一種自限位伸縮振動(dòng)式管道發(fā)電機(jī)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種自限位伸縮振動(dòng)式管道發(fā)電機(jī)，屬油氣管道監(jiān)測領(lǐng)域。管道內(nèi)裝有殼體，殼體端部裝有端蓋，法蘭將施力桿分成左右端桿，右端桿上套有碟簧，碟簧被法蘭壓在殼底上；左端桿上套有滑套、裝有卡簧和激板；壓電振子由金屬基板和壓電晶片粘接而成，基板右端固定在施力桿法蘭上、左端固定在端蓋凸臺上、中間固定在滑套上；壓電振子裝配前為平直結(jié)構(gòu)、且其長度等于端蓋與殼底間的距離，安裝后變?yōu)閺澢Y(jié)構(gòu)、且壓電晶片承受壓應(yīng)力。特色與優(yōu)勢：通過安裝的方法將平直壓電振子變成彎曲結(jié)構(gòu)，形成沿管道長度方向伸縮振動(dòng)的發(fā)電裝置，結(jié)構(gòu)及工藝簡單、成本低；壓電晶片僅受范圍可控的壓應(yīng)力，可靠性高；易通過增加壓電振子數(shù)和長度提高發(fā)電量。
【專利說明】
一種自限位伸縮振動(dòng)式管道發(fā)電機(jī)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于油氣管道監(jiān)測系統(tǒng)及壓電發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及一種自限位伸縮振動(dòng)式管道發(fā)電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]因自然腐蝕、自然界不可抗力、尤其是人為偷盜等造成的油氣管道泄漏事件時(shí)有發(fā)生，不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失、同時(shí)也給其周邊自然環(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對油氣管線加以維護(hù)，但因其鋪設(shè)距離長、且常處于人跡罕至或交通不便之處，定期巡檢難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏并及時(shí)維修，故人們提出了多種類型的管道泄漏監(jiān)測或防盜系統(tǒng)。雖所提出的某些管道泄漏或防盜監(jiān)測報(bào)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、尚未得到廣泛應(yīng)用，其原因之一是其供電問題未得到很好的解決:采用鋪設(shè)電纜的方法成本高、且易被不法分子切斷而影響監(jiān)測系統(tǒng)的正常運(yùn)行;而采用電池供電時(shí)使用時(shí)間有限、需經(jīng)常更換，一旦電池電量不足且未及時(shí)更換時(shí)也無法完成監(jiān)測信息的遠(yuǎn)程傳輸。因此，為使油氣管道泄漏及防盜系統(tǒng)得以實(shí)際應(yīng)用，必須首先解決其供電問題。近年來，為滿足各類無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)的自供電需求，人們提出了一種新型的微型壓電發(fā)電裝置，它具有結(jié)構(gòu)簡單、不發(fā)熱、無電磁干擾、集成化高等特點(diǎn)，尤其適于無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)供電。然而，現(xiàn)有的油氣管道壓電發(fā)電裝置大都通過流體渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)壓電振子發(fā)電的，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，不適于直徑相對較小的管道；同時(shí)，工作中壓電振子雙向彎曲變形、承受交替拉-壓應(yīng)力，拉應(yīng)力過大時(shí)壓電晶片易破碎、可靠性低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對輸油氣管線監(jiān)測的供電難題以及現(xiàn)有壓電發(fā)電裝置應(yīng)用上的局限性，本發(fā)明提出一種自限位伸縮振動(dòng)式管道發(fā)電機(jī)。本發(fā)明采用的實(shí)施方案是:管道內(nèi)壁經(jīng)左右輻板安裝有殼體，殼底上設(shè)有沉孔;殼體端部經(jīng)螺釘裝有端蓋，端蓋上設(shè)有凸臺；法蘭將施力桿分成左端桿和右端桿，右端桿上套有碟形彈簧，碟形彈簧被法蘭壓在殼底上，右端桿端部置于殼底上的沉孔內(nèi)；左端桿上套有滑套、安裝有限位卡簧，左端桿經(jīng)端蓋上的導(dǎo)向孔伸出，左端桿端部經(jīng)螺母安裝有激板;壓電振子由金屬基板和均布的壓電晶片粘接而成，金屬基板的右端經(jīng)螺釘和壓塊固定在施力桿的法蘭上、左端經(jīng)螺釘和壓塊固定在端蓋凸臺上，中部經(jīng)螺釘和壓塊固定在滑套上;壓電振子裝配前的自然狀態(tài)下為平直結(jié)構(gòu)、且其長度等于端蓋與殼底間的距離;壓電振子安裝后變?yōu)閺澢Y(jié)構(gòu)、且壓電晶片的曲率半徑小于基板的曲率半徑，壓電晶片承受壓應(yīng)力;置于端蓋和與之相鄰滑套之間、兩相鄰滑套之間、及殼底和與之相鄰滑套之間的各壓電振子分別構(gòu)成發(fā)電單兀。
[0004]發(fā)電機(jī)安裝后、且無流體流過激板時(shí)，限位卡簧頂靠在端蓋上，發(fā)電單元的壓縮量最大、壓電晶片所受壓應(yīng)力最大;有流體流過激板后，流體動(dòng)壓力使得激板及施力桿右移，迫使各發(fā)電單元伸長、碟形彈簧縮短，限位卡簧脫離端蓋、且發(fā)電單元的壓縮量為其非工作時(shí)的一半;為滿足這一條件，碟形彈簧的剛度Ks和自然長度Ls分別為Ks=(SpvV-NrKPS)/(SNz)和Ls = Δ LNz (NzKs+NrKP) / (NzKs)，式中:Nz和Nr分別為發(fā)電單元的數(shù)量和單個(gè)發(fā)電單元內(nèi)并聯(lián)的壓電振子數(shù)，S為非工作時(shí)發(fā)電單元的壓縮量，Kp為發(fā)電單元內(nèi)單個(gè)壓電振子的伸縮剛度，S為激板的表面積，V和P分別為流體流速和密度，yi為與雷諾數(shù)及結(jié)構(gòu)尺度相關(guān)的系數(shù)。
[0005]工作過程中，即有流體流經(jīng)激板時(shí)，激板在流體的作用下將產(chǎn)生渦激振動(dòng)，并通過施力桿迫使各個(gè)發(fā)電單元產(chǎn)生伸縮振動(dòng):施力桿向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，各發(fā)電單元伸長、碟形彈簧縮短，壓電晶片所受壓應(yīng)力降低;反之，施力桿向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，各發(fā)電單元縮短、碟形彈簧伸長，壓電晶片所受壓應(yīng)力增加，最大壓應(yīng)力由限位卡簧的位置決定;上述各發(fā)電單元交替的伸長-縮短過程中，壓電晶片始終承受合理的壓應(yīng)力，可靠性高;偶然的流速劇增使壓電振子伸長量達(dá)最大、即達(dá)到平直狀態(tài)時(shí)，碟形彈簧將被壓死、流體力直接作用到殼底上。
[0006]優(yōu)勢與特色:①通過安裝的方法將平直壓電振子變成彎曲結(jié)構(gòu)，形成沿管道長度方向伸縮振動(dòng)的發(fā)電裝置，結(jié)構(gòu)及制作工藝簡單、成本低;②壓電晶片僅工作在壓應(yīng)力狀態(tài)下、且壓應(yīng)力范圍可控，可靠性高；③便于通過增加壓電振子數(shù)量和長度的方法提高發(fā)電量。
【附圖說明】
[0007]圖1是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)剖面圖；
[0008]圖2是圖1的A-A視圖；
[0009]圖3是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中安裝前壓電振子的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖4是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中主體的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011 ]管道a內(nèi)壁經(jīng)左輻板b和右輻板b ’安裝有殼體c，殼底d上設(shè)有沉孔e ;殼體c端部經(jīng)螺釘裝有端蓋j，端蓋j上設(shè)有凸臺jl;法蘭f I將施力桿f分成左端桿f 2和右端桿f3，右端桿f3上套有碟形彈簧h，碟形彈簧h被法蘭Π壓在殼底d上，右端桿f3部置于殼底d上的沉孔e內(nèi)；左端桿f 2上套有滑套η、安裝有限位卡簧P，左端桿f 2經(jīng)端蓋j上的導(dǎo)向孔伸出，左端桿f2端部經(jīng)螺母m安裝有激板k ；壓電振子i由金屬基板i I和均布的壓電晶片i 2粘接而成，金屬基板il的右端經(jīng)螺釘和壓塊g固定在施力桿f的法蘭fI上、左端經(jīng)螺釘和壓塊g固定在端蓋j的凸臺jl上，中部經(jīng)螺釘和壓塊g固定在滑套η上;壓電振子i裝配前的自然狀態(tài)下為平直結(jié)構(gòu)、且其長度LI等于端蓋j與殼底d間的距離L2;壓電振子i安裝后變?yōu)閺澢Y(jié)構(gòu)、且壓電晶片i2的曲率半徑小于基板il的曲率半徑，壓電晶片i2承受壓應(yīng)力;置于端蓋j和與之相鄰滑套η之間、兩相鄰滑套η之間、及殼底d和與之相鄰滑套η之間的各壓電振子i分別構(gòu)成發(fā)電單元Q ο
[0012]發(fā)電機(jī)安裝后、且無流體流過激板k時(shí)，限位卡簧P頂靠在端蓋j上，發(fā)電單元Q的壓縮量最大、壓電晶片i2所受壓應(yīng)力最大;有流體流過激板k后，流體動(dòng)壓力使得激板k及施力桿f右移，迫使各發(fā)電單元Q伸長、碟形彈簧h縮短，限位卡簧P脫離端蓋j、且發(fā)電單元Q的壓縮量為其非工作時(shí)的一半;為滿足這一條件，碟形彈簧的剛度Ks和自然長度Ls分別為Ks=(SΡν2μι-ΝΓΚΡδ)/(δΝζ)和Ls= Δ LNz(ΝζΚ8+νγΚρ)/(NzKs)，式中:ΝΖ和Nr分別為發(fā)電單元Q的數(shù)量和單個(gè)發(fā)電單元內(nèi)并聯(lián)的壓電振子i的數(shù)量J為非工作時(shí)發(fā)電單元Q的壓縮量，Kp為發(fā)電單元Q內(nèi)單個(gè)壓電振子i的伸縮剛度，S為激板k的表面積，V和P分別為流體流速和密度，yi為與雷諾數(shù)及結(jié)構(gòu)尺度相關(guān)的系數(shù)。
[0013]工作過程中，即有流體流經(jīng)激板k時(shí)，激板k在流體的作用下將產(chǎn)生渦激振動(dòng)，并通過施力桿f迫使各個(gè)發(fā)電單元Q產(chǎn)生伸縮振動(dòng):施力桿f向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，各發(fā)電單元Q伸長、碟形彈簧h縮短，壓電晶片i2所受壓應(yīng)力降低;反之，施力桿f向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，各發(fā)電單元Q縮短、碟形彈簧h伸長，壓電晶片i2所受壓應(yīng)力增加，最大壓應(yīng)力由限位卡簧P的位置決定;上述各發(fā)電單元Q交替的伸長-縮短過程中，壓電晶片i2始終承受合理的壓應(yīng)力，可靠性高;偶然的流速劇增使壓電振子i伸長量達(dá)最大、即達(dá)到平直狀態(tài)時(shí)，碟形彈簧h將被壓死、流體力直接作用到殼底d上。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種自限位伸縮振動(dòng)式管道發(fā)電機(jī)，其特征在于:管道內(nèi)壁經(jīng)左右輻板安裝有殼體，殼底上設(shè)有沉孔;殼體端部裝有端蓋，端蓋上設(shè)有凸臺；法蘭將施力桿分成左端桿和右端桿，右端桿上套有碟形彈簧，碟形彈簧被法蘭壓在殼底上，右端桿端部置于殼底上的沉孔內(nèi)；左端桿上套有滑套、安裝有限位卡簧，左端桿經(jīng)端蓋上的導(dǎo)向孔伸出，左端桿端部安裝有激板;壓電振子由金屬基板和均布的壓電晶片粘接而成，金屬基板右端固定在施力桿的法蘭上、左端固定在端蓋凸臺上，中部固定在滑套上；壓電振子裝配前為平直結(jié)構(gòu)、且其長度等于端蓋與殼底間的距離，安裝后變?yōu)閺澢Y(jié)構(gòu)、且壓電晶片承受壓應(yīng)力;置于端蓋和與之相鄰滑套之間、兩相鄰滑套之間、以及殼底和與之相鄰滑套之間的各壓電振子分別構(gòu)成發(fā)電單元;工作時(shí)發(fā)電單元的壓縮量為非工作時(shí)的一半，碟形彈簧的剛度和自然長度分別為Ks= (Spv2y1-NU)/(SNzMPLs= Δ LNz(NzKs+NrKP)/(NzKs)，式中:Nz和Nr分別為發(fā)電單元數(shù)量和單個(gè)發(fā)電單元內(nèi)壓電振子的數(shù)量，δ為非工作時(shí)發(fā)電單元的壓縮量，Kp為發(fā)電單元內(nèi)單個(gè)壓電振子的伸縮剛度，S為激板的表面積，V和P分別為流體流速和密度，yi為與雷諾數(shù)及結(jié)構(gòu)尺度相關(guān)的系數(shù)。
【文檔編號】H02N2/18GK106026769SQ201610458886
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】闞君武, 富佳偉, 施繼忠, 王淑云, 張可
【申請人】浙江師范大學(xué)