[0001] 本发明属于油气管道监测系统及压电发电领域，具体涉及一种自激振动式定常管流压电发电机。

[0002] 油气管道是国家能源和经济建设的命脉。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，但目前我国油气管道泄漏监测或防盗系统的应用还处于起步阶段、尚未得到广泛应用，其主要原因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，为使油气管道泄漏或防盗系统得以实际应用，必须首先解决其供电问题。

[0003] 近年来，为满足各类传感监测系统的自供电需求，国内外专家学者提出了多种新型的微型压电发电装置，它们具有结构简单、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，现有针对油气管道传感监测系统自供电的压电发电装置中，绝大部分是通过流体涡轮转动驱动压电振子振子发电的，它们结构复杂、体积大，不适于直径相对较小的管道；同时，压电振子在工作中双向弯曲变形、承受交替拉-压应力，当拉应力过大时压电晶片易损坏、可靠性较低。

[0004] 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，本发明提出一种自激振动式定常管流压电发电机。本发明采用的实施方案是：管道内壁经左右辐板装有壳体，壳体底壁上装有支座、端部装有端盖；轴台将销轴分成左右半轴，套在右半轴上的限位弹簧被轴台压在支座上，右半轴端部置于支座的导向孔内；左半轴上自右至左依次套有滑套、固定有卡簧、套有缓冲弹簧，左半轴端部经端盖的导向孔伸出、且安装有激板；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支座上、左端和中部固定在不同的滑套上；压电振子装配前为平直结构、装配后为弯曲结构，且压电晶片曲率半径小于金属基板曲率半径、压电晶片承受压应力；置于两相邻滑套之间、置于支座和与之相邻滑套间的各压电振子分别构成发电单元。

[0005] 安装后且无流体流动的非工作状态下，压电振子经最左端的滑套将缓冲弹簧压靠在端盖上，限位弹簧经销轴将卡簧压靠在端盖上；为提高发电能力及可靠性，正常工作状态下，即当激板在流体动压力、限位弹簧、缓冲弹簧及压电振子共同作用达到动平衡状态时，压电振子的被压缩量为其许用值的一半、即为其最大可压缩量的一半；偶然因素使流体动压力增加且使压电振子被压缩量达许用值时，限位弹簧被压死，流体作用力直接由支座承受。

[0006] 工作状态下，流体动压力使得激板及销轴右移，迫使各发电单元及限位弹簧压缩、缓冲弹簧伸长、卡簧脱离端盖，压电晶片所受压应力增加；当激板在流体动压力、限位弹簧、缓冲弹簧及压电振子共同作用达到动平衡状态时，激板在流体的作用下所产生的涡激振动通过销轴迫使各个发电单元产生伸缩振动：销轴向左运动时，各发电单元及限位弹簧伸长、缓冲弹簧缩短、压电晶片所受压应力增加；反之，销轴向右运动时，各发电单元及限位弹簧缩短、缓冲弹簧伸长、压电晶片所受压应力降低；上述各发电单元交替的伸长-缩短过程中，压电晶片始终承受压应力，可靠性高；便于通过增加压电振子数量和长度的方法提高发电量。

[0007] 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

[0008] 图1是本发明一个较佳实施例中发电机工作状态下的结构剖面图；

[0009] 图2图1的A-A视图；

[0010] 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；

[0011] 图4是本发明一个较佳实施例中发电机非工作状态下的结构剖面图。

[0012] 管道a内壁经左辐板b和右辐板b’安装有壳体c，壳体c的底壁c1上经螺钉安装有支座i，壳体c的端部经螺钉装有端盖k；轴台f1将销轴f分成左半轴f2和右半轴f3，套在右半轴f3上的限位弹簧h被轴台f1压在支座i上，右半轴f3端部置于支座i的导向孔内；左半轴f2上自右至左依次套有滑套g、固定有卡簧p、套有缓冲弹簧j，左半轴f2的端部经端盖k上的导向孔伸出、且安装有激板m；压电振子d由金属基板d1和均布的压电晶片d2粘接而成，金属基板d1的右端经螺钉和压块e固定在支座i上、左端和中部经螺钉和压块e固定在不同的滑套g上；压电振子d装配前的自然状态下为平直结构；压电振子d安装后变为弯曲结构、且压电晶片d2的曲率半径小于金属基板d1的曲率半径，压电晶片d2承受压应力；置于两相邻滑套g之间、置于支座i和与之相邻滑套g之间的各压电振子d分别构成发电单元Q。

[0013] 安装后且无流体流动的非工作状态下，压电振子d经最左端的滑套g将缓冲弹簧j压靠在端盖k上，限位弹簧h经销轴f将卡簧p压靠在端盖k上；为提高发电能力及可靠性，正常的工作状态下，即当激板m在流体动压力、限位弹簧h、缓冲弹簧j及压电振子d共同作用达到动平衡状态时，压电振子d的被压缩量为其许用值的一半、即为其最大可压缩量的一半；偶然因素使流体动压力增加且使压电振子d的被压缩量达到许用值时，限位弹簧h被压死，流体作用力直接由支座i承受。

[0014] 工作状态下，流体动压力使得激板m及销轴f右移，迫使各发电单元Q及限位弹簧h压缩、缓冲弹簧j伸长、卡簧p脱离端盖k，压电晶片d2所受压应力增加；当激板m在流体动压力、限位弹簧h、缓冲弹簧j及压电振子d共同作用达到动平衡状态时，激板m在流体的作用下所产生的涡激振动还通过销轴f迫使各个发电单元Q产生伸缩振动：销轴f向左运动时，各发电单元Q及限位弹簧h伸长、缓冲弹簧j缩短、压电晶片d2所受压应力增加；反之，销轴f向右运动时，各发电单元Q及限位弹簧h缩短、缓冲弹簧j伸长、压电晶片d2所受压应力降低；上述各发电单元Q交替的伸长-缩短过程中，压电晶片d2始终承受压应力，可靠性高；便于通过增加压电振子d数量和长度的方法提高发电量。