一种自限位伸缩振动式管道发电机的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种自限位伸缩振动式管道发电机，属油气管道监测领域。管道内装有壳体，壳体端部装有端盖，法兰将施力杆分成左右端杆，右端杆上套有碟簧，碟簧被法兰压在壳底上；左端杆上套有滑套、装有卡簧和激板；压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，基板右端固定在施力杆法兰上、左端固定在端盖凸台上、中间固定在滑套上；压电振子装配前为平直结构、且其长度等于端盖与壳底间的距离，安装后变为弯曲结构、且压电晶片承受压应力。特色与优势：通过安装的方法将平直压电振子变成弯曲结构，形成沿管道长度方向伸缩振动的发电装置，结构及工艺简单、成本低；压电晶片仅受范围可控的压应力，可靠性高；易通过增加压电振子数和长度提高发电量。
【专利说明】
一种自限位伸缩振动式管道发电机
技术领域
[0001]本发明属于油气管道监测系统及压电发电领域，具体涉及一种自限位伸缩振动式管道发电机。
【背景技术】
[0002]因自然腐蚀、自然界不可抗力、尤其是人为偷盗等造成的油气管道泄漏事件时有发生，不仅造成了巨大的经济损失、同时也给其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对油气管线加以维护，但因其铺设距离长、且常处于人迹罕至或交通不便之处，定期巡检难以及时发现泄漏并及时维修，故人们提出了多种类型的管道泄漏监测或防盗系统。虽所提出的某些管道泄漏或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、尚未得到广泛应用，其原因之一是其供电问题未得到很好的解决:采用铺设电缆的方法成本高、且易被不法分子切断而影响监测系统的正常运行;而采用电池供电时使用时间有限、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。因此，为使油气管道泄漏及防盗系统得以实际应用，必须首先解决其供电问题。近年来，为满足各类无线传感监测系统的自供电需求，人们提出了一种新型的微型压电发电装置，它具有结构简单、不发热、无电磁干扰、集成化高等特点，尤其适于无线传感监测系统供电。然而，现有的油气管道压电发电装置大都通过流体涡轮转动驱动压电振子发电的，结构复杂、体积大，不适于直径相对较小的管道；同时，工作中压电振子双向弯曲变形、承受交替拉-压应力，拉应力过大时压电晶片易破碎、可靠性低。
【发明内容】
[0003]针对输油气管线监测的供电难题以及现有压电发电装置应用上的局限性，本发明提出一种自限位伸缩振动式管道发电机。本发明采用的实施方案是:管道内壁经左右辐板安装有壳体，壳底上设有沉孔;壳体端部经螺钉装有端盖，端盖上设有凸台；法兰将施力杆分成左端杆和右端杆，右端杆上套有碟形弹簧，碟形弹簧被法兰压在壳底上，右端杆端部置于壳底上的沉孔内；左端杆上套有滑套、安装有限位卡簧，左端杆经端盖上的导向孔伸出，左端杆端部经螺母安装有激板;压电振子由金属基板和均布的压电晶片粘接而成，金属基板的右端经螺钉和压块固定在施力杆的法兰上、左端经螺钉和压块固定在端盖凸台上，中部经螺钉和压块固定在滑套上;压电振子装配前的自然状态下为平直结构、且其长度等于端盖与壳底间的距离;压电振子安装后变为弯曲结构、且压电晶片的曲率半径小于基板的曲率半径，压电晶片承受压应力;置于端盖和与之相邻滑套之间、两相邻滑套之间、及壳底和与之相邻滑套之间的各压电振子分别构成发电单兀。
[0004]发电机安装后、且无流体流过激板时，限位卡簧顶靠在端盖上，发电单元的压缩量最大、压电晶片所受压应力最大;有流体流过激板后，流体动压力使得激板及施力杆右移，迫使各发电单元伸长、碟形弹簧缩短，限位卡簧脱离端盖、且发电单元的压缩量为其非工作时的一半;为满足这一条件，碟形弹簧的刚度Ks和自然长度Ls分别为Ks=(SpvV-NrKPS)/(SNz)和Ls = Δ LNz (NzKs+NrKP) / (NzKs)，式中:Nz和Nr分别为发电单元的数量和单个发电单元内并联的压电振子数，S为非工作时发电单元的压缩量，Kp为发电单元内单个压电振子的伸缩刚度，S为激板的表面积，V和P分别为流体流速和密度，yi为与雷诺数及结构尺度相关的系数。
[0005]工作过程中，即有流体流经激板时，激板在流体的作用下将产生涡激振动，并通过施力杆迫使各个发电单元产生伸缩振动:施力杆向右运动时，各发电单元伸长、碟形弹簧缩短，压电晶片所受压应力降低;反之，施力杆向左运动时，各发电单元缩短、碟形弹簧伸长，压电晶片所受压应力增加，最大压应力由限位卡簧的位置决定;上述各发电单元交替的伸长-缩短过程中，压电晶片始终承受合理的压应力，可靠性高;偶然的流速剧增使压电振子伸长量达最大、即达到平直状态时，碟形弹簧将被压死、流体力直接作用到壳底上。
[0006]优势与特色:①通过安装的方法将平直压电振子变成弯曲结构，形成沿管道长度方向伸缩振动的发电装置，结构及制作工艺简单、成本低;②压电晶片仅工作在压应力状态下、且压应力范围可控，可靠性高；③便于通过增加压电振子数量和长度的方法提高发电量。
【附图说明】
[0007]图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构剖面图；
[0008]图2是图1的A-A视图；
[0009]图3是本发明一个较佳实施例中安装前压电振子的结构示意图；
[0010]图4是本发明一个较佳实施例中主体的结构示意图。
【具体实施方式】
[0011 ]管道a内壁经左辐板b和右辐板b ’安装有壳体c，壳底d上设有沉孔e ;壳体c端部经螺钉装有端盖j，端盖j上设有凸台jl;法兰f I将施力杆f分成左端杆f 2和右端杆f3，右端杆f3上套有碟形弹簧h，碟形弹簧h被法兰Π压在壳底d上，右端杆f3部置于壳底d上的沉孔e内；左端杆f 2上套有滑套η、安装有限位卡簧P，左端杆f 2经端盖j上的导向孔伸出，左端杆f2端部经螺母m安装有激板k ；压电振子i由金属基板i I和均布的压电晶片i 2粘接而成，金属基板il的右端经螺钉和压块g固定在施力杆f的法兰fI上、左端经螺钉和压块g固定在端盖j的凸台jl上，中部经螺钉和压块g固定在滑套η上;压电振子i装配前的自然状态下为平直结构、且其长度LI等于端盖j与壳底d间的距离L2;压电振子i安装后变为弯曲结构、且压电晶片i2的曲率半径小于基板il的曲率半径，压电晶片i2承受压应力;置于端盖j和与之相邻滑套η之间、两相邻滑套η之间、及壳底d和与之相邻滑套η之间的各压电振子i分别构成发电单元Q ο
[0012]发电机安装后、且无流体流过激板k时，限位卡簧P顶靠在端盖j上，发电单元Q的压缩量最大、压电晶片i2所受压应力最大;有流体流过激板k后，流体动压力使得激板k及施力杆f右移，迫使各发电单元Q伸长、碟形弹簧h缩短，限位卡簧P脱离端盖j、且发电单元Q的压缩量为其非工作时的一半;为满足这一条件，碟形弹簧的刚度Ks和自然长度Ls分别为Ks=(SΡν2μι-ΝΓΚΡδ)/(δΝζ)和Ls= Δ LNz(ΝζΚ8+νγΚρ)/(NzKs)，式中:ΝΖ和Nr分别为发电单元Q的数量和单个发电单元内并联的压电振子i的数量J为非工作时发电单元Q的压缩量，Kp为发电单元Q内单个压电振子i的伸缩刚度，S为激板k的表面积，V和P分别为流体流速和密度，yi为与雷诺数及结构尺度相关的系数。
[0013]工作过程中，即有流体流经激板k时，激板k在流体的作用下将产生涡激振动，并通过施力杆f迫使各个发电单元Q产生伸缩振动:施力杆f向右运动时，各发电单元Q伸长、碟形弹簧h缩短，压电晶片i2所受压应力降低;反之，施力杆f向左运动时，各发电单元Q缩短、碟形弹簧h伸长，压电晶片i2所受压应力增加，最大压应力由限位卡簧P的位置决定;上述各发电单元Q交替的伸长-缩短过程中，压电晶片i2始终承受合理的压应力，可靠性高;偶然的流速剧增使压电振子i伸长量达最大、即达到平直状态时，碟形弹簧h将被压死、流体力直接作用到壳底d上。
【主权项】
1.一种自限位伸缩振动式管道发电机，其特征在于:管道内壁经左右辐板安装有壳体，壳底上设有沉孔;壳体端部装有端盖，端盖上设有凸台；法兰将施力杆分成左端杆和右端杆，右端杆上套有碟形弹簧，碟形弹簧被法兰压在壳底上，右端杆端部置于壳底上的沉孔内；左端杆上套有滑套、安装有限位卡簧，左端杆经端盖上的导向孔伸出，左端杆端部安装有激板;压电振子由金属基板和均布的压电晶片粘接而成，金属基板右端固定在施力杆的法兰上、左端固定在端盖凸台上，中部固定在滑套上；压电振子装配前为平直结构、且其长度等于端盖与壳底间的距离，安装后变为弯曲结构、且压电晶片承受压应力;置于端盖和与之相邻滑套之间、两相邻滑套之间、以及壳底和与之相邻滑套之间的各压电振子分别构成发电单元;工作时发电单元的压缩量为非工作时的一半，碟形弹簧的刚度和自然长度分别为Ks= (Spv2y1-NU)/(SNzMPLs= Δ LNz(NzKs+NrKP)/(NzKs)，式中:Nz和Nr分别为发电单元数量和单个发电单元内压电振子的数量，δ为非工作时发电单元的压缩量，Kp为发电单元内单个压电振子的伸缩刚度，S为激板的表面积，V和P分别为流体流速和密度，yi为与雷诺数及结构尺度相关的系数。
【文档编号】H02N2/18GK106026769SQ201610458886
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月15日
【发明人】阚君武, 富佳伟, 施继忠, 王淑云, 张可
【申请人】浙江师范大学