CN107332473B - 一种压电振动式管道流发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电振动式管道流发电机，属流体发电及管道监测领域。管道内壁装有内筒，内筒底壁外侧嵌有定磁铁、设有耳板，内筒筒壁左端端盖上装有两组压电振子和一个激励簧片，每组压电振子都至少包含两个端部装有被悬浮磁铁的压电振子；激励簧片上装有悬浮磁铁和受激磁铁，悬浮磁铁与被悬浮磁铁的同性磁极相对安装；压电振子的基板靠近激励簧片安装，受激磁铁与定磁铁异性磁极相对安装；激励器经销轴装在耳板上，激励器摇臂上的激励磁铁与受激磁铁的异性磁极相对安装；平衡簧片一端装在筋板上、另一端装在摇臂的连接板上。优势：为多自由度系统，频带宽；压电振子不与流体接触、压电片仅承受压应力且定磁铁可增幅并限位，可靠性高、发电量大。

Description

一种压电振动式管道流发电机

技术领域

本发明属于管道流体发电与管道监测技术领域，具体涉及一种压电振动式管道流发电机。

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、尚未得到大面积推广应用，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，本发明提出一种压电振动式管道流发电机。本发明采用的实施方案是：管道内壁上经辐板固定有内筒，内筒筒壁内侧经螺钉安装有限位簧片，内筒底壁外侧镶嵌有两条定磁铁、设有两个带筋板的耳板，内筒筒壁的左端经螺钉安装有端盖；端盖上经螺钉安装有两组压电振子和一个激励簧片，每组压电振子都至少包含压电振子一和压电振子二；压电振子一由基板一和压电片一粘接而成、压电振子二由基板二和压电片二粘接而成，压电振子一的自由端经螺钉安装有被悬浮磁铁一、压电振子二的自由端经螺钉安装有被悬浮磁铁二；激励簧片上经螺钉安装有悬浮磁铁一、悬浮磁铁二和受激磁铁，悬浮磁铁一与被悬浮磁铁一的同性磁极相对安装、悬浮磁铁二与被悬浮磁铁二的同性磁极相对安装；压电振子一和压电振子二的固定端由垫片隔开，基板一和基板二靠近激励簧片安装；压电振子一和压电振子二安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时压电片一和压电片二上最大的压应力为其许用值的一半；受激磁铁与定磁铁的异性磁极相对安装，两条定磁铁对称置于受激磁铁的左右两侧；激励器的摇臂上设有销孔，销孔套在销轴上，销轴两端分别固定在两个耳板上；摇臂的一端设有中空的扰流体、另一端经螺钉安装有激励磁铁，激励磁铁与受激磁铁的异性磁极相对安装；摇臂的两侧各设有一个连接板，平衡簧片的一端经螺钉和压块安装在耳板的筋板上、另一端经螺钉和压块安装在摇臂的连接板上；激励簧片和平衡簧片的对称中心、销轴的中心线及扰流体的中心线位于同一平面上。

非工作时，激励簧片上下两侧的压电振子一的变形和受力状态分别相同、压电振子二的变形和受力状态分别相同；工作状态下，即有流体从右到左流过扰流体时，扰流体会受到流体施加的上下交变的作用力，从而使激励器绕销轴往复摆动，再经激励磁铁与受激磁铁之间的相互吸引力带动激励簧片往复摆动；激励簧片经悬浮磁铁一与被悬浮磁铁一间的作用力迫使压电振子一产生单向弯曲变形、经悬浮磁铁二与被悬浮磁铁二间的作用力迫使压电振子二产生单向弯曲变形。

当激励簧片一侧的压电振子一和压电振子二弯曲变形量逐渐增加时，另一侧压电振子一和压电振子二弯曲变形量逐渐减小，从而使压电片一和压电片二所受压应力交替地增加与减小并将机械能转变成电能。

工作中激励器同时受流体力、激励簧片与平衡簧片的弹性力、定磁铁的吸引力及受激磁铁的吸引力的共同作用，流体力为驱动力、激励簧片及平衡簧片施加的是阻力；当激励器摆动使激励磁铁和受激磁铁离开平衡位置时，激励磁铁和受激磁铁所受左右两个定磁铁的吸引力不再相等，一侧的吸引力逐渐增加、另一侧的吸引力逐渐减小；同时，激励簧片及平衡簧片的反作用力增加、流体驱动力逐渐减小、直至换向，从而使激励器受力方向及摆动方向发生变化；激励磁铁和受激磁铁与某个定磁铁间的距离最近、吸引力最大时，压电片一和压电片二所受压应力应小于其许用值；两个定磁铁的作用在于增加并限定激励簧片及激励器的振幅、拓宽频带。

本发明中，压电振子一与被悬浮磁铁一构成一个弹簧质量系统、压电振子二与被悬浮磁铁二构成一个弹簧质量系统，激励簧片与受激磁铁构成一个弹簧质量系统，两个平衡簧片与激励器构成一个弹簧质量系统，故俘能器为多自由度系统。

本发明中，非工作时压电振子一和压电振子二自由端的合理变形量按下式计算

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基板一或基板二的厚度，H为压电振子一或压电振子二总厚度，E_m和E_p分别为基板和压电材料的杨氏模量，k₃₁和/>

分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子一或压电振子二的长度。

优势与特色：①俘能器为多自由度系统、且易通过各子系统质量及刚度调节其固有频率，频带宽、流体环境适应性强；②通过激励器间接激励，压电振子不与流体直接作用、工作中压电片仅承受分布均匀且可控的压应力，可靠性高、发电量大；③定磁铁具有增加变形量和限位的双重功能，进一步提高了可靠性和发电能力；④利用激励器所受流体升力产生自激振动，低速时激励效果也较好，且可用过激励器销孔与扰流体间的距离实现其摇臂摆动幅值的放大或缩小。

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是图2的B-B剖视图；

图4是图2的C-C剖视图；

图5是图2的I放大图；

图6是图2的II放大图；

图7是本发明一个较佳实施例中激励器的结构示意图；

图8是图7的俯视图。

具体实施方式

管道a的内壁上经辐板b固定有内筒c，内筒筒壁c1的内侧经螺钉安装有限位簧片d，内筒底壁c2的外侧镶嵌有两条定磁铁e、设有两个带筋板f1的耳板f，内筒筒壁c1的左端经螺钉安装有端盖g；端盖g上经螺钉安装有两组压电振子Y和一个激励簧片i，每组压电振子Y都至少包含压电振子一h和压电振子二h’；压电振子一h由基板一h1和压电片一h2粘接而成、压电振子二h’由基板二h1’和压电片二h2’粘接而成，压电振子一h的自由端经螺钉安装有被悬浮磁铁一j、压电振子二h’的自由端经螺钉安装有被悬浮磁铁二j’；激励簧片i上经螺钉安装有悬浮磁铁一k、悬浮磁铁二k’和受激磁铁m，悬浮磁铁一k与被悬浮磁铁一j的同性磁极相对安装、悬浮磁铁二k’与被悬浮磁铁二j’的同性磁极相对安装；压电振子一h和压电振子二h’的固定端由垫片n隔开，基板一h1和基板二h1’靠近激励簧片i安装；压电振子一h和压电振子二h’安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时压电片一h2和压电片二h2’上最大的压应力为其许用压应力的一半；受激磁铁m与定磁铁e的异性磁极相对安装，两条定磁铁e对称置于受激磁铁m的左右两侧；激励器p的摇臂p2上设有销孔p4，销孔p4套在销轴q上，销轴q的两端分别固定在两个耳板f上；摇臂p2的一端设有中空的扰流体p1、另一端经螺钉安装有激励磁铁r，激励磁铁r与受激磁铁m的异性磁极相对安装；摇臂p2的两侧各设有一个连接板p3，平衡簧片s的一端经螺钉和压块t安装在耳板f的筋板f1上、另一端经螺钉和压块t安装在连接板p3上；激励簧片i和平衡簧片s的对称中心、销轴q的中心线及扰流体p1的中心线位于同一平面上。

非工作时，激励簧片i上下两侧的压电振子一h的变形和受力状态分别相同、压电振子二h’的变形和受力状态分别相同；工作状态下，即有流体从右到左流过扰流体p1时，扰流体p1会受到流体施加的上下交变的作用力，从而使激励器p绕销轴q往复摆动，再经激励磁铁r与受激磁铁m之间的相互吸引力带动激励簧片i往复摆动；激励簧片i经悬浮磁铁一k与被悬浮磁铁一j间的作用力迫使压电振子一h产生单向弯曲变形、经悬浮磁铁二k’与被悬浮磁铁二j’间的作用力迫使压电振子二h’产生单向弯曲变形。

当激励簧片i一侧的压电振子一h和压电振子二h’弯曲变形量逐渐增加时，另一侧压电振子一h和压电振子二h’弯曲变形量逐渐减小，从而使压电片一h2和压电片二h2’所受的压应力交替增加与减小并将机械能转变成电能。

工作中激励器p同时受流体力、激励簧片i与平衡簧片s的弹性力、定磁铁e的吸引力及受激磁铁m的吸引力的共同作用，流体力为驱动力、激励簧片i及平衡簧片s施加的是阻力；当激励器p摆动使激励磁铁r和受激磁铁m离开平衡位置时，激励磁铁r和受激磁铁m所受左右两个定磁铁e的吸引力不再相等，一侧的吸引力逐渐增加、另一侧的吸引力逐渐减小；同时，激励簧片i及平衡簧片s的反作用力增加、流体驱动力逐渐减小、直至换向，从而使激励器p受力方向及摆动方向发生变化；激励磁铁r和受激磁铁m与某个定磁铁e间的距离最近、吸引力最大时，压电片一h2和压电片二h2’所受压应力应小于其许用值；两个定磁铁e的作用在于增加并限定激励簧片i及激励器p的振幅、拓宽频带。

本发明中，压电振子一h与被悬浮磁铁一j构成一个弹簧质量系统、压电振子二h’与被悬浮磁铁二j’构成一个弹簧质量系统，激励簧片i与受激磁铁m构成一个弹簧质量系统，两个平衡簧片s与激励器p构成一个弹簧质量系统，故俘能器为多自由度系统。

本发明中，非工作时压电振子一h和压电振子二h’自由端的合理变形量按下式计算

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基板一h1或基板二h1’的厚度，H为压电振子一h或压电振子二h’总厚度，E_m和E_p分别为基板和压电材料的杨氏模量，k₃₁和/>

分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子一h或压电振子二h’的长度。

Claims (1)

1.一种压电振动式管道流发电机，其特征在于：管道内壁上经辐板固定有内筒，内筒筒壁与管道平行，内筒底壁与管道垂直，内筒端口和内筒底壁分别朝向管道入口和出口；内筒筒壁内侧装有限位簧片，内筒底壁外侧镶嵌有两条定磁铁、设有两个带筋板的耳板，两条定磁铁和两个耳板分别沿内筒底壁的横向和纵向设置，两条定磁铁和两个耳板分别以内筒底壁中心为中心对称分布，内筒筒壁的端口装有端盖；端盖上装有两组压电振子和一个激励簧片，每组压电振子都至少包含压电振子一和压电振子二，两组压电振子对称安装在激励簧片的上下两侧，压电振子一位于激励簧片与压电振子二之间，压电振子一比压电振子二短；压电振子一由基板一与其一侧的压电片一粘接而成、压电振子二由基板二与其一侧的压电片二粘接而成，压电振子一的自由端装有被悬浮磁铁一、压电振子二的自由端装有被悬浮磁铁二，压电振子一比压电振子二短，被悬浮磁铁一比被悬浮磁铁二距离端盖近；激励簧片上从固定端到自由端依次装有悬浮磁铁一、悬浮磁铁二和受激磁铁，受激磁铁位于激励簧片的自由端，悬浮磁铁一与被悬浮磁铁一的同性磁极相对安装、悬浮磁铁二与被悬浮磁铁二的同性磁极相对安装；压电振子一和压电振子二的固定端由垫片隔开，基板一和基板二靠近激励簧片安装；压电振子一和压电振子二安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时压电振子一和压电振子二自由端的合理变形量按下式计算

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基板一或基板二的厚度，H为压电振子一或压电振子二总厚度，E_m和E_p分别为基板和压电材料的杨氏模量，k₃₁和/>

分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子一或压电振子二的长度；受激磁铁与定磁铁的异性磁极相对安装，两条定磁铁对称置于受激磁铁的左右两侧；激励器的摇臂上设有销孔，销孔套在销轴上，销轴两端分别固定在两个耳板上；摇臂的一端设有中空的扰流体、另一端装有激励磁铁，激励磁铁位于摇臂上靠近被激磁铁一端的端面上，激励磁铁与受激磁铁的异性磁极相对安装；摇臂的两侧各设有一个连接板，平衡簧片的一端经螺钉和压块安装在耳板的筋板上、另一端经螺钉和压块安装在摇臂的连接板上；激励簧片和平衡簧片的对称中心、销轴的中心线及扰流体的中心线位于同一平面上。

Images