降低幼鱼压力损伤的轴流式水轮机流道优化研究

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大坝的修建阻隔了鱼类的洄游通道,破坏了鱼类的基因交流,对鱼类的生长带来影响。幼鱼通过大坝下行的措施主要有仿自然通道,运移过坝,溢流过坝以及水轮机过鱼。水轮机过鱼由于具有避免流量损失和经济损失的优势,且已有的研究表明,鱼类通过水轮机的受伤概率与水轮机关键结构特征(如转轮间隙、水轮机流道形状)及水轮机运行工况参数(如流量、转速)存在一定关系。因此,通过水轮机流道水流环境的优化使鱼类通过水轮机流道安全下行过坝具有可行性。本文主要研究的幼鱼鱼种为鲫鱼,鲤鱼,以及四大家鱼中的草鱼。主要依托葛洲坝工程,构建葛洲坝二江电站中12.5万KW大型低水头水轮机三维模型。  幼鱼通过水轮机流道下行往往受到很大的伤害。主要造成伤害的原因有机械损伤,压力损伤,剪切力损伤以及空蚀损伤,因此设计对鱼类损伤最小的亲鱼型水轮机是目前解决鱼类安全过坝问题的关键措施之一。由于水轮机流道内水力特性极其复杂,本文主要研究水动力因子中压力因子对幼鱼造成的损伤,以及相应地减小压力因子损伤区域的优化措施研究。压力因子损伤包括最低压力值对幼鱼的损伤,和负压状态下过大的压力梯度值对幼鱼造成的损伤。  本文在轴流式水轮机流道内选择一条质点迹线作为幼鱼通过水轮机流道下行的轨迹线,通过数值模拟研究,主要研究成果如下:  1)大型轴流式水轮机流道对过机幼鱼产生压力损伤的关键区域为转轮叶片背面出口边附近,其中最大压力损伤位置为叶片背面出水边。  2)通过模拟流道内同一轨迹线在水轮机不同运行工况下压力因子的变化情况,得出水轮机运行工况与过机幼鱼损伤概率具有一定的相关性,且水轮机在设计工况下,流道对下行幼鱼具有较好的“友好”性。  3)水轮机固定导叶布置设计与过机幼鱼损伤概率有一定相关性,若在满足导水机构结构稳定及水轮机出力条件下,固定导叶的相对位置与活动导叶对齐时或固定导叶个数越少时,越有利于幼鱼下行。  4)在满足水轮机出力条件下,水轮机叶片个数设计对过机幼鱼损伤概率有一定相关性,转轮叶片个数越少越有利于幼鱼通过水轮机下行。  5)在满足水轮机出力条件下,水轮机泄水锥尺寸设计对过机幼鱼损伤概率有一定相关性,泄水锥高度越高,越有利于提高幼鱼通过水轮机下行的存活率。
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