CN114776515B - 一种悬臂引流和旋转耦合的同步发电与抑振装置及方法 - Google Patents

一种悬臂引流和旋转耦合的同步发电与抑振装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种悬臂引流和旋转耦合的同步发电与抑振装置及方法，装置由顺旋转模块与逆旋转模块套装而成，每个模块分为上、中、下三个部分。顺旋转模块的上方固定有风帽结构的上滚筒，下方固定有同心大支撑环；逆旋转模块的下方固定有风帽结构的下滚筒，上方固定有同心小支撑环；中间部分为沿周向均布的四根附属柱，且附属柱外壁布设发电翼臂与引流管，附属柱内部埋设直导电线。附属柱、发电翼臂与引流管的存在影响绕流边界层的发展和三维旋涡结构，而发电翼臂内的线圈切割磁感线产生电流。因此，本装置在海流的驱动下实现了无能耗的同步发电与抑振。

Description

一种悬臂引流和旋转耦合的同步发电与抑振装置及方法
技术领域
本发明属于海洋管道振动抑制与海洋新能源开发利用领域，具体涉及一种悬臂引流和旋转耦合的同步发电与抑振装置及方法。
背景技术
开发海洋油气是缓解我国能源危机的重要举措，海洋管道具有输送快捷、安全、经济成本低等特点，是海洋油气资源输送的主要方式。但随着开采深度的增加，海洋管道的柔性更为显著，流体经过海洋立管时产生交替脱落的旋涡，导致管道不可避免地发生涡激振动。长期的涡激振动会引起管道的疲劳失效，影响其服役寿命，严重时造成管道失效而泄漏出液体，产生巨大的经济损失和不可逆转的局部海洋污染。目前，海洋立管涡激振动的抑制装置主要有螺旋列板、分离盘等被动控制装置，主动控制方法因消耗额外能量而不易运用。就目前常见的被动装置而言，螺旋列板可能会增大流体阻力，而分离盘对来流方向较为敏感，均存在一定的缺陷。各个国家要求能源结构向清洁能源转变，开发水能、风能、生物质能等可再生能源顺应能源发展趋势，可以有效地提高能源安全性，保护环境。若可以利用海流能驱动被动装置旋转，实现类似主动控制的功能，不仅可以抑制振动，还可以转化海流动能，进而实现清洁能源发电，是值得研究推广的方向。
发明内容
基于背景技术中提出的问题，本发明的目的在于提供一种悬臂引流和旋转耦合的同步发电与抑振装置及方法，改进与完善海洋立管涡激振动抑制方面存在的问题和缺陷。
为了实现上述目的，本发明装置采用如下技术方案：
一种悬臂引流和旋转耦合的同步发电与抑振装置是由顺旋转模块与逆旋转模块组成。顺旋转模块的最下方为内嵌轴承滚子的外轴承，外轴承的内径等于小支撑环的外径，在外轴承的下端面沿周向均匀固定有四个限位珠；顺旋转模块的顶部是灯笼型上滚筒，上滚筒是中空的风帽结构，且上滚筒沿周向均匀紧密地固定有弧度为30°的旋转叶片，旋转叶片的弯曲方向自顺旋转模块的自下而上观察为顺时针；上滚筒的下端面与大支撑环同心焊接，大支撑环内嵌轴承滚子，大支撑环的内径等于内轴承的外径，大支撑环的直径与外轴承的直径相等且两者同轴；在外轴承与大支撑环相对的两端面之间沿周向均匀固定有四根相同的附属柱。上滚筒中轴安装有一块磁铁。
逆旋转模块的最下方为灯笼型下滚筒，下滚筒也是中空的风帽结构，下滚筒沿周向均匀紧密地固定有弧度为30°的旋转叶片，旋转叶片的弯曲方向自逆旋转模块的下方往上观察时为逆时针，旋转叶片的安装方向与逆旋转模块中轴平行。在下滚筒的上端面开有一圈环形限位轨道，限位轨道的宽度与顺旋转模块外轴承下端面的限位珠的直径相同，限位轨道的位置正对限位珠，限位珠安放于限位轨道中，实现顺旋转模块与逆旋转模块的相对运动。下滚筒的上端面限位轨道的内侧焊接有内嵌轴承滚子的小支撑环，小支撑环与下滚筒同轴，小支撑环的内径与立管的外径相同，逆旋转模块顶部为内嵌轴承滚子的内轴承，内轴承的内径与立管的外径相同，内轴承与小支撑环的直径相同，且内轴承中轴与小支撑环中轴在同一直线上。在小支撑环与内轴承相对的两端面之间沿周向均匀固定有四根相同的附属柱。在下滚筒中轴安装有一块磁铁，且上滚筒与下滚筒中磁铁相向的磁极不同。
附属柱为圆柱体结构，顺旋转模块与逆旋转模块的附属柱长度相同，在附属柱外表面沿轴向分布着发电翼臂，发电翼臂垂直于附属柱固定，每个发电翼臂的内部都包含有一个线圈，用于切割磁感线产生电流；每个线圈都与埋设于附属柱内的直导电线连接，直导电线在附属柱内螺旋布置，将线圈中产生的电流传导至端部收集。发电翼臂的长度小于顺旋转模块附属柱与逆旋转模块附属柱之间的径向间距。在每两个相邻的发电翼臂间的附属柱表面排布有引流管，引流管在附属柱表面螺旋缠绕焊接。在顺旋转模块中，附属柱上半部分的引流管顺时针缠绕，下半部分引流管逆时针缠绕；在逆旋转模块中，附属柱上半部分的引流管逆时针缠绕，下半部分引流管顺时针缠绕。
顺旋转模块套装在逆旋转模块外，其中，顺旋转模块的大支撑环套装于逆旋转模块的内轴承外，顺旋转模块的外轴承套装于逆旋转模块的小支撑环外，且外轴承下方的限位珠嵌入小支撑环上的限位轨道。
利用所述的悬臂引流和旋转耦合的同步发电与抑振装置提供一种悬臂引流和旋转耦合的同步发电与抑振方法。当海流通过上滚筒与下滚筒的旋转叶片时，海流的流动带动旋转叶片转动，驱动上滚筒与下滚筒转动，实现顺旋转模块与逆旋转模块的旋转，因上滚筒与下滚筒的旋转叶片弧面布置方向相反，且逆旋转模块与立管之间的轴承滚子实现了逆旋转模块与立管之间的相对转动，顺旋转模块与逆旋转模块之间的轴承滚子实现了顺旋转模块与逆旋转模块之间的相对转动，所以在海流的驱动下实现了顺旋转模块与逆旋转模块的反向运动。上滚筒与下滚筒磁铁相向的磁极相反，在上滚筒与下滚筒之间形成磁感线，装置在旋转的过程中，附属柱上每个发电翼臂内部的线圈切割磁感线，产生电流，发电翼臂对线圈起到了保护与防水的作用。电流通过被包裹在附属柱内部的直导电线传递与收集。因而，利用海流冲击驱动装置，能够避免消耗额外能量，同时将海流能转化为电能进行收集和储存，就地取源。
此外，附属柱的存在会干扰立管绕流边界层的发展，附属柱绕立管旋转又将立管周围流场进一步扰乱，影响了旋涡的形成。附属柱上的发电翼臂更是破坏了立管尾部的展向涡结构。海流从引流管中经过时，调配了局部的空间流量，扰乱了三维旋涡结构；且附属柱上缠绕着引流管，增大了附属柱表面的粗糙度，干扰旋涡的形成与发展。因此，实现了立管涡激振动的抑制。
根据实际需要，可将本装置沿海洋立管轴线多个串联布置，以增强立管涡激振动的抑制效果和提升发电规模。本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：
1.本发明充分利用海流驱动装置运转，不需要额外消耗能量，操作方便；且其适用于流向频繁变化的海洋环境，有效抑制旋涡的形成。
2.本发明的两套轴承插拔方便，便于检修和维护。在涡激振动抑制的同时本装置可以同步发电，实现油气资源的安全开采和海流能的同步利用。
附图说明
图1本发明装置结构示意图
图2本发明装置附属柱结构示意图
图3本发明装置附属柱内部发电装置结构示意图
图4本发明装置主体结构拆装图
其中：1、立管；2、上滚筒；3、附属柱；4、引流管；5、发电翼臂；6、轴承滚子；7、外轴承；8、下滚筒；9、限位珠；10、内轴承；11、限位轨道；12、线圈；13、直导电线；14、小支撑环；15、大支撑环。
具体实施方式
如图1所示，一种悬臂引流和旋转耦合的同步发电与抑振装置是由顺旋转模块与逆旋转模块组成。顺旋转模块的最下方为内嵌轴承滚子的外轴承7，外轴承7的内径等于小支撑环14的外径，在外轴承7的下端面沿周向均匀固定有四个限位珠9；顺旋转模块的顶部是灯笼型上滚筒2，上滚筒2是中空的风帽结构，且上滚筒2沿周向均匀紧密地固定有弧度为30°的旋转叶片，旋转叶片的弯曲方向自顺旋转模块的自下而上观察为顺时针；上滚筒2的下端面与大支撑环15同心焊接，大支撑环15内嵌轴承滚子6，大支撑环15的内径等于内轴承10的外径，大支撑环15的直径与外轴承7的直径相等且两者同轴；在外轴承7与大支撑环15相对的两端面之间沿周向均匀固定有四根相同的附属柱3。上滚筒2中轴安装有一块磁铁。
逆旋转模块的最下方为灯笼型下滚筒8，下滚筒8也是中空的风帽结构，下滚筒8沿周向均匀紧密地固定有弧度为30°的旋转叶片，旋转叶片的弯曲方向自逆旋转模块的下方往上观察时为逆时针，旋转叶片的安装方向与逆旋转模块中轴平行。在下滚筒8的上端面开有一圈环形限位轨道11，限位轨道11的宽度与顺旋转模块外轴承7下端面的限位珠9的直径相同，限位轨道11的位置正对限位珠9，限位珠9安放于限位轨道11中，实现顺旋转模块与逆旋转模块的相对运动。下滚筒的上端面限位轨道11的内侧焊接有内嵌轴承滚子6的小支撑环14，小支撑环14与下滚筒8同轴，小支撑环14的内径与立管1的外径相同，逆旋转模块顶部为内嵌轴承滚子6的内轴承10，内轴承10的内径与立管1的外径相同，内轴承10与小支撑环14的直径相同，且内轴承10中轴与小支撑环14中轴在同一直线上。在小支撑环14与内轴承10相对的两端面之间沿周向均匀固定有四根相同的附属柱3。在下滚筒8中轴安装有一块磁铁，且上滚筒2与下滚筒8中磁铁相向的磁极不同
如图2和3所示，附属柱3为圆柱体结构，顺旋转模块与逆旋转模块的附属柱3的长度相同，在附属柱3外表面沿轴向分布着发电翼臂5，发电翼臂5垂直于附属柱3固定，每个发电翼臂5的内部都包含有一个线圈12，用于切割磁感线产生电流；每个线圈12都与埋设于附属柱3内的直导电线13连接，直导电线13在附属柱3内螺旋布置，将线圈12中产生的电流传导至端部收集。发电翼臂5的长度小于顺旋转模块附属柱3与逆旋转模块附属柱3之间的径向间距。在每两个相邻的发电翼臂5间的附属柱3表面排布有引流管4，引流管4在附属柱表面螺旋缠绕焊接。在顺旋转模块中，附属柱3上半部分的引流管4顺时针缠绕，下半部分引流管4逆时针缠绕；在逆旋转模块中，附属柱3上半部分的引流管4逆时针缠绕，下半部分引流管4顺时针缠绕。
如图4所示，顺旋转模块套装在逆旋转模块外，其中，顺旋转模块的大支撑环15套装于逆旋转模块的内轴承10外，顺旋转模块的外轴承7套装于逆旋转模块的小支撑环14外，且外轴承下方的限位珠9嵌入小支撑环14上的限位轨道11。
利用所述的悬臂引流和旋转耦合的同步发电与抑振装置提供一种悬臂引流和旋转耦合的同步发电与抑振方法。当海流通过上滚筒2与下滚筒8的旋转叶片时，海流的流动带动旋转叶片转动，驱动上滚筒2与下滚筒8转动，实现顺旋转模块与逆旋转模块的旋转，因上滚筒2与下滚筒8的旋转叶片弧面布置方向相反，且逆旋转模块与立管1之间的轴承滚子6实现了逆旋转模块与立管1之间的相对转动，顺旋转模块与逆旋转模块之间的轴承滚子6实现了顺旋转模块与逆旋转模块之间的相对转动，所以在海流的驱动下实现了顺旋转模块与逆旋转模块的反向运动。上滚筒2与下滚筒8磁铁相向的磁极相反，在上滚筒2与下滚筒8之间形成磁感线，装置在旋转的过程中，附属柱3上每个发电翼臂5内部的线圈12切割磁感线，产生电流，发电翼臂5对线圈12起到了保护与防水的作用。电流通过被包裹在附属柱3内部的直导电线13传递与收集。因而，利用海流冲击驱动装置，能够避免消耗额外能量，同时将海流能转化为电能进行收集和储存，就地取源。
此外，附属柱3的存在会干扰立管1绕流边界层的发展，附属柱3绕立管1旋转又将立管1周围流场进一步扰乱，影响了旋涡的形成。附属柱3上的发电翼臂5更是破坏了立管1尾部的展向涡结构。海流从引流管4中经过时，调配了局部的空间流量，扰乱了三维旋涡结构；且附属柱3上缠绕着引流管4，增大了附属柱3表面的粗糙度，干扰旋涡的形成与发展。因此，实现了立管1涡激振动的抑制。
根据实际需要，可将本装置沿海洋立管轴线多个串联布置，以增强立管涡激振动的抑制效果和提升发电规模。
实施例：安装本发明装置时，将逆旋转模块套装在立管1外，将顺旋转模块套装在逆旋转模块上，其中，顺旋转模块的大支撑环15套装于逆旋转模块的内轴承10外，顺旋转模块的外轴承7套装于逆旋转模块的小支撑环14外，且外轴承7下方的限位珠9嵌入小支撑环14上的限位轨道11。安装完毕后，当海流通过上滚筒2与下滚筒8的旋转叶片时，海流的流动带动旋转叶片转动，驱动上滚筒2与下滚筒8转动，实现顺旋转模块与逆旋转模块的旋转，因上滚筒2与下滚筒8的旋转叶片弧面布置方向相反，且逆旋转模块与立管1之间的轴承滚子6实现了逆旋转模块与立管1之间的相对转动，顺旋转模块与逆旋转模块之间的轴承滚子6实现了正旋转模块与逆旋转模块之间的相对转动，所以在海流的驱动下实现了顺旋转模块与逆旋转模块的反向运动。上滚筒2与下滚筒8磁铁相向的磁极相反，在上滚筒2与下滚筒8之间形成磁感线，装置在旋转的过程中，附属柱3上每个发电翼臂5内部的线圈12切割磁感线，产生电流，发电翼臂5对线圈12起到了保护与防水的作用。电流通过被包裹在附属柱3内部的直导电线13传递与收集。因而，利用海流冲击驱动装置，能够避免消耗额外能量，同时将海流能转化为电能进行收集和储存，就地取源。

Claims (2)

1.一种悬臂引流和旋转耦合的同步发电与抑振装置，由顺旋转模块与逆旋转模块组成；顺旋转模块的最下方为内嵌轴承滚子的外轴承(7)，外轴承(7)的内径等于小支撑环(14)的外径；顺旋转模块的顶部是灯笼型上滚筒(2)，上滚筒(2)的下端面与大支撑环(15)同心焊接，大支撑环(15)内嵌轴承滚子(6)，大支撑环(15)的内径等于内轴承(10)的外径，大支撑环(15)的直径与外轴承(7)的直径相等且两者同轴；在外轴承(7)与大支撑环(15)相对的两端面之间沿周向均匀固定有四根相同的附属柱(3)；上滚筒(2)中轴安装有一块磁铁；逆旋转模块的最下方为灯笼型下滚筒(8)，下滚筒(8)的上端面限位轨道(11)的内侧焊接有内嵌轴承滚子(6)的小支撑环(14)，小支撑环(14)与下滚筒(8)同轴，小支撑环(14)的内径与立管的外径相同，逆旋转模块顶部为内嵌轴承滚子(6)的内轴承(10)，内轴承(10)的内径与立管(1)的外径相同，内轴承(10)与小支撑环(14)的直径相同，且内轴承(10)中轴与小支撑环(14)中轴在同一直线上；在小支撑环(14)与内轴承(10)相对的两端面之间沿周向均匀固定有四根相同的附属柱(3)；在下滚筒(8)中轴安装有一块磁铁，且上滚筒(2)与下滚筒(8)中磁铁相对的磁极不同；附属柱(3)为圆柱体结构，顺旋转模块与逆旋转模块的附属柱(3)的长度相同，在附属柱(3)外表面沿轴向分布着发电翼臂(5)，发电翼臂(5)垂直于附属柱(3)固定，每个发电翼臂(5)的内部都包含有一个线圈(12)，用于切割磁感线产生电流；每个线圈(12)都与埋设于附属柱(3)内的直导电线(13)连接，直导电线(13)在附属柱(3)内螺旋布置，将线圈(12)中产生的电流传导至端部进行收集，发电翼臂(5)的长度小于顺旋转模块附属柱(3)与逆旋转模块附属柱(3)之间的径向间距；在每两个相邻的发电翼臂(5)间的附属柱(3)表面排布有引流管(4)，引流管(4)在附属柱表面螺旋缠绕焊接；其特征在于：所述的上滚筒(2)是中空的风帽结构，上滚筒(2)沿周向均匀紧密地固定有弧度为30°的旋转叶片，旋转叶片的弯曲方向自顺旋转模块的自下而上观察为顺时针；下滚筒(8)也是中空的风帽结构，其沿周向均匀紧密地固定有弧度为30°的旋转叶片，旋转叶片的弯曲方向自逆旋转模块的下方往上观察时为逆时针，旋转叶片的安装方向与逆旋转模块中轴平行；在外轴承(7)的下端面沿周向均匀固定有四个限位珠(9)，在下滚筒(8)的上端面开有一圈环形限位轨道(11)，限位轨道(11)的宽度与顺旋转模块外轴承(7)下端面的限位珠(9)的直径相同，限位轨道(11)的位置正对限位珠(9)，限位珠(9)安放于限位轨道(11)中实现顺旋转模块与逆旋转模块的相对运动；在顺旋转模块中，附属柱(3)上半部分的引流管(4)顺时针缠绕，下半部分引流管(4)逆时针缠绕；在逆旋转模块中，附属柱(3)上半部分的引流管(4)逆时针缠绕，下半部分引流管(4)顺时针缠绕；逆旋转模块套装在立管(1)上，顺旋转模块套装在逆旋转模块外，其中，顺旋转模块的大支撑环(15)套装于逆旋转模块的内轴承(10)外，顺旋转模块的外轴承(7)套装于逆旋转模块的小支撑环(14)外，且外轴承下方的限位珠(9)嵌入小支撑环(14)上的限位轨道(11)。
2.一种悬臂引流和旋转耦合的同步发电与抑振方法，采用如权利要求1所述的悬臂引流和旋转耦合的同步发电与抑振装置，其特征在于：当海流通过上滚筒(2)与下滚筒(8)的旋转叶片时，海流的流动带动旋转叶片转动，驱动上滚筒(2)与下滚筒(8)转动，实现顺旋转模块与逆旋转模块的旋转，因上滚筒(2)与下滚筒(8)的旋转叶片弧面布置方向相反，且逆旋转模块与立管(1)之间的轴承滚子(6)实现了逆旋转模块与立管(1)之间的相对转动，顺旋转模块与逆旋转模块之间的轴承滚子(6)实现了顺旋转模块与逆旋转模块之间的相对转动，所以在海流的驱动下实现了顺旋转模块与逆旋转模块的反向运动；上滚筒(2)与下滚筒(8)磁铁相向的磁极相反，在上滚筒(2)与下滚筒(8)之间形成磁感线，装置在旋转的过程中，附属柱(3)上每个发电翼臂(5)内部的线圈(12)切割磁感线，产生电流，发电翼臂(5)对线圈(12)起到了保护与防水的作用；电流通过被包裹在附属柱(3)内部的直导电线(13)传递与收集；因而，利用海流冲击驱动装置，能够避免消耗额外能量，同时将海流能转化为电能进行收集和储存，就地取源；此外，附属柱(3)的存在会干扰立管绕流边界层的发展，附属柱(3)绕立管旋转又将立管周围流场进一步扰乱，影响了旋涡的形成；附属柱(3)上的发电翼臂(5)更是破坏了立管尾部的展向涡结构；海流从引流管(4)中经过时，调配了局部的空间流量，扰乱了三维旋涡结构；且附属柱(3)上缠绕着引流管(4)，增大了附属柱(3)表面的粗糙度，干扰旋涡的形成与发展；因此，实现了立管涡激振动的抑制。
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