CN107941198B - 基于卡门涡街现象的压电发电剖面仪阻尼盘 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于卡门涡街现象的压电发电剖面仪阻尼盘，包括剖面仪连接支架和增速腔，还包括横跨所述增速腔且一端悬空的悬臂梁以及储能单元，所述悬臂梁外周附有压电层以使水流经过增速腔时悬臂梁振动发电并存储至所述储能单元；本发明的基于卡门涡街现象的压电发电剖面仪阻尼盘，通过在增速腔内设置悬臂梁，从而在阻尼盘工作过程中在产生阻尼的同时回收一部分能量，可以同时解决速度调控与能量获取问题。
Description
技术领域
本发明涉及水下剖面仪技术领域，特别涉及基于卡门涡街现象的压电发电剖面仪阻尼盘。
背景技术
剖面仪是一种可以对海洋垂直剖面方向各项数据进行监测的一种仪器。其在下沉上浮过程中进行数据收集。考虑到所配传感器响应时间，剖面仪运行速度不宜过快，需要配备阻尼盘以降低其运动速度。
现有技术中海洋测试相关装置的阻尼盘一般采用毛毡盘或者金属盘，一般仅仅是增加其运动阻力，没能将能量进行收集。
为了解决上述问题，有研究者提出了一些利用阻尼盘的运动发电的装置，例如公开号为CN 105346692A的专利文献公开了一种多能互补供电的海洋观测装置，包括太阳能发电装置、主浮筒、浮体、电缆、锚链、配重、波浪能发电模块、浮球、观测装置，观测装置包括浮力舱、支撑架、信号发射器、控制舱、电池舱、声学多普勒流速剖面仪、温盐深仪、在线pH检测仪；还包括发电调节舱、阻尼盘、透明密封舱、声学释放装置。工作时，在波浪作用下，浮体上下运动，主浮筒在阻尼盘作用下运动幅度较小，利用浮体与主浮筒间相对运动发电；太阳能发电装置和波浪能发电装置产生的电能经过发电调节舱处理后送至观测装置；根据需要，可在透明密封舱中放置特殊观测设备；回收时，向声学释放装置发送信号，释放配重，观测装置在浮力作用下升至海面。
但是上述的发电方式并不适用于剖面仪的阻尼盘，需要另外涉及以利用阻尼盘的动能发电，减少能源消耗。
发明内容
本发明提供了基于卡门涡街现象的压电发电剖面仪阻尼盘，将阻尼盘消耗的一部分能量用以发电，解决设备的能耗使用问题。
基于卡门涡街现象的压电发电剖面仪阻尼盘，包括剖面仪连接支架和增速腔，还包括横跨所述增速腔且一端悬空的悬臂梁以及储能单元，所述悬臂梁外周附有压电层以使水流经过增速腔时悬臂梁振动发电并存储至所述储能单元。
剖面仪连接支架可以与剖面仪进行连接。悬臂梁一端固定，一端悬空，采用截面为圆形的结构，以引发卡门涡街现象。悬臂梁上附有压电材料，在悬臂梁振动时，压电材料随之振动产生电能，电能被储能单元储存以提供给剖面仪使用。本发明所产生的阻力可以由设定流速求得。
优选的，所述增速腔四周封闭式颈缩结构，大开口侧进水，小开口侧出水，所述悬臂梁固定在小开口侧。水流从大开口侧进入，从小开口出流出，使得在小开口内部流速增加。
优选的，所述增速腔包括颈缩段和与所述颈缩段的小端连接的恒速段，所述悬臂梁固定在恒速段。在恒定水流速度下形成稳定的振动，干扰较小。
优选的，所述颈缩段的长度和所述恒速段的长度比为：2：1～1：1。较长的颈缩段可以减小速度梯度，减小颈缩段和恒速段交接处的涡旋区。
优选的。所述颈缩段和恒速段交接处为圆角。圆角过渡可以有效的减小颈缩段和恒速段交接处的涡旋区的大小。
优选的，所述悬臂梁的直径与所述恒速段横截面宽度之比小于1:3。所述悬臂梁的直径与所述恒速段横截面宽度之比即为进出水流流速之比，在设计中调整该面积之比可以调整进出水流速度之比。
优选的，所述悬臂梁距离交接处截面和恒速段出口截面距离1:1。在此比例下，悬臂梁受旋涡区影响较小，水流也可以稳定的从悬臂梁剥离，形成卡门涡街。
为了使整个结构更稳定，优选的，所述剖面仪连接支架为内筒，所述内筒外周设有外筒，所述内筒和外筒之间为增速区域，所述增速区域通过多个挡板分隔成多个增速腔，所述挡板的厚度沿水流方向在颈缩段逐渐增大至恒速段后恒定不变。
为了便于制造和安装，优选的，所述挡板组成颈缩段的侧面为斜面，相对轴线的半锥角为25°～45°。
优选的，所述悬臂梁沿内筒的径向延伸且布置在对应增速腔的中间。悬臂梁受旋涡区影响较小，水流也可以稳定的从悬臂梁剥离，形成卡门涡街。
本发明的有益效果：
本发明的基于卡门涡街现象的压电发电剖面仪阻尼盘，通过在增速腔内设置悬臂梁，从而在阻尼盘工作过程中在产生阻尼的同时回收一部分能量，可以同时解决速度调控与能量获取问题。
附图说明
图1为本发明的基于卡门涡街现象的压电发电剖面仪阻尼盘的立体结构示意图。
图2为本发明的基于卡门涡街现象的压电发电剖面仪阻尼盘的结构示意图。
图3为本发明的基于卡门涡街现象的压电发电剖面仪阻尼盘其中一个增速腔在悬臂梁的横截面上的剖视示意图。
具体实施方式
如图1～3所示，本实施例的基于卡门涡街现象的压电发电剖面仪阻尼盘包括：剖面仪连接支架1、增速腔2、附有压电层的悬臂梁3、外挡环4和储能单元(图中未画出)。
剖面仪连接支架1为内筒结构，外挡环4为与内筒同轴设置的外筒结构。剖面仪连接支架1与外挡环4之间的区域为增速区域，增速区域通过5个挡板5分隔成5个增速腔2，增速腔2包括颈缩段201和与颈缩段的小端连接的恒速段202，悬臂梁3沿内筒径向延伸且一端固定在内筒外壁上，另一端悬空指向外筒内壁。挡板5的厚度沿水流方向在颈缩段201逐渐增大至恒速段202后恒定不变。
剖面仪连接支架1将整个装置连接至剖面仪以保持固定。
附有压电层的悬臂梁3采用横截面为圆形的悬臂梁结构。
颈缩段201的长度和恒速段202的长度比为1:1，悬臂梁3的直径与恒速段202横截面宽度之比为：1:4，垂直方向上悬臂梁3布置在恒速段的中间。
挡板5组成颈缩段201的侧面为斜面，倾斜角度为半锥角30°。挡板5在大开口侧的端面为梯形，尺寸为内径200mm，外径400mm，两边夹角12°。
增速腔2采用颈缩结构。增速腔2具有大开口侧203和小开口侧204。水流从大开口侧203进入，从小开口侧204排除，在恒速段202形成较高速的水流。附有压电层的悬臂梁3在高速的水流中引发卡门涡街现象，使得附有压电层的悬臂梁周期性振动，压电层挤压或拉伸，产生电能。
综上所述，本实施例的基于卡门涡街现象的压电发电剖面仪阻尼盘在产生阻尼的同时回收一部分能量，可以同时解决速度调控与能量获取问题。
Claims (6)
1.基于卡门涡街现象的压电发电剖面仪阻尼盘，包括剖面仪连接支架和增速腔，其特征在于，还包括横跨所述增速腔且一端悬空的悬臂梁以及储能单元，所述悬臂梁外周附有压电层以使水流经过增速腔时悬臂梁振动发电并存储至所述储能单元；
所述剖面仪连接支架为内筒，所述内筒外周设有外筒，所述内筒和外筒之间为增速区域，所述增速区域通过多个挡板分隔成多个增速腔；
所述增速腔四周封闭式颈缩结构，大开口侧进水，小开口侧出水，所述悬臂梁固定在小开口侧；
所述增速腔包括颈缩段和与所述颈缩段的小端连接的恒速段，所述悬臂梁固定在恒速段；
所述挡板的厚度沿水流方向在颈缩段逐渐增大至恒速段后恒定不变。
2.如权利要求1所述的基于卡门涡街现象的压电发电剖面仪阻尼盘，其特征在于，所述颈缩段的长度和所述恒速段的长度比为：2：1～1:1。
3.如权利要求1所述的基于卡门涡街现象的压电发电剖面仪阻尼盘，其特征在于，所述悬臂梁的直径与所述恒速段横截面宽度之比小于1:3。
4.如权利要求1所述的基于卡门涡街现象的压电发电剖面仪阻尼盘，其特征在于，所述挡板组成颈缩段的侧面为斜面，相对轴线的半锥角为25°～45°。
5.如权利要求4所述的基于卡门涡街现象的压电发电剖面仪阻尼盘，其特征在于，所述悬臂梁沿内筒的径向延伸且布置在对应增速腔的中间。
6.如权利要求4所述的基于卡门涡街现象的压电发电剖面仪阻尼盘，其特征在于，所述挡板组成颈缩段和恒速段交接处为圆角。
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