CN107332467B - 一种用于油气管道监测系统的自激振动发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于油气管道监测系统的自激振动发电机，属流体发电领域。壳体端部装有带通流孔和凸台的立板，凸台两侧装有数量相等的压电振子，相邻压电振子的固定端之间压接有垫片，压电振子由基板和压电片粘接而成，凸台两侧压电振子基板靠近安装；压电振子另一端装有顶块，顶块压接在激励器摇臂上；摇臂一端设有扰流体、另一端设有半轴，半轴经轴承座装在立板上；扰流体上镶嵌有动磁铁，壳体左右侧壁上装有定磁铁，动定磁铁同性磁极相对安装，动定磁铁几何中心至半轴中心距离相等；压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构。优势特色：自激振动发电，流体适应性强、结构简单；压电片仅受压应力，可靠性高；多振子同步工作，发电能力强。

Description

一种用于油气管道监测系统的自激振动发电机

技术领域

本发明属于管道流体发电与管道监测技术领域，具体涉及一种用于油气管道监测系统的自激振动发电机。

背景技术

由于腐蚀、自然界不可抗力以及人为偷盗等原因所造成的石油及天然气等流体长输管道在使用过程的泄漏事件时有发生，频繁的管道泄漏不仅造成了巨大的经济损失、同时也给周边自然环境造成了严重的污染。以往，常采用定期人工巡检的方法加以维护，但因油气管道铺设距离长、且常处于人迹罕至或交通不便之处，人为定期巡检难以及时发现泄漏并加以维护。因此，人们提出了多种类型用于管道泄漏监测与防盗系统。虽然所提出的某些管道流体泄漏及防盗监测报警方法在技术层面已较成熟，但目前我国长输管道防盗监测系统的应用还处于起步阶段、尚未得到大面积的推广应用，其主要原因之一是监测系统的供电问题未能得到很好的解决：①铺设电缆成本高且易被不法分子切断而影响监测系统的正常运行；②电池供电使用时间有限、需经常更换，一旦电池电量不足且未及时更换时也无法完成监测信息的远程传输。近年来，为满足相关无线传感监测系统的自供电需求，人们已经提出了多种形式的涡轮式微小型流体发电装置，其最大的问题是结构复杂、体积相对较大，不适于管道直径较小的场合，某些结构的发电装置还存在电磁干扰等现象，推广应用受到了一定的制约。因此，为使石油及天然气管道泄漏及防盗监测系统得以实际应用，首先仍需解决其供电问题。

发明内容

针对现有管道流体状态监测系统供电方面所存在的问题，本发明提出一种用于油气管道监测系统的自激振动发电机。本发明采用的实施方案是：壳体上设有通流孔、端部经螺钉安装有立板，立板上设有通流孔和凸台，凸台的左右两侧通过螺钉安装有数量相等的压电振子；凸台单侧安装的压电振子的数量大于1时，相邻两个压电振子的固定端之间压接有垫片；压电振子由基板和压电片粘接而成，凸台两侧压电振子的基板靠近安装；压电振子的另一端经螺钉安装有顶块，顶块置于压电振子的基板的一侧，顶块的另一端顶靠在激励器的摇臂上；摇臂的一端设有中空的扰流体、另一端设有两个半轴，半轴经轴承座安装在立板上；扰流体上对称地镶嵌有两个动磁铁，壳体的左右侧壁上经螺钉安装有定磁铁，动磁铁和定磁铁的同性磁极相对安装，动磁铁和定磁铁的几何中心至半轴的中心线的距离相等；压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时压电片上的最大压应力为其许用压应力的一半，即压电振子的变形量为其最大允许变形量的一半并由下式确定：

其中：B＝1-α+αβ，A＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，/>

α＝h_m/H，β＝E_m/E_p，h_m和H分别为基板厚度和压电振子总厚度，E_m和E_p分别为基板和压电片的杨氏模量，k₃₁和/>

分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子的长度。

非工作状态下，摇臂左右两侧的压电振子的变形和受力状态分别相同。工作时，即有流体流过扰流体时，扰流体会受到流体施加的左右交变作用力，从而使激励器绕半轴往复摆动，再经摇臂及顶块迫使压电振子产生往复弯曲振动：当摇臂某一侧的压电振子弯曲变形量及压电片所受的压应力逐渐增加时，另一侧压电振子的变形量及压电片所受的压应力逐渐减小；压电片所受压应力的交替增加与减小过程中即将机械能转变成电能。

激励器摆动过程中，同时受流体力、压电振子的弹性力及动磁铁与定磁铁间的排斥力的共同作用，流体力是激励器往复摆动运动的驱动力、压电振子的弹性力及动磁铁与定磁铁间的排斥力为阻力；当动磁铁与定磁铁接触时，压电片所受的压应力为其许用压应力。

优势与特色：①利用钝体所受流体升力产生自激振动，激振力及激励频率可通过扰流体尺度调节，低速时激励效果也较好，流体适应性强、结构简单；②工作中压电片仅承受压应力，可靠性高；③定磁铁具有限位和缓冲的双重功能，进一步提高了可靠性；④激励器摇臂同时激励多个压电振子，发电能力强。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是本发明一个较佳实施例中激励器的结构示意图；

图4是图3的俯视图；

图5本发明一个较佳实施例中立板的结构示意图。

具体实施方式

壳体b上设有通流孔b1、端部经螺钉安装有立板a，立板a上设有通流孔a1和凸台a2，凸台a2的左右两侧通过螺钉安装有数量相等的压电振子e；凸台a2的单侧安装的压电振子e的数量大于1时，相邻两个压电振子e的固定端之间压接有垫片i；压电振子e由基板e1和压电片e2粘接而成，凸台a2两侧压电振子e的基板e1靠近安装；压电振子e的另一端经螺钉安装有顶块f，顶块f置于压电振子e的基板e1的一侧，顶块f的另一端顶靠在激励器d的摇臂d1上；摇臂d1一端设有中空的扰流体d3、另一端设有两个半轴d2，半轴d2经轴承座c安装在立板a上；扰流体d3上对称地镶嵌有两个动磁铁h，壳体b的左右侧壁上经螺钉安装有定磁铁g，动磁铁h和定磁铁g的同性磁极相对安装，动磁铁h和定磁铁g的几何中心至半轴d2的中心线的距离相等；压电振子e安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时压电片e2上的最大压应力为其许用压应力的一半，即压电振子e的变形量为其最大允许变形量的一半并由下式确定：

其中：B＝1-α+αβ，A＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，/>

α＝h_m/H，β＝E_m/E_p，h_m和H分别为基板e1厚度和压电振子e总厚度，E_m和E_p分别为基板e1和压电片e2的杨氏模量，k₃₁和/>

分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子e的长度。

非工作状态下，摇臂d1左右两侧的压电振子e的变形和受力状态分别相同。工作时，即有流体流过扰流体d3时，扰流体d3会受到流体施加的左右交变的作用力，从而使激励器d绕半轴d2往复摆动，再经摇臂d1、顶块f迫使压电振子e产生往复弯曲振动：当摇臂d1某一侧的压电振子e弯曲变形量及压电片e2所受的压应力逐渐增加时，另一侧压电振子e的变形量及压电片e2所受的压应力逐渐减小；压电片e2所受压应力的交替增加与减小过程中即将机械能转变成电能。

激励器d摆动过程中，同时受流体力、压电振子e的弹性力及动磁铁h与定磁铁g间的排斥力的共同作用，流体力是激励器d往复摆动运动的驱动力、压电振子e的弹性力及动磁铁h与定磁铁g间的排斥力为阻力；当动磁铁h与定磁铁g接触时，压电片e2所受的压应力为其许用压应力。

Claims (1)

1.一种用于油气管道监测系统的自激振动发电机，其特征在于：壳体的左右侧壁和上下侧壁上均设有通流孔、端部安装有立板，立板位于壳体的出口端，立板上设有通流孔和凸台，凸台的左右两侧安装有数量相等的压电振子；凸台单侧安装的压电振子的数量大于1时，相邻两个压电振子的固定端之间压接有垫片；压电振子由基板和压电片粘接而成，压电片粘接在基板上，凸台两侧压电振子的基板靠近安装；压电振子的另一端安装有顶块，顶块置于压电振子的基板一侧，顶块的另一端顶靠在激励器的摇臂上；摇臂的一端设有中空的扰流体、另一端设有两个半轴，半轴经轴承座安装在立板上；扰流体上对称地镶嵌有两个动磁铁，壳体的左右侧壁上安装有定磁铁，定磁铁位于壳体的入口端，动磁铁和定磁铁的同性磁极相对安装，动磁铁和定磁铁的几何中心至半轴中心线的距离相等；压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时压电片上的最大压应力为其许用压应力的一半并由下式确定：

其中：B＝1-α+αβ，A＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，/>

α＝h_m/H，β＝E_m/E_p，h_m和H分别为基板厚度和压电振子总厚度，E_m和E_p分别为基板和压电片的杨氏模量，k₃₁和/>

分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子的长度；当动磁铁与定磁铁接触时，压电片所受的压应力为其许用压应力。

Images