一种基于鱼存活率预测的鱼类友好型轴流泵的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水力机械技术领域，尤其涉及一种基于鱼存活率预测的鱼类友好型轴 流栗的设计方法，适用于有各类鱼通过的大中型轴流栗设计。
【背景技术】
[0002] 栗站广泛应用于防洪排涝以及农业灌溉，在很多国内沿河沿海城市，欧洲地势低 洼的国家，栗站的用量十分巨大。但一个负面影响在于，河流海洋中的鱼类资源通过栗站时 会遭受不可避免的损伤和死亡，进而影响鱼类的洄游和迀徙。早在2000年欧洲议会就出台 了保护鱼类栖息地的指令，包括为鱼类提供通畅的洄游，欧盟水框架指令也强调了将各种 水障碍转变为鱼友好型的重要性，在未来几年，加强补救濒危鱼类的法规也将在欧盟各国 执行。在当今许多国家重视生态保护的背景下，鱼类友好型栗及栗站的开发也受到越来越 多的关注。
[0003] 经检索，没有相关鱼类通过轴流栗后存活率预测的数学模型，而在轴流栗相关的 设计方法中，几乎都为提高栗效率、栗稳定性、污物通过能力或多工况下运行的设计方法， 如公开号为CN102748300A、CN104005983A、CN103452912A的专利技术，都未考虑栗在实际运 行中会有活鱼通过，而优化设计一种鱼类友好型栗。公开号为CN104613001A的专利技术提 出了可通过鱼类的生态友好型轴流栗结构，但没有给出设计方法。因此，现有设计方法并不 能解决提高鱼类存活率这一重要的生态问题。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于鱼存活率预测的鱼类友好型 轴流栗的设计方法，以提高鱼类通过大中型轴流栗的存活率，避免鱼类损伤和死亡。
[0005] 本发明的技术方案为:一种基于鱼存活率预测的鱼类友好型轴流栗的设计方法， 采用数学模型预测鱼类通过轴流栗后的存活率，得到叶片设计参数与鱼类存活率之间的关 系，并由此指导鱼友好型轴流栗的设计。所述数学模型主要包括叶片前缘撞击概率预测及 撞击死亡率预测，重点在于撞击速度的选择。所述鱼友好型轴流栗设计基于数学模型，采用 两叶片叶轮降低叶片前缘撞击概率，采用线性前掠前伸的叶片前缘降低撞击死亡率。
[0006] 所述数学模型将鱼类考虑为一维线性僵直物体，无主观运动，与液流之间无相对 滑移，长度为Lflsh的鱼类与液流的共同轴向速度为v ml，则鱼类通过叶片前缘处过流断面所 需时间为tfish，Q为栗流量，RjPR2分别为叶片前缘轮毂处和轮缘处的半径。
[0007] 叶轮转速为N r/min，叶片数为η的叶轮转过一个叶片距s所需时间为tbiade，r为叶 片前缘任一点半径，u为叶片圆周速度。
[0008] 通过tfish与tblade的比值得到前缘撞击概率
[0008] 将前缘撞击概率限制在100%以内，Pstrike=min[l，P'strike]
[0009] 受到叶片前缘撞击后，有部分鱼类会死亡，影响该比例fstrike最重要的因素就是撞 击速度V，本发明选取的撞击速度为垂直前缘的速度分量，分别取叶片圆周速度垂直前缘方 向的分量COsa与液流轴向速度垂直前缘方向的分量I 1C0S0进行向量叠加，即 V = I运reos:a + fraleosp I，茁为角速度矢量，r为前缘任一点半径，a为正视图上叶片切向速度 方向与垂直前缘方向的夹角，iL为液流轴向速度矢量，β为轴面投影图上液流轴向速度方 向与垂直前缘方向的夹角。
[0010] 在前缘上对撞击速度积分求平均
[0011] 根据栗站监测的数据分析得到的撞击死亡率匕^加与平均撞击速度1、鱼类长度 Lfish、叶片前缘厚度d之间的关系，
，a、b为系数，取值如下表
[0012] 鱼类存活率C =I-Pstrikefstrike
[0013]所述叶片前缘线性前掠前伸，其前掠程度W定义为叶轮正视图中，前缘轮缘处至 前缘轮毂处的角度，满足5〇°<^<7〇°，前掠形式定义为前掠角α随前缘半径R的变化率ki，满 足ki为常数;前伸程度E定义为叶轮轴面投影图中，前缘轮缘处至前缘轮毂处的轴向距离， 满足0.21? 2"〈0.41?2，前伸形式定义为前缘轴向距离1^随半径1?的变化率1?，满足1?为常数。 [0014]所述鱼友好型轴流栗设计方法，通过设计叶片在不同半径的柱面上的截面翼型， 生成完整叶片。
[0015]叶片不同截面翼型弦长1取值在轮毂处为1.6R2,线性增加到轮缘处的3R2。
[0016] 叶片不同截面处液流轴向速度为
考虑容积效率nv及叶片排
挤系数Φ，容积效率取定值0.98，叶片排挤系数取值在轮毂处为0.87线性增加到轮缘处的 0.95〇
[0017] 叶片不同截面处叶片出口液流圆周速度分量为 采用1.5~ 1.7倍设计扬程H，水力效率％取值由轮毂处的0.9线性减少到轮缘处的0.86，环量修正系数 ξ由轮毂处的0.8线性增加到中间截面处的1，再线性增加到轮缘处的1.25，u为叶片圆周速 度。
[0018] 叶片进口角
'附加角度在轮毂处为1°线性增加到3°，vml为 叶片进口液流轴向速度分量。
[0019] 叶片出口角
，附加角度恒为1°，vm2为叶片出口液流轴向速度 分量。
[0020] 叶片叶弦角
[0021] 根据前缘前掠程度，前掠形式h、前伸程度E以及前伸形式k2,在翼型展开图中将 翼型作相应的偏移以形成线性前掠前伸的叶片前缘。 本发明的有益效果： (1) 鱼类通过轴流栗后的存活率预测数学模型，经过试验验证可准确反应栗设计参数 与鱼存活率之间的关系，可指导设计鱼类友好型轴流栗。根据数学模型可得，叶片数和转速 是影响叶片前缘撞击概率最主要因素，撞击速度是影响撞击死亡率的最主要因素。 (2) 基于鱼存活率预测数学模型设计鱼类友好型轴流栗，两叶片叶轮可大幅降低叶片 撞击概率，与采用低转速叶轮降低撞击概率相比，可保证更高的扬程;叶片前缘线性前掠前 伸可大幅降低前缘各点撞击速度，从而降低撞击死亡率。通过数学模型预测，相同设计参数 (外径，转速，流量，扬程等)下的轴流栗经鱼友好型设计后，鱼类存活率提高50%以上。 (3) 本发明在设计叶片翼型参数时，弦长1取值较小可降低叶栅稠密度，一方面控制叶 片轴向高度，另一方面减小叶片做功面积，降低水力损失;采用1.5~1.7倍设计扬程计算叶 片出口角02,弥补较小弦长值造成的液流偏转不足。
【附图说明】
[0022]图1为标准轴流栗叶轮侧视图。
[0023]图2为标准轴流栗叶轮正视图。
[0024] 图3为鱼存活率预测数学模型示意图。
[0025] 图4为鱼存活率预测数学模型轴向速度分解示意图
[0026] 图5为鱼存活率预测数学模型圆周速度分解示意图
[0027] 图6为鱼类友好型轴流栗叶轮示意图。
[0028]图7为鱼类友好型轴流栗叶轮正视图。
[0029] 图8为鱼类友好型轴流栗叶轮轴面投影图。
[0030] 图9为叶片截面示意图。
[0031]图10叶片截面翼型展开图。
[0032]附图标记说明如下：1_轴流栗轮毂，2-叶片前缘，3-叶片，4-叶片后缘，5-叶片前缘 处过流断面。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明。
[0034]鱼存活率预测数学模型通过图1至图5说明。图1为标准轴流栗叶轮侧视图，图2为 标准轴流栗叶轮正视图，将其叶片(3)按平面展开，如图3所示。将鱼类考虑为一维