一种安设压电片的旋桨式同步发电与抑振装置及方法与流程

本发明属于海洋新能源利用及立管设施铺设技术领域，具体涉及一种安设压电片的旋桨式同步发电与抑振装置及方法。

背景技术：

在经济社会高速发展的今天，能源需求量节节攀升，而已探明的石油、天然气等不可再生能源储量逐年下降，使能供需矛盾异常突出。因此，向海洋要能源，开发海洋油气资源及利用海洋能便成为了各国解决能源危机的重要突破口。海洋储藏着巨大的油气资源，也蕴藏着巨大的能量，更为关键的是海洋能源不仅清洁环保，而且是一种取之不竭的可再生能源，包括海洋风能、波浪能、潮流能、海流能、温差能和盐差能等。

在海洋油气开发时，立管是连接海床井口或海底管道与海面浮式设施的关键纽带，其在海洋环境中服役的安全性十分重要，而造成立管疲劳失效的主要原因是波浪和海流作用形成的涡激振动。一旦立管失效，不仅会产生严重的油气泄漏事故，造成巨大的经济损失，还会对海洋环境构成灾难性破坏。因此，各种振动抑制方法被提出，主要有两种方式：一是对结构进行刚性加固，或者改变尺度提高其刚度，从而改变构件的自振频率，避免它与旋涡泄放频率相近；二是改变结构截面形状，破坏结构尾流旋涡的规律性泄放，如在结构上安装螺旋列板、整流罩等。倘若借用立管，在其上安装某种装置，既能有效抑制涡激振动，又能将海流的能量转化为电能，将起到一举两得的功效。

技术实现要素：

本发明所解决的问题是针对现有立管振动抑制装置与海流发电装置的相互孤立，提供一种安设压电片的旋桨式同步发电与抑振装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种安设压电片的旋桨式同步发电与抑振装置由旋转模块和导电模块两部分组成。导电模块由螺旋线圈、导电圆环线圈、圆环线圈固定片、固定片上卡箍、固定片下卡箍、连接导线、输出导线和线圈套筒组成。螺旋线圈是外覆绝缘层的金属线圈，沿立管轴向呈螺旋上升状环绕在立管外壁，其端部连接输出导线，用于将电流引出。导电圆环线圈为圆环形线圈，其内径大于立管外径，在立管的上、下两端各套有一个导电圆环线圈。导电圆环线圈与螺旋线圈之间通过连接导线连接，使电流能够在两者之间流通。导电圆环线圈内侧周向每间隔120°的位置向立管外壁伸出一个撑杆，撑杆末端设圆弧形圆环线圈固定片，圆环线圈固定片与立管外壁贴合。固定片上卡箍和固定片下卡箍均为圆环形结构，内径等于立管外径，每个导电圆环线圈的圆环线圈固定片均通过固定片上卡箍和固定片下卡箍卡装固定其上、下两侧，使导电圆环线圈固定。固定片上卡箍和固定片下卡箍在立管外壁与螺旋线圈重叠部分开设缺口，使螺旋线圈可安全自由通过。线圈套筒由关于轴向剖面对称的两个半圆管通过螺栓连接，套装在螺旋线圈与导电圆环线圈外，线圈套筒与上、下两个导电圆环线圈相同高度的位置开有两条环形缝隙。

旋转模块由叶片外套筒、旋转轴承、内嵌磁条叶片、压电片、压电片导线和旋转卡口组成。旋转轴承为中间设有圆柱滚子的内外圈结构，轴承外圈外壁设有螺纹。在线圈套筒上、下两端各套装一个旋转轴承，且上、下两个旋转轴承分别位于上环形缝隙上方和下环形缝隙下方。叶片外套筒套装在上、下两个旋转轴承外，且叶片外套筒内壁上、下端均设有螺纹，与上、下两个旋转轴承外圈螺纹啮合。沿叶片外套筒外壁周向均匀布设有5片内嵌磁条叶片，且每片内嵌磁条叶片均与叶片外套筒外壁相切。在每片内嵌磁条叶片尾端均连接有一块柔性压电片，每片内嵌磁条叶片内部镶嵌一块磁铁，磁铁上、下两端各有一根从内嵌磁条叶片尾端压电片引出的压电片导线。上、下两根压电片导线穿过叶片外套筒后，通过旋转卡口与上、下两个导电圆环线圈相连。旋转卡口为角度大于180°的弧口形圆弧卡口，其内径等于导电圆环线圈外径，可以绕导电圆环线圈旋转且不脱落。

利用所述的安设压电片的旋桨式同步发电与抑振装置可以提供一种安设压电片的旋桨式同步发电与抑振方法。海流冲击内嵌磁条叶片后，推动其绕立管旋转，使立管外壁的螺旋线圈切割内嵌磁条叶片中的磁铁构成的磁感应线，从而产生源源不断的电流。同时，内嵌磁条叶片旋转后，带动尾端柔性压电片旋转，引起压电片的变形，产生电流，电流经压电片导线输出至旋转卡口，传输给导电圆环线圈，再经连接导线传至螺旋线圈。由切割磁感应线和压电片变形产生的电流汇聚后，从输出导线输出。另外，内嵌磁条叶片和压电片旋转的过程中，破坏了立管周围的绕流流场，干扰了边界层分离和旋涡的产生，同步实现了涡激振动的抑制。

本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明装置适应流向随机变化的海洋环境，在抑制立管涡激振动的同时，有效转换海流能量，一举两得。

附图说明

图1为本发明装置的立体结构示意图

图2为本发明装置的俯视图

图3为本发明装置主体结构拆分示意图

图4为本发明装置内部电路示意图

图5为本发明装置导电圆环线圈与旋转卡口的衔接示意图

图6为本发明装置导电圆环线圈在立管上的安装固定示意图

图7为本发明装置导电圆环线圈固定安装的空间示意图

图8为本发明装置轴承结构示意图

其中：1.立管；2.线圈套筒；3.内嵌磁条叶片；4.压电片；5.轴承外圈；6.叶片外套筒；7.螺旋线圈；8.磁铁；9.压电片导线；10.导电圆环线圈；11.连接导线；12.输出导线；13.旋转卡口；14.圆环线圈固定片；15.固定片上卡箍；16.固定片下卡箍；17.轴承内圈；18.圆柱滚子。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明的具体实施作进一步描述：

如图1所示，一种安设压电片的旋桨式同步发电与抑振装置由旋转模块和导电模块两部分组成。如图4、图6所示，导电模块由螺旋线圈7、导电圆环线圈10、圆环线圈固定片14、固定片上卡箍15、固定片下卡箍16、连接导线11、输出导线12和线圈套筒2组成。螺旋线圈7是外覆绝缘层的金属线圈，沿立管1轴向呈螺旋上升状环绕在立管1外壁，其端部连接输出导线12，用于将电流引出。导电圆环线圈10为圆环形线圈，其内径大于立管1外径，在立管1的上、下两端各套有一个导电圆环线圈10。导电圆环线圈10与螺旋线圈7之间通过连接导线11连接，使电流能够在两者之间流通。如图7所示，导电圆环线圈10内侧周向每间隔120°的位置向立管1外壁伸出一个撑杆，撑杆末端设圆弧形圆环线圈固定片14，圆环线圈固定片14与立管1外壁贴合。固定片上卡箍15和固定片下卡箍16均为圆环形结构，内径等于立管1外径，每个导电圆环线圈10的圆环线圈固定片14均通过固定片上卡箍15和固定片下卡箍16卡装固定其上、下两侧，使导电圆环线圈10固定。固定片上卡箍15和固定片下卡箍16在立管1外壁与螺旋线圈7重叠部分开设缺口，使螺旋线圈7可安全自由通过。如图3所示，线圈套筒2由关于轴向剖面对称的两个半圆管通过螺栓连接，套装在螺旋线圈7与导电圆环线圈10外，线圈套筒2与上、下两个导电圆环线圈10相同高度的位置开有两条环形缝隙。

如图2、图3、图4所示，旋转模块由叶片外套筒6、旋转轴承、内嵌磁条叶片3、压电片4、压电片导线9和旋转卡口13组成。如图8所示，旋转轴承为中间设有圆柱滚子18的内外圈结构，轴承外圈5外壁设有螺纹。在线圈套筒2上、下两端各套装一个旋转轴承，且上、下两个旋转轴承分别位于上环形缝隙上方和下环形缝隙下方。如图3所示，叶片外套筒6套装在上、下两个旋转轴承外，且叶片外套筒6内壁上、下端均设有螺纹，与上、下两个旋转轴承外圈螺纹啮合。如图2、图4所示，沿叶片外套筒6外壁周向均匀布设有5片内嵌磁条叶片3，且每片内嵌磁条叶片3均与叶片外套筒6外壁相切。在每片内嵌磁条叶片3尾端均连接有一块柔性压电片4，每片内嵌磁条叶片3内部镶嵌一块磁铁8，磁铁8上、下两端各有一根从内嵌磁条叶片3尾端压电片4引出的压电片导线9。上、下两根压电片导线9穿过叶片外套筒6后，通过旋转卡口13与上、下两个导电圆环线圈10相连。如图5所示，旋转卡口13为角度大于180°的弧口形圆弧卡口，其内径等于导电圆环线圈10外径，可以绕导电圆环线圈10旋转且不脱落。

利用所述的安设压电片的旋桨式同步发电与抑振装置可以提供一种安设压电片的旋桨式同步发电与抑振方法。海流冲击内嵌磁条叶片3后，推动其绕立管1旋转，使立管1外壁的螺旋线圈7切割内嵌磁条叶片3中的磁铁8构成的磁感应线，从而产生源源不断的电流。同时，内嵌磁条叶片3旋转后，带动尾端柔性压电片4旋转，引起压电片4的变形，产生电流，电流经压电片导线9输出至旋转卡口13，传输给导电圆环线圈10，再经连接导线11传至螺旋线圈7。由切割磁感应线和压电片4变形产生的电流汇聚后，从输出导线12输出。另外，内嵌磁条叶片3和压电片4旋转的过程中，破坏了立管1周围的绕流流场，干扰了边界层分离和旋涡的产生，同步实现了涡激振动的抑制。

实施例：

现场布置时，可根据需要将本发明装置按一定间距串列布置于立管1外壁。安装时，首先将螺旋线圈7沿立管1轴向呈螺旋上升状环绕在立管1外壁，同时在立管1的上、下两端各套一个导电圆环线圈10。导电圆环线圈10与螺旋线圈7之间通过连接导线11连接，每个导电圆环线圈10的圆环线圈固定片14均通过固定片上卡箍15和固定片下卡箍16卡装固定在立管1壁外。接着，将线圈套筒2套装在螺旋线圈7与导电圆环线圈10外。在线圈套筒2上、下两端各套装一个旋转轴承，同时将叶片外套筒6套装在上、下两个旋转轴承外，且使叶片外套筒6内壁上、下端螺纹分别与上、下两个旋转轴承外圈的螺纹啮合。

装置安装完毕后，将立管1放置于海流中。任意方向来流的海流冲击内嵌磁条叶片3后，推动其绕立管1旋转，使立管1外壁的螺旋线圈7切割内嵌磁条叶片3中的磁铁8构成的磁感应线，从而产生源源不断的电流。同时，内嵌磁条叶片3旋转后，带动尾端柔性压电片4旋转，引起压电片4的变形，产生电流，电流经压电片导线9输出旋转卡口13，传输给导电圆环线圈10，再经连接导线11传至螺旋线圈7。由切割磁感应线和压电片4变形产生的电流汇聚后，从输出导线12输出。另外，内嵌磁条叶片3和压电片4旋转的过程中，破坏了立管1周围的绕流流场，干扰了边界层分离和旋涡的产生，同步实现了涡激振动的抑制。