一种基于介电弹性体的可旋转式海洋立管涡激振动能量收集及抑制装置

摘要

本发明涉及一种基于介电弹性体的可旋转式海洋立管涡激振动能量收集及抑制装置，装置包括旋转单元和翼板单元。旋转单元套装在海洋立管外壁上，其主体为可做双向步进式旋转的内啮合棘轮机构，可根据海流变化做相应的旋转。翼板单元固定于旋转单元外圈上。翼板上下表面附有介电弹性体薄膜。当海洋立管受海流作用发生涡激振动，带动翼板单元摆动，翼板产生形变，其上下表面的介电弹性体薄膜发生拉伸和收缩，进而产生电流，为海洋立管监测系统供电。同时，该装置结构本身又可破坏海洋立管周围绕流漩涡的形成，进而达到抑制涡激振动的目的。

说明书

技术领域

本发明属于涡激振动能量收集及抑制技术领域，具体涉及一种基于介电弹性体的可旋转式海洋立管涡激振动能量收集及抑制装置。

背景技术

鉴于陆上油气资源的日益枯竭，海洋无疑是今后全球油气资源开采的重点。作为海洋油气生产中关键而薄弱的一环，以深水钻井隔水管为代表的海洋立管，其涡激振动及其疲劳损伤一直是人们的关注焦点。当海流经过立管时，会在立管下游产生尾流和漩涡，周期释放的漩涡对立管产生垂直于流向的涡激升力。等到漩涡释放的频率接近立管的某阶共振频率时，会导致立管发生较大幅值的涡激振动，加速立管涡激疲劳损伤。因此，如何减少涡激振动的负面影响是技术人员的研究热点。

目前，对于海洋立管涡激振动的抑制方法主要分为被动和主动两个方面。被动抑制是通过改变立管表面的形状来破坏漩涡形成，从而抑制涡激振动；主动抑制是借助外部能量以扰乱立管附近的流场，控制漩涡形成，以达到抑制涡激振动的目的。由于需要借助外部能量，国内外对主动抑制的研究及应用较少，现场作业中大多采用被动抑制方法。然而，当海洋立管发生涡激振动时，本身就蕴含有巨大的能量。在抑制涡激振动的同时如何利用这些能量，目前鲜有相关技术的提出。

另一方面，作为一种新型电活性软体功能材料，介电弹性体近些年来收到了越来越多的关注。由于其本身具有大变形、高比能密度和高能量转换率的特点，介电弹性体多用于能量收集方面的应用，例如利用潮汐能进行发电。然而，现有技术中，并没有基于介电弹性体进行海洋立管涡激振动的能量收集。

发明内容

为解决背景技术存在的不足，本发明提供一种基于介电弹性体的可旋转式海洋立管涡激振动能量收集及抑制装置。

一种基于介电弹性体的可旋转式海洋立管涡激振动能量收集及抑制装置，包括旋转单元和翼板单元。两个旋转单元为一组，沿海洋立管以间隔一个翼板单元的高度，分别套装在海洋立管外壁上，并由螺栓固定；翼板单元通过螺栓固定于旋转单元外圈上。

所述旋转单元主体为可做双向步进式旋转的内啮合棘轮机构，具体包括环形盖板、内齿轮、棘爪、弹簧、旋转套筒、限制板。其中，所述内齿轮的轮齿为半圆形，荆爪为双面式，两者相互啮合。每个棘爪底部安装有一组弹簧，弹簧下端与旋转套筒相连。每组弹簧两侧安装有限制板，限制板下端与旋转套筒相连，用以限制棘爪横向偏移。旋转套筒及内齿轮轴向两端安装有环形盖板，用以防止发生轴向滑脱。旋转套筒内壁通过螺栓与海洋立管外壁固定。

进一步的，所述旋转单元可根据海洋立管周围流向变化，而做相应的步进式旋转。当流向发生变化时，翼板单元将外部载荷传递至旋转单元，使之产生扭矩。当流向变化足够大时，即扭矩超出所述弹簧承受极限，原本相互啮合的内齿轮和棘爪脱离。旋转单元外圈绕内圈做相应的旋转。等旋转一定角度后，外部力产生的扭矩减小，弹簧复位，并向上推动棘爪，使之与内齿轮重新相互啮合。

进一步的，旋转单元内齿轮的齿数根据所配合的海洋立管尺寸设定。内啮合棘轮机构的配合方式依据现场作业条件而定。

所述翼板单元包括翼板套筒、蓄电池和翼板。所述翼板套筒内壁与上述一组旋转单元相配合，翼板套筒内部安装有蓄电池。一对翼板固定在翼板套筒外壁上，翼板对之间的夹角为30°到60°。

进一步的，翼板主体为弹性体支撑，其外侧附有介电弹性体薄膜，介电弹性体薄膜外侧安装有保护层。当海洋立管受海流作用发生涡激振动，会带动翼板单元摆动，翼板产生形变，其上下表面的介电弹性体薄膜发生拉伸和收缩，进而产生电流。而后蓄电池将获得的电能储存起来，可为海洋立管的监测系统供电。

与现有技术相比，本发明采取以上方案，具有以下优点：

(1)本发明装置适用于不同海流方向，可根据流向变化做相应的旋转。特殊的内啮合棘轮机构使得旋转运动为步进式，可以最大限度地利用海流能。

(2)本发明装置基于介电弹性体这一新兴材料进行设计，适用于海洋立管的涡激振动能量收集。该发明装置既可收集海流能为立管本身的监测系统功能，其结构本身又可破坏立管周围绕流漩涡的形成，进而达到抑制涡激振动的目的。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的旋转单元和海洋立管的安装示意图；

图3是本发明的旋转单元和翼板单元的安装示意图；

图4是本发明的旋转单元结构示意图；

图5是本发明的内啮合机构结构示意图；

图6是本发明的内啮合机构局部结构示意图；

图7是本发明的翼板单元结构示意图；

图8是本发明的翼板局部结构示意图。

其中：1.海洋立管；2.旋转单元；3.翼板单元；4.环形盖板；5.内齿轮；6.旋转套筒；7.棘爪；8.弹簧；9.限制板；10.翼板套筒；11.翼板；12.翼板局部；13.介电弹性体薄膜；14.保护层；15.弹性体支撑。

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。

如图1至图3所示，两个旋转单元2为一组，以间隔一个翼板单元3的高度，固定在海洋立管1上；翼板单元3固定在旋转单元2上。

如图4至图6所示，旋转套筒6及内齿轮5轴向两端安装有环形盖板4；双面式的棘爪7通过弹簧8与旋转套筒6相连，弹簧5两侧安装有限制板9；内齿轮5与棘爪7相互啮合。

如图7至图8所示，翼板套筒10内部安装有蓄电池；两个翼板11分别固定在翼板套筒10外壁上，两者之间的夹角为30°到60°；翼板11内部主体为弹性体支撑15，弹性体支撑15上下两侧附有介电弹性体薄膜13，介电弹性体薄膜13外侧安装有保护层14。

本发明的具体工作原理如下：

旋转单元2的内齿轮5的齿数根据所配合的海洋立管尺寸设定。内啮合棘轮机构的配合方式依据现场作业条件而定，一般棘爪数为内齿轮齿数的一半，即棘爪7与内齿轮5以间隔一个的方式相互啮合。当现场作业条件恶劣，可选取棘爪数与内齿轮齿数相一致，即棘爪7与内齿轮5以连续的方式相互啮合；当现场作业条件良好，可选取棘爪数为内齿轮齿数的三分之一到四分之一，即棘爪7与内齿轮5以间隔两个到三个的方式相互啮合。

当海洋立管受海流影响，发生涡激振动时，翼板单元3的翼板11在周围流场的作用下，产生摆动。导致弹性体支撑15发生形变，弹性体支撑15上下两侧安装的介电弹性体薄膜13受到拉伸或压缩,产生电流。翼板套筒10内部的蓄电池收集产生的电能，并供海洋立管监测系统使用。同时，该结构本身又可破坏立管周围绕流漩涡的形成，进而达到抑制涡激振动的目的。

当海流方向发生变化时，翼板11将外力载荷经翼板套筒10，传递至内齿轮5。当扭矩超出弹簧8所能承受的极限，弹簧8收缩，棘爪7下移，原本啮合的棘爪7和内齿轮5分离，旋转单元外圈绕内圈旋转。待翼板11旋转至顺海流方向，扭矩降低到弹簧8承受极限以内，弹簧8复位，上推棘爪7，棘爪7与内齿轮5重新啮合，旋转单元外圈与内圈相互固定。这时，虽然翼板11受周围流场作用发生摆动，产生扭矩，但不足以使旋转单元旋转，从而最大化海流能收集效率。