涡激振动抑制装置

技术领域

本发明涉及海洋立管涡激振动抑制领域，尤其是涉及一种涡激振动抑制装置。

背景技术

在开发海洋能源的过程中，常常会用到海洋立管、隔水管、海底管道、悬跨管以及海洋平台支柱、钻机井架等装备，而海洋中多风浪，易形成复杂的洋流，洋流在流经这些装备时，会在装备背侧形成涡流，涡流振动之下可能会引起这些装备过早地发生疲劳损坏，因此，需要抑制涡激振动的装置。

现有技术中，根据装置是否需要消耗额外的能量，抑制涡激振动的装置主要分为主动控制和被动控制两大类。其中主动控制需要消耗外部能量，主要有喷气射流、旋转控制柱等抑制方式，其中，喷气射流是通过在立管上安装喷射装置，通过喷射水流干扰涡激振动；旋转控制柱则是在立管外部增加可以旋转的单根或多根圆柱体，利用圆柱体的旋转打断水流流向，从而影响漩涡产生。被动控制则是通过改变钝体结构表面形状或添加附属装置，以改变边界层分离点或干扰尾流旋涡的形成与发展。

然而，申请人发现，现有的被动控制装置对涡激振动的抑制效果有限，对复杂多变的洋流环境的适应性有待提高。

发明内容

为了解决背景技术中提到的至少一个问题，本发明提供一种涡激振动抑制装置，对海洋立管周围的涡激振动具有较好的抑制作用。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种涡激振动抑制装置，包括整流罩和轴承，整流罩与轴承的外圈相连，轴承的内圈用于安装在目标装备上；

整流罩的外表面为周向封闭的圆弧形曲面，且圆弧形曲面沿第一方向的尺寸大于其余方向的尺寸，圆弧形曲面的沿第一方向的两端均为拱形，整流罩的一端设置有尾翼结构，尾翼结构位于整流罩的沿第一方向的一端，整流罩和尾翼结构的外表面上均设置有多个扰流部，多个扰流部间隔排列。

作为一种可选的实施方式，整流罩的横截面曲线方程为

其中n＝1.057(L/B)

作为一种可选的实施方式，扰流部沿整流罩的第二方向并列间隔排布，沿整流罩的周向相邻的两个扰流部彼此错位设置，其中，第二方向与第一方向相互垂直。

作为一种可选的实施方式，扰流部包括第一凸起，第一凸起沿第一方向延伸，且第一凸起的表面为曲面。

作为一种可选的实施方式，各扰流部还包括两个第二凸起，两个第二凸起对称设置在第一凸起的侧方，第二凸起的凸起高度低于第一凸起的凸起高度；

第二凸起的延伸方向和对应的第一凸起的延伸方向相同，且第二凸起的表面为曲面。

作为一种可选的实施方式，第一凸起和第二凸起的空间曲面方程为：

其中，R

作为一种可选的实施方式，轴承为圆柱滚子轴承，且每个轴承至少包括两圈沿轴承宽度方向间隔设置的圆柱滚子。

作为一种可选的实施方式，还包括连接件，连接件连接在轴承的外圈与整流罩的内壁之间，以使整流罩随轴承外圈同步转动。

作为一种可选的实施方式，连接件为液压缸，涡激振动抑制装置还包括抽水泵、海流计以及控制单元，液压缸的一端与轴承的内圈活动连接，液压缸的另一端与整流罩的内壁活动连接，抽水泵用于驱动液压缸伸缩，以调节整流罩的横截面与水平面的夹角，海流计用于测量涡激振动抑制装置所在水流与水平面的夹角，控制单元用于根据测得的水流与水平面的夹角确定抽水泵应从液压缸内抽离水的体积，并根据抽离水的体积控制抽水泵进行抽水，以使液压缸伸缩。

作为一种可选的实施方式，尾翼结构与整流罩之间为活动连接。

本发明提供的涡激振动抑制装置包括整流罩和轴承，整流罩与轴承的外圈相连，轴承的内圈用于安装在目标装备上；整流罩的外表面为周向封闭的圆弧形曲面，且圆弧形曲面沿第一方向的尺寸大于其余方向的尺寸，圆弧形曲面的沿第一方向的两端均为拱形，整流罩的一端设置有尾翼结构，尾翼结构位于整流罩的沿第一方向的一端，整流罩和尾翼结构的外表面上均设置有多个扰流部，多个扰流部间隔排列。当海流流至本申请中的整流罩时，整流罩的圆弧形曲面以及端部的拱形结构可以减小立管上的涡激力，同时减小了尾流的宽度，使海洋立管处漩涡的形成点朝远离立管的后方一侧迁移，降低旋涡的整体规模；设置在整流罩一端的尾翼可以进一步减小从整流罩流经而过的洋流形成的涡流的宽度和规模，扰流部则可以降低流经整流罩和尾翼处的洋流的流速，从而降低涡激力度。由此，通过整流罩、扰流部以及尾翼三者的协同和配合，可以对海洋立管周围的涡激振动产生较好的抑制作用，使得海洋立管的使用寿命得以延长。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种涡激振动抑制装置的整体结构示意图；

图2为图1的纵向剖视图；

图3为本发明实施例提供的一种涡激振动抑制装置中的扰流部的整体结构示意图；

图4为图3的俯视图；

图5本发明实施例提供的一种涡激振动抑制装置中的轴承与立管的安装示意图；

图6为本发明实施例提供的一种涡激振动抑制装置中的轴承的爆炸图。

附图标记说明：

100-涡激振动抑制装置；

110-整流罩；

111-扰流部；

1111-第一凸起；

1112-第二凸起；

120-尾翼结构；

130-轴承；

131-外圈；

132-内圈；

133-滚子；

140-连接件；

150-立管；

X-第一方向；

Y-第二方向。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

抑制涡激振动的装置主要分为主动控制和被动控制两大类，其中主动控制需要消耗外部能量，主要有喷气射流、旋转控制柱等抑制方式，其中，喷气射流是通过在立管上安装喷射装置，通过喷射水流干扰涡激振动；旋转控制柱则是在立管外部增加可以旋转的单根或多根圆柱体，利用圆柱体的旋转打断水流流向，从而影响漩涡产生。被动控制则是通过改变钝体结构表面形状或添加附属装置，以改变边界层分离点或干扰尾流旋涡的形成与发展。然而，发明人发现，现有的被动控制装置对涡激振动的抑制效果有限，对复杂多变的洋流环境的适应性有待提高。有鉴于此，本发明提供一种涡激振动抑制装置，该涡激振动抑制装置包括整流罩和轴承，整流罩与轴承的外圈相连，轴承的内圈用于安装在目标装备上；整流罩的外表面为周向封闭的圆弧形曲面，且圆弧形曲面沿第一方向的尺寸大于其余方向的尺寸，圆弧形曲面的沿第一方向的两端均为拱形，整流罩的一端设置有尾翼结构，尾翼结构位于整流罩的沿第一方向的一端，整流罩和尾翼结构的外表面上均设置有多个扰流部，多个扰流部间隔排列。当海流流至本申请中的整流罩时，整流罩的圆弧形曲面以及端部的拱形结构可以减小立管上的涡激力，同时减小了尾流的宽度，使海洋立管处漩涡的形成点朝远离立管的后方一侧迁移，降低旋涡的整体规模；设置在整流罩一端的尾翼可以进一步减小从整流罩流经而过的洋流形成的涡流的宽度和规模，扰流部则可以降低流经整流罩和尾翼处的洋流的流速，从而降低涡激力度。由此，通过整流罩、扰流部以及尾翼三者的协同和配合，可以对海洋立管周围的涡激振动产生较好的抑制作用，使得海洋立管的使用寿命得以延长。

图1为本发明实施例提供的一种涡激振动抑制装置的整体结构示意图；图2为图1的纵向剖视图；图3为本发明实施例提供的一种涡激振动抑制装置中的扰流部的整体结构示意图；图4为图3的俯视图；图5本发明实施例提供的一种涡激振动抑制装置中的轴承与立管的安装示意图；图6为本发明实施例提供的一种涡激振动抑制装置中的轴承的爆炸图。请参考图1至图6，本发明实施例提供一种涡激振动抑制装置100，包括整流罩110和轴承130，整流罩110与轴承130的外圈131相连，轴承130的内圈132用于安装在目标装备上；整流罩110的外表面为周向封闭的圆弧形曲面，且圆弧形曲面沿第一方向X的尺寸大于其余方向的尺寸，圆弧形曲面的沿第一方向X的两端均为拱形，整流罩110的一端设置有尾翼结构120，尾翼结构120位于整流罩110的沿第一方向X的一端，整流罩110和尾翼结构120的外表面上均设置有多个扰流部111，多个扰流部111间隔排列。需要说明的是，整流罩110的横截面的形状可以是类似“蛋形”体的截面形状，其两端的“拱形”开口大小不同，开口较小一端为尖端，其中，扰流部111可以设置在尖端处。

当海流流至本申请中的整流罩110时，整流罩110的圆弧形曲面以及端部的拱形结构可以减小立管150上的涡激力，同时减小了尾流的宽度，使海洋立管150处漩涡的形成点朝远离立管150的后方一侧迁移，降低旋涡的整体规模；设置在整流罩110一端的尾翼一方面可以保证整流罩110的尾翼一端始终背离洋流的迎流面，即可以进一步减小从整流罩110流经而过的洋流形成的涡流的宽度和规模，扰流部111则可以降低流经整流罩110和尾翼处的洋流的流速，从而降低涡激力度。由此，通过整流罩110、扰流部111以及尾翼三者的协同和配合，可以对海洋立管150周围的涡激振动产生较好的抑制作用，使得海洋立管150的使用寿命得以延长。

上述实施例中，整流罩110的横截面曲线方程具体可以为

其中，n＝1.057(L/B)

上述实施例中，扰流部111可以沿整流罩110的第二方向Y并列间隔排布，沿整流罩110的周向相邻的两个扰流部111彼此错位设置，其中，第二方向Y与第一方向X相互垂直。通过使沿整流罩110的周向相邻的两个扰流部111彼此错位设置，当水流沿着整流罩110的迎流面流至整流罩110表面时，当水流流过前排扰流部111后，水流速度得到一定的减缓，由于前排扰流部111对应到的位置为后排扰流部111之间，如此，当经过前排扰流部111的水流流至后排绕流部之间后，可使水流相对于整流罩110的表面起伏得以再次变得平缓，在保证扰流部111降低水流流速的同时防止水流因扰流部111的阻挡而产生较大波动，使水流在通过扰流部111时流动地尽可能平稳。

上述实施例中，扰流部111包括第一凸起1111，第一凸起1111沿第一方向X延伸，且第一凸起1111的表面为曲面。其中，第一凸起1111的沿第一方向X延伸，可使当水流顺着整流罩110的表面流过时，第一凸起1111的长度方向与水流的流动方向基本一致，如此，即可以通过第一凸起1111对水流进行减速，也可以减少水流与第一凸起1111的直接冲击时的冲击面积，从而避免时水流在第一凸起1111处形成过大水花，以减小整流罩110受到的冲击载荷。此外，将第一凸起1111的表面设计为曲面，可使水流流经第一凸起1111表面时更为平稳。

如图1、图3以及图4所示，上述实施例中，各扰流部111还包括两个第二凸起1112，两个第二凸起1112对称设置在第一凸起1111的侧方，第二凸起1112的凸起高度低于第一凸起1111的凸起高度；第二凸起1112的延伸方向和对应的第一凸起1111的延伸方向相同，且第二凸起1112的表面为曲面。可以理解，第二凸起1112设置在相邻两个第一凸起1111之间，又前后排的第一凸起1111为错位设置，因此，前排的第二凸起1112与后排的第一凸起1111位置相对应，当水流流经前排的第一凸起1111后，可流至后排对应的第二凸起1112表面，由于第二凸起1112的凸起高度低于第一凸起1111，因此，通过第二凸起1112既可以防止水流波动幅度过大，又可以通过第一凸起1111进一步对水流进行减速。

如图4所示，可以使沿第一凸起1111和第二凸起1112的长度方向的两端弧度不同，具体地，可使较尖的一端朝向尾翼方向，如此，相对平缓的一端则首先和水流接触，当水流流经第一凸起1111和第二凸起1112时，水流将会随着尖端的延伸而变的平缓和宽度降低，与整流罩110表面的过度变得更加顺滑。

上述实施例中，具体地，第一凸起1111和第二凸起1112的空间曲面方程可以为：

其中，R

上述实施例中，轴承130为圆柱滚子133轴承130，且每个轴承130至少包括两圈沿轴承130宽度方向间隔设置的圆柱滚子133。其中，通过这种多排圆柱滚子133的设置，可以使轴承130承受沿海洋立管150轴向的载荷，提高了本实施例提供的涡激振动抑制装置100的耐久性和适应性。

如图1和图2所示，上述实施例中，还可以包括连接件140，连接件140连接在轴承130的外圈131与整流罩110的内壁之间，以使整流罩110随轴承130外圈131同步转动。

上述实施例中，具体地，连接件可以是液压缸，涡激振动抑制装置100还可以包括抽水泵、海流计以及控制单元，液压缸的一端与轴承130的内圈132活动连接，液压缸的另一端与整流罩110的内壁活动连接，抽水泵用于驱动液压缸伸缩，以调节整流罩110的横截面与水平面的夹角，海流计用于测量涡激振动抑制装置100所在水流与水平面的夹角，控制单元用于根据测得的水流与水平面的夹角确定抽水泵应从液压缸内抽离水的体积，并根据抽离水的体积控制抽水泵进行抽水，以使液压缸伸缩。

应理解，海洋洋流的流动复杂多变，在很多情况下，海洋立管150周围的洋流方向并不沿水平方向，而是与水平面具有一定的夹角，此时，便可以通过调节液压缸来使整流罩110在竖直面内转动，从而使整流罩110的长轴方向继续与洋流方向保持一致，以使本实施例提供的涡激振动抑制装置100更好发挥自身的优势。

上述实施例中，尾翼结构120与整流罩110之间可以为活动连接，如此，当海洋立管150周边洋流环境发生变化时，通过尾翼的摆动功能，可以使整流罩110更快地调整好自身姿态。

如图1和图2所示，上述实施例中，尾翼结构120设置在整流罩110的背离迎流面的一端。其中，尾翼可以为扁平状，具体地，尾翼的形状可以是扇形、三角形或者梯形等。

本发明实施例提供的涡激振动抑制装置100包括整流罩110和轴承130，整流罩110与轴承130的外圈131相连，轴承130的内圈132用于安装在目标装备上；整流罩110的外表面为周向封闭的圆弧形曲面，且圆弧形曲面沿第一方向X的尺寸大于其余方向的尺寸，圆弧形曲面的沿第一方向X的两端均为拱形，整流罩110的一端设置有尾翼结构120，尾翼结构120位于整流罩110的沿第一方向X的一端，整流罩110和尾翼结构120的外表面上均设置有多个扰流部111，多个扰流部111间隔排列。当海流流至本申请中的整流罩110时，整流罩110的圆弧形曲面以及端部的拱形结构可以减小立管150上的涡激力，同时减小了尾流的宽度，使海洋立管150处漩涡的形成点朝远离立管150的后方一侧迁移，降低旋涡的整体规模；设置在整流罩110一端的尾翼可以进一步减小从整流罩110流经而过的洋流形成的涡流的宽度和规模，扰流部111则可以降低流经整流罩110和尾翼处的洋流的流速，从而降低涡激力度。由此，通过整流罩110、扰流部111以及尾翼三者的协同和配合，可以对海洋立管150周围的涡激振动产生较好的抑制作用，使得海洋立管150的使用寿命得以延长。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。