CN112502891A - 一种质量和刚度可调的涡激振动发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种质量及支撑刚度可调的涡激振动发电装置，装置包括：涡激振动能量传递及转化模块，质量调节模块，刚度调节模块。首先海流的不同速度和方向传递到整体装置的传感器与控制器上，控制器发出指令驱动所有伺服电机转动，隔离腔内驱动电机带动活塞在储水腔内往复运动实现对质量的调节，同时上方电机通过带动内螺纹套筒的转动调节弹簧有效圈数实现对刚度的调节。调整质量、刚度之后，海洋管柱在一定流速范围内保持高振幅上下运动，带动n形架上下往返运动，然后带动直线发电机内动子往复运动，实现从机械能到电能的转化。本装置采用的质量与刚度调节模块，可以面对不同的海流来调节弹簧的刚度以及海洋管柱的质量，使得海洋管柱的振幅达到最优化，从而达到最优的涡激振动发电效果。

Description

一种质量和刚度可调的涡激振动发电装置
技术领域
本发明涉及一种质量和刚度可调的涡激振动发电装置，尤其是用于海洋能开发利用领域的涡激振动发电装置。
背景技术
随着社会经济的发展，人们日常生活及工业生产的能源消耗不断增大，传统能源紧缺，而潮流能作为一种新型能源，具有极大的利用价值，中国专利号201810585655.8提供了一种振动支撑刚度可调的涡激振动发电装置，可使装置适应一定流速范围下的工作环境，但是要使振子的固有频率与漩涡脱落频率更为接近，振子的质量调节也是极为重要的一方面，本发明将提供一种可以根据流速的变化，实现自动调整振子质量的方法，调整更加精确且可适应更大范围内的海流速度变化，得以更好的利用潮流能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种刚度和质量可调的涡激振动发电装置，该装置可以实现根据海洋中不同的来流情况调节自身管柱质量和弹簧刚度，达到保护整体机构、增强涡激振动发电的最佳效果。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种刚度和质量可调的涡激振动发电装置，其特征在于：它包括能量转化模块、能量传递模块、质量调节模块、刚度调节模块、支撑模块。
所述支撑模块，包括支撑架，所述支撑架通过限位孔与所述n形架和所述内螺纹套筒连接，上部连接能量转化模块，起支撑与定位的作用。
所述能量转化模块，包括直线发电机，所述直线发电机与所述支撑架通过螺栓固定。
所述能量传递模块，包括n形架，所述n形架中间用两钢条交叉焊接，上部和中部通过外伸的小平台与所述螺旋弹簧连接，上部和中部外伸小平台与所述n形架的滑杆部分焊接，左右两侧所述滑杆分别与所述限位孔间隙配合，实现涡激振动能量的传递。
所述的刚度调节模块，包括伺服电机、内螺纹套筒、螺旋弹簧，所述伺服电机通过所述紧固螺栓连装于支撑架的上部平台处，所述内螺纹套筒内部攻有螺纹，顶部与所述伺服电机轴紧固，由键与螺纹连接。所述螺旋弹簧下端与所述n形架连接固定，螺旋弹簧部分圈数与所述内螺纹套筒相配合，其余有效圈数参与所述n形架的振动。
所述质量调节模块，包括海洋管柱、驱动电机、四杆活塞、管塞，所述海洋管柱包括注水腔和隔离腔，中间通有四个孔，所述管柱两侧通过螺纹连接两所述管塞，所述管塞通过紧固螺栓与能量传递模块相连，所述驱动电机通过所述紧固螺栓连接在所述管塞，所述四杆活塞的中部螺纹杆与所述驱动电机传动轴通过内外螺纹连接，所述活塞通过轴孔配合在所述海洋管柱腔内运动。
所述刚度和质量可调的涡激振动发电装置，还包括检测涡激振动位移的振动位移传感器和海流流速传感器。
所述刚度和质量可调的涡激振动发电装置，其特征在于，所述涡激振动能量转化模块由置于所述支撑架顶部平台的所述直线发电机组成，所述直线发电机转子接受所述n形架振动切割磁感线，将机械能转化为电能。
所述刚度和质量可调的涡激振动发电装置，其特征在于，所述质量调节模块中含一伺服电机，所述伺服电机为直流伺服电机，所述四杆活塞有四根连杆，其中三杆可固定住活塞，抑制其随传动轴的转动，中间螺杆可与攻有内螺纹的传动轴螺纹连接，所述海洋管柱一端开孔，所述四杆活塞可随着驱动电机转子转动及内外螺纹配合在水平方向往复运动，从而随时通过孔抽排水以控制质量。
进一步的，所述刚度和质量可调的涡激振动发电装置，其特征在于，所述传感器检测流速，将信息传递给所述控制器，所述控制器根据流速不同将相应信号传递给所述伺服电机，从而选择适宜管柱质量与支撑刚度组合，控制质量调节模块的所述驱动电机转动带动所述四杆活塞移动排水注水，从而调节质量，同时控制刚度调节模块的所述伺服电机转动带动所述内螺纹套筒转动从而实现弹簧旋入旋出，调节弹簧有效圈数，从而调节弹簧刚度。
本发明采用的技术方案具有以下优点：1.本装置采用注射器原理的可调质量的涡激振动发电装置，可以通过控制活塞的位置，控制水的流入与流出来改变振动管的质量，以提升涡激振动效果。2.本装置采用内螺纹套筒与螺旋弹簧的配合，利用伺服电机转动控制螺旋弹簧的有效圈数从事实现对刚度的调节，以增强涡激振动的效果。3.本装置可以综合调节质量与刚度两个变量，调节范围更大，调节精度更高，可适用范围更广。4.本发明采用机械式传动机构，结构简单，便于控制，稳定性和可靠性比较高。
附图说明
为了更进一步说明本发明的结构设计以及实现原理，本部分将对装置各部位附图进行简要说明。
图1为本发明一种质量和刚度可调的涡激振动发电装置的整体结构图。
图2为本发明一种质量和刚度可调的涡激振动发电装置的质量调节模块的海洋管柱内部结构剖面图。
图3为本发明一种质量和刚度可调的涡激振动发电装置的质量调节模块海洋管柱断面图。
图4为本发明一种质量和刚度可调的涡激振动发电装置的支撑刚度调节模块的剖面结构示意图。
图中，1.直线发电机，2.伺服电机，3.内螺纹套筒，4.螺旋弹簧，5.n形架，6.支撑架，7.海洋管柱，8.孔，9.紧固螺栓，10.带孔管塞，11.四杆活塞，12.电驱动内螺纹杆，13.驱动电机，14.管塞，15.紧固螺栓,16.活塞限位杆，17.活塞螺杆,18.紧固螺栓
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图2、图3、图4所示，螺旋弹簧4与内螺纹套筒3采用内螺纹配合，可随伺服电机2转动旋进旋出，四杆活塞11可在海洋管柱7中随驱动电机13的传动轴转动而左右移动，可实现在不同海况下对管柱质量以及弹簧刚度的调整。
如图1所示，两端结构对称分布，直线发电机1固定在支撑架上，通过螺栓对直线发电机1进行定位，用于调节螺旋弹簧4刚度的伺服电机2通过螺钉固定在支撑架6上，螺旋弹簧4一端固定在n形架5上，导杆分别与n形架5延伸出的小平台和中间部分焊接，n形架5中间用两钢条交叉焊接，海洋管柱7与n形架5通过螺栓连接，n形架5与支撑架通过轴孔连接。海洋管柱7在海流作用下发生涡激振动，在竖直方向产生位移，带动n形架5上下移动，伺服电机2根据海流速度自动调整海洋管柱7质量以及螺旋弹簧4有效圈数从而实现对螺旋弹簧4刚度的调整，增强涡激振动，直线发电机1将海洋管柱7运动的机械能转化为电能。
如图2、图4所示，驱动电机13引线通过管柱接到外部，驱动电机13与伺服电机驱动器相连，通过智能调控系统传达指令来控制驱动电机13的转动，驱动电机13带动活塞螺杆17转动，四杆活塞11因活塞限位杆16固定无法转动，可随活塞螺杆17转动左右移动从而抽排水，实现对海洋管柱7的质量增减。同时，支撑架6上的伺服电机2带动内螺纹套筒3转动，增减螺旋弹簧4的有效圈数，根据公式
Figure BDA0002807220050000031
有效圈数n增减时，螺旋弹簧4的刚度k可变，实现不同海况下的刚度调整。
本发明的有益效果是：提出了一种质量和刚度可调涡激振动发电装置，采用活塞式管腔结构，以驱动电机通过螺纹配合驱动活塞往复运动，实现储水腔的进排水，及时调整海洋管柱的质量，以适应不同来流情况，提高潮流能的利用效率。采用螺旋弹簧在内螺纹套筒内旋进旋出的方式控制弹簧有效圈数从而实现对支撑刚度的调节，应对不同海况增强涡激振动，实现适应大范围流速的变化，兼顾提高调节精度的目的。
本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.所述一种质量和刚度可调的涡激振动发电装置，其特征在于：包括支撑模块、能量转化模块、能量传递模块、刚度调节模块、质量调节模块；
所述支撑模块，包括n形架(5)、限位孔；
所述能量转化模块，包括直线发电机(1)，用紧固螺栓(9)固定在支撑架(6)上；
所述能量传递模块，包括n形架(5)，滑杆，导杆，所述n形架(5)中间以两钢质板交叉焊接，所述n形架(5)上部和中部两侧均带有外伸的平台；
所述的刚度调节模块，包括伺服电机(2)、内螺纹套筒(3)、螺旋弹簧(4)，所述伺服电机(2)螺栓连装于所述n形架(5)的中上部平台处，所述内螺纹套筒(3)，顶部与所述伺服电机(2)中心传动轴螺纹连接，并由键连接防止二者相对转动。所述螺旋弹簧(4)一端与所述n形架(5)焊接，另一端部分圈数与所述内螺纹套筒(3)螺纹配合，其余有效圈数参与所述n形架(5)的振动，以达到控制弹簧的有效圈数从而调节刚度的目的；
所述质量调节模块，包括海洋管柱(7)、驱动电机(13)、四杆活塞(11)，所述驱动电机(13)为直流伺服电机，所述四杆活塞(11)周围有三根活塞限位杆(16)对称分布，活塞螺杆(17)与攻有内螺纹的所述驱动电机(13)的传动轴螺纹配合，所述海洋管柱(7)中部设有隔板，所述隔板设有三个限位孔，与所述四杆活塞(11)的三个限位杆(16)间隙配合，所述海洋管柱(7)一端开孔(8)，所述四杆活塞(11)可随着所述驱动电机(13)转子转动及内外螺纹配合在水平方向往返移动，以达到抽排水控制所述海洋管柱(7)质量的目的。
2.根据权利要求1所述的一种质量和刚度可调的涡激振动发电装置，其特征在于，所述涡激振动能量转化模块由置于所述支撑钢架顶部平台的直线发电机实现能量转化。所述n形架(5)振动可传递至所述直线发电机(1)，将机械能转化为电能。
3.根据权利要求1所述的一种质量和刚度可调的涡激振动发电装置，其特征在于，所述质量调节模块装有振动位移传感器和流速传感器，可用于检测涡激振动位移和海流流速。
4.根据权利要求1所述一种可调质量和刚度的涡激振动发电装置，其特征在于，所述n形架(5)中间用两钢条交叉焊接以加强所述n形架(5)的稳定性，底部通过所述紧固螺栓(15)与所述海洋管柱(7)连接，用以固定所述海洋管柱(7)。
5.根据权利要求1所述的一种质量和刚度可调的涡激振动发电装置，其特征在于，所述螺旋弹簧(4)与所述内螺纹套筒(3)螺纹连接配合。所述伺服电机(2)转动带动所述内螺纹套筒(3)转动，从而实现所述螺旋弹簧(4)旋入旋出，调节所述螺旋弹簧(4)有效圈数，从而调节振动的支撑刚度。
6.根据权利要求1所述的一种质量和刚度可调的涡激振动发电装置，其特征在于，所述质量调节模块中含一直流伺服电机，可接收传感器信号调节质量。所述四杆活塞(11)有四根杆，其中三杆可固定住所述四杆活塞(11)，可抑制其随传动轴的转动，所述活塞螺杆(17)可与攻有内螺纹的传动轴螺纹连接。所述海洋管柱(7)一端有所述孔(8)，所述四杆活塞(11)可随着所述驱动电机(13)转子转动及内外螺纹配合在管中沿水平方向来回移动，可随时通过所述孔(8)抽排水以控制质量。
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