一种V型旋摆压电发电及振动抑制一体化装置及方法

一种v型旋摆压电发电及振动抑制一体化装置及方法
技术领域
1.本发明属于海洋新能源开发利用与涡激振动抑制技术领域，具体涉及一种v型旋摆压电发电及振动抑制一体化装置及方法。


背景技术：

2.随着人类社会的发展，石油、天然气、煤炭等传统化石能源不断消耗，全球化环境污染问题与“双碳”目标的实现都迫切要求开发利用绿色、清洁、可再生能源。海洋占地球总面积的71％，储藏着丰富的风能、波浪能、海流能和潮汐能等，大规模科学有效地利用海洋能源对促进国民经济的可持续发展和环境修复具有深远意义。
3.海洋立管是输送海洋油气资源的关键通道，但海洋物理环境复杂多变，海洋立管不可避免地长期处于海洋波流作用下出现持续涡激振动，存在疲劳失效的隐患，影响了海洋油气资源的安全输送。传统解决方法是添加螺旋列板等被动控制装置抑制涡激振动，若能有效抑制结构涡激振动的同时收集振动产生的能量使之转化为电能，保证海洋结构物安全服役的同时捕获海洋能源，则是一举两得的创新技术，是海洋工程技术人员亟待探索的研究方向。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对当前背景技术中提出的问题与不足，提供一种v型旋摆压电发电及振动抑制一体化装置及方法。
5.为了实现上述目的，本发明装置采用如下技术方案：
6.一种v型旋摆压电发电及振动抑制一体化装置，由一个旋转组件和两个发电组件组成。旋转组件包括一个套管、两个旋转轴承、两个防水电滑环、两个圆柱外壳、四个柱形转轴、两根肋条、四个滑轨窗口和八个滑轨槽；一个发电组件包括两根水平支撑架、四块金属薄片、一块楔形块、四块陶瓷压电片、触须形节条和柔性压电片。
7.套管为圆筒形，套管套装在海洋立管外壁上。套管外壁沿垂向布置有两根长方体肋条，两根长方体肋条间的圆弧间距对应圆心角为60
°
。在套管两端各套装一个旋转轴承，旋转轴承是内嵌圆柱滚子的内外圈结构，旋转轴承的内径等于套管的外径。在套管外壁上旋转轴承的下方和下旋转轴承的上方各安设一个防水电滑环。防水电滑环也是内外圈嵌套结构，防水电滑环内圈的内径等于套管的外径，防水电滑环内圈从两侧套装在套管外，并用螺栓连接固定。防水电滑环内圈外壁设有电刷轨道和电流外输通道，防水电滑环外圈内壁设有阴、阳两排电刷，电刷与防水电滑环内圈外壁的电刷轨道接触。防水电滑环内圈的壁面开有两个电路通道接口，用于收集套接在套管上的内嵌线圈所产生的电流。
8.一个防水电滑环与其相邻的一个旋转轴承由一个圆柱外壳包裹，圆柱外壳内径与旋转轴承的外径和防水电滑环的外径均相同，圆柱外壳的外侧壁加工有两个相邻的滑轨窗口。滑轨窗口为矩形窗口，其弧长对应的圆心角为60
°
，滑轨窗口的上、下设置有滑轨槽，上、下滑轨槽间安装有一根垂向布置的柱形转轴。柱形转轴的直径与滑轨槽的宽度相同，柱形
转轴的中部套装有内嵌圆柱滚子的水平支撑架端部。
9.水平支撑架是一个矩形杆，其一端与柱形转轴中部相连，另一端插入楔形块端部的凹槽中。楔形块侧面沿水平方向均匀开有四列喇叭形的导流孔，导流孔按照一大一小交错排列。在楔形块上、下两端连接的水平支撑架之间均匀排布有平行的四片金属薄片，每片金属薄片的一端固定在楔形块内侧壁，另一端固定在附着于套管外壁的肋条上。在每片金属薄片的表面附着有陶瓷压电片，陶瓷压电片端部连接防水输电线并穿过肋条连通套管内部的内嵌线圈。
10.楔形块外侧曲面端连接由上至下平行布置的触须形节条，每根触须形节条由圆球与圆柱首尾连接构成的小节串联组合而成，其圆球的直径小于圆柱的直径，且圆球中心与圆柱圆形端面中心对齐连接，圆柱的另一端面开有半球凹槽，凹槽的直径与圆球直径相同；相邻一节的圆球放进凹槽后用圆环卡槽固定，两节之间可随着海流自由旋转与摆动。在触须形节条下方附着一条等长的柔性压电片，柔性压电片接防水输电线并穿过楔形块和水平支撑架连接至套管内部的内嵌线圈。
11.发电组件安装于旋转组件上，发电组件的金属薄片固定在旋转组件的肋条上，发电组件的水平支撑架固定在旋转组件的柱形转轴上，两个发电组件呈v字型布置。所述的触须形节条根据实际工况确定排布的条数。
12.利用所述的v型旋摆压电发电及振动抑制一体化装置提供一种v型旋摆压电发电及振动抑制一体化方法。发电组件与海流流动方向存在攻角时，发电组件在海流的冲击下发生旋转和形变，并带动旋转组件旋转，直至发电组件绕至套管的背流侧。此时，水平支撑架与楔形块作为转子，套管上的肋条作为定子，在楔形块所受海流冲击下，水平支撑架连接的柱形转轴沿圆柱外壳上的滑轨槽滑动，附着在金属薄片上的陶瓷压电片随着水平支撑架的摆动发生形变，变形的陶瓷压电片产生电流，传输至套管内部内嵌线圈。触须形节条在海流冲击下不断扭动，带动柔性压电片发生形变，产生电流，传输至套管内部内嵌线圈。摆动的金属薄片、楔形块与扭动的触须形节条干扰了海洋立管尾部旋涡的形成与发展，对海洋立管的三维尾流构成了深度破坏，使大旋涡破碎成小旋涡，进而抑制了涡激振动。同时，陶瓷压电片与柔性压电片不断发生形变，产生电流，实现了海流能的转化。
13.本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：
14.1.本发明装置的v型旋摆压电发电和振动抑制装置，在海流冲击下可发生旋摆，有效带动旋转轴承发生旋转，使整个装置适应流向变化的海洋环境。
15.2.本发明装置带交错喇叭孔楔形块有效破碎来流流束得到破碎，减小了整个装置受到的阻力。
16.3.本发明装置金属薄片和触须形节条发生形变，都能产生电流，充分捕获与转换各个方向的海流能。
17.4.本发明装置的水平支撑架、楔形块、触须形节条均由轻质材料加工，整体装置重量轻，不易腐蚀。
附图说明
18.图1为本发明装置整体结构示意图；
19.图2为本发明装置旋转轴承、防水电滑环和圆柱外壳拆分示意图；
20.图3为本发明装置楔形块剖面示意图；
21.图4为本发明装置触须形节条小节拆分示意图；
22.其中：1-套管；2-旋转轴承；3-防水电滑环；4-圆柱外壳；5-柱形转轴；6-水平支撑架；7-肋条；8-金属薄片；9-陶瓷压电片；10-楔形块；11-触须形节条；12-柔性压电片；13-滑轨窗口；14-滑轨槽。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。
24.如图1所示，一种v型旋摆压电发电及振动抑制一体化装置，由一个旋转组件和两个发电组件组成。旋转组件包括一个套管1、两个旋转轴承2、两个防水电滑环3、两个圆柱外壳4、四个柱形转轴5、两根肋条7、四个滑轨窗口13和八个滑轨槽14；一个发电组件包括两根水平支撑架6、四块金属薄片8、一块楔形块10、四块陶瓷压电片9、触须形节条11和柔性压电片12。
25.如图1所示，套管1为圆筒形，套管1套装在海洋立管外壁上。套管1外壁沿垂向布置有两根长方体肋条7，两根长方体肋条7间的圆弧间距对应圆心角为60
°
。在套管1两端各套装一个旋转轴承2，旋转轴承2是内嵌圆柱滚子的内外圈结构，旋转轴承2的内径等于套管1的外径。在套管1外壁上旋转轴承2的下方和下旋转轴承2的上方各安设一个防水电滑环3。防水电滑环3也是内外圈嵌套结构，防水电滑环3内圈的内径等于套管1的外径，防水电滑环3内圈从两侧套装在套管1外，并用螺栓连接固定。防水电滑环3内圈外壁设有电刷轨道和电流外输通道，防水电滑环3外圈内壁设有阴、阳两排电刷，电刷与防水电滑环3内圈外壁的电刷轨道接触。防水电滑环3内圈的壁面开有两个电路通道接口，用于收集套接在套管1上的内嵌线圈所产生的电流。
26.如图2所示，一个防水电滑环3与其相邻的一个旋转轴承2由一个圆柱外壳4包裹，圆柱外壳4内径与旋转轴承2的外径和防水电滑环3的外径均相同，圆柱外壳4的外侧壁加工有两个相邻的滑轨窗口13。滑轨窗口13为矩形窗口，其弧长对应的圆心角为60
°
，滑轨窗口13的上、下设置有滑轨槽14，上、下滑轨槽14间安装有一根垂向布置的柱形转轴5。柱形转轴5的直径与滑轨槽14的宽度相同，柱形转轴5的中部套装有内嵌圆柱滚子的水平支撑架6端部。
27.如图3所示，水平支撑架6是一个矩形杆，其一端与柱形转轴5中部相连，另一端插入楔形块10端部的凹槽中。楔形块10侧面沿水平方向均匀开有四列喇叭形的导流孔，导流孔按照一大一小交错排列。在楔形块10上、下两端连接的水平支撑架6之间均匀排布有平行的四片金属薄片8，每片金属薄片8的一端固定在楔形块10内侧壁，另一端固定在附着于套管1外壁的肋条7上。在每片金属薄片8的表面附着有陶瓷压电片9，陶瓷压电片9端部连接防水输电线并穿过肋条7连通套管1内部的内嵌线圈。
28.如图4所示，楔形块10外侧曲面端连接由上至下平行布置的触须形节条11，每根触须形节条11由圆球与圆柱首尾连接构成的小节串联组合而成，其圆球的直径小于圆柱的直径，且圆球中心与圆柱圆形端面中心对齐连接，圆柱的另一端面开有半球凹槽，凹槽的直径与圆球直径相同；相邻一节的圆球放进凹槽后用圆环卡槽固定，两节之间可随着海流自由旋转与摆动。在触须形节条11下方附着一条等长的柔性压电片12，柔性压电片12接防水输
电线并穿过楔形块10和水平支撑架6连接至套管1内部的内嵌线圈。
29.如图1所示，发电组件安装于旋转组件上，发电组件的金属薄片8固定在旋转组件的肋条7上，发电组件的水平支撑架6固定在旋转组件的柱形转轴5上，两个发电组件呈v字型布置。所述的触须形节条11根据实际工况确定排布的条数。
30.如图1所示，利用所述的v型旋摆压电发电及振动抑制一体化装置提供一种v型旋摆压电发电及振动抑制一体化方法。发电组件与海流流动方向存在攻角时，发电组件在海流的冲击下发生旋转和形变，并带动旋转组件旋转，直至发电组件绕至套管1的背流侧。此时，水平支撑架6与楔形块10作为转子，套管1上的肋条7作为定子，在楔形块10所受海流冲击下，水平支撑架6连接的柱形转轴5沿圆柱外壳4上的滑轨槽14滑动，附着在金属薄片8上的陶瓷压电片9随着水平支撑架6的摆动发生形变，变形的陶瓷压电片9产生电流，传输至套管1内部内嵌线圈。触须形节条11在海流冲击下不断扭动，带动柔性压电片12发生形变，产生电流，传输至套管1内部内嵌线圈。摆动的金属薄片8、楔形块10与扭动的触须形节条11干扰了海洋立管尾部旋涡的形成与发展，对海洋立管的三维尾流构成了深度破坏，使大旋涡破碎成小旋涡，进而抑制了涡激振动。同时，陶瓷压电片9与柔性压电片12不断发生形变，产生电流，实现了海流能的转化。