CN110752777A - 一种钝体扰流致振发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钝体扰流致振发电机，属新能源领域。框架纵壁内侧设有倾斜安的装面、外侧设有导板，挡板左右两侧耳板上的滑槽套在框架导板上并固定；激励器一侧设有凸轮、另一侧设有通槽，凸轮面由依次相连的底面、斜面和顶面构成；钝体左右两端都设有带导孔的凸台，导孔套在销轴上，销轴装在框架横臂上；凸台将支撑簧和缓冲簧分别压接在框架上下两侧的横壁上；激励器的通槽套在钝体的凸台上并经螺钉固定；压电振子一端装在框架的安装面上、另一端装有顶块，压电振子由等厚的基板和压电片粘接而成；非工作时顶块与凸轮的斜面中点接触，压电振子安装产生的预弯变形量为其许用值的一半；激励器运动到上下极限位置时顶块仍与凸轮面底面或顶面接触。

Description

一种钝体扰流致振发电机
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种钝体扰流致振发电机，用于构造自供电河流监测系统。
背景技术
我国境内遍布的河流达数千条之多。近年来，由于工业废污水处理力度不够、水土流失及农药和化肥等使用不当等原因，部分河流都存在一定程度的污染问题，无法满足居民生活及农田灌溉的需求。此外，因目前有些地区中小河流防洪设施不完善、缺少相关防洪设施，汛期来临之际存在溃堤或漫堤等危险，直接威胁了沿岸群众的生命和财产安全。因此，河流监测已受到国家相关部门的高度重视；同时，国内专家学者也相继提出了相应的监测方法和手段，包括针对河水污染的水质监测技术，针对防洪及泥石流等自然灾害的雨量、水位以及河道水流速等监测技术等多方面，以及为监测系统供电的各类微小型俘能器，但现有的微小型俘能器在可靠性及流速适应性等方面都存在一定的问题，严重地阻碍了其推广应用。
发明内容
本发明提出一种钝体扰流致振发电机，本发明采用的实施方案是：框架左右两侧的纵壁内侧都对称地设有带倾斜安装面的凸块、外侧都设有导板，安装面与纵壁间的锐角大于30度；框架上下两侧的横壁上都对称地设有两组销孔和工艺孔；挡板左右两侧都设有带滑槽的耳板，耳板的滑槽套在框架的导板上并经螺钉固定；激励器一侧设有凸轮、与凸轮相对的一侧设有通槽，凸轮为移动凸轮，凸轮面由依次相连的底面、斜面和顶面构成，底面与顶面间的距离为凸轮升程，底面与斜面间所构成的锐角为凸轮升角，凸轮升角为30～50度；钝体左右两端都设有带导孔的凸台，导孔套在销轴上，销轴上下端都分别固定在框架上下两侧的横壁上，销轴上下端分别安装在横壁的销孔内；钝体的凸台将支撑簧和缓冲簧分别压接在框架上下两侧的横壁上，支撑簧和缓冲簧套在销轴上；激励器的通槽套在钝体的凸台上并经螺钉固定；压电振子一端经螺钉和压条安装在框架的安装面上、另一端经螺钉安装有顶块，压电振子由等厚的基板和压电片粘接而成，基板靠近激励器安装，顶块顶靠在凸轮面上；非工作时顶块与凸轮的斜面中点接触，压电振子安装产生的预弯变形量为其许用值的一半，压电振子许用变形量大于凸轮升程。
本发明中，压电振子安装前的自然状态下为预弯或平直结构；压电振子安装前为预弯结构时，基板预弯半径小于压电片预弯半径，基板与压电片粘接面的预弯半径为压电振子安装前为平直结构且其固定端两层都被夹持时，其许用变形量为
Figure BSA0000183774460000012
上述公式中：l和h分别为压电振子的悬臂长度和总厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板和压电片材料的弹性模量，Tp和k31分别为压电片材料的许用应力和机电耦合系数。
本发明中，水流由钝体流向挡板，水流流经钝体后产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落会使钝体前后两侧的水流压力交替变化，从而产生使钝体沿销轴上下往复的振动；流体流过钝体遇到挡板后，其流场及流动方向均发生变化，流动方向由原来的水平方向改成垂直方向，从而对钝体涡激振动特性产生影响；其它条件相同时，激振力的大小及钝体振幅与挡板高度以及挡板与钝体表面间的最短距离有关，可通过调节挡板高度及挡板与钝体相邻表面间的最短距离控制钝体的振幅，流速低时增加振幅、流速高时减小振幅，有效的挡板的高度及挡板与钝体相邻表面间的最短距离为钝体直径的0～3倍。
钝体在涡激振动力作用下带动激励器往复振动时，压电振子自由端的顶块与凸轮面的接触位置发生变化，压电振子沿凸轮的斜面往复弯曲变形并将机械能转换成电能；具体过程：①激励器移动并使顶块沿凸轮的斜面上升时压电振子变形量逐渐增加，顶块与凸轮的顶面接触时压电振子变形量达最大、不再随激励器的继续移动而增加；②激励器移动并使顶块沿凸轮的斜面下降时压电振子变形量逐渐减小，顶块与凸轮的底面接触时压电振子的变形量达最小、不再随激励器继续移动而降低；激励器运动到上下极限位置时，顶块仍与凸轮面的底面或顶面接触。
优势与特色：①压电振子的最大变形量即为凸轮的升程，钝体振幅较大时也不至使压电振子因变形过大损毁，可靠性高；②钝体后方设置的挡板可有效调节钝体的耦合振动响应特性，易于通过调节二者间距、尺度等参数获得所需的钝体振动放大比，流速适应性及发电能力；③压电振子不与水流接触、仅受可控的单向弯曲变形，故谐振频率高及可靠性高、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是本发明一个较佳实施例中框架的结构示意图；
图5是本发明一个较佳实施例中钝体的结构示意图；
图6是本发明一个较佳实施例中挡板的结构示意图；
图7是图6的左视图。
具体实施方式
框架a左右两侧的纵壁a1的内侧都对称地设有带倾斜安装面a0的凸块a3、外侧都设有导板a4，安装面a0与纵壁a1间形成的锐角大于30度；框架a的上下两侧的横壁a2上都对称地设有两组销孔a6和工艺孔a5；挡板b左右两侧都设有带滑槽b2的耳板b1，耳板b1的滑槽b2套在框架a的导板a4上，耳板b1经螺钉固定在纵壁a1上；激励器i一侧设有凸轮I，凸轮I为移动凸轮，凸轮I的凸轮面由依次相连的底面i1、斜面i2和顶面i3构成，底面i1与顶面i3间的距离i5为凸轮升程，底面i1与斜面i2间所构成的锐角i4为凸轮升角，凸轮升角为30～50度；激励器i上与凸轮I相对的一侧设有通槽i0；钝体h左右两端都设有带导孔h2的凸台h1，导孔h2套在销轴e上，销轴e的上下端都分别固定在框架a的上下两侧的横壁a2上，销轴e上下端分别安装在横壁a2的销孔a6内；钝体h的凸台h1将支撑簧k1和缓冲簧k2分别压接在框架a上下两侧的横壁a2上，支撑簧k1和缓冲簧k2套在销轴e上；激励器i的通槽i0套在钝体h的凸台h1上并经螺钉固定；压电振子d的一端经螺钉和压条c安装在框架a的安装面a0上、另一端经螺钉安装有顶块d3，压电振子d为由等厚的基板d1和压电片d2粘接而成的悬臂梁结构，基板d1靠近激励器i安装，顶块d3顶靠在凸轮面上；非工作时顶块d3与凸轮I的斜面i2的中点接触，压电振子d安装产生的预弯变形量为其许用值的一半，压电振子d的许用变形量大于凸轮升程。
本发明中，压电振子d安装前的自然状态下为预弯结构或平直结构；压电振子d安装前为预弯结构时，基板d1的预弯半径小于压电片d2的预弯半径，基板d1与压电片d2粘接面的预弯半径为
Figure BSA0000183774460000031
压电振子d安装前为平直结构且其固定端两层都被夹持时，其许用变形量为
Figure BSA0000183774460000032
上述公式中：l和h分别为压电振子d的悬臂长度和总厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板d1和压电片d2材料的弹性模量，Tp和k31分别为压电片d2材料的许用应力和机电耦合系数。
本发明中，水流由钝体h流向挡板b，水流流经钝体h后产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落会使钝体h前后两侧的水流压力交替变化，从而产生使钝体h沿销轴e上下往复振动的激振力；流体流过钝体h遇到挡板b后，其流场及流动方向均发生变化，流动方向由原来的水平方向改成垂直方向，从而对钝体h的涡激振动特性产生影响；其它条件相同时，激振力的大小及钝体h的振幅与挡板b的高度H以及挡板b与钝体h表面间的最短距离L有关，可通过调节挡板b的高度H及挡板b与钝体h的相邻表面间的最短距离L控制钝体h的振幅，流速低时增加振幅、流速高时减小振幅，有效的挡板b的高度H及挡板b与钝体h的相邻表面间的最短距离L为钝体h直径D的0～3倍。
钝体h在涡激振动力作用下带动激励器i往复振动时，压电振子d自由端的顶块d3与凸轮面的接触位置发生变化，压电振子d沿凸轮I的斜面i2往复弯曲变形并将机械能转换成电能；具体过程：①激励器i移动并使顶块d3沿凸轮I的斜面i2上升时压电振子d变形量逐渐增加，顶块d3与凸轮I的顶面i3接触时压电振子d的变形量达最大、不再随激励器i的继续移动而增加；②激励器i移动并使顶块d3沿凸轮I的斜面i2下降时压电振子d变形量逐渐减小，顶块d3与凸轮I的底面i1接触时压电振子d的变形量达最小、不再随激励器i的继续移动而降低；激励器i运动到上下极限位置时，顶块d3仍与凸轮面的底面i1或顶面i3接触。

Claims (1)

1.一种钝体扰流致振发电机，其特征在于：框架的纵壁内侧都设有带倾斜安装面的凸块、外侧都设有导板，挡板左右两侧耳板上的滑槽套在框架的导板上并经螺钉固定；激励器一侧设有凸轮、与凸轮相对的一侧设有通槽，凸轮面由依次相连的底面、斜面和顶面构成，凸轮升角为30～50度；钝体左右两端都设有带导孔的凸台，导孔套在销轴上，销轴安装在框架的横臂上；钝体的凸台将支撑簧和缓冲簧分别压接在框架上下两侧的横壁上；激励器的通槽套在钝体的凸台上并经螺钉固定；压电振子一端装在框架的安装面上、另一端装有顶块，压电振子由等厚的基板和压电片粘接而成，基板靠近激励器安装，顶块顶靠在凸轮面上；非工作时顶块与凸轮的斜面中点接触，压电振子安装产生的预弯变形量为其许用值的一半，压电振子许用变形量大于凸轮升程；挡板的高度及挡板与钝体相邻表面间的最短距离为钝体直径的0～3倍；激励器运动到上下极限位置时，顶块仍与凸轮面的底面或顶面接触。
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