CN104811009A - 翼摆式海洋立管涡激振动自发电监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种翼摆式海洋立管涡激振动自发电监测装置，包括壳体、翼摆、耐压舱和水下即插拔装置；壳体内中心轴处竖直设置有固定轴，壳体内还设有若干组永磁体和相应的绝缘支架，壳体轴向表面上等间距开设有若干行横向旋转槽；翼摆包括轴套、扇形线圈盒和若干翼片，扇形线圈盒的纵向上等间距设有若干组线圈，扇形线圈盒的圆心角处竖直安装有轴套，轴套呈中空圆柱状且通过扭转弹簧套设于固定轴，翼片呈矩形状且其中一条边竖直连接于扇形线圈盒的弧面；耐压舱安装于壳体内的底部，耐压舱与壳体的连接处设有水下即插拔数据存储装置。本发明为利用海洋立管涡激振动自发电的立管监测装置，可广泛应用于海洋立管的生产监测之中。

Description

翼摆式海洋立管涡激振动自发电监测装置

技术领域

本发明涉及一种发电监测装置，具体涉及一种翼摆式海洋立管涡激振动自发电监测装置。

背景技术

随着人类对能源需求的增加，迫使人们对资源的开采从陆地转向海洋，因此海洋平台在资源结构中所占的比重逐渐变大。目前海底资源的采集技术通常是通过钻井从海床获得石油、天然气，然后通过立管输运到平台或FPSO、FLNG等进行加工和储存。立管在整个资源开采加工中有着举足轻重的作用，作为油气输送生命线的立管很大程度上保证了整个平台开采与生产的顺利进行。考虑到海洋立管是具有大变形的柔性结构，由于平台的位置变化和涡激振动等复杂因素的影响，立管在水下的受力、变形和几何形态都需要进行监测并作出损伤预报，以防出现严重的泄漏事故。其中对立管影响较大的是垂直于来流方向上的大尺度涡激振动，在发生涡激振动时，立管会在该方向上往复振动，振动导致的疲劳破坏是立管破坏的主要原因。目前采用的监测方法是在立管上安装一定数量的监测仪器来监测立管的运动特性，经过分析得到水下立管***的动力特性、可靠性、安全性。然而监测仪器需要电力的供应，监测得到的数据结果也需要进行反馈，如此对于深海立管的监测，用电缆进行电力、数据的传输变得相对繁琐。

       现有技术中，对于立管涡激振动发电并未有相关的技术提出，国内现有的涡激振动发电装置仅限于普通水流中的直杆受到水流影响产生的上下往复振动进行发电，未能够符合立管监测的迫切需求。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种翼摆式海洋立管涡激振动自发电监测装置。

技术方案：本发明的一种翼摆式海洋立管涡激振动自发电监测装置，包括壳体、翼摆、耐压舱和水下即插拔装置；所述壳体呈中空圆柱体结构，壳体内中心轴处竖直设置有固定轴，壳体内还设有若干组永磁体和相应的绝缘支架，壳体轴向表面上等间距开设有若干行横向旋转槽；所述翼摆包括轴套、扇形线圈盒和若干翼片，扇形线圈盒的纵向上等间距设有若干组线圈，扇形线圈盒的圆心角处竖直安装有轴套，轴套呈中空圆柱状且通过扭转弹簧套设于固定轴，翼片呈矩形状且其中一条边竖直连接于扇形线圈盒的弧面，翼片上设有若干行开孔；所述耐压舱安装于壳体内的底部，耐压舱与壳体的连接处设有水下即插拔数据存储装置，耐压舱通过两根线筒伸出壳体外；所述水下即插拔装置安装于耐压舱与壳体外部的连接处，包括数据存储装置、安装于数据存储装置的SD卡和导体、连接于导体末端的插头插孔，所述插头插孔***壳体上相对应的接口，电力数据从插头插孔通过导体传输至SD卡。

上述壳体随着立管发生往复振动，由扭转弹簧提供恢复力矩，使得壳体与翼摆之间进行往复的相对运动，线圈随着翼摆绕着固定轴切割磁体（磁感线）进而产生电流。

进一步的，所述壳体通过连接件与立管之间用夹箍固定连接，连接件固定于壳体的外侧壁；壳体的上下两个底面均设有盖子，盖子的圆心出设有凹槽，轴套的顶端和底端分别嵌入凹槽。

进一步的，所述旋转槽弧度为230~250°，旋转槽的行数为9~11；翼片通过开孔穿过旋转槽伸出壳体外部，翼片的个数为6~9片，各翼片沿扇形线圈盒弧面等间距排列形成120°的弧形。

进一步的，所述绝缘支架呈Ω型，Ω型的绝缘支架的中部弧形段上裹覆有磁体，绝缘支架的个数为8~10组，绝缘支架依次穿过扇形线圈盒的各个线圈支撑于壳体内部。

上述旋转槽、绝缘支架以及线圈的数量可根据实际功率、电量需求而定。

进一步的，所述导体上设有凸台卡固于数据存储装置，数据存储装置上与插头插孔相对的一端设有钩环，发电装置上设有楔形密封杆，楔形密封杆与壳体之间设有压力弹簧，楔形密封杆上安装有正对数据存储装置的压杆；所述插头插孔的前端设有倒角。

进一步的，所述导体与发电装置之间设有密封圈，压杆与数据存储装置之间以及发电装置与数据存储装置之间均设有密封垫，楔形密封杆与数据存储装置之间设有毛毡圈和密封垫。

进一步的，所述耐压舱中还设有中央处理器、整流器、升压变压器和蓄电池。

有益效果：本发明通过翼摆和固定壳体的相对运动，带动线圈与永磁体的相对运动，相对运动即切割磁感线，从而在线圈能产生感应电流，进行整流、变压后对蓄电池进行充电，然后通过数据存储装置快速安全精准的存储电力数据并能够根据应变片、倾角仪等监测仪器所需安装的位置进行调节。

本发明设置于立管，通过水下即插拔装置对监测数据进行处理和储存，以及实时提取数据进行监测。

本发明可根据实际所需的功率对线圈和磁体的数量进行调整，即在沿着立管的长度方向上增大或减小本装置的高度。

本发明中的数据存储装置上设有钩环再加上插头插孔的前端设有倒角，这样能够便于数据存储装置的插拔。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中壳体的结构示意图；

图3是本发明中磁体及绝磁支架的示意图；

图4是本发明中翼摆的示意图；

图5是本发明中壳体盖子的示意图；

图6是本发明中耐压舱的示意图；

图7是本发明中水下即插拔装置的示意图；

图8是本发明中充放电控制电路***示意图；

图9是实施例中本发明与立管连接示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1至图7所示，本发明的一种翼摆式海洋立管涡激振动自发电监测装置，包括壳体1、翼摆2、耐压舱3和水下即插拔装置4；壳体1呈中空圆柱体结构，壳体1内中心轴处竖直设置有固定轴11，壳体1内还设有若干组永磁体12和相应的绝缘支架13，壳体1轴向表面上等间距开设有若干行横向旋转槽14；翼摆2包括轴套21、扇形线圈盒22和若干翼片23，扇形线圈盒22的纵向上等间距设有若干组线圈24，扇形线圈盒22的圆心角处竖直安装有轴套21，轴套21呈中空圆柱状且通过扭转弹簧25套设于固定轴11，翼片23呈矩形状且其中一条边竖直连接于扇形线圈盒22的弧面，翼片23上设有若干行开孔26，便于翼片23绕壳体1旋转；耐压舱3安装于壳体1内的底部，耐压舱3与壳体1的连接处设有水下即插拔数据存储装置41，耐压舱3通过两根线筒31伸出壳体1外；水下即插拔装置4安装于耐压舱3与壳体1外部的连接处，包括数据存储装置41、安装于数据存储装置41的SD卡42和导体43、连接于导体43末端的插头插孔44，插头插孔44***壳体1上相对应的接口，电力数据从插头插孔44通过导体43传输至SD卡42。耐压舱3中还设有整流器、升压变压器和蓄电池。

壳体1通过连接件5与立管之间用夹箍固定连接，连接件5固定于壳体1的外侧壁；壳体1的上下两个底面均设有盖子15，盖子15的圆心出设有凹槽16，轴套21的顶端和底端分别伸出凹槽16，这样可以保证翼摆2稳定的旋转。

为保证密封性能，旋转槽14上用油圈进行密封，旋转槽14弧度为230~250°，旋转槽14的行数为9~11；翼片23通过开孔26穿过旋转槽14伸出壳体1外部，翼片23的个数为6~9片，各翼片23沿扇形线圈盒22弧面等间距排列形成120°的弧形。

绝缘支架13呈Ω型，Ω型的绝缘支架13的中部弧形段上裹覆有磁体，绝缘支架13的个数为8~10组，绝缘支架13依次穿过扇形线圈盒22的各个线圈支撑于壳体1内部。

导体43上设有凸台431卡固于数据存储装置41，数据存储装置41上与插头插孔44相对的一端设有钩环45，发电装置上设有楔形密封杆46，楔形密封杆46与壳体1之间设有压力弹簧48，楔形密封杆46上安装有正对数据存储装置41的压杆47，插头插孔44的前端设有倒角49。导体43与发电装置之间设有密封圈，压杆47与数据存储装置41之间以及发电装置与数据存储装置41之间均设有密封垫，楔形密封杆46与数据存储装置41之间设有毛毡圈和密封垫。

本发明的具体工作原理如下：

如图8所示，本发明的充放电***为：振动发电产生的电流经过整流后存储于蓄电池，然后再流经升压变压器为监测装置供电，且整理器与升压变压器之间还设有控制电路，由于中央处理器CPU等数据处理器为间歇工作，控制电路可以根据CPU等数据处理器的需要进行供电，当处理器不需要工作时，将电力进行存储。当蓄电池存满，CPU转为持续工作。

       如图9所示，本发明与立管连接时，利用螺栓将连接件5与夹箍栓紧，在两组夹箍的0°和90°位置各安装一个本发明，即通过两组夹箍将本发明安装到位，并用固定在立管上。

数据的存储和交换通过插头插孔44实现，数据从插头插孔44通过导体43传输到SD卡42进行存储，在该导体43上设置凸台79，保证数据存储装置41***拔出时，导体43与数据存储装置41不发生分离，数据存储装置41***时，推动压杆47，通过楔形密封杆46将朝向插孔方向的力转化成垂直插孔方向的力，传递给楔形密封杆46，相应地压缩强力弹簧48，楔形密封杆46向腔内运动，插头插孔44得以***，同时密封圈、密封与毛毡圈可以对整个装置进行水密；在数据存储装置41拔出时，压力弹簧48推动楔形密封杆46，楔形处给压杆47一个向外的作用力，同时楔形密封杆46密封，对未***新的数据存储装置41的插头插孔44进行密封保护。

       本发明安装到位后，无论洋流从任何方向流向立管，立管一定会在垂直于来流方向发生振动，该振动通过夹箍传递给壳体1，壳体1随着立管以一定的频率发生振动，翼摆2因与水的作用面较大，在壳体1摆动时，翼摆2受到水的粘性作用，会有滞后现象，如此翼摆2在立管振动前后会有一个角度差，利用该角度差使得翼摆2内部的线圈与壳体1内部的永磁体12进行相对运动，此相对运动即切割磁感线的过程，当立管带动壳体1往反向振动时，翼摆2由于惯性会继续朝着之前的方向转动一段距离，此时翼摆2与扭转弹簧25的弹性势能积蓄到最大，将翼摆2往反向拉回，如此多次往复运动之后，若洋流流速不变，则翼摆2的摆动频率与立管的振动频率将达到一致。

由于洋流的速度不同，整个流场也不一定是定常场，翼摆2产生的摆动幅度也是一个不规律的值，同时频率也随着时间不断改变，产生的电流也是一个频率、方向不一致的电流，故通过整流电路进行过滤，再经过变压电路将不同大小的电压统一，对蓄电池进行充电。本发明的监测数据处理器（具体指CPU等处理器）以及电路为间歇性工作，当电池充满时，控制电路直接向监测器供电。

Claims (7)

1.一种翼摆式海洋立管涡激振动自发电监测装置，其特征在于：包括壳体、翼摆、耐压舱和水下即插拔装置；

所述壳体呈中空圆柱体结构，壳体内中心轴处竖直设置有固定轴，壳体内还设有若干组永磁体和相应的绝缘支架，壳体轴向表面上等间距开设有若干行横向旋转槽；

所述翼摆包括轴套、扇形线圈盒和若干翼片，扇形线圈盒的纵向上等间距设有若干组线圈，扇形线圈盒的圆心角处竖直安装有轴套，轴套呈中空圆柱状且通过扭转弹簧套设于固定轴，翼片呈矩形状且其中一条边竖直连接于扇形线圈盒的弧面，翼片上设有若干行开孔；

所述耐压舱安装于壳体内的底部，耐压舱与壳体的连接处设有水下即插拔数据存储装置，耐压舱通过两根线筒伸出壳体外；

所述水下即插拔装置安装于耐压舱与壳体外部的连接处，包括数据存储装置、安装于数据存储装置的SD卡和导体、连接于导体末端的插头插孔，所述插头插孔***壳体上相对应的接口，电力数据从插头插孔通过导体传输至SD卡。

2.根据权利要求1所述的翼摆式海洋立管涡激振动自发电监测装置，其特征在于：所述壳体通过连接件与立管之间用夹箍固定连接，连接件固定于壳体的外侧壁；壳体的上下两个底面均设有盖子，盖子的圆心出设有凹槽，轴套的顶端和底端分别嵌入凹槽。

3.根据权利要求1所述的翼摆式海洋立管涡激振动自发电监测装置，其特征在于：所述旋转槽弧度为230~250°，旋转槽的行数为9~11；翼片通过开孔穿过旋转槽伸出壳体外部，翼片的个数为6~9片，各翼片沿扇形线圈盒弧面等间距排列形成120°的弧形。

4.根据权利要求1所述的翼摆式海洋立管涡激振动自发电监测装置，其特征在于：所述绝缘支架呈Ω型，Ω型的绝缘支架的中部弧形段上裹覆有磁体，绝缘支架的个数为8~10组，绝缘支架依次穿过扇形线圈盒的各个线圈支撑于壳体内部。

5.根据权利要求1所述的翼摆式海洋立管涡激振动自发电监测装置，其特征在于：所述导体上设有凸台卡固于数据存储装置，数据存储装置上与插头插孔相对的一端设有钩环，发电装置上设有楔形密封杆，楔形密封杆与壳体之间设有压力弹簧，楔形密封杆上安装有正对数据存储装置的压杆；所述插头插孔的前端设有倒角。

6.根据权利要求5所述的翼摆式海洋立管涡激振动自发电监测装置，其特征在于：所述导体与发电装置之间设有密封圈，压杆与数据存储装置之间以及发电装置与数据存储装置之间均设有密封垫，楔形密封杆与数据存储装置之间设有毛毡圈和密封垫。

7.根据权利要求1所述的翼摆式海洋立管涡激振动自发电监测装置，其特征在于：所述耐压舱中还设有中央处理器、整流器、升压变压器和蓄电池。