一种可旋转同步实现压电发电和振动抑制的装置及方法 |
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| 申请号 | CN201610945601.9 | 申请日 | 2016-11-02 | 公开(公告)号 | CN106545301A | 公开(公告)日 | 2017-03-29 |
| 申请人 | 西南石油大学; | 发明人 | 朱红钧; 高岳; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种可旋转同步实现压电发电和振动抑制的装置及方法，装置由旋转组件、压电组件和导流组件构成。旋转组件负责实现整个装置的旋转功能，压电组件和导流组件均为非对称设置，压电组件通过压电片的 变形 实现发电，导流组件则通过不同开孔 密度 的非对称孔板产生旋转所需的 扭矩 。 海 水 经过压电片端部的圆柱体附柱时，会诱导压电片振动，使压电片持续变形，产生源源不断的 电流 。而旋转的导流板和压电片破坏了海洋立管表面的绕流 边界层 ，影响了绕流 旋涡 的形成，实现了振动的抑制。本装置依附海洋立管同步实现了压电发电和振动抑制。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种可旋转同步实现压电发电和振动抑制的装置，其特征在于：由旋转组件、压电组件和导流组件三部分构成；旋转组件由上、下两个轴承和四根导线套管(2)组成，轴承内圈(9)卡抱于海洋立管(1)外壁，轴承外圈(3)与海洋立管(1)管轴垂直的一侧端壁上沿周向均匀开有四个方形孔槽(12)，方形孔槽(12)深度为轴承外圈(3)高度的一半，其中有一对轴对称的方形孔槽(12)与壁面为内螺纹的螺纹孔(13)相通，螺纹孔(13)深度也为轴承外圈(3)高度的一半；上、下两个轴承按一个压电片的高度安装于海洋立管(1)外壁，并使上轴承外圈(3)的方形孔槽(12)开口向下，下轴承外圈(3)的方形孔槽(12)开口向上；导线套管(2)为一端开有公螺纹的圆筒管状结构，将导线套管(2)的端部公螺纹与轴承外圈(3)螺纹孔(13)的内螺纹啮合，使上、下轴承外圈(3)上各安装一对对称的导线套管(2)；压电组件由压电片、附柱(8)和绝缘导线(17)组成；压电片为外涂防水绝缘层的矩形片状结构，包括一块宽压电片(4)和一块窄压电片(5)，宽压电片(4)的宽度大于窄压电片(5)的宽度；每块压电片临近海洋立管(1)的一侧边壁上、下两端设有与方形孔槽(12)对应的矩形限位片(14)，绝缘导线(17)从矩形限位片(14)端部引出；两块压电片通过其两端的矩形限位片(14)插入上、下轴承外圈(3)与螺纹孔(13)相通的方形孔槽(12)来固定，并使矩形限位片(14)端部引出的绝缘导线(17)穿入导线套管(2)；每块压电片远离海洋立管(1)的一侧边壁布设有一根圆柱体附柱(8)，附柱(8)高度等于压电片高度，附柱(8)两端卡装有紧固钢圈(16)，通过紧固钢圈(16)伸出的耳片由螺栓紧固于压电片侧壁；宽压电片(4)与窄压电片(5)位于同一平面，且关于海洋立管(1)管轴对称布置；导流组件由两块导流板组成，分别为密孔导流板(6)和疏孔导流板(7)，导流板的高度等于压电片的高度；每块导流板由一块开有圆形导流孔的矩形孔板和一块实心矩形板呈小于90°的夹角衔接而成，其横截面呈斜T形状；两块导流板的矩形孔板外侧壁衔接的斜置实心矩形板相互平行，密孔导流板(6)上的开孔密度大于疏孔导流板(7)上的开孔密度；每块导流板临近海洋立管(1)的一侧边壁上、下两端设有与方形孔槽(12)对应的矩形限位片(14)，两块导流板通过其两端的矩形限位片(14)插入上、下轴承外圈(3)与螺纹孔(13)不相通的方形孔槽(12)来固定；密孔导流板(6)的矩形孔板与疏孔导流板(7)的矩形孔板位于同一平面，且关于海洋立管(1)管轴对称布置。 |
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| 说明书全文 | 一种可旋转同步实现压电发电和振动抑制的装置及方法技术领域背景技术[0002] 随着社会经济发展的不断深入，能源需求持续增长，供需矛盾也急剧凸显。现有已探明资源的减少，环境污染问题的白热化，是人类面临的紧迫问题。如何开发和利用新能源及可再生资源是人类社会可持续发展的突破口，多元化的能源转化形式越来越受到人们的关注。海洋能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，包括海上风能、潮汐能、波浪能、海流能等，其显著的特征是存在大规模的流体流动。利用海洋能即是将流体的动能有效转化为机械能、电能等人类擅长利用的能源。传统的流体动能转化依赖于叶轮转动，叶轮旋转后将其机械能转化为电能，能量转化过程中有一定的损耗。而压电材料是一种在外力作用下发生变形并产生电荷的材料，将其置于流动的水体中，能够在水流冲击下变形，从而产生电荷，避免了能量形式的多次转化，可有效减少能量损失。另外，随着海洋油气开发的不断深入，海洋立管置身于复杂的海洋环境中，受到波浪及海流诱导的涡激振动的影响，容易形成疲劳损伤，缩短使用寿命，甚至引发重大安全事故。如果将压电材料依附于海洋立管上，将海洋波流的动能转化为电能，并能起到涡激振动抑制的作用，即同步实现压电发电和振动抑制，将产生事半功倍的效果。 发明内容[0003] 本发明所要解决的问题是减少海洋能转化能耗的同时抑制海洋立管的涡激振动，提出一种依附海洋立管可旋转同步实现压电发电和振动抑制的装置及方法。 [0004] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案： [0005] 一种可旋转同步实现压电发电和振动抑制的装置由旋转组件、压电组件和导流组件三部分构成。旋转组件由上、下两个轴承和四根导线套管组成，轴承由内而外分别为轴承内圈、嵌有圆柱滚子的保持架和轴承外圈。轴承内圈卡抱于海洋立管外壁，轴承外圈与海洋立管管轴垂直的一侧端壁上沿周向均匀开有四个方形孔槽，方形孔槽深度为轴承外圈高度的一半，其中有一对轴对称的方形孔槽与壁面为内螺纹的螺纹孔相通，螺纹孔深度也为轴承外圈高度的一半。上、下两个轴承按一个压电片的高度安装于海洋立管外壁，并使上轴承外圈的方形孔槽开口向下，下轴承外圈的方形孔槽开口向上。导线套管为一端开有公螺纹的圆筒管状结构，将导线套管的端部公螺纹与轴承外圈螺纹孔的内螺纹啮合，使上、下轴承外圈上各安装一对对称的导线套管。 [0006] 压电组件由压电片、附柱和绝缘导线组成。压电片为外涂防水绝缘层的矩形片状结构，包括一块宽压电片和一块窄压电片，宽压电片的宽度大于窄压电片的宽度。每块压电片临近海洋立管的一侧边壁上、下两端设有与方形孔槽对应的矩形限位片，绝缘导线从矩形限位片端部引出。两块压电片通过其两端的矩形限位片插入上、下轴承外圈与螺纹孔相通的方形孔槽来固定，并使矩形限位片端部引出的绝缘导线穿入导线套管。每块压电片远离海洋立管的一侧边壁布设有一根圆柱体附柱，附柱高度等于压电片高度，附柱两端卡装有紧固钢圈，通过紧固钢圈伸出的耳片由螺栓紧固于压电片侧壁。宽压电片与窄压电片位于同一平面，且关于海洋立管管轴对称布置。 [0007] 导流组件由两块导流板组成，分别为密孔导流板和疏孔导流板，导流板的高度等于压电片的高度。每块导流板由一块开有圆形导流孔的矩形孔板和一块实心矩形板呈小于90°的夹角衔接而成，其横截面呈斜T形状。两块导流板的矩形孔板外侧壁衔接的斜置实心矩形板相互平行。密孔导流板上的开孔密度大于疏孔导流板上的开孔密度。每块导流板临近海洋立管的一侧边壁上、下两端设有与方形孔槽对应的矩形限位片，两块导流板通过其两端的矩形限位片插入上、下轴承外圈与螺纹孔不相通的方形孔槽来固定。密孔导流板的矩形孔板与疏孔导流板的矩形孔板位于同一平面，且关于海洋立管管轴对称布置。 [0008] 利用所述的可旋转同步实现压电发电和振动抑制的装置可以提供一种可旋转同步实现压电发电和振动抑制的方法。海水冲击在导流板上时，由于密孔导流板和疏孔导流板的开孔密度不一样，两块导流板的过流能力不一样，从而造成了非对称的水流推力，该水流推力产生了绕海洋立管旋转的扭矩，使得整个装置绕海洋立管旋转。导流板的斜置实心矩形板承受着与矩形孔板不同方向的海流冲击力，可以为装置的旋转提供辅助扭矩，亦避免了整个装置的旋转死角，使整个装置在海水冲击下能够持续不断的旋转。另外，海水冲击在压电片上时，由于宽压电片与窄压电片宽度不同，亦产生了非对称的冲击力，为整个装置的旋转助力。旋转的导流板和压电片破坏了海洋立管表面的绕流边界层，影响了绕流旋涡的形成，从而实现了振动的抑制。同时，压电片受水流冲击后发生变形，会产生电荷，电荷从绝缘导线引出。另外，装置旋转后，两块压电片在旋转作用下也会发生变形，产生电荷。水流流经压电片端部的附柱时，由于附柱为圆柱体结构，使得压电片端部的绕流产生周期性脱落的旋涡，诱导了压电片的振动反复，使压电片持续不断的变形，产生源源不断的电流。因而，同步实现了压电发电和振动抑制。 [0009] 本发明由于采取以上方案，其具有以下优点： [0012] 图1为本发明装置的立体结构示意图 [0013] 图2为本发明轴承结构示意图 [0014] 图3为本发明轴承外圈结构示意图 [0015] 图4为本发明一半轴承外圈A-A剖视图 [0016] 图5为本发明密孔导流板示意图 [0017] 图6为本发明疏孔导流板示意图 [0018] 图7为本发明压电片和附柱结构示意图 [0019] 其中：1.海洋立管；2.导线套管；3.轴承外圈；4.宽压电片；5.窄压电片；6.密孔导流板；7.疏孔导流板；8.附柱；9.轴承内圈；10.保持架；11.圆柱滚子；12.方形孔槽；13.螺纹孔；14.矩形限位片；15.导流孔；16.紧固钢圈；17.绝缘导线。 具体实施方式[0020] 下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步描述。 [0021] 如图1所示，一种可旋转同步实现压电发电和振动抑制的装置由旋转组件、压电组件和导流组件三部分构成。旋转组件由上、下两个轴承和四根导线套管2组成，轴承由内而外分别为轴承内圈9、嵌有圆柱滚子11的保持架10和轴承外圈3，如图2所示。轴承内圈9卡抱于海洋立管1外壁，轴承外圈3与海洋立管1管轴垂直的一侧端壁上沿周向均匀开有四个方形孔槽12，如图3所示，方形孔槽12深度为轴承外圈3高度的一半，其中有一对轴对称的方形孔槽12与壁面为内螺纹的螺纹孔13相通，螺纹孔13深度也为轴承外圈3高度的一半，如图4所示。上、下两个轴承按一个压电片的高度安装于海洋立管1外壁，并使上轴承外圈3的方形孔槽12开口向下，下轴承外圈3的方形孔槽12开口向上。导线套管2为一端开有公螺纹的圆筒管状结构，将导线套管2的端部公螺纹与轴承外圈3螺纹孔13的内螺纹啮合，使上、下轴承外圈3上各安装一对对称的导线套管2。 [0022] 压电组件由压电片、附柱8和绝缘导线17组成。压电片为外涂防水绝缘层的矩形片状结构，包括一块宽压电片4和一块窄压电片5，宽压电片4的宽度大于窄压电片5的宽度，如图7所示。每块压电片临近海洋立管1的一侧边壁上、下两端设有与方形孔槽12对应的矩形限位片14，绝缘导线17从矩形限位片14端部引出。两块压电片通过其两端的矩形限位片14插入上、下轴承外圈3与螺纹孔13相通的方形孔槽12来固定，并使矩形限位片14端部引出的绝缘导线17穿入导线套管2。每块压电片远离海洋立管1的一侧边壁布设有一根圆柱体附柱8，附柱8高度等于压电片高度，附柱8两端卡装有紧固钢圈16，通过紧固钢圈16伸出的耳片由螺栓紧固于压电片侧壁。宽压电片4与窄压电片5位于同一平面，且关于海洋立管1管轴对称布置。 [0023] 导流组件由两块导流板组成，分别为密孔导流板6和疏孔导流板7，如图5、图6所示，导流板的高度等于压电片的高度。每块导流板由一块开有圆形导流孔的矩形孔板和一块实心矩形板呈小于90°的夹角衔接而成，其横截面呈斜T形状。两块导流板的矩形孔板外侧壁衔接的斜置实心矩形板相互平行。密孔导流板6上的开孔密度大于疏孔导流板7上的开孔密度。每块导流板临近海洋立管1的一侧边壁上、下两端设有与方形孔槽12对应的矩形限位片14，两块导流板通过其两端的矩形限位片14插入上、下轴承外圈3与螺纹孔13不相通的方形孔槽12来固定。密孔导流板6的矩形孔板与疏孔导流板7的矩形孔板位于同一平面，且关于海洋立管1管轴对称布置。 [0024] 利用所述的可旋转同步实现压电发电和振动抑制的装置可以提供一种可旋转同步实现压电发电和振动抑制的方法。海水冲击在导流板上时，由于密孔导流板6和疏孔导流板7的开孔密度不一样，两块导流板的过流能力不一样，从而造成了非对称的水流推力，该水流推力产生了绕海洋立管1旋转的扭矩，使得整个装置绕海洋立管1旋转。导流板的斜置实心矩形板承受着与矩形孔板不同方向的海流冲击力，可以为装置的旋转提供辅助扭矩，亦避免了整个装置的旋转死角，使整个装置在海水冲击下能够持续不断的旋转。另外，海水冲击在压电片上时，由于宽压电片4与窄压电片5宽度不同，亦产生了非对称的冲击力，为整个装置的旋转助力。旋转的导流板和压电片破坏了海洋立管1表面的绕流边界层，影响了绕流旋涡的形成，从而实现了振动的抑制。同时，压电片受水流冲击后发生变形，会产生电荷，电荷从绝缘导线17引出。另外，装置旋转后，两块压电片在旋转作用下也会发生变形，产生电荷。水流流经压电片端部的附柱8时，由于附柱8为圆柱体结构，使得压电片端部的绕流产生周期性脱落的旋涡，诱导了压电片的振动反复，使压电片持续不断的变形，产生源源不断的电流。因而，同步实现了压电发电和振动抑制。 [0025] 实施例： [0026] 本装置在安装时，首先在海洋立管1外壁安装下轴承，使轴承内圈9卡抱海洋立管1，再由内而外依次安装嵌有圆柱滚子11的保持架10和轴承外圈3，并使下轴承外圈3的方形孔槽12开口向上。在下轴承外圈3的两个螺纹孔13处安装两根导线套管2。接着，将两块压电片通过其下端的矩形限位片14插入下轴承外圈3与螺纹孔13相通的方形孔槽12，并使矩形限位片14端部引出的绝缘导线17穿入导线套管2。在每块压电片远离海洋立管1的一侧边壁安装一根圆柱体附柱8。安装后，宽压电片4与窄压电片5位于同一平面，且关于海洋立管1管轴对称布置。同样，两块导流板通过其下端的矩形限位片14插入下轴承外圈3与螺纹孔13不相通的方形孔槽12。安装后，密孔导流板6的矩形孔板与疏孔导流板7的矩形孔板位于同一平面，且关于海洋立管1管轴对称布置。最后，安装上轴承，并使两块压电片和两块导流板的上端矩形限位片14插入对应的上轴承外圈3的方形孔槽12。将绝缘导线17从上、下轴承外圈 3的导线套管2中穿出。 [0027] 装置安装后，置于海洋环境中。海水冲击在导流板上时，由于密孔导流板6和疏孔导流板7的开孔密度不一样，两块导流板的过流能力不一样，从而造成了非对称的水流推力，该水流推力产生了绕海洋立管1旋转的扭矩，使得整个装置绕海洋立管1旋转。导流板的斜置实心矩形板承受着与矩形孔板不同方向的海流冲击力，可以为装置的旋转提供辅助扭矩，亦避免了整个装置的旋转死角，使整个装置在海水冲击下能够持续不断的旋转。另外，海水冲击在压电片上时，由于宽压电片4与窄压电片5宽度不同，亦产生了非对称的冲击力，为整个装置的旋转助力。旋转的导流板和压电片破坏了海洋立管1表面的绕流边界层，影响了绕流旋涡的形成，从而实现了振动的抑制。同时，压电片受水流冲击后发生变形，会产生电荷，电荷从绝缘导线17引出。另外，装置旋转后，两块压电片在旋转作用下也会发生变形，产生电荷。水流流经压电片端部的附柱8时，由于附柱8为圆柱体结构，使得压电片端部的绕流产生周期性脱落的旋涡，诱导了压电片的振动反复，使压电片持续不断的变形，产生源源不断的电流。因而，同步实现了压电发电和振动抑制。 |
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