船舶动力管网的复合式振动能收集监测装置的制作方法

1.本发明是关于船舶动力技术领域，特别是关于一种船舶动力管网的复合式振动能收集监测装置。


背景技术：

2.动力系统是船舶等海洋平台的心脏，是海洋平台动力、生活能源以及电力的提供者。船舶动力系统空间有限，管路复杂，舱内环境恶劣，相较于陆地固定平台，其可靠性、振动噪声要求更为严苛。由于船舶动力系统工况切换频繁，激励复杂，动力系统管路介质流量、压力等存在波动，在管壁与流体之间耦合作用下，管路呈现振动状态，导致设备松动，影响管网寿命，存在工质泄漏风险，严重时，比如阀门启闭时，甚至会出现水锤现象，影响动力系统安全可靠运行。如何抑制振动、收集振动能量、防止水锤成为船舶动力系统管路设计面临的难题。
3.另外随着智能化船舶等技术的发展，对动力系统的全场景全方位监测需求日益增加，动力系统测点传感器布置量显著增加，采用无线通讯等手段可简化线路，可将传感器采集的信息顺利传输至终端，从而被识别读取，然而针对无线传感测点布置灵活、大规模的特点，如何设计合理的传感器供电布置方案是当前研究的重点。
4.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种船舶动力管网的复合式振动能收集监测装置，其结构简单合理，实现了旁排回路的平稳降压，同时防止水锤发生，且提高了运行的安全性以及相关参数的自供能监测。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种船舶动力管网的复合式振动能收集监测装置，包括：水泵、旁排回路、第一被动式单向阀、第二被动式单向阀、调节阀、振动能收集器以及电源管理电路。水泵安装于管网管路上。旁排回路的一端与水泵的出水口处的管网管路相连接，且旁排回路的另一端与集水设备相连接。第一被动式单向阀设置于旁排回路上，且靠近旁排回路的一端。第二被动式单向阀设置于旁排回路上，且远离旁排回路的一端。调节阀设置于旁排回路上，且位于第一被动式单向阀和第二被动式单向阀之间。振动能收集器设置于旁排回路上，并位于调节阀与第一被动式单向阀之间，且振动能收集器能够收集旁排回路的管内压力、流量波动时的能量，并能够提供电能。以及电源管理电路与振动能收集器电性连接。其中，第一被动式单向阀与第二被动式单向阀的布置方向相反。
7.在本发明的一实施方式中，第一被动式单向阀与第二被动式单向阀为涡流二极管或特斯拉阀。
8.在本发明的一实施方式中，第一被动式单向阀沿水流动方向布置，用以防止回流及水锤，第二被动式单向阀沿逆水流反向布置，用以起平稳节流作用，且第一被动式单向阀
和第二被动式单向阀的正反向阻力比均不小于7。
9.在本发明的一实施方式中，船舶动力管网的复合式振动能收集监测装置还包括：数据收发芯片、传感器以及示警机构。数据收发芯片与电源管理电路电性连接。传感器设置于旁排回路上，并位于第一被动式单向阀与振动能收集器之间，且传感器分别与电源管理电路和数据收发芯片电性连接。以及示警机构与数据收发芯片电性连接。
10.在本发明的一实施方式中，传感器为加速度传感器、温度传感器、压力传感器和湿度传感器中的任意一个或多个。
11.在本发明的一实施方式中，振动能收集器包括压电发电机和摩擦发电机，且压电发电机和摩擦发电机分别与电源管理电路电性连接，并向电源管理电路进行供电。
12.在本发明的一实施方式中，压电发电机由基座和多个压电振子构成，压电振子均呈悬臂梁结构，基座能够滑动地设置于旁排回路的管路内壁上，多个压电振子均设置于基座上。其中，压电振子采用单层压电晶片。其中，压电振子靠近来水流一侧为柔性压电材料层，且背面为压电片金属层。其中，压电振子沿水流动方向倾斜布置于基座上，当旁排回路的管内流量或压力波动时，压电振子来回摆动，并持续向电源管理电路输送电能。其中，当旁排回路的管内流量或压力波动时，能够推动基座在旁排回路的管路内壁上横向移动。
13.在本发明的一实施方式中，摩擦发电机能够滑动地设置于旁排回路的管路内壁上。其中，摩擦发电机由上至下依次包括第一金属电极、第一电介质、第二电介质和第二金属电极，且摩擦电机的外部包裹有绝缘层。其中，第一金属电极的一端与压电发电机的基座相抵接，且当基座横向移动时，能够带动第一金属电极和第一电介质横向移动，从而形成感应电荷的转移，进而形成电流，并持续向电源管理电路输送电能。
14.在本发明的一实施方式中，电源管理电路为能量收集电路，且均包括电容和整流桥。其中，当压电发电机产生的能量超过能量阈值时，或传感器的信号超过速度阈值时，数据收发芯片向示警机构发送预警信号。
15.在本发明的一实施方式中，多个压电振子的长度相同或不同，且不同长度的压电振子的固有频率与管内流动激励频率接近或相同。
16.与现有技术相比，根据本发明的船舶动力管网的复合式振动能收集监测装置，结构简单合理，通过在旁排回路上相对布置两个被动式单向阀，结合调节阀，实现旁排回路的平稳降压，同时防止水锤发生；通过采用压电和摩擦发电复合振动能收集方式提升振动能收集效率，综合利用管路中流体流动扰动能量，同时能抑制扰动传递，实现了管路减振降噪，另一方面收集而来的振动能可为附近传感器供电，实现传感器的自供能，满足传感器灵活布置需求；通过在布置不同长度压电振子，针对性吸收管路中不同频率激励能量，提升了振动能转转换效率。
附图说明
17.图1是根据本发明一实施方式的船舶动力管网的复合式振动能收集监测装置的布置示意图；
18.图2是根据本发明一实施方式的船舶动力管网的复合式振动能收集监测装置的振动能收集器正常工况的结构示意图；
19.图3是根据本发明一实施方式的船舶动力管网的复合式振动能收集监测装置的振
动能收集器扰动工况的结构示意图。
20.主要附图标记说明：
21.1-水泵，2-第一被动式单向阀，3-振动能收集器，4-调节阀，5-第二被动式单向阀，6-电源管理电路，7-数据收发芯片，8-示警机构，9-传感器，301-基座，302-第一压电振子，303-第二压电振子，304-第三压电振子，305-管路内壁，306-绝缘层，307-第一金属电极，308-第二金属电极，309-第一电介质，310-第二电介质。
具体实施方式
22.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
23.除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
24.图1是根据本发明一实施方式的船舶动力管网的复合式振动能收集监测装置的布置示意图。图2是根据本发明一实施方式的船舶动力管网的复合式振动能收集监测装置的振动能收集器3正常工况的结构示意图。图3是根据本发明一实施方式的船舶动力管网的复合式振动能收集监测装置的振动能收集器3扰动工况的结构示意图。
25.如图1至图3所示，根据本发明优选实施方式的一种船舶动力管网的复合式振动能收集监测装置，包括：水泵1、旁排回路、第一被动式单向阀2、第二被动式单向阀5、调节阀4、振动能收集器3以及电源管理电路6。水泵1安装于管网管路上。旁排回路的一端与水泵1的出水口处的管网管路相连接，且旁排回路的另一端与集水设备相连接。第一被动式单向阀2设置于旁排回路上，且靠近旁排回路的一端。第二被动式单向阀5设置于旁排回路上，且远离旁排回路的一端。调节阀4设置于旁排回路上，且位于第一被动式单向阀2和第二被动式单向阀5之间。振动能收集器3设置于旁排回路上，并位于调节阀4与第一被动式单向阀2之间，且振动能收集器3能够收集旁排回路的管内压力、流量波动时的能量，并能够提供电能。以及电源管理电路6与振动能收集器3电性连接。其中，第一被动式单向阀2与第二被动式单向阀5的布置方向相反。
26.在本发明的一实施方式中，第一被动式单向阀2与第二被动式单向阀5为涡流二极管或特斯拉阀。
27.在本发明的一实施方式中，第一被动式单向阀2沿水流动方向布置，用以防止回流及水锤，第二被动式单向阀5沿逆水流反向布置，用以起平稳节流作用，且第一被动式单向阀2和第二被动式单向阀5的正反向阻力比均不小于7。
28.在本发明的一实施方式中，船舶动力管网的复合式振动能收集监测装置还包括：数据收发芯片7、传感器9以及示警机构8。数据收发芯片7与电源管理电路6电性连接。传感器9设置于旁排回路上，并位于第一被动式单向阀2与振动能收集器3之间，且传感器9分别与电源管理电路6和数据收发芯片7电性连接。以及示警机构8与数据收发芯片7电性连接。
29.在本发明的一实施方式中，传感器9为加速度传感器9、温度传感器9、压力传感器9和湿度传感器9中的任意一个或多个，且本发明并不以此为限，传感器9也可以是其他功能的传感器。
30.在本发明的一实施方式中，振动能收集器3包括压电发电机和摩擦发电机，且压电发电机和摩擦发电机分别与电源管理电路6电性连接，并向电源管理电路6进行供电。
31.在本发明的一实施方式中，压电发电机由基座301和多个压电振子构成，压电振子均呈悬臂梁结构，基座301能够滑动地设置于旁排回路的管路内壁305上，多个压电振子均设置于基座301上。其中，压电振子采用单层压电晶片。其中，压电振子靠近来水流一侧为柔性压电材料层，且背面为压电片金属层。其中，压电振子沿水流动方向倾斜布置于基座301上，当旁排回路的管内流量或压力波动时，压电振子来回摆动，并持续向电源管理电路6输送电能。其中，当旁排回路的管内流量或压力波动时，能够推动基座301在旁排回路的管路内壁305上横向移动。
32.在本发明的一实施方式中，摩擦发电机能够滑动地设置于旁排回路的管路内壁305上。其中，摩擦发电机由上至下依次包括第一金属电极307、第一电介质309、第二电介质310和第二金属电极308，且摩擦电机的外部包裹有绝缘层306。其中，第一金属电极307的一端与压电发电机的基座301相抵接，且当基座301横向移动时，能够带动第一金属电极307和第一电介质309横向移动，从而形成感应电荷的转移，进而形成电流，并持续向电源管理电路6输送电能。
33.在本发明的一实施方式中，电源管理电路6为能量收集电路，且均包括电容和整流桥。其中，当压电发电机产生的能量超过能量阈值时，或传感器9的信号超过速度阈值时，数据收发芯片7向示警机构8发送预警信号。
34.在本发明的一实施方式中，多个压电振子的长度相同或不同，且不同长度的压电振子的固有频率与管内流动激励频率接近或相同。
35.在实际应用中，本发明的船舶动力管网的复合式振动能收集监测装置，是针对船舶动力管网扰动及振动抑制需求以及分布式传感器9及收发芯片自供能需求，提出了采用压电及摩擦发电复合式能量采集器，吸收工质扰动能量，抑制流体扰动，从而抑制管路振动，同时收集而来的能力为传感器9供电，实现传感器9及本地数据收发芯片7的自供能。
36.详细来说，本发明的船舶动力管网的复合式振动能收集监测装置包括旁排回路、两个被动式单向阀、调节阀4、振动能收集器3、传感器9、电源管理电路6等。面向智慧船舶动力系统对传感器9灵活分布式灵活布置、大量分布等特点以及对船舶管路减振降噪、抑制水锤发生等需求，本发明提出了一种压电-摩擦发电复合式的振动能收集器3以及旁排管路布置方式，一方面利用被动式单向阀相对布置抑制水锤等发生并实现平稳降压，另一方面在被动式单向阀之间布置振动能收集器3，结合压电-摩擦发电两种方式收集振动能，为传感器9等供电，实现能源的自供给。
37.其中，旁排回路相对布置一对被动式单向阀(第一被动式单向阀2和第二被动式单向阀5)，两个被动式单向阀之间设置有振动能收集器3及调节阀4，振动能收集器3为压电-摩擦发电复合式振动能收集器3，压电发电机与摩擦发电机各自独立为电源管理电路6供电，强化振动能收集效率，电源管理电路6为数据收发芯片7以及传感器9供电。
38.其中，两个被动式单向阀可为涡流二极管等，被动式单向阀正反向阻力比不小于7，第一被动式单向阀2流通方向与水流方向相同，防止水锤发生，第二被动式单向阀5流通法向与水流方向相反，平稳节流。
39.其中，振动能收集器3含压电发电机和摩擦发电机两部分，两者独立为电源管理电
路6供电。压电发电机含数目不等的压电振子(第一压电振子302、第二压电振子303和第三压电振子304，但本发明并不以此为限，任何数量均可以)，压电振子固有频率与流体激励频率一致或接近，以使得压电振子共振，压电转换效率提升，插入流体中的压电振子固有频率可通过下式近似计算：
[0040][0041][0042]
式中k为压电振子刚度，ρb是压电振子密度，ρw是流体的密度，l、h、b分别是压电振子的长度、宽度和厚度。fw是悬臂式压电振子在流体中的固有频率，fa是悬臂式压电振子在空气中的固有频率。
[0043]
压电振子长度沿流动方向依次递增，长度较长压电振子采用单层压电晶片形式以捕捉低频激励，其余长度压电振子采用并联双晶片形式以捕捉中等频率激励，压电振子由金属层和柔性压电材料组成，如聚偏二氟乙烯(pvdf)。
[0044]
压电振子沿流动方向呈悬臂梁结构倾斜布置于基座301上，基座301与管壁之间可相对滑动，基座301一端与摩擦发电机相接触。
[0045]
摩擦发电机外部包覆有绝缘层306，可为滑动式摩擦发电机或接触式摩擦发电机，由第一金属电极307、第一电介质309、第二电介质310和第二金属电极308组成，以滑动式摩擦发电机为例，压电振子基座301受力滑移后带动电介质层发生滑移，形成感应电荷的转移进而形成电流。
[0046]
压电发电机与摩擦发电机独立向电源管理电路6供电，电源管理电路6将两者电能转化存储，向附近振动、温度等传感器9供电，并向数据收发芯片7供电，数据收发芯片7将信号传递给终端。
[0047]
本发明综合采用压电发电机与摩擦发电机收集动力管网中介质流动扰动能量，提升了振动能转换效率及适应工况范围，同时利用压电片布置，还可以减缓流体扰动；采用被动式单向阀相对布置可兼顾平稳节流和防止水锤等功能。
[0048]
如图1所示，为水泵1最小流量保护，设置旁排回路，旁排回路上依次布置第一被动式单向阀2、调节阀4与第二被动式单向阀5，其中第一被动式单向阀2流通方向与旁排回路正常流动方向相同，主要作用为防止水锤等作用，第二被动式单向阀5流通方向与旁排回路正常流动方向相反，主要功能为平稳节流。
[0049]
如图2所示，以特斯拉阀为被动式单向阀示例，在管路中沿流动方向布置压电振动能量收集器，压电振子沿流动方向倾斜布置，正常流动时对流动影响较小，扰动较弱，压电片摇摆幅值较小，频率较低，输出电流较弱，正常工况时无需相关报警及检测；当扰动剧烈时，压电振子摇摆幅值增加，对流动同时起到扰动抑制作用，尤其是对回流现象进行抑制，输出电流较强，为电源管理电路6供电，电源管理电路6经过整流及存储后，将符合要求电流输送至加速度、温度等传感器9，为传感器9供能，同时为数据收发芯片7供能及提供信号，同时数据收发芯片7接收传感器9信号，当相关信号超过设定允许阈值后，数据收发芯片7发送
信号值控制系统及预警系统，发出振动异常先兆预警信号，同时通过控制系统避免管路异常振动发生。
[0050]
如图3所示，振动能收集器3中压电振子为单层压电晶片，适用于收集低频能量，压电振子沿流动方向倾斜布置，柔性压电材料层布置在迎流侧，金属层布置在背面。
[0051]
总之，本发明的船舶动力管网的复合式振动能收集监测装置，结构简单合理，通过在旁排回路上相对布置两个被动式单向阀，结合调节阀4，实现旁排回路的平稳降压，同时防止水锤发生；通过采用压电和摩擦发电复合振动能收集方式提升振动能收集效率，综合利用管路中流体流动扰动能量，同时能抑制扰动传递，实现了管路减振降噪，另一方面收集而来的振动能可为附近传感器9供电，实现传感器9的自供能，满足传感器9灵活布置需求；通过在布置不同长度压电振子，针对性吸收管路中不同频率激励能量，提升了振动能转转换效率。
[0052]
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。