CN107395058A - 一种逐级激励式压电流体发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种逐级激励式压电流体发电机，属流体发电领域。管道内壁上经耳板装有内筒，内筒的底壁上设有方孔，方孔的凸台上装有支架，支架底板上设有通孔、两个支架凸台和两个限位板，两个支架凸台上设有同轴的销孔，销孔内套有销轴；杠杆的销孔套在销轴上，杠杆从支架底板上的通孔中穿过，杠杆左臂置于内筒内，杠杆左臂端部设有左横梁、杠杆右臂上设有右横梁；左横梁上下两侧装有悬浮磁铁，右横梁置于钝体的上下两个翼板之间并经螺钉固定，两个翼板上还装有弹簧和限位块，弹簧的另一端顶靠在支架底板上；支架凸台上装有换能器，换能器端部装有被悬磁铁，被悬磁铁与悬浮磁铁同性磁极相对安装，用于换能器限位的簧片经螺钉装在内筒内壁上。
Description
技术领域
本发明属于管道流体发电技术领域，具体涉及一种逐级激励式压电流体发电机，为管道监测系统提供能量。
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中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的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
本发明提出一种逐级激励式压电流体发电机，本发明采用的实施方案是：管道内壁上经耳板装有内筒，内筒横截面为方形，内筒的底壁上设有方孔，方孔的凸台上经螺钉装有支架，支架底板上设有通孔、两个支架凸台和两个限位板；通孔位于支架底板的中心处，两个支架凸台对称分布在通孔两侧，两个支架凸台上设有同轴的销孔，销孔内套有销轴；杠杆的销孔套在销轴上，杠杆从支架底板上的通孔中穿过，杠杆左臂置于内筒内，杠杆左臂比杠杆右臂长，杠杆左臂端部设有左横梁、杠杆右臂上设有右横梁；左横梁上下两侧经螺钉装有悬浮磁铁，右横梁置于钝体的上下两个翼板之间并经螺钉固定，两个翼板上还经螺钉装有弹簧和限位块；钝体为中空结构，弹簧为簧片且靠近翼板安装，弹簧的另一端顶靠在支架底板上；支架凸台上经螺钉和压板装有换能器，换能器为悬臂梁结构，换能器由基板和压电膜粘接而成，基板靠近支架凸台安装；换能器端部经螺钉装有被悬磁铁，被悬磁铁与悬浮磁铁的同性磁极相对安装；用于换能器限位的簧片经螺钉装在内筒内壁上。
非工作状态下，即管道内的流体不流动、钝体及杠杆不摆动时，杠杆上下两侧换能器的变形量相等；工作时，即有流体流过钝体时，钝体会受到流体施加的上下交变的作用力，从而使杠杆绕销轴往复摆动，悬浮磁铁与被悬磁铁间的作用力使换能器的弯曲变形量及压电膜上的压应力逐渐增加；杠杆在钝体带动下复位时，换能器在其自身弹性力的作用下复位；换能器复位过程中，基板从固定端开始逐渐与限位板接触，换能器的变形量逐渐降低，但不会出现使压电膜承受拉应力的反向变形；上述压电膜上压应力的交替增加与减小过程中即将机械能转换成了电能。
本发明中，钝体受静态力作用绕销轴转动并使限位块与弹簧或支架底板接触时、以及换能器受交变激振力作用产生共振且使簧片顶靠在内筒内壁上时，压电膜上的最大压应力小于其许用压应力、换能器端部的弯曲变形量不大于许用值其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm为基板的厚度，H为换能器的总厚度，Em和Ep分别为基板和压电膜材料的杨氏模量，k31和分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为换能器的长度。
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，流体适应性强、结构简单；②换能器变形量可控且工作中压电膜仅承受压应力，可靠性高；③杠杆具有振幅放大功能，有利于提高发电能力。
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管道的结构示意图；
图4是图3的右视图；
图5是支架的结构示意图；
图6是图5的左视图；
图7是杠杆的结构示意图。
具体实施方式
管道a的内壁上经耳板a1安装有内筒a2，内筒a2的横截面为方形，内筒a2的底壁a3上设有方孔a4，方孔a4的凸台上经螺钉安装有支架b，支架底板b1上设有通孔b2、两个支架凸台b3和两个限位板b5，通孔b2位于支架底板b1的中心处，两个支架凸台b3对称分布在通孔b2的两侧，两个支架凸台b3上设有同轴的销孔b4，销孔b4内套有销轴c；杠杆d的销孔d1套在销轴c上，杠杆d从支架底板b1上的通孔b2中穿过，杠杆左臂d2置于内筒a2内，杠杆左臂d2比杠杆右臂d3长，杠杆左臂d2端部设有左横梁d4、杠杆右臂d3上设有右横梁d5；左横梁d4上下两侧经螺钉安装有悬浮磁铁e，右横梁d5置于钝体f的上下两个翼板f1之间并经螺钉固定，两个翼板f1上还经螺钉安装有弹簧g和限位块h；钝体f为中空结构，弹簧g为簧片且靠近翼板f1安装，弹簧g的另一端顶靠在支架底板b1上；支架凸台b3上经螺钉和压板j安装有换能器i，换能器i为悬臂梁结构，换能器i由基板i1和压电膜i2粘接而成，基板i1靠近支架凸台b3安装；换能器i端部经螺钉安装有被悬磁铁k，被悬磁铁k与悬浮磁铁e的同性磁极相对安装；用于换能器i限位的簧片m经螺钉安装在内筒a2的内壁上。
非工作状态下，即管道a内的流体不流动、钝体f及杠杆d不摆动时，杠杆d上下两侧换能器i的变形量相等；工作时，即有流体流过钝体f时，钝体f会受到流体施加的上下交变的作用力，从而使杠杆d绕销轴c往复摆动，悬浮磁铁e与被悬磁铁k间的作用力使换能器i的弯曲变形量及压电膜i2上的压应力逐渐增加；杠杆d在钝体f带动下复位时，换能器i在其自身弹性力的作用下复位；换能器i复位过程中，基板i1从固定端开始逐渐与限位板b5接触，换能器i的变形量逐渐降低，但不会出现使压电膜i2承受拉应力的反向变形；上述压电膜i2上压应力的交替增加与减小过程中即将机械能转换成了电能。
本发明中，钝体f受静态力作用绕销轴c转动并使限位块h与弹簧g或支架底板b1接触时、以及换能器i受交变激振力作用产生共振且使簧片m顶靠在内筒a2内壁上时，压电膜i2上的最大压应力小于其许用压应力、换能器i端部的弯曲变形量不大于许用值其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm为基板i1的厚度，H为换能器i的总厚度，Em和Ep分别为基板i1和压电膜i2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为换能器i的长度。
Claims (1)
1.一种逐级激励式压电流体发电机，其特征在于：管道内壁上经耳板装有内筒，内筒横截面为方形，内筒的底壁上设有方孔，方孔的凸台上经螺钉装有支架，支架底板上设有通孔、两个支架凸台和两个限位板；通孔位于支架底板中心处，两个支架凸台对称分布在通孔两侧，两个支架凸台上设有同轴的销孔，销孔内套有销轴；杠杆的销孔套在销轴上，杠杆从支架底板上的通孔中穿过，杠杆左臂置于内筒内，杠杆左臂比杠杆右臂长，杠杆左臂端部设有左横梁、杠杆右臂上设有右横梁；左横梁上下两侧经螺钉装有悬浮磁铁，右横梁置于钝体的上下两个翼板之间并经螺钉固定，两个翼板上还经螺钉装有弹簧和限位块；钝体为中空结构，弹簧为簧片且靠近翼板安装，弹簧的另一端顶靠在支架底板上；支架凸台上经螺钉和压板装有换能器，换能器为悬臂梁结构，换能器由基板和压电膜粘接而成，基板靠近支架凸台安装；换能器端部经螺钉装有被悬磁铁，被悬磁铁与悬浮磁铁的同性磁极相对安装；用于换能器限位的簧片经螺钉装在内筒内壁上；换能器复位过程中，基板从固定端开始逐渐与限位板接触，换能器的变形量逐渐降低，但不会出现使压电膜承受拉应力的反向变形；钝体受静态力作用绕销轴转动并使限位块与弹簧或支架底板接触时、以及换能器受交变激振力作用产生共振且使簧片顶靠在内筒内壁上时，压电膜上的最大压应力小于其许用压应力。
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