影響軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)過(guò)魚(yú)能力的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)

王 煜，翟振男，姜德政

(1. 三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2. 長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

大壩阻隔了魚(yú)類洄游及上下游種群基因交流的通道，對(duì)魚(yú)類資源發(fā)展帶來(lái)不利影響[1-2]。魚(yú)類隨水電站發(fā)電泄流主動(dòng)或被迫進(jìn)入水輪機(jī)流道，可能遭受水輪機(jī)流道極端水動(dòng)力特性及復(fù)雜結(jié)構(gòu)造成的損傷，甚至死亡。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究成果表明魚(yú)類通過(guò)水輪機(jī)流道下行可能受到的傷害機(jī)理分為機(jī)械、壓強(qiáng)、剪切力和空蝕4種原因[3-6]，其中機(jī)械損傷主要為過(guò)機(jī)魚(yú)體與水輪機(jī)構(gòu)件表面的撞擊、擠壓和摩擦損傷，與魚(yú)體尺寸、流道結(jié)構(gòu)及魚(yú)體下行軌跡有關(guān)；壓強(qiáng)、剪切力及空蝕損傷主要為水輪機(jī)流道內(nèi)壓強(qiáng)、壓強(qiáng)陡降、流速梯度、渦旋、湍動(dòng)等極端水動(dòng)力條件對(duì)過(guò)機(jī)魚(yú)體造成的水動(dòng)力損傷[7]，如壓強(qiáng)陡降引起的魚(yú)鰾破裂和栓塞，導(dǎo)致魚(yú)類死亡[8]，負(fù)壓引起的魚(yú)體身體失衡和魚(yú)鰓受損[9]，流速梯度引起的剪切應(yīng)力導(dǎo)致魚(yú)體眼睛損傷、體表挫傷、鱗片撕裂、魚(yú)鰓翻開(kāi)、身體失衡[10]等，與水輪機(jī)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)有關(guān)[11]。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者通過(guò)水電站原型過(guò)魚(yú)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室水動(dòng)力單因子損傷實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式針對(duì)水輪機(jī)過(guò)機(jī)流對(duì)所挾魚(yú)體造成水動(dòng)力損傷的關(guān)鍵因子[12-15]進(jìn)行研究。Bradly等[16]通過(guò)在哥倫比亞河下游釋放傳感器魚(yú)及實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)，得出大西洋鮭魚(yú)通過(guò)水輪機(jī)流道遭受壓力損傷的關(guān)鍵因子為魚(yú)體進(jìn)入水輪機(jī)前的適應(yīng)壓強(qiáng)與流道內(nèi)最低壓強(qiáng)的比值。Deng等[10-12]通過(guò)將大馬哈魚(yú)放入模擬水輪機(jī)流速梯度的水流環(huán)境中，得出魚(yú)類通過(guò)水輪機(jī)流道下行受到剪切力損傷與流速梯度成正比。美國(guó)西太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室[17]針對(duì)虹鱒魚(yú)，硬頭虹鱒魚(yú)，春季和秋季大鱗大馬哈魚(yú)，美洲西鯡魚(yú)承受模擬水輪機(jī)流道水力剪切的實(shí)驗(yàn)研究中表明，當(dāng)水流流速應(yīng)變率大于500 (s cm)-1時(shí)，研究魚(yú)種均遭受明顯水力剪切損傷。綜上可見(jiàn)，水輪機(jī)流道內(nèi)水流流速、流速梯度、壓強(qiáng)及壓強(qiáng)梯度是造成過(guò)機(jī)魚(yú)體遭受水動(dòng)力損傷的關(guān)鍵水動(dòng)力因子，水輪機(jī)不同運(yùn)行參數(shù)下流道水動(dòng)力特性將會(huì)對(duì)魚(yú)體安全通過(guò)水輪機(jī)流道下行產(chǎn)生影響。為探明影響軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，本文通過(guò)構(gòu)建水輪機(jī)流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力評(píng)價(jià)方法，識(shí)別影響葛洲壩ZZ500軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，為構(gòu)建魚(yú)類友好的水輪機(jī)生態(tài)運(yùn)行方式提供技術(shù)支撐。

1 水輪機(jī)流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力評(píng)價(jià)方法

魚(yú)類通過(guò)水輪機(jī)流道下行受到水動(dòng)力損傷的主要原因?yàn)椋孩龠^(guò)低的壓強(qiáng)和急劇變化的壓強(qiáng)梯度造成的氣壓損傷；②流道間隙、過(guò)流表面及水流渦旋引起的流速應(yīng)變?cè)斐傻募羟袚p傷；③過(guò)低的壓強(qiáng)引起水輪機(jī)汽蝕導(dǎo)致的空蝕損傷[18-20]。因此，本文在評(píng)價(jià)河流水環(huán)境對(duì)魚(yú)類棲息、繁殖適合程度的河流內(nèi)流量增量法(IFIM)[21]基本原理的基礎(chǔ)上，提出采用水輪機(jī)流道內(nèi)可能對(duì)過(guò)機(jī)魚(yú)體產(chǎn)生水動(dòng)力損傷的空間體積與流道總體積比值PWUV(percent of weighted usable volume，魚(yú)類加權(quán)可利用體積占比)來(lái)評(píng)價(jià)水輪機(jī)流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力的方法。

1.1 流道水動(dòng)力特性對(duì)過(guò)機(jī)魚(yú)體產(chǎn)生水動(dòng)力損傷區(qū)域判別方法

a.網(wǎng)格剖分水輪機(jī)全流道區(qū)域，通過(guò)水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行工況下全流道三維水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算，獲取各網(wǎng)格體積單元水動(dòng)力參數(shù)值；

b.逐一將流道各網(wǎng)格體積單元的壓強(qiáng)、流速及與相鄰體積單元的壓強(qiáng)梯度和流速梯度與過(guò)機(jī)魚(yú)種相應(yīng)的壓強(qiáng)、流速、壓強(qiáng)梯度、流速梯度損傷閾值進(jìn)行對(duì)比，篩選出超出魚(yú)類損傷閾值的體積單元作為水動(dòng)力可能損傷單元，其邏輯判別式為

Epdi={(Piv0)∨

(Pgi>Pg0)∨(vgi>vg0)}

(1)

式中：Epdi為判別體積單元i是否為魚(yú)體水動(dòng)力可能損傷單元的邏輯變量，變量值為1則單元i為魚(yú)體水動(dòng)力可能損傷單元；Pi、vi、Pgi、vgi分別為體積單元i的壓強(qiáng)、流速、與相鄰體積單元的最大壓強(qiáng)梯度、與相鄰體積單元的最大流速梯度值；P0、v0、Pg0、vg0為過(guò)機(jī)魚(yú)種遭受損傷的壓強(qiáng)、流速、壓強(qiáng)梯度、流速梯度損傷的閾值。

c.由于魚(yú)類通過(guò)水輪機(jī)流道是否受到水動(dòng)力損傷不但與流道內(nèi)水動(dòng)力特性有關(guān)，還與魚(yú)體規(guī)格(體長(zhǎng)L0、體積V0)有關(guān)，因此還需根據(jù)水動(dòng)力可能損傷單元體積、過(guò)機(jī)魚(yú)體體積、相鄰水動(dòng)力可能損傷單元間距等進(jìn)一步綜合評(píng)判體積單元i是否對(duì)過(guò)機(jī)魚(yú)類產(chǎn)生水動(dòng)力損傷。綜合評(píng)判原則為：①相鄰水動(dòng)力可能損傷單元中心距小于魚(yú)體體長(zhǎng)1/2，說(shuō)明魚(yú)體同時(shí)受兩個(gè)體積單元水動(dòng)力作用，損傷概率較大，其相鄰水動(dòng)力可能損傷單元都定義為水動(dòng)力損傷單元；②水動(dòng)力可能損傷單元體積大于過(guò)機(jī)魚(yú)體個(gè)體平均體積的1/2，說(shuō)明魚(yú)體通過(guò)該體積單元，大面積承受超出其損傷閾值的水流水動(dòng)力作用，損傷概率高，定義該體積單元為魚(yú)體水動(dòng)力損傷單元。評(píng)判水動(dòng)力可能損傷單元i是否為水動(dòng)力損傷單元的邏輯判別式如下：

Edi={(ΔSi,j<0.5L0)∨(Vi>0.5V0)}

(2)

式中：Edi為判別水動(dòng)力可能損傷體積單元i是否為魚(yú)體水動(dòng)力損傷單元的邏輯變量，變量值為1則單元i為魚(yú)體水動(dòng)力損傷單元；ΔSi,j為可能損傷體積單元i與其相鄰最近的可能損傷體積單元j中心點(diǎn)間距，Vi為編號(hào)為i的可能損傷單元體積。

1.2 流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力評(píng)價(jià)方法

對(duì)水輪機(jī)全流道各體積單元逐一進(jìn)行魚(yú)類水動(dòng)力損傷單元判別，識(shí)別所有魚(yú)類水動(dòng)力損傷單元并對(duì)其空間體積進(jìn)行疊加運(yùn)算，得出流道內(nèi)造成過(guò)機(jī)魚(yú)體水動(dòng)力損傷的空間總體積，將其與水輪機(jī)全流道空間體積相比，得出流道魚(yú)類水動(dòng)力損傷體積占比，再將流道空間整體1減去水動(dòng)力損傷體積占比，得出流道空間對(duì)過(guò)機(jī)魚(yú)體不造成水動(dòng)力損傷的區(qū)域占比，即魚(yú)類加權(quán)可利用體積占比PWUV作為量化指標(biāo)評(píng)價(jià)水輪機(jī)流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力。

(3)

式中：∑Vi為水輪機(jī)流道內(nèi)魚(yú)體水動(dòng)力損傷單元體積總和；Vs為水輪機(jī)全流道空間總體積。

PWUV越大，說(shuō)明水輪機(jī)流道空間對(duì)過(guò)機(jī)魚(yú)體不造成水動(dòng)力損傷的體積越大，魚(yú)類通過(guò)水輪機(jī)流道下行越安全，反之亦然。

2 軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)對(duì)流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力的影響

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)具有過(guò)流能力大，運(yùn)行范圍廣，運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于低水頭徑流式水電站，其流道是上下游水體貫通的主要通道，為魚(yú)類過(guò)壩提供了直接通道。為探明影響軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，本文以葛洲壩水電站ZZ500型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)為例，運(yùn)用流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力評(píng)價(jià)方法，識(shí)別影響長(zhǎng)江四大家魚(yú)幼魚(yú)通過(guò)ZZ500軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)流道安全下行過(guò)壩的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)。

2.1 研究對(duì)象基本參數(shù)

葛洲壩水電站是長(zhǎng)江干流上第一座大型徑流式水電站，對(duì)長(zhǎng)江魚(yú)類的洄游和基因交流有著重要的影響[22-24]。葛洲壩ZZ500型水輪機(jī)為典型的大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 葛洲壩ZZ500-LH-1020水輪機(jī)主要參數(shù)

長(zhǎng)江青、草、鰱、鳙四大家魚(yú)是長(zhǎng)江流域主要經(jīng)濟(jì)魚(yú)類，占我國(guó)淡水魚(yú)類總產(chǎn)量的80%。四大家魚(yú)屬于江湖半洄游性魚(yú)類，在湖泊中育肥，在長(zhǎng)江中上游產(chǎn)卵[25]。由于具有下行過(guò)壩需求的為四大家魚(yú)幼魚(yú)，因此水輪機(jī)流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力評(píng)價(jià)主要針對(duì)魚(yú)類幼魚(yú)(0齡或1齡)展開(kāi)，其體長(zhǎng)通常在20 cm以下。通過(guò)前期研究已明確四大家魚(yú)幼魚(yú)受水輪機(jī)流道水動(dòng)力因子損傷的閾值[9-26](表2)。

表2 四大家魚(yú)幼魚(yú)水動(dòng)力因子損傷閾值

2.2 水輪機(jī)全流道三維水動(dòng)力數(shù)值模擬

2.2.1幾何模型的構(gòu)建及網(wǎng)格剖分

由于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部分水動(dòng)力特性相差較大，故其流道空間依照水流順序劃分為蝸殼區(qū)域(進(jìn)水口工作閘門(mén)至固定導(dǎo)葉出口面間的流道空間)、活動(dòng)導(dǎo)葉區(qū)域、轉(zhuǎn)輪區(qū)域、尾水管區(qū)域(圖1)，各區(qū)域分別采用八叉樹(shù)網(wǎng)格剖分法進(jìn)行網(wǎng)格剖分。采用水輪機(jī)額定工況下不同網(wǎng)格數(shù)量的數(shù)值模擬出力誤差值進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，當(dāng)全流道網(wǎng)格數(shù)量為600.7萬(wàn)時(shí)，水輪機(jī)出力誤差波動(dòng)小于2%，滿足水輪機(jī)數(shù)值計(jì)算對(duì)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求，選用該網(wǎng)格劃分方案為最終網(wǎng)格方案(表3)。

圖1 ZZ500水輪機(jī)流道空間區(qū)域及網(wǎng)格剖分示意圖

表3 水輪機(jī)流道網(wǎng)格數(shù)量

2.2.2水輪機(jī)流道水動(dòng)力數(shù)值模擬方法

計(jì)算域采用水電站進(jìn)水口閘門(mén)斷面水流平均流速作為上游邊界條件，尾水管出口自由出流為下游邊界條件，蝸殼、座環(huán)、轉(zhuǎn)輪室、尾水管壁面為無(wú)滑移壁面，轉(zhuǎn)輪葉片、輪轂、泄水錐等壁面采用旋轉(zhuǎn)壁面條件。水輪機(jī)流道內(nèi)水流的運(yùn)動(dòng)采用不可壓雷諾平均Navier-Stokes方程和連續(xù)方程進(jìn)行描述，選用RNGk-ε湍流模型進(jìn)行水動(dòng)力數(shù)值模擬計(jì)算[27]。為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的可靠性，采用額定工況下水輪機(jī)出力數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，得出數(shù)值模擬出力值誤差小于2%，表明數(shù)值計(jì)算結(jié)果可靠(表4)。

表4 數(shù)值模型可靠性分析

2.2.3計(jì)算工況的擬定

為識(shí)別軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)不同運(yùn)行參數(shù)(水頭H、流量Q、導(dǎo)葉開(kāi)度α0、槳葉轉(zhuǎn)角φ)對(duì)流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力的影響，在葛洲壩ZZ500水輪機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)，按照流量、水頭等間距取值，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行范圍樣本工況全覆蓋的原則，選取不同水頭、不同出力下的典型運(yùn)行工況101組(圖2)。針對(duì)選取的各運(yùn)行工況，分別采用構(gòu)建的水輪機(jī)流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力評(píng)價(jià)方法進(jìn)行過(guò)魚(yú)能力評(píng)價(jià)。

圖2 ZZ500型水輪機(jī)數(shù)值模擬工況

2.3 水輪機(jī)不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力的影響

根據(jù)葛洲壩ZZ500水輪機(jī)全運(yùn)行范圍內(nèi)101組不同運(yùn)行參數(shù)工況流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力量化評(píng)價(jià)結(jié)果得出：在水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行范圍內(nèi)流道具有較好的水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力，流道魚(yú)類加權(quán)可利用體積占比PWUV均達(dá)到92%及以上，其中最小值(92%)發(fā)生在水輪機(jī)最大水頭(26.4 m)、最小導(dǎo)葉開(kāi)度(280 mm)和槳葉轉(zhuǎn)角(-10°)的低流量(268.99 m3/s)運(yùn)行工況，說(shuō)明水輪機(jī)在高水頭、低流量運(yùn)行工況下，其流道水動(dòng)力特性對(duì)過(guò)機(jī)魚(yú)體具有最大的損傷威脅；而較低水頭(12.6 m)，較大流量(6 521.2 m3/s)工況運(yùn)行時(shí)，流道具有最大PWUV(97.6%)，說(shuō)明ZZ500水輪機(jī)運(yùn)行在此工況下流道對(duì)家魚(yú)幼魚(yú)造成水動(dòng)力損傷的概率最小。

為識(shí)別影響軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)過(guò)魚(yú)能力的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，分別將葛洲壩ZZ500水輪機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)101組運(yùn)行工況的主要運(yùn)行參數(shù)與PWUV進(jìn)行相關(guān)性分析。

2.3.1運(yùn)行水頭H

由水輪機(jī)各工況下PWUV-H關(guān)系圖(圖3)可見(jiàn)，隨著H的增加，PWUV呈逐漸下降的趨勢(shì)，其中在最大水頭(26.4 m)運(yùn)行條件下，不同流量工況的流道PWUV均小于93%；而在最小水頭(8.6 m)條件下，流道最大PWUV可達(dá)到97.5%，說(shuō)明H越高魚(yú)體在流道內(nèi)遭受水動(dòng)損傷概率越大。同時(shí)，H越高，其同一運(yùn)行水頭下不同流量工況的流道PWUV變化范圍越小，說(shuō)明當(dāng)水輪機(jī)運(yùn)行在高水頭下，其流道PWUV受流量、導(dǎo)葉開(kāi)度等其他運(yùn)行參數(shù)影響較小，流道水動(dòng)力特性對(duì)下行魚(yú)類十分不利。

圖3 Z500水輪機(jī)PWUV-H關(guān)系

2.3.2流量Q

根據(jù)101組運(yùn)行工況PWUV-Q關(guān)系圖(圖4)，PWUV隨Q的增加呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，說(shuō)明流量的增加使家魚(yú)幼魚(yú)通過(guò)該水輪機(jī)流道下行時(shí)遭受水動(dòng)力損傷的概率減小，流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力增強(qiáng)。當(dāng)Q>402 m3/s時(shí)，PWUV均達(dá)到94%以上，流道適合魚(yú)類下行的空間較大，魚(yú)類在流道內(nèi)受水動(dòng)力損傷的概率較低。

圖4 ZZ500水輪機(jī)PWUV-Q關(guān)系

2.3.3導(dǎo)葉開(kāi)度α0

由各運(yùn)行工況下PWUV-α0關(guān)系圖(圖5)可見(jiàn)：PWUV與α0呈正相關(guān)，α0越大，流道水動(dòng)力特性適合家魚(yú)幼魚(yú)下行的空間區(qū)域越大，流道具有較好的水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力。當(dāng)α0>460 mm(相對(duì)開(kāi)度為0.65)時(shí)，PWUV>94%，且α0，PWUV越大，流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力越強(qiáng)。根據(jù)國(guó)外關(guān)于魚(yú)類在水輪機(jī)流道遭受水動(dòng)力損傷的相關(guān)研究[7-17]，魚(yú)類通過(guò)水輪機(jī)座環(huán)及活動(dòng)導(dǎo)葉區(qū)域主要遭受因?qū)~間隙產(chǎn)生的流速梯度引起的剪切應(yīng)力損傷。因此，α0的增大，可增加導(dǎo)葉間過(guò)流斷面積，減小流速梯度，進(jìn)而降低流速突變對(duì)魚(yú)體造成剪切應(yīng)力損傷，提高流道過(guò)魚(yú)能力。另外，α0的增加，同時(shí)增加了水輪機(jī)流量，優(yōu)化了流道空間的水流狀態(tài)，進(jìn)一步提高流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力。

圖5 ZZ500水輪機(jī)PWUV-α0關(guān)系

2.3.4轉(zhuǎn)輪槳葉轉(zhuǎn)角φ

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪槳葉與活動(dòng)導(dǎo)葉保持協(xié)聯(lián)關(guān)系，以提高水輪機(jī)運(yùn)行效率。根據(jù)葛洲壩ZZ500水輪機(jī)101組運(yùn)行工況下槳葉轉(zhuǎn)角與PWUV關(guān)系圖(圖6)，可得出軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力隨槳葉轉(zhuǎn)角的增大有增大的趨勢(shì)。槳葉轉(zhuǎn)角小于-5°的運(yùn)行工況，大部分工況的流道PWUV在0.92～0.94范圍內(nèi)；當(dāng)槳葉轉(zhuǎn)角大于-5°時(shí)，流道PWUV基本都大于0.94。PWUV較高(≥97%)的工況槳葉轉(zhuǎn)角在-2°～10°之間，說(shuō)明軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)槳葉轉(zhuǎn)角為正值時(shí)，流道PWUV較高，特別是在水輪機(jī)運(yùn)行在最優(yōu)工況(φ=0°)及附近區(qū)域，流道具有較好水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力。當(dāng)φ>+10°時(shí)，隨槳葉角度增加流道PWUV值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，說(shuō)明當(dāng)水輪機(jī)偏離最優(yōu)工況運(yùn)行，流道水流水動(dòng)力條件惡化，不但降低水輪機(jī)運(yùn)行效率還增加了對(duì)過(guò)機(jī)魚(yú)體造成水動(dòng)力損傷的概率。

圖6 ZZ500水輪機(jī)PWUV-φ關(guān)系

圖7 ZZ500水輪機(jī)PWUV-N關(guān)系

2.3.5水輪機(jī)出力N

水輪機(jī)出力受其運(yùn)行水頭、流量、效率共同影響，是評(píng)價(jià)水輪機(jī)運(yùn)行效益的關(guān)鍵指標(biāo)。水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性與其出力有較強(qiáng)的相關(guān)性，一般情況下，水電站運(yùn)行在其額定出力的70%以上，機(jī)組具有較好的運(yùn)行穩(wěn)定性。根據(jù)葛洲壩ZZ500水輪機(jī)101組運(yùn)行工況PWUV-N關(guān)系圖(圖7)可見(jiàn)，水輪機(jī)出力大于其額定出力的70%(90 MW)時(shí)，PWUV均大于94%，說(shuō)明水輪機(jī)運(yùn)行在大出力的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，流道水動(dòng)力特性也具有較好的“親魚(yú)”性能。在水輪機(jī)小出力工況，多數(shù)工況PWUV較小，但也有少量工況PWUV較大，說(shuō)明在水輪機(jī)出力較低時(shí)，其流道水動(dòng)力特性穩(wěn)定性較差，其流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力受流量、導(dǎo)葉開(kāi)度等其他運(yùn)行參數(shù)的影響較大，但整體PWUV略低，對(duì)過(guò)機(jī)魚(yú)體帶來(lái)不利影響。因此，水輪機(jī)運(yùn)行在大出力工況，不但具有較好的發(fā)電效益和運(yùn)行穩(wěn)定性，其流道水動(dòng)力特性也更加適合魚(yú)類通過(guò)其安全下行。

3 結(jié)論與討論

a.軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行工況下，流道具有較高的家魚(yú)幼魚(yú)加權(quán)可利用體積占比，葛洲壩ZZ500型水輪機(jī)均達(dá)到92%以上，說(shuō)明低水頭大流量的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)流道空間具有較好的水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力，可作為魚(yú)類安全下行的直接通道。

b.水輪機(jī)運(yùn)行水頭及導(dǎo)葉開(kāi)度與其流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力有明顯的相關(guān)性。水頭越高，流道空間使過(guò)機(jī)魚(yú)體遭受水動(dòng)力損傷的區(qū)域越大，魚(yú)類通過(guò)水輪機(jī)流道下行受到水動(dòng)力損傷的概率越大；導(dǎo)葉開(kāi)度越大，流道PWUV越大，流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力越好。說(shuō)明水輪機(jī)運(yùn)行水頭與導(dǎo)葉開(kāi)度是影響流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)。

c.軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)過(guò)機(jī)流量與槳葉轉(zhuǎn)角對(duì)流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力有一定影響。流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力隨流量增大而增大，但當(dāng)流量趨于水輪機(jī)最大流量時(shí)，流道空間魚(yú)類加權(quán)可利用體積占比趨于某一穩(wěn)定值。水輪機(jī)槳葉轉(zhuǎn)角運(yùn)行在最優(yōu)工況附近區(qū)域，流道PWUV較大，水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力最優(yōu)；槳葉轉(zhuǎn)角為正值的工況，流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力優(yōu)于槳葉轉(zhuǎn)角為負(fù)角的工況。

d.水輪機(jī)運(yùn)行在額定出力及其附近大出力工況時(shí)，流道PWUV較大，具有較好水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力。

由此可見(jiàn)，影響軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)為運(yùn)行水頭及導(dǎo)葉開(kāi)度，同時(shí)過(guò)機(jī)流量、槳葉轉(zhuǎn)角及出力對(duì)其也有一定影響。水輪機(jī)運(yùn)行在大流量、低水頭、大出力工況，不但具有較高的發(fā)電效益和運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)也具有較好的水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力。這與Cada等[7-18]得出的水輪機(jī)過(guò)機(jī)魚(yú)體存活率是一個(gè)關(guān)于轉(zhuǎn)輪葉片轉(zhuǎn)角、導(dǎo)葉開(kāi)度、水流狀態(tài)的復(fù)雜函數(shù)的研究結(jié)論基本相近。

上述結(jié)論得出軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)對(duì)其流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力具有較為明顯的影響，故可通過(guò)優(yōu)化水輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)建立魚(yú)類友好的水輪機(jī)生態(tài)運(yùn)行方式，以提高其流道水動(dòng)力過(guò)魚(yú)能力。然而，魚(yú)類通過(guò)水輪機(jī)流道下行還可能因與流道構(gòu)件的撞擊、摩擦、擠壓等遭受到機(jī)械損傷，其損傷概率與魚(yú)體下行軌跡、流道尺寸、魚(yú)體尺寸等因素密切相關(guān)，因此下一步研究還應(yīng)以魚(yú)類水動(dòng)力損傷概率及機(jī)械損傷概率綜合評(píng)價(jià)水輪機(jī)流道過(guò)魚(yú)能力。另外，本文主要針對(duì)四大家魚(yú)1齡以下的幼魚(yú)通過(guò)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)流道下行進(jìn)行研究，魚(yú)體尺寸與流道水動(dòng)力計(jì)算網(wǎng)格單元尺寸相差不大，對(duì)于尺寸較大的成魚(yú)，在判定水動(dòng)力損傷單元區(qū)域時(shí)應(yīng)進(jìn)一步分析和討論。