一种用于水轮机流道流态监测的伴流球

本发明属于流态检测相关，更具体地，涉及一种用于水轮机流道流态监测的伴流球。

背景技术：

1、我国是水力发电大国，各地都有大大小小的水坝以及非常多的发电机组，预计到2030年，我国的水力发电总装机容量约为5.2亿千瓦，水电开发程度达60％。作为以流体为工质的大功率换能设施，水力发电机组系统由引水工程、水力发电机组、输电工程等组件构成，其中由引水工程和水力发电机组组成的水力发电机组主流道承担了主要的流体承载任务，主流道核心区实验数据如流体的压力脉动、流线流场等需要真机实测，以便于水力发电机组运行与维护，以及机组设计的改进与优化。目前常见的检测方法与手段主要有：

2、流体有限元仿真分析是流道设计中最常用的仿真分析方法。借助相关工具，使得常规水电和抽水蓄能电站中水力发电机组主流道的流场、流线、压力脉动等反映发电机组运行状况的关键特征可通过仿真获取，通过对水电站内部流道以及周边环境的建模仿真，可以在一定程度上评估流场的物理特性和对环境的影响等。仿真分析的特点是设计条件为理想情况、各种条件严格可控、影响结果的因素相对较少、分析的可重复性强。与之相对应的，直接实验的特点是实验结果接近实际、实验条件复杂多样、影响结果的因素较多，并且实验的可重复性较弱。

3、传统的水力发电机组流场数据监测方案以固定传感器为主。该类型水下监测设备与地面相对静止，用于监测绝对坐标系下某一固定质点的物理信息。在目前有关流体数据采集的方案中，通过安装在管道附近的传感器进行接触式或非接触式的数据采集是相当成熟并且运用广泛的技术。该类型监测设备在管网、水电系统与其他以流体为目标的监测系统中已经实现大量运用，但其本身具有灵活性弱、可维护性差等弱点，无法应对某些特殊的需求，例如无法监测高速运转的水轮机叶片表面的流场数据，使得无法适用于水轮机流道的监测。

4、另外，目前广泛使用的流体内监测方案还有水下自行监测机器人。水下自行监测机器人是指具有自主动力的，能够按照既定作业程序或者由人工进行实时远程控制的水下监测/探测机器人。但是目前的水下机器人暂时无法承受高速、高压、高加速度的工作环境，并且其会对流道造成不可遇见的损伤，因此在流道内其不被允许使用。

5、基于上述流道流态监测中存在的技术问题，尚未有较好的解决方案，因此迫切需要寻求有效方案以解决上述问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于水轮机流道流态监测的伴流球，解决了现有固定传感器以及水下自行监测机器人无法适用于水轮机流道流态监测，使得水力发电机组主流道的核心区流场实测数据存在缺失的问题。

2、为实现上述目的，按照本发明，提供了一种用于水轮机流道流态监测的伴流球，包括外壳、传感器组件、抛载机构和配重块，所述外壳为中空球形结构，所述外壳的内部设有所述传感器组件，所述外壳的一侧表面设有凹陷部，所述配重块设在所述凹陷部，所述抛载机构固定在所述外壳的内部且伸出至所述凹陷部与所述配重块可拆卸连接；

3、所述抛载机构与所述配重块呈连接状态时，所述伴流球的密度与水的密度相近，以实现在流道中与水流一起流动且通过所述传感器组件获取流态数据；所述抛载机构与所述配重块呈拆卸状态时，所述伴流球的密度小于水的密度，以实现无动力上浮至水面便于回收。

4、根据本发明提供的用于水轮机流道流态监测的伴流球，所述抛载机构包括驱动机构、连接轴和卸荷钩，所述驱动机构固定在所述外壳的内部，所述驱动机构与所述连接轴相连、用于驱动所述连接轴转动，所述连接轴伸出所述外壳至所述凹陷部且在伸出部位固定连接有所述卸荷钩，所述卸荷钩通过转动实现与所述配重块的连接和拆卸。

5、根据本发明提供的用于水轮机流道流态监测的伴流球，所述驱动机构包括支架、电机、丝杆、滑块、连杆和连接臂，所述电机和所述丝杆分别安装于所述支架，所述支架与所述外壳连接固定，所述电机通过传动组件带动所述丝杆转动，所述丝杆上匹配连接有所述滑块，所述滑块与所述连杆的一端转动连接，所述连杆的另一端与所述连接臂的一端转动连接，所述连接臂的另一端与所述连接轴的一端相连。

6、根据本发明提供的用于水轮机流道流态监测的伴流球，所述配重块上在与所述连接轴和所述卸荷钩对应处设有避让槽，所述避让槽中设有与所述卸荷钩匹配相连的固定杆。

7、根据本发明提供的用于水轮机流道流态监测的伴流球，所述凹陷部还设有弹片，在所述抛载机构与所述配重块呈连接状态时，所述弹片呈压紧状态；

8、和/或，所述配重块和所述凹陷部的壁面之间还设有匹配的卡勾结构。

9、根据本发明提供的用于水轮机流道流态监测的伴流球，所述外壳上还设有指示灯，在所述抛载机构与所述配重块呈拆卸状态时，所述伴流球的重心位于远离所述指示灯的一侧。

10、根据本发明提供的用于水轮机流道流态监测的伴流球，所述传感器组件包括应变传感器和惯性传感器，所述惯性传感器固定在所述外壳的中间部位，所述应变传感器与所述外壳的内壁相贴设置；

11、所述外壳的内部还固定设有电源和电路板，所述电路板上设有信号处理电路和处理器；

12、所述外壳的内部还设有定位模块和无线通讯应答模块，所述定位模块用于接收卫星信号并通过所述无线通讯应答模块向外发送位置信号，所述无线通讯应答模块还用于接收上位机信号。

13、根据本发明提供的用于水轮机流道流态监测的伴流球，所述抛载机构用于在所述伴流球完成监测时启动工作卸掉所述配重块，其中所述伴流球完成监测时的判断条件为所述传感器组件检测到所述伴流球处于平缓水流中的时间超过预设时间，和/或，所述定位模块能够接收到第一预设数量的卫星信号。

14、根据本发明提供的用于水轮机流道流态监测的伴流球，所述定位模块具体在所述伴流球完成监测时通过所述无线通讯应答模块向外发送位置信息；

15、和/或，所述无线通讯应答模块还用于在检测到第二预设数量的位置信号时，选择性关闭其对应的位置信号的发送；以及用于在收到上位机的位置请求信号时，加强位置信号的发送。

16、根据本发明提供的用于水轮机流道流态监测的伴流球，所述外壳内部设有第一舱体和第二舱体，所述惯性传感器、所述电源和所述电路板分别设在所述第一舱体的内部，所述第一舱体内部设有插槽，所述插槽与所述电路板匹配连接；所述定位模块和所述无线通讯应答模块设在所述第二舱体的内部。

17、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的用于水轮机流道流态监测的伴流球：

18、1.通过伴流球外形、密度以及传感器组件的整体设计配合，可实现伴流以实现对流道的全过程进行监测，无需额外动力，也无需人为的控制，投放之后随水流运动即可实现对流道流态参数的监测工作，作用方式简单有效，能够实现流道流态参数准确完整的监测，且能够较好适应高压、高速、高加速度的水下工作环境；另外，在工作过程中与水流运动特征相同，不会产生比水流更大的冲击，使得不会对水轮机机组以及流道造成损伤，实用性和适用性较强；

19、2.通过配重块与抛载机构可拆卸连接的设置结构，以及抛载后伴流球密度小于水密度的设计，可实现伴流球完成监测后无动力上浮至水面便于回收；

20、3.抛载机构的具体结构设计通过杠杆原理，将微型电机提供的扭矩放大，以保证在监测过程中卸荷钩与固定杆的咬合紧固，不会在工作中脱离，以及在监测完成时通过微型电机提供的扭矩能够顺利转动卸荷钩，实现配重块的解锁抛载；

21、4.通过配重块抛载之后伴流球浮心、重心不重合的设计使得在抛载浮出水面以后，安装在伴流球内壁的指示灯能够处于水面以上，便于回收；

22、5.自带定位模块例如gps与无线通讯应答模块便于发送位置信号，实现定位与回收。