CN115247267B - 一种海水原位制氢的涡激振动抑制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海水原位制氢的涡激振动抑制装置及方法，装置由电解模块和旋转模块两部分组成，电解模块由线圈、套筒、电解槽、排氧管、输氢管和引流管组成，排氧管开有排气孔；旋转模块由旋转轴承、旋转叶轮、压电尾板、转轴和转动轴承组成，旋转叶轮内部装有磁条。海水冲击叶轮带动旋转模块转动，破坏立管周围的流场，同时，旋转叶轮和压电尾板产生电流，为电解槽供能，海水从引流管进入电解槽，电解产生的氢气外输至平台，氧气经排氧管排出，干扰尾流。在该装置旋转模块和电解模块的共同作用下，实现海水原位制氢的同时抑制涡激振动。
Description
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，具体涉及一种海水原位制氢的涡激振动抑制装置及方法。
背景技术
全球能源格局正经历由传统化石能源向清洁可再生能源的深刻转变，各国均如火如荼地发展清洁能源，积极寻找替代的能源。氢作为一种理想的二次能源载体，燃烧产物为无污染的水，被认为是一种绝对清洁的燃料，可广泛用于储能、发电、家用燃料等。水资源作为地球上最大的“氢矿”，是制取氢气的理想来源。然而，大规模的电解制氢对淡水资源的消耗严重，因此，海水电解制氢是实现绿色氢经济的理想途径。如何实现海水高效原位制氢是目前研究的热点，也是加快实现碳达峰及碳中和目标的重要举措。此外，随着海洋油气开发向深水挺进，海洋立管作为连通浮式平台与井口的重要组成部分，其重要性不言而喻。立管长期处于复杂的海洋环境中，波流引起的涡激振动容易造成立管结构的疲劳损伤，一旦立管疲劳失效，不仅会造成巨大的经济损失，还会对海洋环境构成灾难性破坏。若将传统的旋转叶轮和压电材料依附于海洋立管上，将海流能转化为电能，同步实现海水原位制氢和涡激振动的抑制，将是一举两得的创新举措。
发明内容
本发明所要解决的问题是加大海洋新能源开发利用的同时抑制海洋立管的涡激振动，针对背景技术中提出的不足，设计出一种依附于海洋立管实现海水原位制氢的涡激振动抑制装置及方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种海水原位制氢的涡激振动抑制装置由电解模块和旋转模块两部分组成。电解模块由线圈、套筒、电解槽、排氧管、输氢管和两个引流管组成。线圈是外覆绝缘层的金属线圈，沿立管轴向呈螺旋上升状环绕在立管外壁。套筒内径大于立管外径，由对称的两个半圆形圆管通过螺栓对接并卡抱在环绕有线圈的立管外。电解槽为封闭的环形空间结构，电解槽的内径等于套筒外径，电解槽由两个对称的半圆形环空结构通过铆钉卡抱在套筒的下端，其中一个半圆形环空结构底面焊接有电解阴极，在电解阴极上方嵌有输氢管，输氢管管壁与套筒外壁贴合并通过电解槽上端插入上部旋转轴承内圈的扶正通孔；另一个半圆形环空结构底面焊接有电解阳极，在电解阳极上方嵌有上端封闭的排氧管，排氧管从电解槽穿过且刚好抵到上部轴承的下端，在排氧管管壁轴向等距开有七个排气孔，输氢管和排氧管分别位于迎流侧和背流侧。两个引流管呈螺旋状紧贴套筒壁面对称地从电解槽的两个半圆形环空结构顶面伸入电解槽中，引流管的上端开口。
旋转模块由上、下两个旋转轴承、三个旋转叶轮、三个压电尾板、六根转轴和十八个带限位翅片的转动轴承组成。旋转轴承由轴承内圈、圆柱滚子和轴承外圈组成。轴承内圈的内径等于套筒的外径，通过螺栓连接卡抱在套筒外，上部轴承内圈带有一个扶正通孔，用于扶正输氢管；轴承外圈沿径向固定有三根矩形固定杆，矩形固定杆的高度等于轴承的高度，每两个矩形固定杆之间的圆周夹角为120°，上、下两个旋转轴承外圈相对的矩形固定杆对侧面开有两个限位插孔，限位插孔的深度为轴承高度的一半，两个限位插孔分别位于矩形固定杆的中部和远离轴承外圈的端部，两个限位插孔的间距大于旋转叶轮叶片的宽度与压电尾板的宽度之和。上、下两个轴承按一个转轴的高度安装于套管外壁，且使上、下轴承相对的矩形固定杆相互平行，上部矩形固定杆的限位插孔开口向下，下部矩形固定杆的限位插孔开口向上。六根转轴分别插入上下对齐的限位插孔中，转轴的直径与限位插孔的直径相等，转轴内设有导电线。转轴轴向等间距安装有三个转动轴承，相邻两个转动轴承的间距为旋转叶片高度的一半，且转动轴承外圈对称地伸出两个限位翅片，两个限位翅片位于同一平面。
旋转叶轮由两个外壁周向均布三个旋转叶片的半圆形套筒卡抱组成，半圆形套筒内壁中部沿轴向等间距开有三个矩形凹槽，矩形凹槽的深度和高度分别与限位翅片的长度和高度相等，旋转叶轮通过限位翅片插入矩形凹槽进行固定。三个旋转叶轮通过转轴周向均布在靠近立管的位置，且旋转叶片内部装有磁条。压电尾板沿轴向焊接在内壁等间距开有三个矩形凹槽的半圆形套筒外壁，压电尾板通过两个半圆形套筒内壁的矩形凹槽和轴承外圈的限位翅片固定在远离立管的三个转轴上。
利用所述的海水原位制氢的涡激振动抑制装置提供一种海水原位制氢的涡激振动抑制方法。海水冲击在旋转叶轮和压电尾板上时，由于受力的不对称分布，驱动旋转模块旋转。一方面，旋转叶轮和压电尾板在海流冲击下自由转动，同时带动上、下旋转轴承旋转，实现磁感应线切割，产生电流。另一方面，压电尾板与海流发生流固耦合响应，压电尾板变形也同步产生电流，电流通过转轴内的导电线输出，为电解槽提供电能。海流从引流管引入电解槽，在电解槽中电解制氢，氢气通过输氢管输送到平台，氧气则从排氧管中排出。从排氧管排气孔中喷发出的氧气干扰了立管背流侧的海流，改变了边界层的分离位置，破坏了尾流旋涡。此外，旋转叶轮和压电尾板的转动及压电尾板的变形共同破坏了立管周围的流场，干扰了尾流旋涡的形成，同步实现了涡激振动的抑制。
本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明装置的旋转叶轮和压电尾板在海流的冲击下发生旋转，同时带动旋转轴承进行旋转，整个装置可以自适应来流方向的改变。
2、本发明装置的旋转叶轮和压电尾板的旋转对立管的尾流产生破坏，同时电解海水产生的氧气喷出后，改变边界层分离点的位置，干扰了尾流旋涡的形成和发展。
3、本发明装置利用旋转叶轮和压电尾板将海流能转换为电能，实现了同步发电。
4、本发明装置利用海流在电解槽中原位制氢，实现了氢能的开发，为实现“双碳”目标提供了技术方案。
附图说明
图1为本发明装置的立体结构示意图
图2为本发明装置的主体结构拆分示意图
图3为本发明装置的旋转轴承和输氢管结构示意图
图4为本发明装置的电解槽结构示意图
图5为本发明装置的电解槽结构剖视图
图6为本发明装置的旋转叶轮结构示意图
图7为本发明装置的压电尾板结构示意图
其中：1、立管；2、套筒；3、轴承内圈；4、轴承外圈；5、电解槽；6、排氧管；7、输氢管；8、引流管；9、旋转叶轮；10、压电尾板；11、线圈；12、扶正通孔；13、限位插孔；14、排气孔；15、电解阳极；16、电解阴极；17、转轴；18、转动轴承；19、限位翅片；20、矩形凹槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步描述：
一种海水原位制氢的涡激振动抑制装置由电解模块和旋转模块两部分组成。电解模块由线圈11、套筒2、电解槽5、排氧管6、输氢管7和两个引流管8组成。线圈11是外覆绝缘层的金属线圈，沿立管1轴向呈螺旋上升状环绕在立管1外壁。套筒2内径大于立管1外径，由对称的两个半圆形圆管通过螺栓对接并卡抱在环绕有线圈11的立管1外。电解槽5为封闭的环形空间结构，电解槽5的内径等于套筒2外径，电解槽5由两个对称的半圆形环空结构通过铆钉卡抱在套筒2的下端，其中一个半圆形环空结构底面焊接有电解阴极16，在电解阴极16上方嵌有输氢管7，输氢管7管壁与套筒2外壁贴合并通过电解槽5上端插入上部旋转轴承内圈3的扶正通孔12；另一个半圆形环空结构底面焊接有电解阳极15，在电解阳极15上方嵌有上端封闭的排氧管6，排氧管6从电解槽5穿过且刚好抵到上部轴承的下端，在排氧管6管壁轴向等距开有七个排气孔14，输氢管7和排氧管6分别位于迎流侧和背流侧。两个引流管8呈螺旋状紧贴套筒2壁面对称地从电解槽5的两个半圆形环空结构顶面伸入电解槽5中，引流管8的上端开口。
旋转模块由上、下两个旋转轴承、三个旋转叶轮9、三个压电尾板10、六根转轴17和十八个带限位翅片19的转动轴承18组成。旋转轴承由轴承内圈3、圆柱滚子和轴承外圈4组成。轴承内圈3的内径等于套筒2的外径，通过螺栓连接卡抱在套筒2外，上部轴承内圈3带有一个扶正通孔12，用于扶正输氢管7；轴承外圈4沿径向固定有三根矩形固定杆，矩形固定杆的高度等于轴承的高度，每两个矩形固定杆之间的圆周夹角为120°，上、下两个旋转轴承外圈4相对的矩形固定杆对侧面开有两个限位插孔13，限位插孔13的深度为轴承高度的一半，两个限位插孔13分别位于矩形固定杆的中部和远离轴承外圈4的端部，两个限位插孔13的间距大于旋转叶轮9叶片的宽度与压电尾板10的宽度之和。上、下两个轴承按一个转轴17的高度安装于套管2外壁，且使上、下轴承相对的矩形固定杆相互平行，上部矩形固定杆的限位插孔13开口向下，下部矩形固定杆的限位插孔13开口向上。六根转轴17分别插入上下对齐的限位插孔13中，转轴17的直径与限位插孔13的直径相等，转轴17内设有导电线。转轴17轴向等间距安装有三个转动轴承18，相邻两个转动轴承18的间距为旋转叶片高度的一半，且转动轴承18外圈对称地伸出两个限位翅片19，两个限位翅片19位于同一平面。
旋转叶轮9由两个外壁周向均布三个旋转叶片的半圆形套筒卡抱组成，半圆形套筒内壁中部沿轴向等间距开有三个矩形凹槽20，矩形凹槽20的深度和高度分别与限位翅片19的长度和高度相等，旋转叶轮9通过限位翅片19插入矩形凹槽20进行固定。三个旋转叶轮9通过转轴周向均布在靠近立管1的位置，且旋转叶片内部装有磁条。压电尾板10沿轴向焊接在内壁等间距开有三个矩形凹槽20的半圆形套筒外壁，压电尾板10通过两个半圆形套筒内壁的矩形凹槽20和轴承外圈的限位翅片19固定在远离立管1的三个转轴17上。
利用所述的海水原位制氢的涡激振动抑制装置提供一种海水原位制氢的涡激振动抑制方法。海水冲击在旋转叶轮9和压电尾板10上时，由于受力的不对称分布，驱动旋转模块旋转。一方面，旋转叶轮9和压电尾板10在海流冲击下自由转动，同时带动上、下旋转轴承旋转，实现磁感应线切割，产生电流。另一方面，压电尾板10与海流发生流固耦合响应，压电尾板10变形也同步产生电流，电流通过转轴17内的导电线输出，为电解槽5提供电能。海流从引流管8引入电解槽5，在电解槽5中电解制氢，氢气通过输氢管7输送到平台，氧气则从排氧管6中排出。从排氧管6排气孔14中喷发出的氧气干扰了立管1背流侧的海流，改变了边界层的分离位置，破坏了尾流旋涡。此外，旋转叶轮9和压电尾板10的转动及压电尾板10的变形共同破坏了立管周围的流场，干扰了尾流旋涡的形成，同步实现了涡激振动的抑制。
实施例：
本装置在安装时，首先将线圈11沿立管轴向呈螺旋上升状环绕在立管1外壁，然后将套筒2卡抱在环绕有线圈11的立管1外，再将电解槽5安装在套筒2下端，通过铆钉连接固定。将输氢管7和排氧管6从电解槽5的顶部插入电解槽中，输氢管底端深入到电解阴极16附近，排氧管6底端深入到电解阳极15附近，且开孔一侧背向立管，然后将两个引流管8呈螺旋状紧贴套筒2壁面对称地从电解槽5的两个半圆形环空结构顶部伸入电解槽5中。
接着，将上、下旋转轴承套装在套筒2上，下部旋转轴承安装在电解槽5的下部，且上下轴承的矩形固定杆在垂线上一一对应，上部旋转轴承矩形凹槽的限位插孔13开孔向下，下部旋转轴承矩形凹槽的限位插孔13开孔向上，上下轴承间距暂时大于矩形固定杆的高度，输氢管7的顶部从上部旋转轴承内圈3的扶正通孔12穿过。然后将六根转轴17分别插入上下对齐的限位插孔13中，调节上、下旋转轴承间的间距，使得六根转轴卡紧在上、下旋转轴承之间，排氧管的顶部抵在上部旋转轴承的底面。在每根转轴17的轴向等间距地安装三个转动轴承18，且使三个转动轴承的限位翅片19位于同一垂向平面。接着，将三个旋转叶轮9卡抱在靠近立管的三根转轴17上，通过限位翅片19插入矩形凹槽20进行固定；将压电尾板10通过两个半圆形套筒内壁的矩形凹槽20和轴承外圈的限位翅片19固定在远离立管1的三个转轴17上。
装置安装好后，置于海洋环境中。海水冲击在旋转叶轮9和压电尾板10上时，由于受力的不对称分布，驱动旋转模块旋转。一方面，旋转叶轮9和压电尾板10在海流冲击下自由转动，同时带动上、下旋转轴承旋转，实现磁感应线切割，产生电流。另一方面，压电尾板10与海流发生流固耦合响应，压电尾板10变形也同步产生电流，电流通过转轴17内的导电线输出，为电解槽5提供电能。海流从引流管8引入电解槽5，在电解槽5中电解制氢，氢气通过输氢管7输送到平台，氧气则从排氧管6中排出。从排氧管6排气孔14中喷发出的氧气干扰了立管1背流侧的海流，改变了边界层的分离位置，破坏了尾流旋涡。此外，旋转叶轮9和压电尾板10的转动及压电尾板10的变形共同破坏了立管周围的流场，干扰了尾流旋涡的形成，同步实现了涡激振动的抑制。
Claims (2)
1.一种海水原位制氢的涡激振动抑制装置，由电解模块和旋转模块两部分组成；电解模块由线圈(11)、套筒(2)、电解槽(5)、排氧管(6)、输氢管(7)和两个引流管(8)组成；旋转模块由上、下两个旋转轴承、三个旋转叶轮(9)、三个压电尾板(10)、六根转轴(17)和十八个带限位翅片(19)的转动轴承(18)组成；其特征在于：电解槽(5)为封闭的环形空间结构，电解槽(5)的内径等于套筒(2)外径，电解槽(5)由两个对称的半圆形环空结构通过铆钉卡抱在套筒(2)的下端，其中一个半圆形环空结构底面焊接有电解阴极(16)，在电解阴极(16)上方嵌有输氢管(7)，输氢管(7)管壁与套筒(2)外壁贴合并通过电解槽(5)上端插入上部旋转轴承的轴承内圈(3)的扶正通孔(12)，另一个半圆形环空结构底面焊接有电解阳极(15)，在电解阳极(15)上方嵌有上端封闭的排氧管(6)，排氧管(6)从电解槽(5)穿过且刚好抵到上部旋转轴承的下端，在排氧管(6)管壁轴向等距开有七个排气孔(14)，输氢管(7)和排氧管(6)分别位于迎流侧和背流侧，两个引流管(8)呈螺旋状紧贴套筒(2)壁面对称地从电解槽(5)的两个半圆形环空结构顶面伸入电解槽(5)中，引流管(8)的上端开口；所述旋转轴承的轴承内圈(3)的内径等于套筒(2)的外径，通过螺栓连接卡抱在套筒(2)外，上部轴承内圈(3)带有一个扶正通孔(12)，用于扶正输氢管(7)，轴承外圈(4)沿径向固定有三根矩形固定杆，矩形固定杆的高度等于旋转轴承的高度，每两个矩形固定杆之间的圆周夹角为120°，上、下两个旋转轴承的轴承外圈(4)相对的矩形固定杆对侧面开有两个限位插孔(13)，限位插孔(13)的高度为旋转轴承高度的一半，两个限位插孔(13)分别位于矩形固定杆的中部和远离轴承外圈(4)的端部，两个限位插孔(13)的间距大于旋转叶轮(9)叶片的宽度与压电尾板(10)的宽度之和，上、下两个旋转轴承按一个转轴(17)的高度安装于套管(2)外壁，且使上、下旋转轴承相对的矩形固定杆相互平行，上部矩形固定杆的限位插孔(13)开口向下，下部矩形固定杆的限位插孔(13)开口向上，六根转轴(17)分别插入上下对齐的限位插孔(13)中，转轴(17)的直径与限位插孔(13)的直径相等，转轴(17)内设有导电线，转轴(17)轴向等间距安装有三个转动轴承(18)，相邻两个转动轴承(18)的间距为旋转叶片高度的一半；旋转叶轮(9)由两个外壁周向均布三个旋转叶片的半圆形套筒卡抱组成，半圆形套筒内壁中部沿轴向等间距开有三个矩形凹槽(20)，矩形凹槽(20)的深度和高度分别与限位翅片(19)的长度和高度相等，旋转叶轮(9)通过限位翅片(19)插入矩形凹槽(20)进行固定；三个旋转叶轮(9)通过转轴(17)周向均布在靠近立管(1)的位置，且每个旋转叶片内部均嵌有磁铁；压电尾板(10)由压电材料制成，沿轴向焊接在内壁等间距开有三个矩形凹槽(20)的半圆形套筒外壁，压电尾板(10)通过两个半圆形套筒内壁的矩形凹槽(20)和轴承外圈(4)的限位翅片(19)固定在远离立管(1)的三个转轴(17)上。
2.一种海水原位制氢的涡激振动抑制方法，采用如权利要求1所述的海水原位制氢的涡激振动抑制装置，其特征在于：海水冲击在旋转叶轮(9)和压电尾板(10)上时，由于受力的不对称分布，驱动旋转模块旋转，一方面，旋转叶轮(9)和压电尾板(10)在海流冲击下自由转动，同时带动上、下旋转轴承旋转，实现磁感应线切割，产生电流；另一方面，压电尾板(10)与海流发生流固耦合响应，压电尾板(10)变形也同步产生电流，电流通过转轴(17)内的导电线输出，为电解槽(5)提供电能，海流从引流管(8)引入电解槽(5)，在电解槽(5)中电解制氢，氢气通过输氢管(7)输送到平台，氧气则从排氧管(6)中排出，从排氧管(6)排气孔(14)中喷发出的氧气干扰了立管(1)背流侧的海流，改变了边界层的分离位置，破坏了尾流旋涡，此外，旋转叶轮(9)和压电尾板(10)的转动及压电尾板(10)的变形共同破坏了立管周围的流场，干扰了尾流旋涡的形成，同步实现了涡激振动的抑制。
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