一种原油船利用横摇的单摆式扰动及发电装置

1.本发明属于船舶技术领域，具体涉及一种原油船利用横摇的单摆式扰动及发电装置。


背景技术：

2.原油是一种重要的能源，世界各国对原油的需求量与日俱增。目前主要的原油生产国有巴西、伊朗、沙特阿拉伯等国家，生产的原油要送往世界各地，原油的运输主要依靠原油运输船(简称原油船)。
3.通常利用原油船运输原油的航线较长，以沙特阿拉伯的吉达港到国内青岛港为例，航线约为6000多海里，一般需要航行20多天，而原油中含有很多颗粒物或密度较大的杂质，由于船舶航行时间很长，原油中的杂质及颗粒物经过长时间的静置，会沉淀到原油船液货舱的底部，造成液货舱底部油液的平均密度比中上部油液的平均密度更大，从而使液货舱底部油液更加粘稠。另外，由于北方海水温度较低，特别是冬季，海水温度接近0℃左右，这样就会导致液货舱底部的油液通过船底板与海水的换热速度加快，造成液货舱底部的油液温度更低，更大大增加了液货舱底部油液的粘稠度。此外，原油船上一般不会设加热系统，当原油船到达卸货港进行卸货时，由于液货舱底部的油液比较粘稠，卸货泵在卸载液货舱底部油液时的阻力很大，造成卸货泵吸入困难，严重时甚至会发生卸货泵失吸现象，因此液货舱底部油液粘稠造成卸货泵吸入困难是原油船卸货时存在的一个比较突出的问题。
4.当原油船在海上航行时，由于受波浪等因素的影响，船舶会发生横摇运动，从而使船体左右摇晃，尤其是恶劣的天气条件下，船舶的横摇运动会更加剧烈。尽管船舶的横摇运动很剧烈，但这对液货舱内原油的流动性的影响微乎其微，具体的原因如下：通常液货舱内原油的装载量要占满整个舱容，液货舱的顶部仅有很小一部分的空余空间，并且液货舱的深度很深，一般为20～30米，当船舶发生横摇运动时，只有上部的表层油液会随着船舶的横摇运动向左舷或右舷流动，而液货舱内表层油液以下的绝大多数油液(即中下部的油液)几乎不流动，因此船舶的横摇运动对液货舱内中下部的油液几乎不会产生扰动。当船舶发生横摇运动时，正是因为液货舱内油液的流动性很差，原油中的杂质及颗粒物才会不断向舱底沉淀，造成液货舱底部油液比较粘稠。此外，由于液货舱底部油温相对较低，也会大大增加液货舱底部油液的粘稠度。
5.船舶的横摇运动使得船舶上蕴含着大量可利用的机械能。基于此，如果能提出一种原油船利用横摇的单摆式扰动及发电装置，通过本装置对液货舱内的油液进行扰动，将能解决液货舱底部油液粘稠而造成的原油船卸货困难的问题，还能回收船舶横摇时产生的机械能用于发电，由于船舶的横摇是由波浪引起的，实质上本装置对机械能的回收也是对波浪能的间接利用，这种装置将具有良好的实际应用价值。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对上述液货舱底部油液粘稠的问题，提出一种原油船利用横摇
的单摆式扰动及发电装置，在液货舱顶部安装一个摆杆，摆杆的底部连接有一对水轮机，摆杆在船舶横摇的作用下做单摆运动，进而带动水轮机旋转，水轮机在来回摆动的过程中对油液产生扰动作用，避免了原油中的杂质及颗粒物沉淀到液货舱的底部，解决了液货舱底部油液粘稠度较大的问题。此外，在原油船航行过程中，水轮机对油液的扰动作用能够使液货舱内上部、中部和底部的油液充分混合，使油液上下温度保持一致，避免液货舱底部油液温度过低，更进一步增加液货舱底部油液的粘稠度。另外，水轮机的叶轮与液货舱内的油液在工作过程中相互摩擦产生热能，对油液起到了加热的作用，更进一步降低了液货舱底部油液的粘稠度。同时本装置还能回收船舶横摇时产生的机械能，进而将回收的机械能转化为电能，实现了装置对波浪能的间接利用。
7.一种原油船利用横摇的单摆式扰动及发电装置，该装置包括：底座、限位板、转轴、摆杆、水轮机、发电机、传动轴、滚动轴承。
8.所述底座设置有两个圆形通孔，两个圆形通孔位于同一轴线上，在安装时应保证底座固定在液货舱的顶部中间位置，两个圆形通孔的轴线与船长方向平行，底座与液货舱之间采用刚性焊接；所述限位板固定安装在底座的下方，限位板可采用抗冲击性及弹性较好的材料制成，限位板可以起到避免装置撞到舱壁的作用。
9.所述滚动轴承共有两个，两个所述滚动轴承的外圈分别与底座的两个圆形通孔相配合，并采用过盈配合；所述转轴与两个所述滚动轴承的内圈之间相配合，并采用过盈配合；所述摆杆的上端与转轴之间采用刚性焊接；所述发电机安装在摆杆的下端，在发电机的轴向上开有圆形通孔，在安装时应保证发电机的轴向始终垂直于船长方向；所述传动轴穿过发电机的圆形通孔，传动轴与发电机之间为水密性连接；所述水轮机共有两个，并分别与传动轴的两端固定连接，两个所述水轮机对称布置在发电机的两侧。
10.进一步的，本发明中水轮机的叶轮和发电机的外壳选用密度较高的抗腐蚀性材料，发电机的外壳也可以适当做的更厚一些，以增加水轮机和发电机的总重量，从而使水轮机对油液的扰动效果更好，且发电机的发电量也更大。
11.当原油船在海上航行时，由于受波浪等因素的影响，船舶会发生横摇运动。本装置中发电机和水轮机的受重力作用使摆杆始终保持垂直于海平面的竖直状态，当船舶发生横摇运动时，摆杆与船舶会产生相对运动，摆杆相对于液货舱作单摆运动，从而带动水轮机旋转，水轮机在来回摆动的过程中能够增加液货舱内油液的流动性。同时传动轴与水轮机作同轴转动，进而带动发电机发电。
12.本发明有益效果：
13.1.当船舶发生横摇运动时，本装置对液货舱内的油液进行扰动，不仅能避免原油中的杂质及颗粒物向舱底沉淀，造成液货舱底部油液粘稠，而且还能使上部、中部和底部的油液充分混合，避免了液货舱底部油温较低，造成底部油液更加粘稠，解决了液货舱底部油液粘稠而造成的原油船卸货困难的问题。
14.2.本发明中水轮机的叶轮与液货舱内的油液相互摩擦产生热能，对油液起到了加热的作用，更进一步降低了液货舱底部油液的粘稠度。
15.3.本装置有效回收了由于波浪引起的船舶横摇运动而使得船舶具有的机械能，进而将回收的机械能转化为电能，实现了对波浪能的间接利用。
附图说明
16.图1是本发明装置的示意图；
17.图2是本发明中底座的内部结构示意图；
18.图3是本发明在液货舱中的安装位置示意图；
19.图4是本发明的摆杆在极限位置的示意图；
20.图5是沿船长方向单个液货舱安装多个本装置的侧视图；
21.附图中：1.底座；2.限位板；3.转轴；4.摆杆；5.水轮机；6.发电机；7.传动轴；8.滚动轴承。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。
23.一种原油船利用横摇的单摆式扰动及发电装置，如图1和图2所示，该装置包括：底座1、限位板2、转轴3、摆杆4、水轮机5、发电机6、传动轴7、滚动轴承8。
24.如图3所示，通常情况下，为减少自由液面对船舶稳性的影响，原油船会设置多道纵向舱壁。本发明以设置1道纵向舱壁所形成的右侧隔舱(靠近船舶右舷的液货舱)为例，介绍本发明：
25.所述底座1设置有两个圆形通孔，两个圆形通孔位于同一轴线上，在安装时应保证底座1固定在液货舱的顶部中间位置，两个圆形通孔的轴线与船长方向平行，底座1与液货舱之间采用刚性焊接；所述限位板2固定安装在底座1的下方，限位板2的横截面(该横截面平行于船舶的中横剖面)为等腰梯形，根据实际情况，等腰梯形两个侧边的夹角可以根据液货舱具体的尺寸来设计，并且限位板2可采用抗冲击性及弹性较好的材料制成，优先选用弹簧钢，本发明通过设置限位板2对摆杆4的摆动角度进行限制，可以起到避免本装置撞到舱壁的作用。
26.所述滚动轴承8共有两个，两个所述滚动轴承8的外圈与底座1的圆形通孔相配合，并采用过盈配合；所述转轴3与两个所述滚动轴承8的内圈之间相配合，并采用过盈配合；所述摆杆4的上端与转轴3之间采用刚性焊接；所述发电机6安装在摆杆4的下端，在发电机6的轴向上开有圆形通孔，在安装时应保证发电机6的轴向始终垂直于船长方向；所述传动轴7穿过发电机6的圆形通孔，传动轴7与发电机6之间为水密性连接；所述水轮机5共有两个，并分别与传动轴7的两端固定连接，两个所述水轮机5对称布置在发电机6的两侧。
27.进一步的，本发明中水轮机5的叶轮和发电机6的外壳选用密度较高的抗腐蚀性材料(如铸钢)，发电机6的外壳也可以做的更厚一些，发电机6的壳厚应至少大于20mm，以此来增加水轮机5和发电机6的总重量，水轮机5和发电机6起到重物的作用，这样可以保证本装置在横摇过程中产生的侧倾力更大，从而从而使水轮机5对油液的扰动效果更好，且发电机6的发电量也更大。本发明选用密度较高的材料还可以使发电机6的体积相对小一些，当摆杆4由于船舶的横摇运动作单摆运动时，可以适当减少电机在左右摆动时油液对电机的阻力。
28.以下根据船舶发生横摇运动时具体的工作状态对本装置展开详细的说明：
29.无论船舶发生横摇运动还是处于正浮状态，本装置中发电机6和水轮机5受重力作
用使摆杆4始终保持垂直于海平面的竖直状态，在本发明中定义该状态为初始状态。
30.当船舶处于正浮状态时，船舶既不会发生左倾，也不会发生右倾，此时本装置处于初始状态，并且对于液货舱来说保持相对静止，摆杆4不会作单摆运动，从而水轮机5的叶片也不会发生旋转。故船舶的正浮状态下水轮机5不会对液货舱内的油液产生扰动作用，也不会带动发电机6发电。
31.当船舶在航行过程中发生横摇运动时，如图4所示，首先以船舶左摇为例：一开始船舶处于正浮状态，当船舶左倾时，以液货舱为参照物，摆杆4由初始状态向左极限位置摆动，这样摆杆4与船舶会产生相对运动，摆杆4相对于液货舱向左作单摆运动，从而带动水轮机5旋转，水轮机5在来回摆动的过程中能够增加液货舱内油液的流动性。同时传动轴7与水轮机5作同轴转动，进而带动发电机6发电。
32.当船舶发生右摇运动时，与上述原理相同，摆杆4相对于液货舱由左极限位置向右极限位置摆动，从而本装置与船舶产生相对运动，摆杆4相对于液货舱向右作单摆运动，从而带动水轮机5旋转。通过水轮机5的来回摆动可以对液货舱内的油液产生扰动效果。同时，传动轴7与水轮机5作同轴转动，进而可以带动发电机6发电。
33.实际上，船舶的左倾和右倾往往是连续交替进行的，因此本发明装置在船舶横摇时能够对液货舱内的油液进行连续扰动，大大增加了液货舱内原油的流动性，避免了由于液货舱内油液的流动性很差而造成原油中的杂质及颗粒物向舱底沉淀，从而造成液货舱底部油液的粘稠度增大，解决了液货舱底部油液粘稠而造成的原油船卸货困难的问题，并且本装置还能连续发电，产生的电力可以供船舶上的部分用电设备使用。
34.进一步的，本发明装置采用两个水轮机5对称布置，当船舶发生横摇运动时，两个水轮机5作同轴转动，能够更有效的回收船舶横摇运动产生的机械能，大大提高了发电效果。
35.船舶航行时，正是由于受波浪等因素的影响，船舶会发生横摇运动，船舶的横摇运动使得船舶上蕴含着大量可利用的机械能。本发明通过回收船舶横摇时产生的机械能，进而转化为电能，实质上也是对波浪能的间接利用，解决了航行船舶难以利用波浪能的难题。
36.当原油船在海上航行时，由于海水温度较低，尤其是冬季，海水温度甚至能接近0℃，这样会导致液货舱底部的油液通过船底板与海水的换热速度加快，造成液货舱底部的油液温度较低，大大增加了液货舱底部油液的粘稠度。而原油船上通常不会设加热系统，本发明利用水轮机5对油液的扰动作用，使液货舱内上部、中部和底部的油液充分混合，从而使液货舱内的油液上下温度保持一致，避免了液货舱底部油液温度较低，造成液货舱底部油液的粘稠度增大。另外，水轮机5的叶轮与液货舱内的油液在工作过程中相互摩擦产生热能，对油液起到了加热的作用，更进一步降低了液货舱底部油液的粘稠度。
37.如图5所示，根据具体的船长和液货舱的长度，可以沿船长方向在单个液货舱内安装多个本装置，这样当船舶发生横摇运动时，尤其是风浪天气，本发明可以回收的能量十分巨大，这样能更好的提高本发明的发电效果和扰动效果。
38.综上所述，本发明能够有效降低液货舱内底部油液的粘稠度，对于解决液货舱底部油液过于粘稠造成的卸货泵吸入困难的问题有着良好的实际应用价值。
39.上述以1道纵向舱壁，右侧隔舱为例对本发明的原理及安装方式进行说明，本发明在左侧隔舱的安装方式及原理与右侧隔舱相同。另外，大型原油船的液货舱通常有很多，每
个液货舱均可按照上述方法安装本发明装置。
40.以上所述仅是本发明的优先实施方式，但实现时不受上述实施例限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种原油船利用横摇的单摆式扰动及发电装置，其特征在于：该装置包括底座(1)、限位板(2)、转轴(3)、摆杆(4)、水轮机(5)、发电机(6)、传动轴(7)、滚动轴承(8)；所述底座(1)上设有两个圆形通孔，底座(1)固定在液货舱的顶部中间位置；所述限位板(2)固定安装在底座(1)的下方；所述滚动轴承(8)共有两个，两个所述滚动轴承(8)的外圈分别与底座(1)的两个圆形通孔相配合，并采用过盈配合；所述转轴(3)与两个所述滚动轴承(8)的内圈之间相配合，并采用过盈配合；所述摆杆(4)的上端与转轴(3)之间采用刚性焊接；所述发电机(6)安装在摆杆(4)的下端，在发电机(6)的轴向上开有圆形通孔，所述发电机(6)的轴向始终垂直于船长方向；所述传动轴(7)穿过发电机(6)的圆形通孔，传动轴(7)与发电机(6)之间为水密性连接；所述水轮机(5)共有两个，并分别与传动轴(7)的两端固定连接，两个所述水轮机(5)对称布置在发电机(6)的两侧。2.根据权利要求1所述的一种原油船利用横摇的单摆式扰动及发电装置，其特征在于：所述底座(1)两个圆形通孔位于同一轴线上，在安装时应保证该轴线与船长方向平行。3.根据权利要求1所述的一种原油船利用横摇的单摆式扰动及发电装置，其特征在于：所述限位板(2)的横截面为等腰梯形，并且限位板(2)采用弹簧钢制成，本发明通过设置限位板(2)以避免本装置撞到舱壁。4.根据权利要求1所述的一种原油船利用横摇的单摆式扰动及发电装置，其特征在于：所述水轮机(5)的叶轮和发电机(6)的外壳采用密度较大的抗腐蚀性材料制成，发电机(6)的外壳的厚度应大于20mm。

技术总结
本发明提出了一种原油船利用横摇的单摆式扰动及发电装置，该装置包括：底座、限位板、转轴、摆杆、水轮机、发电机、传动轴、滚动轴承。本发明设于原油船的液货舱中，当船舶发生横摇运动时，利用水轮机的来回摆动对油液进行扰动，不仅能避免原油中的杂质及颗粒物沉淀到舱底，造成底部油液粘稠，还能使液货舱内的油液充分混合，避免底部油温较低造成底部油液更加粘稠，进而导致卸货泵吸入困难。而且在船舶横摇过程中，水轮机和液货舱内的油液相互摩擦产生热能，对油液起到了加热的作用，更进一步降低了液货舱底部油液的粘稠度。此外，本发明回收由于波浪引起的船舶横摇运动而使得船舶具有的机械能，进而转化为电能，实现了对波浪能的间接利用。的间接利用。的间接利用。


技术研发人员：刘亚琦 赵晶 姜浩 吴昱辰 李博洋 钟永健
受保护的技术使用者：青岛科技大学
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/5/16