本發明專利技術涉及一種可旋轉同步實現壓電發電和振動抑制的裝置及方法，裝置由旋轉組件、壓電組件和導流組件構成。旋轉組件負責實現整個裝置的旋轉功能，壓電組件和導流組件均為非對稱設置，壓電組件通過壓電片的變形實現發電，導流組件則通過不同開孔密度的非對稱孔板產生旋轉所需的扭矩。海水經過壓電片端部的圓柱體附柱時，會誘導壓電片振動，使壓電片持續變形，產生源源不斷的電流。而旋轉的導流板和壓電片破壞了海洋立管表面的繞流邊界層，影響了繞流旋渦的形成，實現了振動的抑制。本裝置依附海洋立管同步實現了壓電發電和振動抑制。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于海洋立管設施鋪設
，具體涉及一種立管柱群振動防碰與發電裝置及方法。
技術介紹
隨著人類對能源需求量的不斷增長，深水油氣資源及可燃冰的大力開發成為人類的必然選擇。海洋立管對海洋油氣及可燃冰的采輸起著至關重要的作用，它將海床上的水下井口或海底管道連通，負責將采出流體舉升輸送至水面上的海洋平臺或浮式生產裝置，可謂水下與水上溝通的橋梁。海洋立管在波浪與海流作用下會發生渦激振動，易產生疲勞損傷，而深海環境條件的復雜性和海洋立管輸送介質的特殊性使其受力更加復雜，對其服役穩定性的要求更高。由多根海洋立管組成的柱群結構是連接水下井口、海底管道與海面各類平臺、浮式設施的一種典型的排列方式。在內外流的共同作用下，柱群內部各根立管之間相互干擾，使得海洋立管的渦激振動特性變得更為復雜，加之來流方向的不穩定性，柱群之間的振動響應表現出極大的不穩定性，或振動增強，或振動衰弱，相互之間也極有可能發生碰撞，導致海洋立管的破壞與失效，影響海洋資源的正常開采，造成巨大的經濟損失和嚴重的環境污染。如何有效地防止柱群之間的相互碰撞顯得尤為迫切。另一方面，開發海洋資源的同時能否有效利用海洋新能源，實現一箭雙雕的效果呢？近年來，海上風能、波浪能、潮汐能的利用都被廣泛關注，各類葉輪機械是常用的能量收集裝置，但在立管柱群上安裝葉輪機械顯得十分困難。而壓電材料在受到外力發生變形時，內部會產生極化現象，同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷形成電位差，實現發電，且電荷密度與外部作用力成正比。正壓電效應作為一種新式的發電方式展現出巨大的前景。若利用壓電材料將柱群的振動能量轉化為電能進行收集利用，可以供應水下生產系統以及平臺的用電，則可有效節約能源。
技術實現思路
本專利技術所要解決的問題是針對現有海洋立管柱群之間存在的碰撞現象，提供一種有效防止柱群碰撞、充分利用振動能量、性能可靠的立管柱群振動防碰與發電裝置及方法。為了實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案：一種立管柱群振動防碰與發電裝置，由防碰模塊和發電模塊組成。一個防碰模塊由嵌套伸縮管、彈簧、固定法蘭盤及緊固套構成。嵌套伸縮管由套裝的兩根直徑大小不同的管件組成，其中小直徑管件嵌套入大直徑管件，且大直徑管件長度大于小直徑管件，大、小直徑管件之間可以相對滑動；覆蓋小直徑管件的大直徑管件一端端口內徑突然變小，對應的小直徑管件端口外徑突然變大，對嵌套伸縮管的伸長起到限位作用；大、小直徑管件的另一端均設有可拆卸的圓盤狀固定法蘭盤。彈簧套在嵌套伸縮管外，彈簧長度大于嵌套伸縮管的大直徑管件長度，彈簧與固定法蘭盤一起對嵌套伸縮管的縮短起到限位作用。緊固套由對稱的兩個半圓環形構件通過螺栓對接組成，套裝在立管外壁，每半個緊固套中間外壁均布設有圓盤狀的固定法蘭盤。緊固套上的一個固定法蘭盤與嵌套伸縮管一端的固定法蘭盤通過螺栓連接固定。發電模塊由中心分向盤和壓電片集成板兩部分組成。壓電片集成板為壓電材料制成的片狀矩形薄板，其一端開設有與固定法蘭盤銜接所需的螺栓孔，與一個防碰模塊的嵌套伸縮管另一端的固定法蘭盤通過螺栓連接固定，并使壓電片集成板與嵌套伸縮管垂直。壓電片集成板另一端由上至下開有與其邊壁平行的四個螺栓孔，且壓電片集成板在該端端壁上開有兩個供導線輸出供電的導線孔，內設導線將壓電片集成板的電荷輸出，螺栓孔與導線孔垂直交錯開設，兩者不連通。中心分向盤整體為圓柱體結構，其外壁沿周向等間距開設八個凹槽，凹槽兩側壁各開有與壓電片集成板邊壁四個螺栓孔對應的四個螺栓孔，凹槽內壁開有與壓電片集成板端部導線孔對應的兩個開孔。壓電片集成板邊壁有四個螺栓孔的一端插入中心分離盤的一個凹槽，使螺栓孔相互匹配，通過螺栓連接固定，并使壓電片集成板端部導線孔與凹槽內壁的開孔匹配對接，導線穿過開孔進入中心分向盤內部。中心分向盤內部包含上、下兩個整流器以及位于兩個整流器之間的電能收集器，上、下兩個整流器分別與壓電片集成板端部上、下兩根導線相連。整流器和電能收集器與中心分向盤的間隙填充有絕緣介質，壓電片集成板產生的電能通過整流器整流進入電能收集器進行儲存。一個中心分向盤與其相連的壓電片集成板構成一個發電模塊。一個發電模塊與其包含的所有壓電片集成板相連的防碰模塊構成了一個基本單元。所述的一個中心分向盤可以沿周向等間距連接4塊或8塊壓電片集成板，未連接壓電片集成板的中心分向盤凹槽內壁的開孔由密封膠封堵，每塊壓電片集成板又與安裝在單根立管上的1個防碰模塊相連，且壓電片集成板和防碰模塊組成的結構圍繞中心分向盤呈旋轉鏡像的形式布置。所述的安裝在立管外壁的緊固套兩側可以各與一個基本單元的一個防碰模塊相連，使得多個基本單元呈陣列布置，滿足實際立管柱群的銜接要求，形成規模化的發電場。利用所述的立管柱群振動防碰與發電裝置可以實現一種立管柱群振動防碰與發電方法。海水流經立管時會發生邊界層分離，在立管尾部產生周期性脫落的旋渦，從而激發立管的振動，立管發生振動位移后會帶動與其連接的防碰模塊運動，使嵌套伸縮管發生周期性的伸縮；嵌套伸縮管伸縮時帶動與其連接的壓電片集成板運動，使壓電片集成板發生往復的彎曲變形，產生不穩定的電流，不穩定電流經導線引至中心分向盤內部的整流器整流，并由電能收集器進行收集，實現發電。嵌套伸縮管伸長時，因大、小直徑管件的端口卡位限制了立管的位移，且由于壓電片集成板和防碰模塊組成的結構圍繞中心分向盤呈旋轉鏡像的形式布置，因此立管之間不會發生碰撞；嵌套伸縮管縮小時，由于彈簧的存在，限制了立管的位移，防止了立管間的相互碰撞。因此，本裝置在發電的同時限制了立管的振動位移，實現了立管柱群間的防碰功能。本專利技術由于采取以上技術方案，具有以下優點：1、本專利技術裝置一個中心分向盤相連的壓電片集成板長度可以互不相同，根據實際立管間的間距設置；2、本專利技術裝置可以根據實際立管的個數及布置形式，采用多個基本單元陣列的形式滿足布置要求；3、本專利技術裝置的壓電片集成板等間距布置在中心分向盤四周，且壓電片集成板與嵌套伸縮管垂直，形成的基本單元可以應對不同方向的來流，使裝置適應于海流方向不穩定變化的真實環境。附圖說明圖1為本專利技術裝置基本單元的結構示意圖；圖2為本專利技術裝置俯視圖；圖3為本專利技術裝置中心分向盤剖視圖；圖4為本專利技術裝置防碰模塊結構剖視圖；圖5為本專利技術裝置防碰模塊和發電模塊的裝配示意圖；圖6為本專利技術裝置中心分離盤連接8塊非等長壓電片集成板的示意圖；圖7為本專利技術裝置陣列布置示意圖；圖8為本專利技術裝置工作示意圖；其中：1、中心分向盤；2、壓電片集成板；3、彈簧；4、緊固套；5、立管；6、嵌套伸縮管；7、電能收集器、8、整流器；9、固定法蘭盤。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術的具體實施方式做進一步描述。如圖1、圖2所示，一種立管柱群振動防碰與發電裝置，由防碰模塊和發電模塊組成。一個防碰模塊由嵌套伸縮管6、彈簧3、固定法蘭盤9及緊固套4構成。如圖4所示，嵌套伸縮管6由套裝的兩根直徑大小不同的管件組成，其中小直徑管件嵌套入大直徑管件，且大直徑管件長度大于小直徑管件，大、小直徑管件之間可以相對滑動；覆蓋小直徑管件的大直徑管件一端端口內徑突然變小，對應的小直徑管件端口外徑突然變大，對嵌套伸縮管6的伸長起到限位作用；大、小直徑管件的另一端均設有可拆卸的圓盤狀固定法蘭盤9。彈簧3套在嵌套伸本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種立管柱群振動防碰與發電裝置，其特征在于：由防碰模塊和發電模塊組成；一個防碰模塊由嵌套伸縮管(6)、彈簧(3)、固定法蘭盤(9)及緊固套(4)構成；嵌套伸縮管(6)由套裝的兩根直徑大小不同的管件組成，其中小直徑管件嵌套入大直徑管件，且大直徑管件長度大于小直徑管件，大、小直徑管件之間可以相對滑動；覆蓋小直徑管件的大直徑管件一端端口內徑突然變小，對應的小直徑管件端口外徑突然變大，對嵌套伸縮管(6)的伸長起到限位作用；大、小直徑管件的另一端均設有可拆卸的圓盤狀固定法蘭盤(9)；彈簧(3)套在嵌套伸縮管(6)外，彈簧(3)長度大于嵌套伸縮管(6)的大直徑管件長度，彈簧(3)與固定法蘭盤(9)一起對嵌套伸縮管(6)的縮短起到限位作用；緊固套(4)由對稱的兩個半圓環形構件通過螺栓對接組成，套裝在立管(5)外壁，每半個緊固套(4)中間外壁均布設有圓盤狀的固定法蘭盤(9)；緊固套(4)上的一個固定法蘭盤(9)與嵌套伸縮管(6)一端的固定法蘭盤(9)通過螺栓連接固定；發電模塊由中心分向盤(1)和壓電片集成板(2)兩部分組成；壓電片集成板(2)為壓電材料制成的片狀矩形薄板，其一端開設有與固定法蘭盤(9)銜接所需的螺栓孔，與一個防碰模塊的嵌套伸縮管(6)另一端的固定法蘭盤(9)通過螺栓連接固定，并使壓電片集成板(2)與嵌套伸縮管(6)垂直；壓電片集成板(2)另一端由上至下開有與其邊壁平行的四個螺栓孔，且壓電片集成板(2)在該端端壁上開有兩個供導線輸出供電的導線孔，內設導線將壓電片集成板(2)的電荷輸出，螺栓孔與導線孔垂直交錯開設，兩者不連通；中心分向盤(1)整體為圓柱體結構，其外壁沿周向等間距開設八個凹槽，凹槽兩側壁各開有與壓電片集成板(2)邊壁四個螺栓孔對應的四個螺栓孔，凹槽內壁開有與壓電片集成板(2)端部導線孔對應的兩個開孔；壓電片集成板(2)邊壁有四個螺栓孔的一端插入中心分離盤(1)的一個凹槽，使螺栓孔相互匹配，通過螺栓連接固定，并使壓電片集成板(2)端部導線孔與凹槽內壁的開孔匹配對接，導線穿過開孔進入中心分向盤(1)內部；中心分向盤(1)內部包含上、下兩個整流器(8)以及位于兩個整流器(8)之間的電能收集器(7)，上、下兩個整流器(8)分別與壓電片集成板(2)端部上、下兩根導線相連；整流器(8)和電能收集器(7)與中心分向盤(1)的間隙填充有絕緣介質，壓電片集成板(2)產生的電能通過整流器(8)整流進入電能收集器(7)進行儲存；一個中心分向盤(1)與其相連的壓電片集成板(2)構成一個發電模塊；一個發電模塊與其包含的所有壓電片集成板(2)相連的防碰模塊構成了一個基本單元。...
【技術特征摘要】
1.一種立管柱群振動防碰與發電裝置，其特征在于：由防碰模塊和發電模塊組成；一個防碰模塊由嵌套伸縮管(6)、彈簧(3)、固定法蘭盤(9)及緊固套(4)構成；嵌套伸縮管(6)由套裝的兩根直徑大小不同的管件組成，其中小直徑管件嵌套入大直徑管件，且大直徑管件長度大于小直徑管件，大、小直徑管件之間可以相對滑動；覆蓋小直徑管件的大直徑管件一端端口內徑突然變小，對應的小直徑管件端口外徑突然變大，對嵌套伸縮管(6)的伸長起到限位作用；大、小直徑管件的另一端均設有可拆卸的圓盤狀固定法蘭盤(9)；彈簧(3)套在嵌套伸縮管(6)外，彈簧(3)長度大于嵌套伸縮管(6)的大直徑管件長度，彈簧(3)與固定法蘭盤(9)一起對嵌套伸縮管(6)的縮短起到限位作用；緊固套(4)由對稱的兩個半圓環形構件通過螺栓對接組成，套裝在立管(5)外壁，每半個緊固套(4)中間外壁均布設有圓盤狀的固定法蘭盤(9)；緊固套(4)上的一個固定法蘭盤(9)與嵌套伸縮管(6)一端的固定法蘭盤(9)通過螺栓連接固定；發電模塊由中心分向盤(1)和壓電片集成板(2)兩部分組成；壓電片集成板(2)為壓電材料制成的片狀矩形薄板，其一端開設有與固定法蘭盤(9)銜接所需的螺栓孔，與一個防碰模塊的嵌套伸縮管(6)另一端的固定法蘭盤(9)通過螺栓連接固定，并使壓電片集成板(2)與嵌套伸縮管(6)垂直；壓電片集成板(2)另一端由上至下開有與其邊壁平行的四個螺栓孔，且壓電片集成板(2)在該端端壁上開有兩個供導線輸出供電的導線孔，內設導線將壓電片集成板(2)的電荷輸出，螺栓孔與導線孔垂直交錯開設，兩者不連通；中心分向盤(1)整體為圓柱體結構，其外壁沿周向等間距開設八個凹槽，凹槽兩側壁各開有與壓電片集成板(2)邊壁四個螺栓孔對應的四個螺栓孔，凹槽內壁開有與壓電片集成板(2)端部導線孔對應的兩個開孔；壓電片集成板(2)邊壁有四個螺栓孔的一端插入中心分離盤(1)的一個凹槽，使螺栓孔相互匹配，通過螺栓連接固定，并使壓電片集成板(2)端部導線孔與凹槽內壁的開孔匹配對接，導線穿過開孔進入中心分向盤(1)內部；中心分向盤(1)內部包含上、下兩個整流器(8)以及位于兩個...
【專利技術屬性】
技術研發人員：朱紅鈞，趙宏磊，
申請(專利權)人：西南石油大學，
類型：發明
國別省市：四川;51
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。