[发明专利]一种悬臂引流和旋转耦合的同步发电与抑振装置及方法

说明书

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。

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

我国海洋面积为299.7万平方公里，海洋油气资源极为丰富，尤其南海被称作第二个波斯湾。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。近年来，国家强调实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和的目标，在碳达峰、碳中和目标约束下，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。