本發(fā)明屬于管道流體發(fā)電與管道監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種壓電振動式管道流發(fā)電機(jī)。

背景技術(shù)：

由于腐蝕、自然界不可抗力以及人為偷盜等原因所造成的石油及天然氣等流體長輸管道在使用過程的泄漏事件時有發(fā)生，頻繁的管道泄漏不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失、同時也給周邊自然環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。以往，常采用定期人工巡檢的方法加以維護(hù)，但因油氣管道鋪設(shè)距離長、且常處于人跡罕至或交通不便之處，人為定期巡檢難以及時發(fā)現(xiàn)泄漏并加以維護(hù)。因此，人們提出了多種類型用于管道泄漏監(jiān)測與防盜系統(tǒng)。雖然所提出的某些管道流體泄漏及防盜監(jiān)測報警方法在技術(shù)層面已較成熟，但目前我國長輸管道防盜監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用還處于起步階段、尚未得到大面積推廣應(yīng)用，主要原因之一是監(jiān)測系統(tǒng)的供電問題未能得到很好的解決：①鋪設(shè)電纜成本高且易被不法分子切斷而影響監(jiān)測系統(tǒng)的正常運(yùn)行；②電池供電使用時間有限、需經(jīng)常更換，一旦電池電量不足且未及時更換時也無法完成監(jiān)測信息的遠(yuǎn)程傳輸。近年來，為滿足相關(guān)無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)的自供電需求，人們已經(jīng)提出了多種形式的渦輪式微小型流體發(fā)電裝置，其最大的問題是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積相對較大，不適于管道直徑較小的場合，某些結(jié)構(gòu)的發(fā)電裝置還存在電磁干擾等現(xiàn)象，推廣應(yīng)用受到了一定的制約。因此，為使石油及天然氣管道泄漏及防盜監(jiān)測系統(tǒng)得以實(shí)際應(yīng)用，首先仍需解決其供電問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有管道流體狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)供電方面所存在的問題，本發(fā)明提出一種壓電振動式管道流發(fā)電機(jī)。本發(fā)明采用的實(shí)施方案是：管道內(nèi)壁上經(jīng)輻板固定有內(nèi)筒，內(nèi)筒筒壁內(nèi)側(cè)經(jīng)螺釘安裝有限位簧片，內(nèi)筒底壁外側(cè)鑲嵌有兩條定磁鐵、設(shè)有兩個帶筋板的耳板，內(nèi)筒筒壁的左端經(jīng)螺釘安裝有端蓋；端蓋上經(jīng)螺釘安裝有兩組壓電振子和一個激勵簧片，每組壓電振子都至少包含壓電振子一和壓電振子二；壓電振子一由基板一和壓電片一粘接而成、壓電振子二由基板二和壓電片二粘接而成，壓電振子一的自由端經(jīng)螺釘安裝有被懸浮磁鐵一、壓電振子二的自由端經(jīng)螺釘安裝有被懸浮磁鐵二；激勵簧片上經(jīng)螺釘安裝有懸浮磁鐵一、懸浮磁鐵二和受激磁鐵，懸浮磁鐵一與被懸浮磁鐵一的同性磁極相對安裝、懸浮磁鐵二與被懸浮磁鐵二的同性磁極相對安裝；壓電振子一和壓電振子二的固定端由墊片隔開，基板一和基板二靠近激勵簧片安裝；壓電振子一和壓電振子二安裝前為平直結(jié)構(gòu)、安裝后為彎曲結(jié)構(gòu)，非工作時壓電片一和壓電片二上最大的壓應(yīng)力為其許用值的一半；受激磁鐵與定磁鐵的異性磁極相對安裝，兩條定磁鐵對稱置于受激磁鐵的左右兩側(cè)；激勵器的搖臂上設(shè)有銷孔，銷孔套在銷軸上，銷軸兩端分別固定在兩個耳板上；搖臂的一端設(shè)有中空的擾流體、另一端經(jīng)螺釘安裝有激勵磁鐵，激勵磁鐵與受激磁鐵的異性磁極相對安裝；搖臂的兩側(cè)各設(shè)有一個連接板，平衡簧片的一端經(jīng)螺釘和壓塊安裝在耳板的筋板上、另一端經(jīng)螺釘和壓塊安裝在搖臂的連接板上；激勵簧片和平衡簧片的對稱中心、銷軸的中心線及擾流體的中心線位于同一平面上。

非工作時，激勵簧片上下兩側(cè)的壓電振子一的變形和受力狀態(tài)分別相同、壓電振子二的變形和受力狀態(tài)分別相同；工作狀態(tài)下，即有流體從右到左流過擾流體時，擾流體會受到流體施加的上下交變的作用力，從而使激勵器繞銷軸往復(fù)擺動，再經(jīng)激勵磁鐵與受激磁鐵之間的相互吸引力帶動激勵簧片往復(fù)擺動；激勵簧片經(jīng)懸浮磁鐵一與被懸浮磁鐵一間的作用力迫使壓電振子一產(chǎn)生單向彎曲變形、經(jīng)懸浮磁鐵二與被懸浮磁鐵二間的作用力迫使壓電振子二產(chǎn)生單向彎曲變形。

當(dāng)激勵簧片一側(cè)的壓電振子一和壓電振子二彎曲變形量逐漸增加時，另一側(cè)壓電振子一和壓電振子二彎曲變形量逐漸減小，從而使壓電片一和壓電片二所受壓應(yīng)力交替地增加與減小并將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。

工作中激勵器同時受流體力、激勵簧片與平衡簧片的彈性力、定磁鐵的吸引力及受激磁鐵的吸引力的共同作用，流體力為驅(qū)動力、激勵簧片及平衡簧片施加的是阻力；當(dāng)激勵器擺動使激勵磁鐵和受激磁鐵離開平衡位置時，激勵磁鐵和受激磁鐵所受左右兩個定磁鐵的吸引力不再相等，一側(cè)的吸引力逐漸增加、另一側(cè)的吸引力逐漸減??；同時，激勵簧片及平衡簧片的反作用力增加、流體驅(qū)動力逐漸減小、直至換向，從而使激勵器受力方向及擺動方向發(fā)生變化；激勵磁鐵和受激磁鐵與某個定磁鐵間的距離最近、吸引力最大時，壓電片一和壓電片二所受壓應(yīng)力應(yīng)小于其許用值；兩個定磁鐵的作用在于增加并限定激勵簧片及激勵器的振幅、拓寬頻帶。

本發(fā)明中，壓電振子一與被懸浮磁鐵一構(gòu)成一個彈簧質(zhì)量系統(tǒng)、壓電振子二與被懸浮磁鐵二構(gòu)成一個彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，激勵簧片與受激磁鐵構(gòu)成一個彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，兩個平衡簧片與激勵器構(gòu)成一個彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，故俘能器為多自由度系統(tǒng)。

本發(fā)明中，非工作時壓電振子一和壓電振子二自由端的合理變形量按下式計算其中：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基板一或基板二的厚度，h為壓電振子一或壓電振子二總厚度，em和ep分別為基板和壓電材料的楊氏模量，k31和分別為壓電材料的機(jī)電耦合系數(shù)和許用壓應(yīng)力，l為壓電振子一或壓電振子二的長度。

優(yōu)勢與特色：①俘能器為多自由度系統(tǒng)、且易通過各子系統(tǒng)質(zhì)量及剛度調(diào)節(jié)其固有頻率，頻帶寬、流體環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；②通過激勵器間接激勵，壓電振子不與流體直接作用、工作中壓電片僅承受分布均勻且可控的壓應(yīng)力，可靠性高、發(fā)電量大；③定磁鐵具有增加變形量和限位的雙重功能，進(jìn)一步提高了可靠性和發(fā)電能力；④利用激勵器所受流體升力產(chǎn)生自激振動，低速時激勵效果也較好，且可用過激勵器銷孔與擾流體間的距離實(shí)現(xiàn)其搖臂擺動幅值的放大或縮小。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的a-a剖視圖；

圖3是圖2的b-b剖視圖；

圖4是圖2的c-c剖視圖；

圖5是圖2的i放大圖；

圖6是圖2的ii放大圖；

圖7是本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中激勵器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是圖7的俯視圖。

具體實(shí)施方式

管道a的內(nèi)壁上經(jīng)輻板b固定有內(nèi)筒c，內(nèi)筒筒壁c1的內(nèi)側(cè)經(jīng)螺釘安裝有限位簧片d，內(nèi)筒底壁c2的外側(cè)鑲嵌有兩條定磁鐵e、設(shè)有兩個帶筋板f1的耳板f，內(nèi)筒筒壁c1的左端經(jīng)螺釘安裝有端蓋g；端蓋g上經(jīng)螺釘安裝有兩組壓電振子y和一個激勵簧片i，每組壓電振子y都至少包含壓電振子一h和壓電振子二h’；壓電振子一h由基板一h1和壓電片一h2粘接而成、壓電振子二h’由基板二h1’和壓電片二h2’粘接而成，壓電振子一h的自由端經(jīng)螺釘安裝有被懸浮磁鐵一j、壓電振子二h’的自由端經(jīng)螺釘安裝有被懸浮磁鐵二j’；激勵簧片i上經(jīng)螺釘安裝有懸浮磁鐵一k、懸浮磁鐵二k’和受激磁鐵m，懸浮磁鐵一k與被懸浮磁鐵一j的同性磁極相對安裝、懸浮磁鐵二k’與被懸浮磁鐵二j’的同性磁極相對安裝；壓電振子一h和壓電振子二h’的固定端由墊片n隔開，基板一h1和基板二h1’靠近激勵簧片i安裝；壓電振子一h和壓電振子二h’安裝前為平直結(jié)構(gòu)、安裝后為彎曲結(jié)構(gòu)，非工作時壓電片一h2和壓電片二h2’上最大的壓應(yīng)力為其許用壓應(yīng)力的一半；受激磁鐵m與定磁鐵e的異性磁極相對安裝，兩條定磁鐵e對稱置于受激磁鐵m的左右兩側(cè)；激勵器p的搖臂p2上設(shè)有銷孔p4，銷孔p4套在銷軸q上，銷軸q的兩端分別固定在兩個耳板f上；搖臂p2的一端設(shè)有中空的擾流體p1、另一端經(jīng)螺釘安裝有激勵磁鐵r，激勵磁鐵r與受激磁鐵m的異性磁極相對安裝；搖臂p2的兩側(cè)各設(shè)有一個連接板p3，平衡簧片s的一端經(jīng)螺釘和壓塊t安裝在耳板f的筋板f1上、另一端經(jīng)螺釘和壓塊t安裝在連接板p3上；激勵簧片i和平衡簧片s的對稱中心、銷軸q的中心線及擾流體p1的中心線位于同一平面上。

非工作時，激勵簧片i上下兩側(cè)的壓電振子一h的變形和受力狀態(tài)分別相同、壓電振子二h’的變形和受力狀態(tài)分別相同；工作狀態(tài)下，即有流體從右到左流過擾流體p1時，擾流體p1會受到流體施加的上下交變的作用力，從而使激勵器p繞銷軸q往復(fù)擺動，再經(jīng)激勵磁鐵r與受激磁鐵m之間的相互吸引力帶動激勵簧片i往復(fù)擺動；激勵簧片i經(jīng)懸浮磁鐵一k與被懸浮磁鐵一j間的作用力迫使壓電振子一h產(chǎn)生單向彎曲變形、經(jīng)懸浮磁鐵二k’與被懸浮磁鐵二j’間的作用力迫使壓電振子二h’產(chǎn)生單向彎曲變形。

當(dāng)激勵簧片i一側(cè)的壓電振子一h和壓電振子二h’彎曲變形量逐漸增加時，另一側(cè)壓電振子一h和壓電振子二h’彎曲變形量逐漸減小，從而使壓電片一h2和壓電片二h2’所受的壓應(yīng)力交替增加與減小并將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。

工作中激勵器p同時受流體力、激勵簧片i與平衡簧片s的彈性力、定磁鐵e的吸引力及受激磁鐵m的吸引力的共同作用，流體力為驅(qū)動力、激勵簧片i及平衡簧片s施加的是阻力；當(dāng)激勵器p擺動使激勵磁鐵r和受激磁鐵m離開平衡位置時，激勵磁鐵r和受激磁鐵m所受左右兩個定磁鐵e的吸引力不再相等，一側(cè)的吸引力逐漸增加、另一側(cè)的吸引力逐漸減??；同時，激勵簧片i及平衡簧片s的反作用力增加、流體驅(qū)動力逐漸減小、直至換向，從而使激勵器p受力方向及擺動方向發(fā)生變化；激勵磁鐵r和受激磁鐵m與某個定磁鐵e間的距離最近、吸引力最大時，壓電片一h2和壓電片二h2’所受壓應(yīng)力應(yīng)小于其許用值；兩個定磁鐵e的作用在于增加并限定激勵簧片i及激勵器p的振幅、拓寬頻帶。

本發(fā)明中，壓電振子一h與被懸浮磁鐵一j構(gòu)成一個彈簧質(zhì)量系統(tǒng)、壓電振子二h’與被懸浮磁鐵二j’構(gòu)成一個彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，激勵簧片i與受激磁鐵m構(gòu)成一個彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，兩個平衡簧片s與激勵器p構(gòu)成一個彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，故俘能器為多自由度系統(tǒng)。

本發(fā)明中，非工作時壓電振子一h和壓電振子二h’自由端的合理變形量按下式計算其中：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基板一h1或基板二h1’的厚度，h為壓電振子一h或壓電振子二h’總厚度，em和ep分別為基板和壓電材料的楊氏模量，k31和分別為壓電材料的機(jī)電耦合系數(shù)和許用壓應(yīng)力，l為壓電振子一h或壓電振子二h’的長度。