CN104410327B - 无轴涡轮转子非接触激振式流体动能转换装置 - Google Patents

Abstract

无轴涡轮转子非接触激振式流体动能转换装置，它涉及一种能量转换装置，以解决现有流体动能转换装置存在难以适应复杂流体环境，机械结构复杂，俘能效率不高，以及易产生结构疲劳破坏，使用寿命短的问题，它包括圆桶、带颈的法兰底座、涡轮转子、圆形套筒、多个压电复合悬臂梁、多个激振磁体片和多个受振磁体片；涡轮转子包括外环和多个转子叶片，圆桶盖合在带颈法兰底盘；位于带颈法兰底座的颈部与圆桶的桶壁之间的涡轮转子的外环的端面上固装有圆形套筒，圆形套筒的外侧壁面上固装有多个激振磁体片；每个压电复合悬臂梁包括金属弹性板和两个压电陶瓷片；激振磁体片和受振磁体片相邻设置且二者极性相同。本发明用于新能源发电领域。

Description

无轴涡轮转子非接触激振式流体动能转换装置

技术领域

本发明涉及一种能量转换装置，属于新能源发电装置领域。

背景技术

随着集成电路设计和制造技术的飞速发展，电子元器件的小型化和微型化也成为一种趋势，低能耗设计技术也使得这些电子元器件的消耗功率越来越小。无线传感器作为这类电子元器件的典型，常见于现代物流装备、柔性生产线、信号中转站等机电系统，尤其常见于环境较为复杂不适合人工操作的场合中，这类装置对于供能的需求是系统稳定、可靠性强、安装和维护成本低。传统电子元器件的低能耗供电还是依赖于化学电池，主要优势有技术成熟、成本低等等，但是这类电池的寿命有限、报废后有污染且定期更换需要一定的人工成本，尤其不适合于自然条件恶劣的深海、深山、沙漠等领域。因此，研究人员逐步寻找可替换常规化学电池的新能源，尤其是能够从设备工作的自然环境中直接获取的新能源。

流体介质广泛存在于自然环境中，其不同的存在和运动方式又赋予了其自身携带着不同的能量。常规而言，自然界中存在的的流体动能主要有风能、潮汐能、洋流能、波浪能等，这些能量的存在具有可再生性、持续性、清洁性，因此也成了新能源技术领域比较关注的对象，其对应的能源转换装置主要有风力发电机、潮汐能发电机等。这些经典的新能源装备曾经广受青睐，但是由于其使用环境、能量俘获效率都受到自身结构和能量俘获原理的限制，因此未能进行大规模推广，尤其是在低速流动、小功耗供能领域。

流体动能的初级转换方式主要有流动-转动、流动-振动方式。其中第一种是利用透平叶片或者涡轮转子直接将流体的能量直接转换为转子转动，进而带动电磁铁等二级发电装置进行工作；而第二种方式是利用流体的涡激振动特性，将流体动能转换为圆柱的振动或者水翼的摆动，进而带动二级发电装置进行工作。在这两种方式中，流动-转动由于靠转子直接传递流体动能，因此能够较高效地进行俘能，适用场合也比第二种广；而第二种方式安装布置比较灵活，但需要流场动力参数达到涡激振动或波浪结构共振的临界值才能工作，因此对环境的要求较为苛刻。在转动能转换为电能的方式中，以法拉第电磁感应定律为原理的电磁发电设备居多；而在振动能转换为电能的方式中，压电材料由于具有压电效应和较高功率密度的容易制作的优点而受到青睐。对于给在复杂流场条件下的电子元器件功能，压电材料是一种很好的旋转。研究人员也相继开发出了多种原理的压电发电装置。

经文献检索，发表日期为2011年，名称为“圆盘式压电发电装置发电性能及其关键技术研究”的博士学位论文首次提出了一种承载能力大且不需任何附加装置就可直接应用于高载环境中的圆盘式压电发电装置，所述的装置采用鼓型压电发电装置的能量密度最高，但相对钹型压电发电装置其承载能力小，不能直接工作于高载环境中，而钹鼓复合型压电发电装置既具有高的能量密度且具有高的承载能力，相比较来说是其中综合性能最优异的压电发电装置。但由于这种结构属于接触式的环境能-振动能-电能转换装置，因此存在易产生结构疲劳破坏以及不适合于复杂流体环境下等缺点。

公开日为2013年09月18日、公开号为CN103312216A的中国发明专利申请提出一种流体压电发电装置及装置组，它首次提出了一种采用叶片转子挤压压电梁产生变形进行发电的发电结构，具体而言是通过流体带动带有挤压转子的叶片转动，通过挤压转子间歇性地挤压复合压电片产生电荷实现发电。这种结构有效地对流场的动能进行了俘获，也有利于实现微小型化，但由于工作时挤压转子和复合压电片存在必然的滑动摩擦和变形，因此产生结构疲劳破坏的风险较大，装置的有效使用寿命也相应地受到限制。

发明内容

本发明为解决现有流体动能转换装置存在难以适应复杂流体环境，机械结构复杂，俘能效率不高，以及易产生结构疲劳破坏，使用寿命短的问题，进而提供一种无轴涡轮转子非接触激振式流体动能转换装置。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的无轴涡轮转子非接触激振式流体动能转换装置包括圆桶、带颈的法兰底座、涡轮转子、圆形套筒、多个压电复合悬臂梁、多个激振磁体片和多个受振磁体片；

涡轮转子包括外环和多个转子叶片，外环的内侧面上沿外环的周向均布固装有多个转子叶片，圆桶的桶底的中部加工有通孔，通孔的边缘上沿通孔的周向加工有环形凸台，环形凸台的延伸方向与圆桶的桶壁延伸方向相同，圆桶盖合在带颈法兰底座，圆桶的桶壁与带颈法兰底座的底盘可拆卸连接，环形凸台与带颈法兰底座的颈部之间安装有与二者密封连接且能转动的涡轮转子，带颈法兰底座的底盘上沿带颈法兰底座的周向加工有环形底座凸台，环形底座凸台的外侧面上沿带颈法兰底座的周向均布加工有多个悬臂梁定位槽，多个悬臂梁定位槽沿带颈法兰底座的周向均布设置；

位于带颈法兰底座的颈部与圆桶的桶壁之间的涡轮转子的外环的端面上固装有圆形套筒，圆形套筒的外侧壁面上固装有多个激振磁体片，多个激振磁体片沿圆形套筒的周向均布设置；每个压电复合悬臂梁包括金属弹性板和两个压电陶瓷片，悬臂梁定位槽、金属弹性板、激振磁体片和受振磁体片的数量相一致；金属弹性板的一端安装在悬臂梁定位槽内，金属弹性板的另一端的相对的两侧面各粘接有压电陶瓷片，其中一个压电陶瓷片上固装有受振磁体片，激振磁体片和受振磁体片相邻设置且二者极性相同。

本发明的有益效果是：一、本发明的无轴涡轮转子非接触激振式流体动能转换装置主要是通过涡轮转子端面所固定的圆形套筒上的激振磁体片对固定在带颈法兰底座上的压电复合悬臂梁的受振磁体片进行激励，使得压电复合悬臂梁产生受迫振动，实现流体动能-转子转动机械能-悬臂梁振动能-电能的能量转换过程。在这个能量转换的过程中，流体动能转换为涡轮转子的转动为一级能量转换过程；涡轮转子带动激振磁体片的转动转化为压电复合悬臂梁的受迫振动，此为二级能量转换过程；压电复合悬臂梁的振动基于压电陶瓷片的双向效应可以转换为电能，此为三级能量转换过程。

二、本发明的涡轮转子作为流体动能的直接受动结构，只要满足流体来流方向与回转中心轴线的夹角不为0°，即可实现有效地转动，即进行流场动能的俘获，完成一级能量转换过程，因此使得本发明的安装显得更为灵活，更能够适用于复杂的流动环境，比如不规则风力或者狭小缝隙通风口的流动俘能。

三、本发明的激振磁体片直接固定在涡轮转子组件上，当涡轮转子在来流方向流体的作用下作绕中心轴线的转动时，根据磁体磁极之间“同极相斥”的原理，会与压电复合悬臂梁的受振磁体片产生相斥作用，由于压电复合悬臂梁是弹性的，因此会呈现出沿受迫振动形态。在一个涡轮转子的转动周期内，每个压电复合悬臂梁都会受到若干次激振(其次数等于激振磁体片的数目)，进而产生电荷，通过匹配设置整流滤波电路即可将电荷进行收集实现有效发电。本发明的压电复合悬臂梁是在非接触式下工作的，因此，其金属弹性板或者悬臂梁本身不受机械冲击或者循环载荷，能够保证装置的寿命比传统固定端激振式或者流动振动式的发电装置要长，本发明的使用寿命提高了3-5倍；本发明的三级能量转换过程由于采用了压电悬臂梁进行机械能到电能的转换，俘能效率提高了35％-75％，因此适合于较宽频带内的环境俘能。

四、本发明的无轴涡轮转子非接触激振式流体动能转换装置结构简单，绿色环保，易于实现微型化和便携化，对环境中的低速和中高速流动能量都有较好的适应性和实现较高的俘能效果，同时由于采用非接触的激振方式使得装置的使用寿命较长。本发明可用于新能源发电装置制作领域，在野外智能集成传感装置及无人飞行器的供能方面都有很好的应用前景。

附图说明

图1是本发明无轴涡轮转子非接触激振式流体动能转换装置的立体结构示意图，图2是本发明无轴涡轮转子非接触激振式流体动能转换装置的剖面结构示意图，图3是圆桶的立体结构示意图，图4是带颈法兰底座的立体结构示意图，图5是涡轮转子的立体结构示意图，图6是压电复合悬臂梁的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图6说明，本实施方式的无轴涡轮转子非接触激振式流体动能转换装置包括圆桶1、带颈的法兰底座5、涡轮转子6、圆形套筒8、多个压电复合悬臂梁3、多个激振磁体片7和多个受振磁体片10；

涡轮转子6包括外环6-1和多个转子叶片6-2，外环6-1的内侧面上沿外环6-1的周向均布固装有多个转子叶片6-2，圆桶1的桶底的中部加工有通孔1-1，通孔1-1的边缘上沿通孔1-1的周向加工有环形凸台1-2，环形凸台1-2的延伸方向与圆桶1的桶壁延伸方向相同，圆桶1盖合在带颈法兰底座5，圆桶1的桶壁与带颈法兰底座5的底盘可拆卸连接，环形凸台1-2与带颈法兰底座5的颈部5-3之间安装有与二者密封连接且能转动的涡轮转子6，带颈法兰底座5的底盘上沿带颈法兰底座5的周向加工有环形底座凸台5-1，环形底座凸台5-1的外侧面上沿带颈法兰底座5的周向均布加工有多个悬臂梁定位槽5-2，多个悬臂梁定位槽5-2沿带颈法兰底座5的周向均布设置；

位于带颈法兰底座5的颈部5-3与圆桶1的桶壁之间的涡轮转子6的外环6-1的端面上固装有圆形套筒8，圆形套筒8的外侧壁面上固装有多个激振磁体片7，多个激振磁体片7沿圆形套筒8的周向均布设置；每个压电复合悬臂梁3包括金属弹性板3-1和两个压电陶瓷片3-2，悬臂梁定位槽5-2、金属弹性板3-1、激振磁体片7和受振磁体片10的数量相一致；金属弹性板3-1的一端安装在悬臂梁定位槽5-2内，金属弹性板3-1的另一端的相对的两侧面各粘接有压电陶瓷片3-2，其中一个压电陶瓷片3-2上固装有受振磁体片10，激振磁体片7和受振磁体片10相邻设置且二者极性相同。

本实施方式的激振磁体片在空间位置正对压电复合悬臂梁3上的受振磁体片且极性相同，在工作运行时，涡轮转子6在受到外部运动流体的作用力时会绕着中心轴线进行转动，此时，会带动激振磁体片7进行同步运动，进而激励压电复合悬臂梁3的受振磁体片3-2及金属弹性板3-1进行相对于中心轴线的自由振动，实现振动能到电能的有效转换，激振磁体片7与受振磁体片10正对时，振动幅度最大。本实施方式的压电陶瓷片3-2可以布满金属弹性板3-1的整个侧面粘贴。

具体实施方式二：结合图2说明，本实施方式的带颈法兰底座5的颈部5-1的内径D与圆桶1的环形凸台1-2的内径d相等。如此设置，涡轮转子两侧的流体均衡进入，便于流体动能的转化。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2说明，本实施方式所述圆形套筒8为带颈法兰式圆形套筒。如此设置，圆形套筒8便于与涡轮转子6连接，方便使用。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图6说明，本实施方式所述金属弹性板3-1为磷青铜弹性板。如此设置，磷青铜的弹性、耐磨性和抗疲劳性性能良好，便于使用。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图2说明，本实施方式的圆桶1的桶壁通过螺栓11与带颈法兰底座5的底盘可拆卸连接。如此设置，拆装方便，便于使用。其它与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：结合图2说明，本实施方式所述装置还包括支撑法兰2、隔离环9和两个轴承12，涡轮转子6的外环6-1的周侧壁面上加工环形凸棱6-3，环形凸棱6-3的一端面上安装有一个轴承12，环形凸棱6-3的另一端面上安装有另一个轴承12，两个轴承12贴靠圆桶1的桶壁内侧设置，两个轴承12之间安装有与二者连接的隔离环9，支撑法兰2安装在带颈法兰底座5的底盘上，支撑法兰2与所述另一个轴承12连接。如此设置，涡轮转子的外环6-1与圆桶1的内壁面配合实现径向定位，外环的端面由支撑法兰2和隔离环9进行轴向定位，使用稳定可靠。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图2说明，本实施方式所述装置还包括卡箍4，多个压电复合悬臂梁3通过套设在带颈法兰底座5的环形底座凸台5-1上的卡箍4卡紧在定位槽5-2上。如此设置，多个压电复合悬臂梁3通过卡箍4套住卡紧进行固定安装，使用稳定可靠方便。其它与具体实施方式一、二、四或六相同。

工作原理

本发明的无轴涡轮转子非接触激振式流体动能转换装置在制造的时候，压电复合悬臂梁为三层复合结构，中间层为弹性金属层作为基体，侧面层为压电陶瓷。压电陶瓷层采用粘合剂粘贴在弹性金属层上，粘合剂可由环氧树脂材料和低分子聚酰胺树脂材料按照体积比2：1的比例混合而成。在粘贴压电陶瓷片时，要注意粘合剂的涂抹均匀。在粘贴压电陶瓷片时，采用串联连接方式，铜板上下表面的压电片极化方向相反，若是并联，则铜板上下表面的压电陶瓷片极化方向相同。本发明的压电悬臂梁支撑端通过环形卡箍固定在安装底座的法兰定位槽中，且围绕回转中心的均匀分布，同时尽量减小两者之间的间隙，以最大化的利用空间。在安装时，要注意压电复合悬臂梁自由端的受振磁体片在轴线方向上的空间位置要与激振磁体片相同，且径向距离不能太大，以满足激振的条件，最大效率地将涡轮转子的转动转换为压电复合悬臂梁的振动能，进而使得流动能到电能的转换效率更高。

Claims (7)

1.无轴涡轮转子非接触激振式流体动能转换装置，其特征在于：它包括圆桶(1)、带颈的法兰底座(5)、涡轮转子(6)、圆形套筒(8)、多个压电复合悬臂梁(3)、多个激振磁体片(7)和多个受振磁体片(10)；

涡轮转子(6)包括外环(6-1)和多个转子叶片(6-2)，外环(6-1)的内侧面上沿外环(6-1)的周向均布固装有多个转子叶片(6-2)，圆桶(1)的桶底的中部加工有通孔(1-1)，通孔(1-1)的边缘上沿通孔(1-1)的周向加工有环形凸台(1-2)，环形凸台(1-2)的延伸方向与圆桶(1)的桶壁延伸方向相同，圆桶(1)盖合在带颈法兰底座(5)，圆桶(1)的桶壁与带颈法兰底座(5)的底盘可拆卸连接，环形凸台(1-2)与带颈法兰底座(5)的颈部(5-3)之间安装有与二者密封连接且能转动的涡轮转子(6)，带颈法兰底座(5)的底盘上沿带颈法兰底座(5)的周向加工有环形底座凸台(5-1)，环形底座凸台(5-1)的外侧面上沿带颈法兰底座(5)的周向均布加工有多个悬臂梁定位槽(5-2)，多个悬臂梁定位槽(5-2)沿带颈法兰底座(5)的周向均布设置；

位于带颈法兰底座(5)的颈部(5-3)与圆桶(1)的桶壁之间的涡轮转子(6)的外环(6-1)的端面上固装有圆形套筒(8)，圆形套筒(8)的外侧壁面上固装有多个激振磁体片(7)，多个激振磁体片(7)沿圆形套筒(8)的周向均布设置；每个压电复合悬臂梁(3)包括金属弹性板(3-1)和两个压电陶瓷片(3-2)，悬臂梁定位槽(5-2)、金属弹性板(3-1)、激振磁体片(7)和受振磁体片(10)的数量相一致；金属弹性板(3-1)的一端安装在悬臂梁定位槽(5-2)内，金属弹性板(3-1)的另一端的相对的两侧面各粘接有压电陶瓷片(3-2)，其中一个压电陶瓷片(3-2)上固装有受振磁体片(10)，激振磁体片(7)和受振磁体片10相邻设置且二者极性相同。

2.根据权利要求1所述的无轴涡轮转子非接触激振式流体动能转换装置，其特征在于：带颈法兰底座(5)的颈部(5-3)的内径(D)与圆桶(1)的环形凸台(1-2)的内径(d)相等。

3.根据权利要求1或2所述的无轴涡轮转子非接触激振式流体动能转换装置，其特征在于：所述圆形套筒(8)为带颈法兰式圆形套筒。

4.根据权利要求3所述的无轴涡轮转子非接触激振式流体动能转换装置，其特征在于：所述金属弹性板(3-1)为磷青铜弹性板。

5.根据权利要求1、2或4所述的无轴涡轮转子非接触激振式流体动能转换装置，其特征在于：圆桶(1)的桶壁通过螺栓(11)与带颈法兰底座5的底盘可拆卸连接。

6.根据权利要求5所述的无轴涡轮转子非接触激振式流体动能转换装置，其特征在于：所述装置还包括支撑法兰(2)、隔离环(9)和两个轴承(12)，涡轮转子(6)的外环(6-1)的周侧壁面上加工环形凸棱(6-3)，环形凸棱(6-3)的一端面上安装有一个轴承(12)，环形凸棱(6-3)的另一端面上安装有另一个轴承(12)，两个轴承(12)贴靠圆桶(1)的桶壁内侧设置，两个轴承(12)之间安装有与二者连接的隔离环(9)，支撑法兰(2)安装在带颈法兰底座(5)的底盘上，支撑法兰(2)与所述另一个轴承(12)连接。

7.根据权利要求1、2、4或6所述的无轴涡轮转子非接触激振式流体动能转换装置，其特征在于：所述装置还包括卡箍(4)，多个压电复合悬臂梁(3)通过套设在带颈法兰底座(5)的环形底座凸台(5-1)上的卡箍(4)卡紧在定位槽(5-2)上。