朱國俊 吉龍娟 馮建軍 羅興锜

(西安理工大學水利水電學院， 西安 710048)

0 引言

水電站在阻斷河流進行發(fā)電時不可避免地會對河流中的水生生物生態(tài)造成影響，其中魚類生態(tài)就是最為典型的一種。在水電站上游卵生并孵化成長后的洄游魚類意圖回到下游的路徑會被大壩阻斷，盡管有魚道的存在，但是水輪機進水口的巨大抽吸作用仍然使部分魚類通過水輪機流道到達下游。一些實驗研究早已發(fā)現(xiàn)，魚類在通過水輪機流道遭遇傷害是其過壩傷亡率較高的主要原因[1]，水輪機所造成的魚類死亡不僅使魚類的生存以及物種多樣性受到威脅，水質(zhì)也會因魚類傷亡而受到污染[2-4]。

魚類通過水輪機時可能傷亡的主要機理分為以下4種[5]：機械式、剪切式、壓力式以及空化式，機械式又包括葉片撞擊、魚類沿固體壁面磨損及卡在狹窄通道間被研磨致傷或致死，其中葉片撞擊是造成魚類傷亡最主要的原因。為了量化分析葉片撞擊造成的魚類傷亡，VON RABEN[6]提出了葉片與魚類撞擊模型的一般形式，以預測魚類與轉(zhuǎn)輪葉片之間撞擊的概率。BELL[7]及FERGUSON等[8]則分別將葉片撞擊模型用于分析小魚的傷亡率和水輪機對魚類遷徙造成的影響。DENG等[9-11]對魚類在常規(guī)水輪機內(nèi)受旋轉(zhuǎn)葉片撞擊損傷的概率計算以及撞擊致死率的評估計算模型進行研究，形成了一種適用于軸流式轉(zhuǎn)輪的葉片撞擊概率模型。潘強等[12-13]將葉片撞擊模型應用到軸流泵中，對某一軸流泵的魚類過機性能開展分析，并進行了魚友好型軸流泵的優(yōu)化設計。趙文龍等[14]基于魚友好型設計理念對軸流式水輪機原始模型進行幾何形狀優(yōu)化，改型后的模型效率與功率都有所降低，但水力性能的下降仍在可接受范圍內(nèi)，對設計優(yōu)化魚友好型水輪機具有指導性意義。李成等[15-16]研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)的減少和泄水錐相對高度的增加將降低幼魚受壓力以及壓力梯度損傷的幾率,并對長江流域的中華鱘在軸流式水輪機內(nèi)部的過機機理及損傷概率進行了研究，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪至尾水管直錐段區(qū)域是魚體通過軸流式水輪機下行受壓力損傷的主要區(qū)域。

綜合上述研究成果可知，國內(nèi)外大部分關(guān)于魚類通過水輪機的傷亡率研究都是針對軸流式機型進行的，對混流式水輪機造成的魚類傷亡率量化分析以及提升混流式轉(zhuǎn)輪魚類通過存活率的相關(guān)研究較少。混流式水輪機轉(zhuǎn)輪部件的葉柵稠密度大、轉(zhuǎn)速高，所以葉片與魚類的高速撞擊是引起魚類通過混流式水輪機時傷亡的最主要原因，其過機死亡率也遠高于其他常規(guī)機型[17]，因此目前迫切需要建立一種量化魚類通過混流式水輪機轉(zhuǎn)輪時死亡率的方法。

本文綜合計算流體動力學理論和魚類-葉片撞擊模型建立一種計算混流式轉(zhuǎn)輪魚類撞擊死亡率的方法。采用經(jīng)過可靠性驗證的數(shù)值模擬方法分析獲得水輪機內(nèi)部的流動參數(shù)，然后以魚類與葉片撞擊的數(shù)學模型為基礎(chǔ)，結(jié)合徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡響應技術(shù)計算獲得不同流量工況下轉(zhuǎn)輪葉片造成的魚類撞擊死亡率。采用該方法對某電站安裝的原型混流式轉(zhuǎn)輪及兩個魚類生態(tài)優(yōu)化轉(zhuǎn)輪進行魚類撞擊死亡率分析，并確定最終的優(yōu)化方案。

1 混流式水輪機內(nèi)部流動的數(shù)值模擬

1.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

研究對象為重慶市某電站所安裝的原型混流式水輪機轉(zhuǎn)輪，該水輪機轉(zhuǎn)輪的標稱直徑D1為3.5 m，導葉高度為0.875 m，固定導葉和活動導葉的數(shù)量都是24個，轉(zhuǎn)輪葉片的個數(shù)為15個。水輪機正常工作時額定水頭為106 m，額定轉(zhuǎn)速為214.3 r/min，額定功率為100 MW。數(shù)值分析時的首要步驟是采用UG對原型混流式水輪機的整體過流部件進行三維建模，圖1為建立完成的水輪機全流道三維模型。

圖1 水輪機全流道三維模型 Fig.1 3D model of turbine full passage 1.蝸殼 2.固定導葉 3.活動導葉 4.轉(zhuǎn)輪 5.尾水管

在幾何模型建立完成后，對幾何模型進行網(wǎng)格劃分以便進行計算流體動力學分析。網(wǎng)格的質(zhì)量影響著計算結(jié)果的準確性，為了保證數(shù)值計算的精度，對整個幾何模型采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格進行劃分，并在各過流部件的近壁面處進行加密，各部件網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 水輪機全流道的計算網(wǎng)格 Fig.2 Simulation mesh of whole flow passage of hydroturbine

為確保網(wǎng)格數(shù)量不會對計算結(jié)果產(chǎn)生影響，以額定點的水力效率為評判依據(jù)對整體計算網(wǎng)格進行無關(guān)性驗證，驗證結(jié)果如表1所示。經(jīng)過驗證后得到水輪機全流道模型的網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)約為956萬。

1.2 邊界條件

混流式水輪機內(nèi)部的流動參數(shù)通過求解雷諾時均N-S方程獲得，整個求解過程通過計算流體動力學軟件ANSYS CFX完成。水輪機內(nèi)部流動的數(shù)值計算邊界條件給定為：蝸殼進口斷面作為進口邊界，進口邊界條件設置為質(zhì)量流量；尾水管出口斷面作為出口邊界，以斷面平均靜壓為邊界條件；固體壁面全部設置為無滑移壁面，采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法耦合連接轉(zhuǎn)輪和活動導葉、尾水管之間的動靜交接面。雷諾時均N-S方程的求解過程中，對流項采用二階差分格式進行離散，湍流模型采用SSTk-ω湍流模型，通過檢測雷諾時均N-S方程的迭代殘差判斷計算是否收斂，收斂準則設置為最大殘差小于10-4。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗證 Tab.1 Mesh independence verification

1.3 數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性分析

額定水頭是水輪機運行權(quán)重最大的水頭，在水輪機的額定水頭下，從機組的45%～100%額定功率范圍內(nèi)選取了6個不同的流量工況點進行性能的數(shù)值分析，工況點的參數(shù)如表2所示，其中工況1的流量即等于額定流量Qr。

表2 工況點參數(shù) Tab.2 Parameters of operating conditions

為驗證上述工況下數(shù)值模擬所得結(jié)果的可靠性，將數(shù)值計算所得的混流式水輪機水力效率與實驗值進行對比。

該混流式水輪機模型的水力效率已通過圖3所示的水輪機模型實驗臺測試獲得。該實驗臺的效率測試綜合誤差在±0.20%范圍內(nèi)，實驗臺的各項裝置符合IEC 60193和GB/T 15613等規(guī)范對水力機械實驗臺的要求。

將實驗測試所得的水輪機模型水力效率根據(jù)文獻[18]給出的公式進行修正后，最后即可獲得原型水輪機在對應工況點下的水力效率實驗值。將獲得的原型水輪機效率實驗值與數(shù)值模擬的結(jié)果進行對比，如圖4所示。

圖3 水輪機模型實驗裝置 Fig.3 Model experiment device of hydroturbine 1.上游水箱 2.水輪機 3.測功電動機 4.實驗臺架 5.下游水箱

圖4 數(shù)值模擬結(jié)果與實驗值對比 Fig.4 Comparison between numerical simulation results and experimental values

從圖4可以看出，數(shù)值模擬所得結(jié)果與實驗結(jié)果變化趨勢相同，兩者的吻合程度很好，表明數(shù)值模擬的結(jié)果可靠。數(shù)值模擬得到的水力效率略大于實驗值，這是由于在數(shù)值模擬的過程中沒有考慮轉(zhuǎn)輪與機組頂蓋之間、轉(zhuǎn)輪與機組基礎(chǔ)環(huán)之間的間隙。這些間隙不僅會導致容積泄漏，還會使轉(zhuǎn)輪的上冠與下環(huán)在旋轉(zhuǎn)過程中與間隙內(nèi)部的水流摩擦而產(chǎn)生摩阻損失，所以效率數(shù)值計算值略高于實際效率。

2 魚類與葉片撞擊模型

由于混流式轉(zhuǎn)輪的葉柵稠密度大，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速高，因此魚類在通過混流式水輪機轉(zhuǎn)輪時的主要傷亡機理為撞擊損傷。魚類與混流式轉(zhuǎn)輪的撞擊傷亡率分析需要通過魚類-葉片撞擊的數(shù)學模型開展，本文所采用的撞擊數(shù)學模型是對FERGUSON等[8]的葉片撞擊模型進行變換后獲得。

根據(jù)文獻[8]的混流式轉(zhuǎn)輪葉片撞擊模型理論，假設魚為一維線性模型，且游動方向與水流方向相同且沒有主動滑移，那么魚的游動速度就是水流的絕對速度，游動方向就是絕對速度的方向。魚在游經(jīng)轉(zhuǎn)輪的過程中通過葉片前緣平面的時間為Δt，則根據(jù)文獻[8]的觀點，轉(zhuǎn)輪葉片前緣在Δt時間內(nèi)轉(zhuǎn)動的弧線距離ΔS與葉片前緣轉(zhuǎn)動軌跡上兩相鄰葉片前緣的弧線長度S的百分比即為理論上的魚類與葉片撞擊率PS，PS的計算公式為

(1)

式中n——轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)

N——水輪機轉(zhuǎn)速l——魚長

Vr——葉片進口絕對速度的徑向分量

α——魚的游動方向與葉片圓周運動方向的夾角，即葉片進口水流的絕對速度和切向速度的夾角

式(1)在計算撞擊率PS時需要同時求出角度α和葉片進口水流的徑向速度。為了簡化撞擊率PS的計算過程，根據(jù)圖5所示的水輪機轉(zhuǎn)輪葉片前緣的速度分解圖對PS的計算公式進行變換改進。

圖5 葉片前緣的速度分解 Fig.5 Resolution of velocity at blade leading edge

從圖5可以看出，絕對速度V1由相對速度W和圓周速度U合成，然后絕對速度V1又可分解為徑向速度分量Vr和切向速度分量Vt，則絕對速度V1的計算公式為

(2)

圖6 原始轉(zhuǎn)輪和優(yōu)化轉(zhuǎn)輪的幾何特征對比 Fig.6 Comparison of geometric feature between initial and optimized runner

同時，根據(jù)圖5可知，魚的游動方向與葉片前緣的運動方向(即圓周方向)的夾角為α，則根據(jù)速度三角形可得sinα的計算公式為

(3)

將式(3)代入式(1)，最終可得改進后的魚類與葉片撞擊率計算公式為

(4)

根據(jù)式(4)可以看出，在通過混流式轉(zhuǎn)輪時，魚類與葉片撞擊率受多種因素共同影響。當魚通過混流式轉(zhuǎn)輪時，魚類與葉片撞擊率與魚長、水輪機轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)成正比，與葉片進口水流的絕對速度成反比。在轉(zhuǎn)輪的設計參數(shù)中，葉片數(shù)的調(diào)整可顯著影響通過轉(zhuǎn)輪的魚類與葉片的撞擊率。

3 轉(zhuǎn)輪的魚類生態(tài)性能優(yōu)化

由于電站所處流域有多種珍稀魚類，且原始水輪機轉(zhuǎn)輪在設計時并沒有考慮魚類生態(tài)性能，所以需要對原始轉(zhuǎn)輪進行魚類生態(tài)性能優(yōu)化，優(yōu)化的主要目的是提高魚類通過存活率。撞擊損傷是混流式轉(zhuǎn)輪中魚類傷亡的主要機理，所以優(yōu)化的首要目標就是降低魚類與葉片的撞擊率。根據(jù)式(4)可知葉片數(shù)是直接影響魚類與葉片撞擊率的關(guān)鍵因素，同時葉片數(shù)又對轉(zhuǎn)輪的水力性能有顯著影響，為了在降低魚類與葉片撞擊率的同時確保轉(zhuǎn)輪的額定單位流量不變，本文以原始轉(zhuǎn)輪葉片為基礎(chǔ)，通過減少葉片數(shù)及改變各流面上葉片翼型的包角分布規(guī)律分別獲得了葉片數(shù)為13和11的優(yōu)化轉(zhuǎn)輪A和優(yōu)化轉(zhuǎn)輪B，轉(zhuǎn)輪葉片的幾何特征對比如圖6所示。

從圖6可以看出，優(yōu)化轉(zhuǎn)輪與原始轉(zhuǎn)輪的包角和安放角在葉片進口邊處相同，優(yōu)化轉(zhuǎn)輪在葉片數(shù)減少的同時通過調(diào)整翼型從進口到出口的安放角分布增加了葉片的包角，以保證轉(zhuǎn)輪的設計單位流量不變。

3.1 轉(zhuǎn)輪優(yōu)化前后的魚類撞擊率分析

在獲得優(yōu)化轉(zhuǎn)輪以后，根據(jù)第1節(jié)中的數(shù)值模擬方法對兩個優(yōu)化轉(zhuǎn)輪方案下的水輪機在表2所列的6個工況下的性能進行了計算，然后再根據(jù)第2節(jié)中的式(4)計算魚類與葉片的撞擊率。由式(4)可知，魚類與葉片的撞擊率PS與轉(zhuǎn)輪進口前來流的絕對速度有關(guān)，因此首先需要對轉(zhuǎn)輪進口前水流的絕對流速進行分析。在圖7中給出了優(yōu)化轉(zhuǎn)輪與原始轉(zhuǎn)輪在工況1(大流量)、工況3(中等流量)和工況6(小流量)下的轉(zhuǎn)輪進口周向平均絕對速度沿葉高方向的分布。

圖7 轉(zhuǎn)輪進口處的周向平均絕對速度分布 Fig.7 Distribution of circumferential average absolute velocity at inlet of runner

通過數(shù)值計算的結(jié)果獲得轉(zhuǎn)輪進口的絕對速度V1后以魚長為150 mm的魚類為分析對象，按照式(4)對優(yōu)化轉(zhuǎn)輪和原始轉(zhuǎn)輪進行不同流量工況下的撞擊率PS的計算，各流量工況以及不同轉(zhuǎn)輪方案對應的魚類撞擊率PS如圖8所示。

圖8 魚類撞擊率對比 Fig.8 Comparison of strike probability of fish

由圖8可以看出，對于同一個混流式轉(zhuǎn)輪而言，當魚類通過轉(zhuǎn)輪流道下行時，撞擊率PS隨著流量的增加而呈增大趨勢，這與水泵中獲得的結(jié)論相反[19]，其原因是因為在水泵裝置中，魚類與葉片的撞擊率與泵葉輪進口的軸面速度成反比，所以當流量增大時，水泵裝置中魚類與葉片的撞擊率減小。

當流量一定時，優(yōu)化轉(zhuǎn)輪A和優(yōu)化轉(zhuǎn)輪B由于葉片數(shù)的減少，過流通道增大，魚類撞擊率PS相比原始轉(zhuǎn)輪得到降低，在所分析的6個工況下撞擊率的平均降低幅度為3.3與6.4個百分點，其中，在額定工況下優(yōu)化轉(zhuǎn)輪A和優(yōu)化轉(zhuǎn)輪B的撞擊率相比原始轉(zhuǎn)輪分別下降了3.9與7.4個百分點。由此可見，合理降低葉片數(shù)可以有效減小魚類與葉片的撞擊率。

3.2 轉(zhuǎn)輪優(yōu)化前后的魚類撞擊致死率分析

當魚類與轉(zhuǎn)輪葉片撞擊后，由于受傷程度不同并不是所有的魚類都會死亡。魚類受葉片撞擊后的損傷程度與魚的撞擊速度、魚長l、轉(zhuǎn)輪葉片的前緣厚度t有很大關(guān)系。由于假定魚類游動方向與水流方向相同且沒有主動滑移，所以當魚類與葉片相撞時，根據(jù)圖5中的速度分解圖可得魚類相對于葉片的速度即等于水流相對于轉(zhuǎn)輪葉片的速度W，即魚類與葉片的撞擊速度等于相對速度。

為研究撞擊對魚類所造成的損傷，AMARAL等[20]對多種不同長度的魚類以及不同前緣厚度t的翼型進行了組合實驗，魚類的魚長l與葉片前緣厚度t的比值l/t的變化范圍為0.75～25，實驗中魚類撞擊速度的變化范圍為3～12 m/s。在經(jīng)過大量的實驗以后，研究得出魚的撞擊存活率P1、魚長l與葉片前緣厚度t的比值l/t以及魚類撞擊速度W三者之間關(guān)系，通過該關(guān)系可獲得特定l/t條件下不同撞擊速度所造成的撞擊存活率P1，則撞擊致死率PD的公式為

PD=1-min(100%,P1)

(5)

本文中P1的計算將依據(jù)魚長與葉片前緣厚度比值l/t、魚類撞擊速度W與魚的撞擊存活率P1三者間的響應關(guān)系進行，首先根據(jù)文獻[20]的實驗研究數(shù)據(jù)，采用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡算法擬合建立l/t、W與P1間的響應關(guān)系。徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡是一種學習收斂速度較快的前向神經(jīng)網(wǎng)絡，能夠很好地逼近各種非線性函數(shù)。它使用基函數(shù)對樣本點附近的點進行插值，輸出線性加權(quán)和，然后快速準確地建立響應關(guān)系。本文中徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡的基函數(shù)選取為變指數(shù)樣條基函數(shù)，該基函數(shù)g(x)的計算公式為

g(x)=‖x-xj‖c

(6)

式中x——輸入層的信號

xj——徑向基函數(shù)中心

‖·‖ ——Euclid范數(shù)

c——歐氏距離的指數(shù)

式(6)中c∈(0.2,3)，c在神經(jīng)網(wǎng)絡建立的過程中會自適應調(diào)整。采用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡擬合文獻[20]的實驗研究數(shù)據(jù)后，得到l/t、W與P1的響應關(guān)系如圖9所示。在圖9中，l/t和W作為自變量，P1作為因變量。

圖9 撞擊后存活率響應模型 Fig.9 Response model of survival rate after strike

圖9所示的響應模型的決定系數(shù)R2經(jīng)過分析大于0.8，因此可以滿足計算要求。從圖9可以看出，當魚類以一定的撞擊速度與轉(zhuǎn)輪葉片前緣相撞，其撞擊后的存活率P1隨魚長與葉片前緣厚度的比值l/t的增加而減小，即魚類越長，葉片前緣厚度越薄，魚類受撞擊后越容易死亡。

響應模型的建立為魚類撞擊存活率P1的計算提供了條件，但準確獲得P1的數(shù)值仍需確定l/t和W。本文所分析的混流式水輪機轉(zhuǎn)輪的葉片前緣平均厚度t為38.5 mm，魚長l在前文中已知為150 mm，則兩者之比l/t為3.9，不同轉(zhuǎn)輪方案進口處水流的相對速度W則需要通過數(shù)值模擬的結(jié)果提取。在提取出各工況下轉(zhuǎn)輪進口的相對速度W以后即可進行各轉(zhuǎn)輪方案下的魚類撞擊存活率P1的計算，并進一步應用式(5)計算獲得各轉(zhuǎn)輪方案下撞擊致死率PD的分布，計算分析所得的轉(zhuǎn)輪進口的相對速度W和PD如圖10所示。

圖10 相對速度及撞擊致死率對比 Fig.10 Comparison of relative velocity and strike lethality rate

由圖10可以看出，對于同一個轉(zhuǎn)輪而言，流量的增加使得撞擊致死率在不斷提高，其原因是當導葉開度和流量增加時，根據(jù)轉(zhuǎn)輪進口的速度三角形變化可知水流的相對速度也在增大，即魚的撞擊速度W在增大，從而導致魚類撞擊致死率隨之增加。在工況1即額定流量工況時，3個轉(zhuǎn)輪方案的撞擊致死率分別達到了64.3%、62.35%、61.6%，遠大于小流量工況的致死率，由此可見，流量對撞擊致死率有決定性影響。當以流量相同為前提進行不同轉(zhuǎn)輪方案的撞擊致死率對比時發(fā)現(xiàn)，魚類的撞擊致死率在各流量工況下并無太明顯的差別。

在獲得了各工況下魚類與葉片的撞擊率PS以及魚類撞擊致死率PD以后，各工況下的魚類撞擊死亡率PF由兩者相乘獲得，據(jù)此可計算獲得不同轉(zhuǎn)輪方案下的魚類撞擊死亡率PF，如圖11所示。

圖11 魚類撞擊死亡率 Fig.11 Strike mortality of fish

由圖11可以看出，在額定水頭下，相同轉(zhuǎn)輪所對應的魚類撞擊死亡率隨流量增加呈現(xiàn)明顯的增大趨勢，即魚類通過混流式轉(zhuǎn)輪時受到葉片撞擊而死亡的概率與轉(zhuǎn)輪的流量呈正相關(guān)的關(guān)系。對于本文所研究的不同葉片數(shù)的混流式轉(zhuǎn)輪，在額定流量下，PF分別達到了16.85%、13.92%、11.55%，而在流量最小的工況6則分別只有4.1%、3.54%、2.9%，由此可知，在水輪機長期運行的額定工況點，魚類的過機死亡率是最高的。同時，通過魚類撞擊死亡率的對比也發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化轉(zhuǎn)輪A和優(yōu)化轉(zhuǎn)輪B使得額定流量工況下的魚類撞擊死亡率分別降低了2.93和5.3個百分點，并使得所分析的6個工況下的撞擊死亡率平均降低了1.4和2.6個百分點，由此表明兩個優(yōu)化轉(zhuǎn)輪都提升了魚類通過混流式轉(zhuǎn)輪的存活率，其中11葉片的優(yōu)化轉(zhuǎn)輪B的效果最好，這也說明在減少葉片數(shù)的前提下對轉(zhuǎn)輪的包角分布進行優(yōu)化可以達到提升魚類通過存活率的目的。

3.3 轉(zhuǎn)輪優(yōu)化前后的水力效率對比

葉片數(shù)的減少以及安放角分布的變化必然會影響轉(zhuǎn)輪的水力效率，由于額定水頭是運行權(quán)重最大的水頭，因此通過第1節(jié)中的數(shù)值模擬方法對兩個優(yōu)化轉(zhuǎn)輪方案下的水輪機進行了額定水頭下的水力性能分析，得到水輪機的整機水力效率對比如圖12所示。

圖12 轉(zhuǎn)輪優(yōu)化前后的的水輪機效率對比 Fig.12 Comparison of turbine efficiency before and after runner optimization

由圖12可以看出，額定水頭下的86%～100%額定流量范圍內(nèi)，優(yōu)化轉(zhuǎn)輪A使得水輪機保持了與原始機組幾乎相同的水力效率。當流量小于86%額定流量時，優(yōu)化轉(zhuǎn)輪A對應的水輪機性能開始下降，下降幅度隨著流量的減少而增大，在流量最小的工況6下，水輪機效率相比原始值的降幅為0.72%。與原始轉(zhuǎn)輪和優(yōu)化轉(zhuǎn)輪A相比，優(yōu)化轉(zhuǎn)輪B使得水輪機的整體性能都出現(xiàn)了降低，額定水頭的6個工況下的整機效率相比原始水輪機的平均降幅為0.92%，其中在額定流量下效率下降了1.9%。效率下降所引發(fā)的后果是水輪機在對應的流量下將出現(xiàn)功率不足的情況，由此可見優(yōu)化轉(zhuǎn)輪B對機組的能量性能產(chǎn)生了不利的影響。

綜合上述分析可知，優(yōu)化轉(zhuǎn)輪A雖然在部分流量工況下的能量性能略差于原始轉(zhuǎn)輪，但在額定流量附近其性能并無下降，也即機組滿負荷發(fā)電時其功率不受影響，但優(yōu)化轉(zhuǎn)輪B則使額定水頭下水輪機整體水力效率下降，會導致滿負荷發(fā)電時功率不足的情況。綜合對比兩個優(yōu)化轉(zhuǎn)輪后，選擇優(yōu)化轉(zhuǎn)輪A作為最終的魚類生態(tài)優(yōu)化轉(zhuǎn)輪。

4 結(jié)論

(1)通過分析不同流量下混流式轉(zhuǎn)輪與魚類的撞擊模型發(fā)現(xiàn)，魚類與葉片的撞擊率與轉(zhuǎn)輪進口前的絕對速度成反比，魚類在通過混流式轉(zhuǎn)輪時，其與轉(zhuǎn)輪葉片的撞擊率隨流量增加呈增大趨勢，與水泵中獲得的結(jié)論相反。

(2)通過對比分析不同葉片數(shù)的優(yōu)化轉(zhuǎn)輪與原始轉(zhuǎn)輪的魚類撞擊死亡率可知，魚類通過轉(zhuǎn)輪的撞擊死亡率與轉(zhuǎn)輪過流量以及轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)呈正相關(guān)，對于需要進行魚類生態(tài)優(yōu)化的混流式水輪機轉(zhuǎn)輪，可在減少葉片數(shù)的前提下對轉(zhuǎn)輪的包角分布規(guī)律進行優(yōu)化，以降低魚類撞擊死亡率。

(3)對于本文所研究的混流式水輪機，13葉片的優(yōu)化轉(zhuǎn)輪A和11葉片的優(yōu)化轉(zhuǎn)輪B分別使得額定水頭下各工況的魚類撞擊死亡率平均降低了1.4和2.6個百分點，其中額定流量下的撞擊死亡率分別降低了2.93和5.3個百分點，明顯提升了轉(zhuǎn)輪的魚類生態(tài)性能，但優(yōu)化轉(zhuǎn)輪B對水輪機的水力性能有較為不利影響，因此選擇優(yōu)化轉(zhuǎn)輪A作為最終的魚類生態(tài)優(yōu)化轉(zhuǎn)輪。