磁铁摆动支架另一端连接有扰流柱条，内嵌磁铁摆动支架中部开有通槽，通槽内安装条形磁铁。叶轮和螺旋杆通过一个直径小于螺旋杆直径的连接轴焊接在一起，叶轮转动带动螺旋杆转动，每个叶轮有四个叶片，叶轮放置在引流槽道内，安装方式为卡板螺母连接；螺旋杆是外表面设螺旋板条的圆柱。条形磁铁为长方体，通过卡板螺母连接的方式安装在内嵌磁铁摆动支架和内嵌磁铁波状隔水板的通槽中，所述的条形磁铁规格一样，且安装方向相同，即临近套筒的磁极相同。利用所述的磁力旋摆与导流旋转相结合的涡振抑制装置提供一种磁力旋摆与导流旋转相结合的涡振抑制方法。内嵌磁铁波状隔水板与海流间存在攻角时，内嵌磁铁波状隔水板在海流的冲击下发生旋转，同时后置套筒和开窗引流前置套筒旋转，直至内嵌磁铁波状隔水板绕至海洋立管的背流侧且与海流流向处于同一平面；海流从开窗引流前置套筒的引流窗口流入，受鱼嘴分流块的导流汇聚作用，海水沿着开窗引流前置套筒的内空通道流至后置套筒的引流槽道内，冲击在叶轮上，叶轮旋转带动螺旋杆旋转；由于鱼嘴分流块对引入的海流起到汇聚效果，进入引流槽道的水流速度增大，使冲击螺旋杆的流体动能增强；旋转的螺旋杆给背部尾流带来了扰动，且螺旋杆处于海洋立管绕流平面的120°处（与海洋立管正前方来流的夹角），此处是中高雷诺数海洋立管绕流的边界层分离点，因而旋转的螺旋杆干扰了边界层的分离；流经叶轮的海流最终从泄流出口喷出，喷射出的海流给海洋立管背流侧的尾流区注入了动量，使尾部旋涡受到冲击，破坏了旋涡的发展；另外，海流冲击在安装有条形磁铁的内嵌磁铁摆动支架上，推动内嵌磁铁摆动支架向内嵌磁铁波状隔水板滑移，随着内嵌磁铁摆动支架与内嵌磁铁波状隔水板的间距不断缩小，内嵌磁铁波状隔水板上的条形磁铁对内嵌磁铁摆动支架上的条形磁铁产生的排斥力越大，推动内嵌磁铁摆动支架反向滑移，在摆动滑槽中往复滑移的内嵌磁铁摆动支架破坏了尾流区旋涡的脱落与发展，同时内嵌磁铁摆动支架端部的扰流柱条对尾流区流场产生了深度扰动。部分海水在旋转的螺旋杆的离心力作用下，被引导至螺旋杆相邻的内嵌磁铁摆动支架附近，使海水在空间上发生了调配。内嵌磁铁波状隔水板将背侧水流分隔开，分割了尾流区旋涡的发展空间，从而抑制了旋涡的发展，且内嵌磁铁波状隔水板波状表面附近的水流流向被不断调整。因而，在引流窗口和引流槽道导流、泄流出口喷射出流、螺旋杆旋转、内嵌磁铁摆动支架往复摆动、内嵌磁铁波状隔水板分割流动空间和调整流向的共同作用下，使海洋立管绕流边界层受到深度破坏，改变了边界层分离点，破坏了尾流旋涡的三维结构，抑制了旋涡的形成与发展，从而实现了无能耗的涡激振动抑制。本专利技术由于采用以上技术方案，其具有以下优点：1.本专利技术装置的内嵌磁铁波状隔水板在海流冲击下可发生旋转，有效带动后置套筒、转动轴承和开窗引流前置套筒发生旋转，使整个装置适应流向变化的海洋环境。2.本专利技术装置内嵌磁铁摆动支架在海流冲击力和磁性排斥力作用下往复摆动，深度扰动尾流区，破坏背流侧旋涡。3.本专利技术装置螺旋杆的旋转会加剧尾部旋涡区的破坏，同时螺旋杆处于海洋立管圆心的120°位置，此位置是中高雷诺数立管绕流的旋涡分离点，所以螺旋杆对边界层的分离产生了直接干扰。4.本专利技术装置后置套筒的泄流出口喷出的水流部分冲击在波状隔水板上，并沿波状隔水板流动，增强了波状隔水板对来流方向的敏感性，更好地顺应来流。5.本专利技术装置的后置套筒、内嵌磁铁波状隔水板、开窗引流前置套筒、内嵌磁铁摆动支架和螺旋杆均由轻质材料加工，整体装置重量轻，不易腐蚀。附图说明图1为本本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种磁力旋摆与导流旋转相结合的涡振抑制装置，由旋摆模块和套筒模块组成；旋摆模块包括六个内嵌磁铁摆动支架（5）、六个条形磁铁（7）、四个螺旋杆（6）、四个叶轮（13）；套筒模块包括两个转动轴承（2）、一个开窗引流前置套筒（3）、一个后置套筒（4）、一个内嵌磁铁波状隔水板（15）、三个条形磁铁（7）；转动轴承（2）为内嵌圆柱滚子的内外圈结构，转动轴承（2）的内径等于海洋立管（1）的外径，上方转动轴承（2）的上平面至下方转动轴承（2）的下平面的距离等于套筒模块的高度；开窗引流前置套筒（3）是半圆筒结构，由塑料加工成型，开窗引流前置套筒（3）的内径等于转动轴承（2）的外径，开窗引流前置套筒（3）中部开有引流窗口（10）；开窗引流前置套筒（3）内空，使水流在其中穿行；开窗引流前置套筒（3）端部四角开有螺纹孔，用于与后置套筒（4）连接；后置套筒（4）为半圆筒结构，后置套筒（4）的内径等于转动轴承（2）的外径，后置套筒（4）端部四角开有螺纹孔，用于与开窗引流前置套筒（3）连接；每个叶轮（13）有四个叶片，螺旋杆（6）是外表面设螺旋板条的圆柱，叶轮（13）转动带动螺旋杆（6）转动；条形磁铁（7）为长方体，通过卡板螺母连接的方式安装在内嵌磁铁摆动支架（5）和内嵌磁铁波状隔水板（15）的通槽中；其特征在于：所述的开窗引流前置套筒（3）内部布设有六块鱼嘴分流块（12），鱼嘴分流块（12）均为等腰直角曲面三角块，垂直相邻鱼嘴分流块（12）的顶点间距离等于后置套筒（4）内引流槽道（9）的高度；所述的后置套筒（4）和内嵌磁铁波状隔水板（15）为一个整体，内嵌磁铁波状隔水板（15）布置在后置套筒（4）外表面的中垂线上，后置套筒（4）内部关于内嵌磁铁波状隔水板（15）对称地开有六条摆动滑槽（8）、四条引流槽道（9）和四个泄流出口（11），摆动滑槽（8）和引流槽道（9）沿后置套筒（4）垂向彼此交错等间距排布；摆动滑槽（8）高度大于内嵌磁铁摆动支架（5）的圆柱滚子端高度；引流槽道（9）的高度大于叶轮（13）的高度，每个引流槽道（9）外壁上开有一孔，孔中设滑动轴承卡抱叶轮（13）和螺旋杆（6）之间的连接轴，泄流出口（11）与引流槽道（9）相连；内嵌磁铁波状隔水板（15）末端呈波浪状，内嵌磁铁波状隔水板（15）与后置套筒（4）连接端自上而下开有三条垂向等间距的通槽，通槽内安装条形磁铁（7）；内嵌磁铁摆动支架（5）为长条中空结构，一端连接有两个贯穿的圆柱滚子，该圆柱滚子端安装在后置套筒（4）的摆动滑槽（8）内，安装方式为卡板螺母连接，内嵌磁铁摆动支架（5）另一端连接有扰流柱条（14），内嵌磁铁摆动支架（5）中部开有通槽，通槽内安装条形磁铁（7）；所述的叶轮（13）和螺旋杆（6）通过一个直径小于螺旋杆（6）直径的连接轴焊接在一起，叶轮（13）放置在引流槽道（9）内，安装方式为卡板螺母连接；所述的条形磁铁（7）规格一样，且安装方向相同，即临近套筒的磁极相同。...
【技术特征摘要】
1.一种磁力旋摆与导流旋转相结合的涡振抑制装置，由旋摆模块和套筒模块组成；旋摆模块包括六个内嵌磁铁摆动支架（5）、六个条形磁铁（7）、四个螺旋杆（6）、四个叶轮（13）；套筒模块包括两个转动轴承（2）、一个开窗引流前置套筒（3）、一个后置套筒（4）、一个内嵌磁铁波状隔水板（15）、三个条形磁铁（7）；转动轴承（2）为内嵌圆柱滚子的内外圈结构，转动轴承（2）的内径等于海洋立管（1）的外径，上方转动轴承（2）的上平面至下方转动轴承（2）的下平面的距离等于套筒模块的高度；开窗引流前置套筒（3）是半圆筒结构，由塑料加工成型，开窗引流前置套筒（3）的内径等于转动轴承（2）的外径，开窗引流前置套筒（3）中部开有引流窗口（10）；开窗引流前置套筒（3）内空，使水流在其中穿行；开窗引流前置套筒（3）端部四角开有螺纹孔，用于与后置套筒（4）连接；后置套筒（4）为半圆筒结构，后置套筒（4）的内径等于转动轴承（2）的外径，后置套筒（4）端部四角开有螺纹孔，用于与开窗引流前置套筒（3）连接；每个叶轮（13）有四个叶片，螺旋杆（6）是外表面设螺旋板条的圆柱，叶轮（13）转动带动螺旋杆（6）转动；条形磁铁（7）为长方体，通过卡板螺母连接的方式安装在内嵌磁铁摆动支架（5）和内嵌磁铁波状隔水板（15）的通槽中；其特征在于：所述的开窗引流前置套筒（3）内部布设有六块鱼嘴分流块（12），鱼嘴分流块（12）均为等腰直角曲面三角块，垂直相邻鱼嘴分流块（12）的顶点间距离等于后置套筒（4）内引流槽道（9）的高度；所述的后置套筒（4）和内嵌磁铁波状隔水板（15）为一个整体，内嵌磁铁波状隔水板（15）布置在后置套筒（4）外表面的中垂线上，后置套筒（4）内部关于内嵌磁铁波状隔水板（15）对称地开有六条摆动滑槽（8）、四条引流槽道（9）和四个泄流出口（11），摆动滑槽（8）和引流槽道（9）沿后置套筒（4）垂向彼此交错等间距排布；摆动滑槽（8）高度大于内嵌磁铁摆动支架（5）的圆柱滚子端高度；引流槽道（9）的高度大于叶轮（13）的高度，每个引流槽道（9）外壁上开有一孔，孔中设滑动轴承卡抱叶轮（13）和螺旋杆（6）之间的连接轴，泄流出口（11）与引流槽道（9）相连；内嵌磁铁波状隔水板（15）末端呈波浪状，内嵌磁铁波状隔水板（15）与后置套筒（4）连接端自上而下开有三条垂向等间距的通槽，通槽内安装条形磁铁（7）；内嵌磁铁摆动支架（5）为长条中空结构，一端连接有两个贯穿的圆柱滚子，该圆柱滚子端安装在后置套筒（4）的摆动滑槽（8）内，安装方式为卡板螺母连接，内嵌磁铁摆动支架（5）另一端连接有扰流柱条（14），内嵌磁铁摆动支架（5）中部开有通槽，通槽内安装条形磁铁（7）；所述的叶轮（13）和螺旋杆（6）通过一个直径小于螺旋杆（6）直径的连接轴焊接在一起，叶轮（13）放置在引流槽道（9）内，安装方式为卡板螺母连接；所述的条形磁铁（7）规格一样，且安装方向相同，即临近套筒的磁极相同。2.如权利要求1所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱红钧，李国民，唐涛，胡昊，王珂楠，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川,51
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