[發(fā)明專利]一種基于介電彈性體的可旋轉(zhuǎn)式海洋立管渦激振動(dòng)能量收集及抑制裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710257357.1
• 申請(qǐng)日: 2017-05-08
• 公開（公告）號(hào): CN106936335B
• 公開（公告）日: 2018-07-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳濛越;劉秀全;婁敏;暢元江
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)石油大學(xué)（華東）
• 主分類號(hào): H02N2/18
• 分類號(hào): H02N2/18;F03B13/14;H02J7/32
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明涉及一種基于介電彈性體的可旋轉(zhuǎn)式海洋立管渦激振動(dòng)能量收集及抑制裝置，裝置包括旋轉(zhuǎn)單元和翼板單元。旋轉(zhuǎn)單元套裝在海洋立管外壁上，其主體為可做雙向步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)的內(nèi)嚙合棘輪機(jī)構(gòu)，可根據(jù)海流變化做相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)。翼板單元固定于旋轉(zhuǎn)單元外圈上。翼板上下表面附有介電彈性體薄膜。當(dāng)海洋立管受海流作用發(fā)生渦激振動(dòng)，帶動(dòng)翼板單元擺動(dòng)，翼板產(chǎn)生形變，其上下表面的介電彈性體薄膜發(fā)生拉伸和收縮，進(jìn)而產(chǎn)生電流，為海洋立管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電。同時(shí)，該裝置結(jié)構(gòu)本身又可破壞海洋立管周圍繞流漩渦的形成，進(jìn)而達(dá)到抑制渦激振動(dòng)的目的。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于渦激振動(dòng)能量收集及抑制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于介電彈性體的可旋轉(zhuǎn)式海洋立管渦激振動(dòng)能量收集及抑制裝置。

背景技術(shù)

鑒于陸上油氣資源的日益枯竭，海洋無疑是今后全球油氣資源開采的重點(diǎn)。作為海洋油氣生產(chǎn)中關(guān)鍵而薄弱的一環(huán)，以深水鉆井隔水管為代表的海洋立管，其渦激振動(dòng)及其疲勞損傷一直是人們的關(guān)注焦點(diǎn)。當(dāng)海流經(jīng)過立管時(shí)，會(huì)在立管下游產(chǎn)生尾流和漩渦，周期釋放的漩渦對(duì)立管產(chǎn)生垂直于流向的渦激升力。等到漩渦釋放的頻率接近立管的某階共振頻率時(shí)，會(huì)導(dǎo)致立管發(fā)生較大幅值的渦激振動(dòng)，加速立管渦激疲勞損傷。因此，如何減少渦激振動(dòng)的負(fù)面影響是技術(shù)人員的研究熱點(diǎn)。

目前，對(duì)于海洋立管渦激振動(dòng)的抑制方法主要分為被動(dòng)和主動(dòng)兩個(gè)方面。被動(dòng)抑制是通過改變立管表面的形狀來破壞漩渦形成，從而抑制渦激振動(dòng)；主動(dòng)抑制是借助外部能量以擾亂立管附近的流場(chǎng)，控制漩渦形成，以達(dá)到抑制渦激振動(dòng)的目的。由于需要借助外部能量，國(guó)內(nèi)外對(duì)主動(dòng)抑制的研究及應(yīng)用較少，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中大多采用被動(dòng)抑制方法。然而，當(dāng)海洋立管發(fā)生渦激振動(dòng)時(shí)，本身就蘊(yùn)含有巨大的能量。在抑制渦激振動(dòng)的同時(shí)如何利用這些能量，目前鮮有相關(guān)技術(shù)的提出。

另一方面，作為一種新型電活性軟體功能材料，介電彈性體近些年來收到了越來越多的關(guān)注。由于其本身具有大變形、高比能密度和高能量轉(zhuǎn)換率的特點(diǎn)，介電彈性體多用于能量收集方面的應(yīng)用，例如利用潮汐能進(jìn)行發(fā)電。然而，現(xiàn)有技術(shù)中，并沒有基于介電彈性體進(jìn)行海洋立管渦激振動(dòng)的能量收集。

發(fā)明內(nèi)容

為解決背景技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種基于介電彈性體的可旋轉(zhuǎn)式海洋立管渦激振動(dòng)能量收集及抑制裝置。

一種基于介電彈性體的可旋轉(zhuǎn)式海洋立管渦激振動(dòng)能量收集及抑制裝置，包括旋轉(zhuǎn)單元和翼板單元。兩個(gè)旋轉(zhuǎn)單元為一組，沿海洋立管以間隔一個(gè)翼板單元的高度，分別套裝在海洋立管外壁上，并由螺栓固定；翼板單元通過螺栓固定于旋轉(zhuǎn)單元外圈上。

所述旋轉(zhuǎn)單元主體為可做雙向步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)的內(nèi)嚙合棘輪機(jī)構(gòu)，具體包括環(huán)形蓋板、內(nèi)齒輪、棘爪、彈簧、旋轉(zhuǎn)套筒、限制板。其中，所述內(nèi)齒輪的輪齒為半圓形，棘爪為雙面式，兩者相互嚙合。每個(gè)棘爪底部安裝有一組彈簧，彈簧下端與旋轉(zhuǎn)套筒相連。每組彈簧兩側(cè)安裝有限制板，限制板下端與旋轉(zhuǎn)套筒相連，用以限制棘爪橫向偏移。旋轉(zhuǎn)套筒及內(nèi)齒輪軸向兩端安裝有環(huán)形蓋板，用以防止發(fā)生軸向滑脫。旋轉(zhuǎn)套筒內(nèi)壁通過螺栓與海洋立管外壁固定。

進(jìn)一步的，所述旋轉(zhuǎn)單元可根據(jù)海洋立管周圍流向變化，而做相應(yīng)的步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)。當(dāng)流向發(fā)生變化時(shí)，翼板單元將外部載荷傳遞至旋轉(zhuǎn)單元，使之產(chǎn)生扭矩。當(dāng)流向變化足夠大時(shí)，即扭矩超出所述彈簧承受極限，原本相互嚙合的內(nèi)齒輪和棘爪脫離。旋轉(zhuǎn)單元外圈繞內(nèi)圈做相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)。等旋轉(zhuǎn)一定角度后，外部力產(chǎn)生的扭矩減小，彈簧復(fù)位，并向上推動(dòng)棘爪，使之與內(nèi)齒輪重新相互嚙合。

進(jìn)一步的，旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)齒輪的齒數(shù)根據(jù)所配合的海洋立管尺寸設(shè)定。內(nèi)嚙合棘輪機(jī)構(gòu)的配合方式依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件而定。

所述翼板單元包括翼板套筒、蓄電池和翼板。所述翼板套筒內(nèi)壁與上述一組旋轉(zhuǎn)單元相配合，翼板套筒內(nèi)部安裝有蓄電池。一對(duì)翼板固定在翼板套筒外壁上，翼板對(duì)之間的夾角為30°到60°。