CN107131096A - 剪切来流下钝体绕流与涡激振动主动调节和能量收集设备 - Google Patents

剪切来流下钝体绕流与涡激振动主动调节和能量收集设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及剪切来流下钝体绕流与涡激振动主动调节和能量收集设备，包括柱体和涡激振动控制装置以及涡激能量回收装置和固定环，固定环上安装有振动传感器，所述固定环前端连接有控流固定杆，且所述控流固定杆前端安装有液压杆，所述柱体的后端安装有固定横杆，所述固定横杆上安装有叶轮，且所述叶轮和固定横杆之间安装有转轴，在转轴的顶端安装有发电所述固定环内部是腔体结构，所述固定横杆和所述流控固定杆均内嵌在固定环中，且所述固定横杆和流控固定杆的末端均安装有轴承；所述轴承内轴嵌套有转动杆，且所述转动杆顶部横插有方向棒；该装置能随水流改变转动方向，提高防护效果以及能量回收效率，同时安装方便，具有很好的应用前景。

Description

剪切来流下钝体绕流与涡激振动主动调节和能量收集设备
技术领域
本发明涉及海洋工程流体防护技术领域，特别是涉及剪切来流下钝体绕流与涡激振动效应能量回收技术。
背景技术
自然界中大部分流体流动是以剪切来流形式出现，而不是以均匀来流形式存在，实际应用背景下(海洋、风)的来流流速随高度的变化而变化，剪切来流作用下的钝体结构(群)流固耦合问题在自然界和工程界处处可见，在海洋工程方面，输油管道与海洋立管的涡激振动问题也十分严重海水洋流荷载会导致结构某个单元的疲劳损伤甚至会使得整个结构物破坏，此类工程事故屡见不鲜；
在海洋工程技术领域，大量的海洋流体不断冲击埋设在海洋中的管道以及柱体，长期以来，柱体受到长期的不均匀振动，极容易发生损坏，造成严重的生命财产损失，因此，设计出一款主动控制剪切来流下钝体绕流与涡激振动效应的设备来保护海洋设备是亟待解决的问题；
同样，大量的海洋涡激流也是一个巨大的潜在能量，由于涡激流通过理论分析能找到大致的位置，因此，利用能量回收装置将涡激流能量吸收转化为可用的电能，是一个很好的发电方式，在解决涡激振动的同时，回收涡激能量，具有极大的应用前景。
发明内容
基于此，有必要针对目前剪切来流防护设备存在的问题，提供一种主动控制剪切来流下钝体绕流与涡激振动效应的新方法和能量收集新设备来解决上述问题；
剪切来流下钝体绕流与涡激振动主动调节和能量收集设备，包括柱体和控流柱以及固定横杆，所述柱体上套接有固定环，所述固定环上安装有振动传感器，所述固定环前端连接有控流固定杆，且所述控流固定杆前端安装有液压杆，所述液压杆前端固定安装有控流柱，在控流柱之间连接有螺旋杆；
所述柱体的后端安装有固定横杆，所述固定横杆上安装有叶轮，且所述叶轮和固定横杆之间安装有转轴，在转轴的顶端安装有发电机所述固定横杆之间安装有伸缩螺纹杆；所述固定横杆的末端安装有流控板；
所述固定环内部是腔体结构，所述固定横杆和所述流控固定杆均内嵌在固定环中，且所述固定横杆和流控固定杆的末端均安装有轴承，另外，所述固定横杆和流控固定杆一一对应，二者之间通过弧形杆连接；所述轴承内轴嵌套有转动杆，且所述转动杆顶部横插有方向棒；所述固定环是两端分离，且固定环两端设置有固定螺孔。
在其中一个实施例中，采用如下方式运行整个设备：
S1：装置随水流转动，控流柱始终正对来流方向，叶轮相应的在控流柱反方向；
S2：固定环上的振动传感器检测柱体的振动效应，并传输到处理器中处理；
S3：处理器根据预先的控制程序控制控流柱的张角；
S4：控流柱改变剪切来流的涡激位置，涡流运行到柱体后端的叶轮上引发叶轮转动并带动发电机的转动；
S5：叶轮上的流控板根据水流大小调节固定横杆的张角，进而进一步回收涡流能量。
在其中一个实施例中，所述流控固定杆和固定横杆均采用镀锌钢杆，二者区别在于，所述流控固定杆前段镶嵌有液压杆；
在其中一个实施例中，所述流控板倾角朝内；
在其中一个实施例中，所述方向棒是弧形结构，且与固定环内部腔体平行，同时方向棒边缘光滑；
在其中一个实施例中，所述螺旋杆和伸缩螺纹杆中间均是两段螺纹连接，二者区别在于，所述伸缩螺纹杆两端通过硬质弹簧与固定横杆连接。
在其中一个实施例中，所述固定环外表面设置有防污层，所述防污层包括漆基、面漆和清漆。
上述剪切来流下钝体绕流与涡激振动效应主动调节和能量收集设备，具有以下的效果：
1.采用固定环内嵌轴承的方式控制控流柱和叶轮的旋转，可以根据来流的方向自动的旋转，极大的提高了涡激振动的防护效果，于此同时，也极大的提高了能量回收的效率；
2.该装置的固定环是两半圆环通过螺纹连接套接在柱体上，方便了安装，不需要改变柱体的位置，同时，对于已建好的海洋柱体，直接量好尺寸，套接在柱体上即可，提高了设备的应用场景；
3.该装置采用流控板控制固定横杆的张角，水流较大时，张角自动变大，提高能量的回收效率；
4.该装置的控流柱安装在液压杆上，控制芯片可依据预先设计的程序调节控流柱与柱体的间距，进一步提高涡激振动的防护效果。
附图说明
图1为本发明中的设备整体图；
图2为本发明中固定环内部的结构连接图；
图3为本发明中固定环内部轴承结构连接示意图；
图4为本发明中轴承和转动杆结构连接图；
图5为本发明中固定环与控流柱连接图；
图6为本发明中固定环整体结构示意图；
图7为本发明中方向棒形状示意图。
具体实施方式
结合图1至图7，本发明设计剪切来流下钝体绕流与涡激振动主动调节和能量收集设备，包括柱体1和控流柱11以及固定横杆3，所述柱体1上套接有固定环2，所述固定环2上安装有振动传感器12，所述固定环2前端连接有控流固定杆8，且所述控流固定杆8前端安装有液压杆9，所述流控固定杆8和固定横杆3均采用镀锌钢管，二者区别在于，所述流控固定杆8前段镶嵌有液压杆9，采用液压杆9的设计，是利用处理器19控制液压杆9的长度，进而实现不同的流速情况下，涡激效应的有效防控，增强涡激效应的控制能力，所述液压杆9前端固定安装有控流柱11，在控流柱11之间连接有螺旋杆10；
所述柱体1的后端安装有固定横杆3，所述固定横杆3上安装有叶轮5，且所述叶轮5和固定横杆3之间安装有转轴4，在转轴4的顶端安装有发电机18所述固定横杆3之间安装有伸缩螺纹杆7；所述固定横杆3的末端安装有流控板6，所述流控板6倾角朝内，根据流体流向设计，当流速大时，此时流控板6产生张力，此时伸缩螺纹杆7上的弹簧被拉伸，固定横杆3的张角增加，叶轮能接收到更多的涡流，回收效果更加，所述螺旋杆10和伸缩螺纹杆7中间均是两段螺纹连接，二者区别在于，所述伸缩螺纹杆7两端通过硬质弹簧与固定横杆3连接，采用螺纹杆7的目的是实现张角的自主预设，只需要旋动螺纹杆7，实现长短变化，达到控制张角的目的；
所述固定环2内部是腔体结构，同时，所述固定环外表面设置有防污层，所述防污层包括漆基、面漆和清漆，有效的增加了装置的抗腐蚀能力，寿命增长，所述固定横杆3和所述流控固定杆8均内嵌在固定环2中，且所述固定横杆3和流控固定杆8的末端均安装有轴承14，另外，所述固定横杆3和流控固定杆8一一对应，二者之间通过弧形杆13连接；所述轴承14内轴嵌套有转动杆16，且所述转动杆16顶部横插有方向棒15，所述方向棒15是弧形结构，且与固定环2内部腔体平行，同时方向棒15边缘光滑，采用方向棒15的目的是防止轴承14内圈旋转，这样只能外圈旋转转动，实现整个装置随着水流方向变化而转动的效果；所述固定环2是两端分离，且固定环2两端设置有固定螺孔17。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.剪切来流下钝体绕流与涡激振动主动调节和能量收集设备，包括柱体(1)和控流柱(11)以及固定横杆(3)，其特征在于：所述柱体(1)上套接有固定环(2)，所述固定环(2)上安装有振动传感器(12)，所述固定环(2)前端连接有控流固定杆(8)，且所述控流固定杆(8)前端安装有液压杆(9)，所述液压杆(9)前端固定安装有控流柱(11)，在控流柱(11)之间连接有螺旋杆(10)；
所述柱体(1)的后端安装有固定横杆(3)，所述固定横杆(3)上安装有叶轮(5)，且所述叶轮(5)和固定横杆(3)之间安装有转轴(4)，在转轴(4)的顶端安装有发电机(18)所述固定横杆(3)之间安装有伸缩螺纹杆(7)；所述固定横杆(3)的末端安装有流控板(6)；
所述固定环(2)内部是腔体结构，所述固定横杆(3)和所述流控固定杆(8)均内嵌在固定环(2)中，且所述固定横杆(3)和流控固定杆(8)的末端均安装有轴承(14)，另外，所述固定横杆(3)和流控固定杆(8)一一对应，二者之间通过弧形杆(13)连接；所述轴承(14)内轴嵌套有转动杆(16)，且所述转动杆(16)顶部横插有方向棒(15)；所述固定环(2)是两端分离，且固定环(2)两端设置有固定螺孔(17)。
2.根据权利要求1所述的剪切来流下钝体绕流与涡激振动主动调节和能量收集设备，其特征在于采用如下工作方式：
S1：装置随水流转动，控流柱(11)始终正对来流方向，叶轮(5)相应的在控流柱(11)反方向；
S2：固定环(2)上的振动传感器(12)检测柱体(1)的振动效应，并传输到处理器(19)中处理；
S3：处理器(18)根据预先的控制程序控制控流柱(11)的张角；
S4：控流柱(11)改变剪切来流的涡激位置，涡流运行到柱体(1)后端的叶轮(5)上引发叶轮(5)转动并带动发电机(18)的转动；
S5：叶轮(5)上的流控板(6)根据水流大小调节固定横杆(3)的张角，进而进一步回收涡流能量。
3.根据权利要求1所述的剪切来流下钝体绕流与涡激振动主动调节和能量收集设备，其特征在于：所述流控固定杆(8)和固定横杆(3)均采用镀锌钢杆，二者区别在于，所述流控固定杆(8)前段镶嵌有液压杆(9)。
4.根据权利要求1所述的剪切来流下钝体绕流与涡激振动主动调节和能量收集设备，其特征在于：所述流控板(6)倾角朝内。
5.根据权利要求1所述的剪切来流下钝体绕流与涡激振动主动调节和能量收集设备，其特征在于：所述方向棒(15)是弧形结构，且与固定环(2)内部腔体平行，同时方向棒(15)边缘光滑。
6.根据权利要求1所述的剪切来流下钝体绕流与涡激振动主动调节和能量收集设备，其特征在于：所述螺旋杆(10)和伸缩螺纹杆(7)中间均是两段螺纹连接，二者区别在于，所述伸缩螺纹杆(7)两端通过硬质弹簧与固定横杆(3)连接。
7.根据权利要求1所述的剪切来流下钝体绕流与涡激振动主动调节和能量收集设备，其特征在于：所述固定环(2)外表面设置有防污层，所述防污层包括漆基、面漆和清漆。
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