CN110410261A - 自适应变阻尼涡激振动能量转化装置 - Google Patents

自适应变阻尼涡激振动能量转化装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种自适应变阻尼涡激振动能量转化装置，磁流变液阻尼器包括阻尼器活塞杆，设置在外缸壁内，且外缸壁内部充满磁流变液，外缸壁外刚性连接外包管，外包管中内部分布阻尼线圈，外缸壁内夹有多层阻磁隔层，振子系统位于流线型支撑杆下方，横向布置在垂直水流流向上，振子系统上方通过阻尼器活塞杆和磁流变液阻尼器连接。本发明提供一自适应变阻尼涡激振动能量转化装置可以调整结构物自身振动频率达到供电最大化的装置。本装置应用于海工构筑物上，可将涡激振动的动能转化为电能供给平台的负载，且能通过阻尼器调整结构物的振动频率，当接近涡激振动时尾涡泄放的频率，实现能量收集的最大化。

Description

自适应变阻尼涡激振动能量转化装置
技术领域
本发明涉及涡激振动，特别涉及一种自适应变阻尼涡激振动能量转化装置。
背景技术
随着时代的进步与发展，各国对能源的需求与日俱增，陆地不可再生能源的衰竭及可再生能源的短缺，致使各国将目光投向广阔浩瀚的海洋。各种海洋结构物也逐步入住深海，能否适应复杂多变的海况，不仅是对能源获取能力的衡量，更是综合国力间的较量。
潮流能蕴藏在海洋中，有能量密度高、储量大、分布广等优点，备受各国研究人员的青睐。从流体角度分析，任何非流线型物体，在一定的恒定流速下，都会在物体两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡，同时物体产生周期性振动，这种流体对非流线型结构物产生的作用称为涡激振动。近年来，研究人员及工程师认为涡激振动为一种有害现象，当流体流过结构物形成流场的涡泄频率与结构物的固有频率相近时，则会发生共振，引起结构物的破坏。因此，很多研究侧重于减小涡激振动对海洋管柱、桥梁等影响。
但是利用涡激振动在流速不高的情况下，结构物也可以产生很大的振动，流体的动能大部分被振动的结构物吸收，形成稳定的周期性振荡运动。当合理控制系统雷诺数及结构物的振动的固有频率，即可在较低流速下，获得较大的驱动力和振幅。
对于涡激振动的能量捕获则和振子的固有频率与脱落尾涡的频率有关。但是很难达到能量捕获的最优化，实现能量的平稳转化。
发明内容
1、 所要解决的技术问题：
涡激振动虽然大多数是有害的，涡激振动却能够产生较大的驱动力，对于涡激振动的能量捕获则和振子的固有频率与脱落尾涡的频率有关。但是很难达到能量捕获的最优化，最大化，而且能够实现能量的平稳转化。
2、 技术方案：
为了解决以上问题，本发明提供了一种自适应变阻尼涡激振动能量转化装置，包括振子系统和阻尼系统，所述阻尼系统包括磁流变液阻尼器，所述磁流变液阻尼器包括阻尼器活塞杆，阻尼器活塞盘包住阻尼器活塞杆，并设置在外缸壁内，且外缸壁内部充满磁流变液，所述外缸壁和阻尼器活塞盘之间形成的空间为阻尼通道，所述外缸壁中，上下部分留有一定的空档，所述外缸壁外刚性连接外包管，所述外包管中内部分布阻尼线圈，所述外缸壁内夹有多层阻磁隔层，所述的振子系统位于流线型支撑杆下方，横向布置在垂直水流流向上，所述的振子系统上方通过阻尼器活塞杆和磁流变液阻尼器连接。
所述振子系统包括多个振子和流线型支撑杆，所述的多个振子平行设置在一个封闭的固定框内，所述流行型撑杆刚性垂直于振子并穿过固定板，所述的固定板平行于振子，所述固定板和上部固定框通过立柱连接，所述振子为圆柱型。
所述阻尼器活塞盘设有延伸部分内通道活塞盘，所述的内通道活塞盘将阻尼通道完全分隔开。
所述振子系统通过一定密度地阵列组合，第一级振子列为上游振子，第二级振子列为下游振子。
所述的阻尼系统还包括直线弹簧，所述直线弹簧包括滑杆、套筒和弹簧，所述滑杆嵌入套筒中并能在所述套筒中上下活塞式运动，所述弹簧两端分别与所述套筒的根部、滑杆的上端刚性连接，所述滑杆上端与阻尼器活塞杆的横梁刚性连接，所述套筒下端与所述外包管刚性连接。
所述弹簧按每60°的角度阵列分布在外包管上方.。
还包括端盖，所述端盖将外缸壁上下两端完全封闭，且与外缸壁刚性连接。
还包括基座，所述基座包括一级基座、二级基座、轴承，方位电机、方位电机齿轮、调节齿轮、流体传感器，所述一级基座用于和大型海工结构刚性连接，二级基座通过轴承与一级基座活动连接，方位电机刚性连接在一级基座的一侧，方位电机上方装有方位电机齿轮，调节齿轮与二级基座刚性连接，且与方位电机与调节齿轮啮合。二级基座和调节齿轮与外缸壁和外包管下方刚性连接，流体传感器刚性连接在一级基座下方。
还包括能量转换器，所述能量转换器包括永磁体、支架、线圈和整流器，所述永磁体刚性连接在阻尼器活塞杆的顶部，线圈部分下方预留有阻尼器活塞杆的横梁振动所需的空间，且支架与线圈刚性连接，支架与外包管上部刚性连接，在线圈的上方装有整流器。
3、 有益效果：
本发明提供一自适应变阻尼涡激振动能量转化装置可以调整结构物自身振动频率达到供电最大化的装置。本装置应用于海工构筑物上，可将涡激振动的动能转化为电能供给平台的负载，且能通过阻尼器调整结构物的振动频率，当接近涡激振动时尾涡泄放的频率，实现能量收集的最大化。
附图说明
图1为磁流变阻尼器结构图。
图2为振子系统的结构示意图。
图3为阻尼系统结构图。
图4为阻尼器活塞杆及活塞盘图。
图5为图4的C-C向剖视图
图6为外包管及线圈图。
图7为图6的B-B向剖视图
图8为磁流变阻尼液工作磁路图。
图9为图8的D-D向剖视图。
图10为直线弹簧组成图。
图11为基座的结构图。
图12为能量转换器结构图。
图13为装置总体组成结构图。
图14为振子系统的阵列示意图。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种自适应变阻尼涡激振动能量转化装置，包括振子系统1和阻尼系统2，所述阻尼系统2包括磁流变液阻尼器2-7，如图1所示，，所述磁流变液阻尼器2-7包括阻尼器活塞杆2-1，阻尼器活塞盘2-2包住阻尼器活塞杆2-1，并设置在外缸壁2-3内，且外缸壁2-3内部充满磁流变液，所述外缸壁2-3和阻尼器活塞盘2-2之间形成的空间为阻尼通道2-7-1，述外缸壁2-3中，上下部分留有一定的空档，所述外缸壁2-3外刚性连接外包管2-4，所述外包管2-4内部设置阻尼线圈2-5，所述外缸壁2-3内夹有多层阻磁隔层2-6。
如图4-图9所示，所述外包管2-4内部分布阻尼线圈2-5，所述阻尼线圈2-5绕于导磁管中间部分的外包管磁芯2-4-1处，所述阻尼线圈2-5用于所述磁流变液阻尼器2-7磁通的供给。所述阻尼线圈2-5电流的大小决定磁通的大小，从而影响阻尼出力。外包管2-4、阻尼器活塞盘2-2、外缸壁2-3均为导磁材料，构成闭合磁回路，由磁芯穿过外缸壁2-3到达活塞盘2-2，再由活塞盘2-2两端穿过外缸壁2-3到达外包管2-4磁芯部分，构成闭合磁回路。
还包括端盖2-8，所述端盖2-8对外缸壁2-3的上下两端进行封闭，对磁流变液进行密封。
所述振子系统1为本装置的能量捕获系统，与阻尼器活塞杆2-1刚性连接；位于流线型支撑杆1-2下方，横向布置在垂直水流流向上，所述的振子系统1上方通过阻尼器活塞杆2-1和磁流变液阻尼器2-7连接。
所述振子1-1横向布置在垂直水流流向上，采用低质量比弹性支撑的刚性振子，只作竖直方向上的单自由度往复运动。振子系统上1排列方式有等距式排列及组合式排列，以此改变振子系统1的响应幅值。
如图14所示，所述振子系统1通过一定密度地阵列组合。第一级振子列为上游振子，当正对来流方向的第一级振子列发生涡激振动交替泄放漩涡，此时下游振子列将发生驰振，相较于涡激振动，驰振可以使1振子系统的振幅提高，频率降低，提高能量输出密度
如图2所示，所述振子系统1包括多个振子1-1和流线型支撑杆1-2，所述的多个振子1-1平行设置在一个封闭的固定框内，所述流行型撑杆1-2刚性垂直于振子1-1并穿过固定板1-3，所述的固定板1-3平行于振子1-1，所述固定板1-3和上部固定框通过立柱连接。振子1-1为圆柱型，即非流线型，在来流的作用下，产生垂直于来流的往复运动，即涡激振动，实现将流体的动能转化为振子系统1的机械能。流线型支撑杆1-2所受来流的影响较小，减小直接作用的剪力。
所述阻尼器活塞盘2-2设有延伸部分内通道活塞盘2-2-1，所述的内通道活塞盘2-2-1将阻尼通道2-7-1完全分隔开。内通道活塞盘2-2-1是阻尼器活塞盘的延伸部分，可以把阻尼通道2-7-1完全分隔开。在外缸壁2-3中，上下部分留有一定的空档可允许阻尼器活塞杆2-1的纵向运动，且下部分的振子系统1发生涡激振动时只会引发纵向的振动。
如图3所示，所述的阻尼系统2还包括直线弹簧2-9，如图10所示，所述直线弹簧2-9包括滑杆2-9-1、套筒2-9-2和弹簧2-9-3，所述滑杆2-9-1嵌入套筒2-9-2中并能在所述套筒2-9-2中上下活塞式运动，所述弹簧2-9-3两端分别与所述套筒2-9-2的根部、滑杆2-9-1的上端刚性连接，所述滑杆2-9-1上端与阻尼器活塞杆2-1的横梁2-1-1刚性连接，所述套筒2-9-2下端与所述外包管2-4刚性连接。
阻尼器活塞杆2-1一端均匀地在径向衍生出2-1-1横梁，另一端与振子系统中1的流线型支撑杆1-2刚性连接。
所述的直线弹簧2-9的运动是可向振子系统1提供弹簧阻尼力。
所述弹簧2-9-3按每60°的角度阵列分布在外包管2-4上方，有效防止了2-1阻尼器活塞杆2-1作扭转运动。
如图11和图13所示，还包括基座3，所述基座3包括一级基座3-1、二级基座3-2、轴承3-7，方位电机3-3、方位电机齿轮3-4、调节齿轮3-5、流体传感器3-6，所述一级基座3-1用于和大型海工结构刚性连接。二级基座3-2通过轴承3-7与一级基座3-1活动连接。方位电机3-3刚性连接在一级基座3-1的一侧，方位电机3-3上方装有方位电机齿轮3-4。调节齿轮3-5与二级基座3-2刚性连接，且与方位电机3-3齿轮啮合。二级基座3-2和调节齿轮3-5与外缸壁2-3和外包管2-4刚性连接。流体传感器3-6刚性连接在一级基座3-1下方，监测所需要的流体参数数据，向3-3方位电机和2阻尼系统3反馈流体参数信息，使其做出调节。3-3方位电机在收到流体信号后，转动3-3方位电机齿轮，带动3-5调节齿轮，使1-1振子与来流方向始终保持垂直。
所述方位电机3-3可调控3-4方位电机齿轮，方位电机齿轮3-4与调节齿轮3-5啮合，当进行方位调整时，通过这俩个部件进行水平旋转，不会造成上下位置的变化。
如图12所示，还包括能量转换器4，所述能量转换器4包括永磁体4-1、支架4-2、线圈4-3和整流器4-4，所述永磁体4-1刚性连接在阻尼器活塞杆2-1的顶部。线圈4-3部分下方预留有2-1-1横梁振动所需的空间，且支架4-2与线圈4-3部分刚性连接，支架4-2与外包管2-4刚性连接，在线圈部分的上方装有整流器4-4。所述整流器可以将收集到的交流电转换成直流电，经滤波后供给负载。振子系统1带动永磁体4-1上下往复运动，使线圈切割永磁体4-1的磁感线产生电流，经过整流器4-4整流后向外部电网输出匹配的电源。
综上所述，本发明能够在工作中进行自适应的系统阻尼调节，稳定控制输出功率，可以为各类海工构筑物的作业提供所需的电能。本发明的结构设计能够适应各类更复杂的海况，使能量转换装置能够安全稳定的作业，实现了海洋绿色能源的高效利用，不会对周边海域造成污染。
在本装置正常运行时，流体传感器3-6监测来流方向，向方位机3-3和阻尼系统2输出来流参数信息，进一步调节振子1-1的方向，使得振子1-1垂直于来流方向，增加可获取的能量。避免由于海洋工况的突变引起的振子系统1振幅及频率变化过大，阻尼系统2可及时控制其振幅与频率，使得装置工作于稳定的环境，避免受到装置的内部结构间惯性力冲击作用。当振子系统1的振幅与频率变化时，磁流变液阻尼器2-7的阻尼通道2-7-1内磁通量增加，阻尼通道处的磁流变液由低粘度流体变为高粘度低流动体，提供阻尼，进一步调节振子系统的振幅和频率。同时，外部直线弹簧2-9为装置提供弹簧阻尼力。
当潮流能转化为振子系统的机械能时，振子系统带动能量转换器内永磁体4-1的上下往复运动，使得线圈4-3切割磁感线产生电能。电流在整流器4-4的整流作用后，输向外部电网，为设备的运作提供电能。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (10)

1.一种自适应变阻尼涡激振动能量转化装置，包括振子系统（1）和阻尼系统（2），其特征在于：所述阻尼系统（2）包括磁流变液阻尼器（2-7），所述磁流变液阻尼器（2-7）包括阻尼器活塞杆（2-1），阻尼器活塞盘（2-2）包住阻尼器活塞杆（2-1），并设置在外缸壁（2-3）内，且外缸壁（2-3）内部充满磁流变液，所述外缸壁（2-3）和阻尼器活塞盘（2-2）之间形成的空间为阻尼通道（2-7-1），所述外缸壁（2-3）中，上下部分留有一定的空档，所述外缸壁（2-3）外刚性连接外包管（2-4），所述外包管（2-4）中分布阻尼线圈（2-5），所述外缸壁（2-3）内夹有多层阻磁隔层（2-6），所述的振子系统（1）位于流线型支撑杆（1-2）下方，横向布置在垂直水流流向上，所述的振子系统（1）上方通过阻尼器活塞杆（2-1）和磁流变液阻尼器（2-7）连接。
2.如权利要求1所述的自适应变阻尼涡激振动能量转化装置，其特征在于：所述振子系统（1）包括多个振子（1-1）和流线型支撑杆（1-2），所述的多个振子（1-1）平行设置在一个封闭的固定框内，每个所述振子（1-1）横向布置在垂直水流流向上，所述流行型撑杆（1-2）刚性垂直于振子（1-1）并穿过固定板（1-3），所述的固定板（1-3）平行于振子（1-1），所述固定板（1-3）和上部固定框通过立柱连接，所述振子（1-1）为圆柱型。
3.如权利要求1所述的自适应变阻尼涡激振动能量转化装置，其特征在于：所述阻尼器活塞盘（2-2）设有延伸部分内通道活塞盘（2-2-1），所述的内通道活塞盘（2-2-1）将阻尼通道（2-7-1）完全分隔开。
4.如权利要求1所述的自适应变阻尼涡激振动能量转化装置，其特征在于：所述振子系统（1）通过一定密度地阵列组合，第一级振子列为上游振子，第二级振子列为下游振子。
5.如权利要求1所述的自适应变阻尼涡激振动能量转化装置，其特征在于：所述的阻尼系统（2）还包括直线弹簧（2-9），所述直线弹簧（2-9）包括滑杆（2-9-1）、套筒（2-9-2）和弹簧（2-9-3），所述滑杆（2-9-1）嵌入套筒（2-9-2）中并能在所述套筒（2-9-2）中上下活塞式运动，所述弹簧（2-9-3）两端分别与所述套筒（2-9-2）的根部、滑杆（2-9-1）的上端刚性连接，所述滑杆（2-9-1）上端与阻尼器活塞杆（2-1）的横梁（2-1-1）刚性连接，所述套筒（2-9-2）下端与所述外包管（2-4）刚性连接。
6.如权利要求5所述的自适应变阻尼涡激振动能量转化装置，其特征在于：所述弹簧（2-9-3）按每60°的角度阵列分布在外包管（2-4）上方.。
7.如权利要求1所述的自适应变阻尼涡激振动能量转化装置，其特征在于：还包括端盖（2-8），所述端盖（2-8）将外缸壁（2-3）上下两端完全封闭，且与外缸壁（2-3）刚性连接。
8.如权利要求1-7任一权利要求所述的自适应变阻尼涡激振动能量转化装置，其特征在于：还包括基座（3），所述基座（3）包括一级基座（3-1）、二级基座（3-2）、轴承（3-7），方位电机（3-3）、方位电机齿轮（3-4）、调节齿轮（3-5）、流体传感器（3-6），所述一级基座（（3-1））用于和大型海工结构刚性连接，二级基座（3-2）通过轴承（3-7）与一级基座（3-1）活动连接，方位电机3-3刚性连接在一级基座（3-1）的一侧，方位电机（3-3）上方装有方位电机齿轮（3-4），调节齿轮（3-5）与二级基座（3-2）刚性连接，且与方位电机（3-3）与调节齿轮（3-5）啮合，
二级基座（3-2）和调节齿轮（3-5）与外缸壁（2-3）和外包管（2-4）下方刚性连接，流体传感器（3-6）刚性连接在一级基座（3-1）下方。
9.如权利要求1-7任一权利要求所述的自适应变阻尼涡激振动能量转化装置，其特征在于：还包括能量转换器（4），所述能量转换器（4）包括永磁体（4-1）、支架（4-2）、线圈（4-3）和整流器（4-4），所述永磁体（4-1）刚性连接在阻尼器活塞杆（2-1）的顶部，线圈4-3部分下方预留有阻尼器活塞杆（2-1）的横梁（2-1-1）振动所需的空间，且支架（4-2）与线圈（4-3）刚性连接，支架（4-2）与外包管（2-4）上部刚性连接，在线圈（4-3）的上方装有整流器（4-4）。
10.如权利要求8所述的自适应变阻尼涡激振动能量转化装置，其特征在于：还包括能量转换器（4），所述能量转换器（4）包括永磁体（4-1）、支架（4-2）、线圈（4-3）和整流器（4-4），所述永磁体（4-1）刚性连接在阻尼器活塞杆（2-1）的顶部，线圈4-3部分下方预留有阻尼器活塞杆（2-1）的横梁（2-1-1）振动所需的空间，且支架（4-2）与线圈（4-3）刚性连接，支架（4-2）与外包管（2-4）上部刚性连接，在线圈（4-3）的上方装有整流器（4-4）。
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