CN111271216B - 一种粗糙表面弧形翼板摆动发电与抑振的装置及方法 - Google Patents

一种粗糙表面弧形翼板摆动发电与抑振的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种粗糙表面弧形翼板摆动发电与抑振的装置及方法，装置由旋摆系统和集电系统两部分组成；旋摆系统包括集电立管、转向轴承、纳米材料弧形发电翼板、柔性尾板；集电系统包括伸缩发电筒、防水电滑环和防水输电线。在本装置纳米材料弧形发电翼板分割流动空间和调整流向、纳米材料弧形发电翼板带动柔性尾板摆动破坏尾部涡街和半球形凸起与喇叭形导流孔扰乱绕流边界层的共同作用下，实现了无能耗的涡激振动抑制，且纳米材料弧形发电翼板的弯曲与变形、半球形凸起的变形和伸缩发电筒的往复伸缩都产生了电流，同步实现了海流能的转化。

Description

一种粗糙表面弧形翼板摆动发电与抑振的装置及方法
技术领域
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，具体涉及一种粗糙表面弧形翼板摆动发电与抑振的装置及方法。
背景技术
能源是人类生存及从事一切生产活动的物质基础。经济发展与能源短缺的矛盾、传统能源的过度开发与急剧恶化的生存环境、国际能源冲突与能源安全等重大问题已引起国内外高度的关注。海洋能源由于具有可再生、绿色环保和储量丰富的特点，日益受到沿海各国的重视。大规模科学有效利用海洋能源对促进国民经济的可持续发展具有深远意义。
发展壮大海洋经济，不仅有助于我国突破资源瓶颈、加速新旧动能的转换，也是扩大内部需求、拉动国民经济持续增长的重要途径。在开发海洋油气资源的过程中，不可避免地存在海洋立管、提升管、隔水管、平台桩腿等海洋结构物的涡激振动问题，威胁着结构的安全运营。海洋能的开发利用同样依赖于多种钝体形式的海洋结构物，也广泛存在着涡激振动的隐患，如何在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，变害为利、一举两得，实现海洋装备的自供能，是亟待探索的研究方向。
发明内容
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，提出一种更加高效、绿色环保的粗糙表面弧形翼板摆动发电与抑振的装置及方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种粗糙表面弧形翼板摆动发电与抑振的装置由旋摆系统和集电系统两部分组成；旋摆系统包括一根集电立管、两个转向轴承、两块纳米材料弧形发电翼板、两块柔性尾板；集电系统包括三根伸缩发电筒、一个防水电滑环和防水输电线。
转向轴承为内嵌圆柱滚子的内外圈结构，转向轴承的内径等于集电立管的外径，上、下两个转向轴承按间隔一块纳米材料弧形发电翼板的高度安装在集电立管的外壁。转向轴承的外壁对称设置有两个圆柱孔，内插圆柱转轴，纳米材料弧形发电翼板一端套装在圆柱转轴上，使得两块纳米材料弧形发电翼板对称安装在转向轴承的外壁两侧，且凹面相对、凸面面向外侧。纳米材料弧形发电翼板既可带动转向轴承外圈绕集电立管转动，又可绕圆柱转轴摆动。
纳米材料弧形发电翼板由氧化锌材料构成，表面沿水平方向均匀开有四行喇叭形导流孔，使对应的纳米材料弧形发电翼板的凹面为小孔、凸面为大孔；纳米材料弧形发电翼板凸面每两行喇叭形导流孔之间布置有半球形凸起，半球形凸起的半径是喇叭形导流孔大孔孔径的两倍，半球形凸起内部填充有氧化锌材料；纳米材料弧形发电翼板的两端均开有圆柱转轴插孔，纳米材料弧形发电翼板的中部沿垂向等间距安装有三根伸缩发电筒。
一根伸缩发电筒由一根磁极套筒、四块弧形磁铁、一根弹簧和两根绕有线圈的翼板撑杆构成。磁极套筒中空，内部放置有一根弹簧，磁极套筒每侧端面上对称开有两个弧形孔，每个弧形孔中安放有一块弧形磁铁，且相对的两个弧形孔中的弧形磁铁磁极相反。磁极套筒的中部设有电路通道接口。绕有线圈的翼板撑杆的直径等于磁极套筒的内径，两根翼板撑杆分别与磁极套筒中的弹簧两端相连，两根翼板撑杆的另一端固定于相对布置的两块纳米材料弧形发电翼板的凹面上。
柔性尾板一端开有圆柱孔，内插圆柱转轴，柔性尾板通过圆柱转轴套装于纳米材料弧形发电翼板的尾端，使柔性尾板可以绕圆柱转轴摆动。柔性尾板的高度和厚度分别等于纳米材料弧形发电翼板的高度和厚度。
防水电滑环安装在两个转向轴承之间的集电立管中部，防水电滑环内圈外壁设有电刷轨道和电能外输通道，防水电滑环外圈内壁设有阴阳两排电刷，电刷与内圈外壁电刷轨道接触，防水电滑环外圈外壁设有电路通道接口。磁极套筒的电路通道接口与防水电滑环的电路通道接口通过防水输电线连接。
利用所述的粗糙表面弧形翼板摆动发电与抑振的装置提供一种粗糙表面弧形翼板摆动发电与抑振的方法。纳米材料弧形发电翼板与海流流动方向存在攻角时，纳米材料弧形发电翼板在海流的冲击下发生旋转和挤压，并带动转向轴承旋转，直至纳米材料弧形发电翼板绕至集电立管的背流侧；在纳米材料弧形发电翼板转动并带动转向轴承旋转的同时，纳米材料弧形发电翼板也促使了伸缩发电筒发生伸缩，使弧形磁铁与感应线圈发生相对位移，形成感应电流。纳米材料弧形发电翼板在海流的冲击下发生弯曲和变形，由于氧化锌具有半导体和压电的双重效应，且氧化锌线弯曲时会在两端产生电势，从而产生电流。此外，在海流冲击和弹簧伸缩的共同作用下，纳米材料弧形发电翼板带动柔性尾板往复摆动，破坏了集电立管尾流旋涡的脱落和发展。同时，纳米材料弧形发电翼板的摆动使得喇叭形导流孔产生射流效应，调配了集电立管尾部流场，破坏了纳米材料弧形发电翼板表面边界层的发展。纳米材料弧形发电翼板凸面的半球形凸起增加了表面粗糙度，也给绕流边界层带来了扰动。因此，在纳米材料弧形发电翼板分割流动空间和调整流向、纳米材料弧形发电翼板带动柔性尾板摆动破坏尾部涡街和半球形凸起与喇叭形导流孔扰乱绕流边界层的共同作用下，不仅使集电立管绕流边界层受到深度破坏，改变了边界层分离点，破坏了尾流旋涡的三维结构，抑制了旋涡的形成和发展，实现了无能耗涡激振动抑制，而且纳米材料弧形发电翼板的弯曲与变形、半球形凸起的变形和伸缩发电筒往复伸缩都产生了电流，在抑制涡激振动的同时实现了海流能的转化。
本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：
1.本发明装置的纳米材料弧形发电翼板在海流的冲击下可以发生旋转，有效带动柔性尾板发生摆动和旋转，使整个装置适应流向变化的海洋环境；
2.本发明装置纳米材料弧形发电翼板的弯曲、变形与半球形凸起变形、伸缩发电筒的往复伸缩都能产生电流，起到了多重发电的功能；
3.本发明装置利用海流绕集电立管的不均匀绕流场发电，发电方式绿色环保；
4.本发明装置纳米材料弧形发电翼板上的喇叭形导流孔有效地破坏了集电立管的尾流旋涡，增强了振动的抑制效果；
5.本发明装置作为一个基本单元，可在集电立管上串列安装，实现大规模的电能输出。
附图说明
图1为本发明装置整体结构示意图；
图2为本发明装置粗糙表面弧形翼板示意图；
图3为本发明装置防水电滑环拆分示意图；
图4为本发明装置伸缩发电筒拆分示意图；
图5为本发明装置转向轴承拆分示意图；
图6为本发明装置防水输电线安装示意图；
图7为本发明装置电路示意图；
图8为本发明装置抑振工作示意图。
其中：1-集电立管；2-纳米材料弧形发电翼板；3-柔性尾板；4-防水电滑环；5-喇叭形导流孔；6-半球形凸起；7-弧形磁铁；8-弹簧；9-转向轴承；10-防水输电线；11-翼板撑杆；12-磁极套筒。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。
一种粗糙表面弧形翼板摆动发电与抑振的装置由旋摆系统和集电系统两部分组成；旋摆系统包括一根集电立管1、两个转向轴承9、两块纳米材料弧形发电翼板2、两块柔性尾板3；集电系统包括三根伸缩发电筒、一个防水电滑环4和防水输电线10。
转向轴承9为内嵌圆柱滚子的内外圈结构，转向轴承9的内径等于集电立管1的外径，上、下两个转向轴承9按间隔一块纳米材料弧形发电翼板2的高度安装在集电立管1的外壁。转向轴承9的外壁对称设置有两个圆柱孔，内插圆柱转轴，纳米材料弧形发电翼板2一端套装在圆柱转轴上，使得两块纳米材料弧形发电翼板2对称安装在转向轴承9的外壁两侧，且凹面相对、凸面面向外侧。纳米材料弧形发电翼板2既可带动转向轴承9外圈绕集电立管1转动，又可绕圆柱转轴摆动。
纳米材料弧形发电翼板2由氧化锌材料构成，表面沿水平方向均匀开有四行喇叭形导流孔5，使对应的纳米材料弧形发电翼板2的凹面为小孔、凸面为大孔；纳米材料弧形发电翼板2凸面每两行喇叭形导流孔5之间布置有半球形凸起6，半球形凸起6的半径是喇叭形导流孔5大孔孔径的两倍，半球形凸起6内部填充有氧化锌材料；纳米材料弧形发电翼板2的两端均开有圆柱转轴插孔，纳米材料弧形发电翼板2的中部沿垂向等间距安装有三根伸缩发电筒。
一根伸缩发电筒由一根磁极套筒12、四块弧形磁铁7、一根弹簧8和两根绕有线圈的翼板撑杆11构成。磁极套筒12中空，内部放置有一根弹簧8，磁极套筒12每侧端面上对称开有两个弧形孔，每个弧形孔中安放有一块弧形磁铁7，且相对的两个弧形孔中的弧形磁铁7磁极相反。磁极套筒12的中部设有电路通道接口。绕有线圈的翼板撑杆11的直径等于磁极套筒12的内径，两根翼板撑杆11分别与磁极套筒12中的弹簧8两端相连，两根翼板撑杆11的另一端固定于相对布置的两块纳米材料弧形发电翼板2的凹面上。
柔性尾板3一端开有圆柱孔，内插圆柱转轴，柔性尾板3通过圆柱转轴套装于纳米材料弧形发电翼板2的尾端，使柔性尾板3可以绕圆柱转轴摆动。柔性尾板3的高度和厚度分别等于纳米材料弧形发电翼板2的高度和厚度。
防水电滑环4安装在两个转向轴承9之间的集电立管1中部，防水电滑环4内圈外壁设有电刷轨道和电能外输通道，防水电滑环4外圈内壁设有阴阳两排电刷，电刷与内圈外壁电刷轨道接触，防水电滑环4外圈外壁设有电路通道接口。磁极套筒12的电路通道接口与防水电滑环4的电路通道接口通过防水输电线10连接。
利用所述的粗糙表面弧形翼板摆动发电与抑振的装置提供一种粗糙表面弧形翼板摆动发电与抑振的方法。纳米材料弧形发电翼板2与海流流动方向存在攻角时，纳米材料弧形发电翼板2在海流的冲击下发生旋转和挤压，并带动转向轴承9旋转，直至纳米材料弧形发电翼板2绕至集电立管1的背流侧；在纳米材料弧形发电翼板2转动并带动转向轴承9旋转的同时，纳米材料弧形发电翼板2也促使了伸缩发电筒发生伸缩，使弧形磁铁7与感应线圈发生相对位移，形成感应电流。纳米材料弧形发电翼板2在海流的冲击下发生弯曲和变形，由于氧化锌具有半导体和压电的双重效应，且氧化锌线弯曲时会在两端产生电势，从而产生电流。此外，在海流冲击和弹簧8伸缩的共同作用下，纳米材料弧形发电翼板2带动柔性尾板3往复摆动，破坏了集电立管1尾流旋涡的脱落和发展。同时，纳米材料弧形发电翼板2的摆动使得喇叭形导流孔5产生射流效应，调配了集电立管1尾部流场，破坏了纳米材料弧形发电翼板2表面边界层的发展。纳米材料弧形发电翼板2凸面的半球形凸起6增加了表面粗糙度，也给绕流边界层带来了扰动。因此，在纳米材料弧形发电翼板2分割流动空间和调整流向、纳米材料弧形发电翼板2带动柔性尾板3摆动破坏尾部涡街和半球形凸起6与喇叭形导流孔5扰乱绕流边界层的共同作用下，不仅使集电立管1绕流边界层受到深度破坏，改变了边界层分离点，破坏了尾流旋涡的三维结构，抑制了旋涡的形成和发展，实现了无能耗涡激振动抑制，而且纳米材料弧形发电翼板2的弯曲与变形、半球形凸起6的变形和伸缩发电筒往复伸缩都产生了电流，在抑制涡激振动的同时实现了海流能的转化。
实施例：
安装本发明装置时，首先安装转向轴承9和防水电滑环4，根据纳米材料弧形发电翼板2的高度确定上、下两个转向轴承9的间距，防水电滑环4的位置位于上、下转向轴承9的中部，分别将上、下两个转向轴承9和防水电滑环4套装在集电立管1上。
然后，安装纳米材料弧形发电翼板2，纳米材料弧形发电翼板2一端套装在转向轴承9外壁的圆柱转轴上，使得两块纳米材料弧形发电翼板2对称安装在转向轴承9的外壁两侧，且凹面相对、凸面面向外侧。纳米材料弧形发电翼板2既可带动转向轴承9外圈绕集电立管1转动，又可绕圆柱转轴摆动。
之后，安装伸缩发电筒和防水输电线10，将伸缩发电筒两端的两根翼板撑杆11的一端固定于相对布置的两块纳米材料弧形发电翼板2的凹面上，另一端与磁极套筒12中的弹簧相连。磁极套筒12的电路通道接口与防水电滑环4的电路通道接口通过防水输电线10连接。
最后，安装柔性尾板3，将柔性尾板3通过圆柱转轴套装于纳米材料弧形发电翼板2的尾端，使柔性尾板3可以绕圆柱转轴摆动。
安装完毕后，将该装置放置于海流中。纳米材料弧形发电翼板2与海流流动方向存在攻角时，纳米材料弧形发电翼板2在海流的冲击下发生旋转和挤压，并带动转向轴承9旋转，直至纳米材料弧形发电翼板2绕至集电立管1的背流侧；在纳米材料弧形发电翼板2转动并带动转向轴承9旋转的同时，纳米材料弧形发电翼板2也促使了伸缩发电筒发生伸缩，使弧形磁铁7与感应线圈发生相对位移，形成感应电流。纳米材料弧形发电翼板2在海流的冲击下发生弯曲和变形，由于氧化锌具有半导体和压电的双重效应，且氧化锌线弯曲时会在两端产生电势，从而产生电流。此外，在海流冲击和弹簧8伸缩的共同作用下，纳米材料弧形发电翼板2带动柔性尾板3往复摆动，破坏了集电立管1尾流旋涡的脱落和发展。同时，纳米材料弧形发电翼板2的摆动使得喇叭形导流孔5产生射流效应，调配了集电立管1尾部流场，破坏了纳米材料弧形发电翼板2表面边界层的发展。纳米材料弧形发电翼板2凸面的半球形凸起6增加了表面粗糙度，也给绕流边界层带来了扰动。因此，在纳米材料弧形发电翼板2分割流动空间和调整流向、纳米材料弧形发电翼板2带动柔性尾板3摆动破坏尾部涡街和半球形凸起6与喇叭形导流孔5扰乱绕流边界层的共同作用下，不仅使集电立管1绕流边界层受到深度破坏，改变了边界层分离点，破坏了尾流旋涡的三维结构，抑制了旋涡的形成和发展，实现了无能耗涡激振动抑制，而且纳米材料弧形发电翼板2的弯曲与变形、半球形凸起6的变形和伸缩发电筒往复伸缩都产生了电流，在抑制涡激振动的同时实现了海流能的转化。

Claims (2)

1.一种粗糙表面弧形翼板摆动发电与抑振的装置，由旋摆系统和集电系统两部分组成；旋摆系统包括一根集电立管(1)、两个转向轴承(9)、两块纳米材料弧形发电翼板(2)、两块柔性尾板(3)；集电系统包括三根伸缩发电筒、一个防水电滑环(4)和防水输电线(10)；转向轴承(9)为内嵌圆柱滚子的内外圈结构，转向轴承(9)的内径等于集电立管(1)的外径，上、下两个转向轴承(9)按间隔一块纳米材料弧形发电翼板(2)的高度安装在集电立管(1)的外壁；转向轴承(9)的外壁对称设置有两个圆柱孔，内插圆柱转轴，纳米材料弧形发电翼板(2)一端套装在圆柱转轴上，使得两块纳米材料弧形发电翼板(2)对称安装在转向轴承(9)的外壁两侧，且凹面相对、凸面面向外侧；纳米材料弧形发电翼板(2)既可带动转向轴承(9)外圈绕集电立管(1)转动，又可绕圆柱转轴摆动；柔性尾板(3)一端开有圆柱孔，内插圆柱转轴，柔性尾板(3)通过圆柱转轴套装于纳米材料弧形发电翼板(2)的尾端，使柔性尾板(3)可以绕圆柱转轴摆动；柔性尾板(3)的高度和厚度分别等于纳米材料弧形发电翼板(2)的高度和厚度；防水电滑环(4)安装在两个转向轴承(9)之间的集电立管(1)中部，防水电滑环(4)内圈外壁设有电刷轨道和电能外输通道，防水电滑环(4)外圈内壁设有阴阳两排电刷，电刷与内圈外壁电刷轨道接触，防水电滑环(4)外圈外壁设有电路通道接口；一根伸缩发电筒由一根磁极套筒(12)、四块弧形磁铁(7)、一根弹簧(8)和两根绕有线圈的翼板撑杆(11)构成；磁极套筒(12)的电路通道接口与防水电滑环(4)的电路通道接口通过防水输电线(10)连接；其特征在于：所述的纳米材料弧形发电翼板(2)由氧化锌材料构成，表面沿水平方向均匀开有四行喇叭形导流孔(5)，使对应的纳米材料弧形发电翼板(2)的凹面为小孔、凸面为大孔；纳米材料弧形发电翼板(2)凸面每两行喇叭形导流孔(5)之间布置有半球形凸起(6)，半球形凸起(6)的半径是喇叭形导流孔(5)大孔孔径的两倍，半球形凸起(6)内部填充有氧化锌材料；纳米材料弧形发电翼板(2)的两端均开有圆柱转轴插孔，纳米材料弧形发电翼板(2)的中部沿垂向等间距安装有三根伸缩发电筒；所述的磁极套筒(12)中空，内部放置有一根弹簧(8)，磁极套筒(12)每侧端面上对称开有两个弧形孔，每个弧形孔中安放有一块弧形磁铁(7)，且位于同一侧端面上相对的两个弧形孔中的弧形磁铁(7)磁极相反；磁极套筒(12)的中部设有电路通道接口；绕有线圈的翼板撑杆(11)的直径等于磁极套筒(12)的内径，两根翼板撑杆(11)分别与磁极套筒(12)中的弹簧(8)两端相连，两根翼板撑杆(11)的另一端固定于相对布置的两块纳米材料弧形发电翼板(2)的凹面上。
2.一种粗糙表面弧形翼板摆动发电与抑振的方法，采用如权利要求1所述的粗糙表面弧形翼板摆动发电与抑振的装置，其特征在于：纳米材料弧形发电翼板(2)与海流流动方向存在攻角时，纳米材料弧形发电翼板(2)在海流的冲击下发生旋转和挤压，并带动转向轴承(9)旋转，直至纳米材料弧形发电翼板(2)绕至集电立管(1)的背流侧；在纳米材料弧形发电翼板(2)转动并带动转向轴承(9)旋转的同时，纳米材料弧形发电翼板(2)也促使了伸缩发电筒发生伸缩，使弧形磁铁(7)与感应线圈发生相对位移，形成感应电流；纳米材料弧形发电翼板(2)在海流的冲击下发生弯曲和变形，由于氧化锌具有半导体和压电的双重效应，且氧化锌线弯曲时会在两端产生电势，从而产生电流；此外，在海流冲击和弹簧(8)伸缩的共同作用下，纳米材料弧形发电翼板(2)带动柔性尾板(3)往复摆动，破坏了集电立管(1)尾流旋涡的脱落和发展；同时，纳米材料弧形发电翼板(2)的摆动使得喇叭形导流孔(5)产生射流效应，调配了集电立管(1)尾部流场，破坏了纳米材料弧形发电翼板(2)表面边界层的发展；纳米材料弧形发电翼板(2)凸面的半球形凸起(6)增加了表面粗糙度，也给绕流边界层带来了扰动；因此，在纳米材料弧形发电翼板(2)分割流动空间和调整流向、纳米材料弧形发电翼板(2)带动柔性尾板(3)摆动破坏尾部涡街和半球形凸起(6)与喇叭形导流孔(5)扰乱绕流边界层的共同作用下，不仅使集电立管(1)绕流边界层受到深度破坏，改变了边界层分离点，破坏了尾流旋涡的三维结构，抑制了旋涡的形成和发展，实现了无能耗涡激振动抑制，而且纳米材料弧形发电翼板(2)的弯曲与变形、半球形凸起(6)的变形和伸缩发电筒往复伸缩都产生了电流，在抑制涡激振动的同时实现了海流能的转化。
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