一種基于魚存活率預(yù)測的魚類友好型軸流泵的設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水力機械技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于魚存活率預(yù)測的魚類友好型軸 流栗的設(shè)計方法，適用于有各類魚通過的大中型軸流栗設(shè)計。
【背景技術(shù)】
[0002] 栗站廣泛應(yīng)用于防洪排澇以及農(nóng)業(yè)灌溉，在很多國內(nèi)沿河沿海城市，歐洲地勢低 洼的國家，栗站的用量十分巨大。但一個負面影響在于，河流海洋中的魚類資源通過栗站時 會遭受不可避免的損傷和死亡，進而影響魚類的洄游和迀徙。早在2000年歐洲議會就出臺 了保護魚類棲息地的指令，包括為魚類提供通暢的洄游，歐盟水框架指令也強調(diào)了將各種 水障礙轉(zhuǎn)變?yōu)轸~友好型的重要性，在未來幾年，加強補救瀕危魚類的法規(guī)也將在歐盟各國 執(zhí)行。在當今許多國家重視生態(tài)保護的背景下，魚類友好型栗及栗站的開發(fā)也受到越來越 多的關(guān)注。
[0003] 經(jīng)檢索，沒有相關(guān)魚類通過軸流栗后存活率預(yù)測的數(shù)學模型，而在軸流栗相關(guān)的 設(shè)計方法中，幾乎都為提高栗效率、栗穩(wěn)定性、污物通過能力或多工況下運行的設(shè)計方法， 如公開號為CN102748300A、CN104005983A、CN103452912A的專利技術(shù)，都未考慮栗在實際運 行中會有活魚通過，而優(yōu)化設(shè)計一種魚類友好型栗。公開號為CN104613001A的專利技術(shù)提 出了可通過魚類的生態(tài)友好型軸流栗結(jié)構(gòu)，但沒有給出設(shè)計方法。因此，現(xiàn)有設(shè)計方法并不 能解決提高魚類存活率這一重要的生態(tài)問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于魚存活率預(yù)測的魚類友好型 軸流栗的設(shè)計方法，以提高魚類通過大中型軸流栗的存活率，避免魚類損傷和死亡。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種基于魚存活率預(yù)測的魚類友好型軸流栗的設(shè)計方法， 采用數(shù)學模型預(yù)測魚類通過軸流栗后的存活率，得到葉片設(shè)計參數(shù)與魚類存活率之間的關(guān) 系，并由此指導魚友好型軸流栗的設(shè)計。所述數(shù)學模型主要包括葉片前緣撞擊概率預(yù)測及 撞擊死亡率預(yù)測，重點在于撞擊速度的選擇。所述魚友好型軸流栗設(shè)計基于數(shù)學模型，采用 兩葉片葉輪降低葉片前緣撞擊概率，采用線性前掠前伸的葉片前緣降低撞擊死亡率。
[0006] 所述數(shù)學模型將魚類考慮為一維線性僵直物體，無主觀運動，與液流之間無相對 滑移，長度為Lflsh的魚類與液流的共同軸向速度為v ml，則魚類通過葉片前緣處過流斷面所 需時間為tfish，Q為栗流量，RjPR2分別為葉片前緣輪轂處和輪緣處的半徑。
[0007] 葉輪轉(zhuǎn)速為N r/min，葉片數(shù)為η的葉輪轉(zhuǎn)過一個葉片距s所需時間為tbiade，r為葉 片前緣任一點半徑，u為葉片圓周速度。
[0008] 通過tfish與tblade的比值得到前緣撞擊概率
[0008] 將前緣撞擊概率限制在100%以內(nèi)，Pstrike=min[l，P'strike]
[0009] 受到葉片前緣撞擊后，有部分魚類會死亡，影響該比例fstrike最重要的因素就是撞 擊速度V，本發(fā)明選取的撞擊速度為垂直前緣的速度分量，分別取葉片圓周速度垂直前緣方 向的分量COsa與液流軸向速度垂直前緣方向的分量I 1C0S0進行向量疊加，即 V = I運reos:a + fraleosp I，茁為角速度矢量，r為前緣任一點半徑，a為正視圖上葉片切向速度 方向與垂直前緣方向的夾角，iL為液流軸向速度矢量，β為軸面投影圖上液流軸向速度方 向與垂直前緣方向的夾角。
[0010] 在前緣上對撞擊速度積分求平均
[0011] 根據(jù)栗站監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析得到的撞擊死亡率匕^加與平均撞擊速度1、魚類長度 Lfish、葉片前緣厚度d之間的關(guān)系，
，a、b為系數(shù)，取值如下表
[0012] 魚類存活率C =I-Pstrikefstrike
[0013]所述葉片前緣線性前掠前伸，其前掠程度W定義為葉輪正視圖中，前緣輪緣處至 前緣輪轂處的角度，滿足5〇°<^<7〇°，前掠形式定義為前掠角α隨前緣半徑R的變化率ki，滿 足ki為常數(shù);前伸程度E定義為葉輪軸面投影圖中，前緣輪緣處至前緣輪轂處的軸向距離， 滿足0.21? 2"〈0.41?2，前伸形式定義為前緣軸向距離1^隨半徑1?的變化率1?，滿足1?為常數(shù)。 [0014]所述魚友好型軸流栗設(shè)計方法，通過設(shè)計葉片在不同半徑的柱面上的截面翼型， 生成完整葉片。
[0015]葉片不同截面翼型弦長1取值在輪轂處為1.6R2,線性增加到輪緣處的3R2。
[0016] 葉片不同截面處液流軸向速度為
考慮容積效率nv及葉片排
擠系數(shù)Φ，容積效率取定值0.98，葉片排擠系數(shù)取值在輪轂處為0.87線性增加到輪緣處的 0.95〇
[0017] 葉片不同截面處葉片出口液流圓周速度分量為 采用1.5~ 1.7倍設(shè)計揚程H，水力效率％取值由輪轂處的0.9線性減少到輪緣處的0.86，環(huán)量修正系數(shù) ξ由輪轂處的0.8線性增加到中間截面處的1，再線性增加到輪緣處的1.25，u為葉片圓周速 度。
[0018] 葉片進口角
'附加角度在輪轂處為1°線性增加到3°，vml為 葉片進口液流軸向速度分量。
[0019] 葉片出口角
，附加角度恒為1°，vm2為葉片出口液流軸向速度 分量。
[0020] 葉片葉弦角
[0021] 根據(jù)前緣前掠程度，前掠形式h、前伸程度E以及前伸形式k2,在翼型展開圖中將 翼型作相應(yīng)的偏移以形成線性前掠前伸的葉片前緣。 本發(fā)明的有益效果： (1) 魚類通過軸流栗后的存活率預(yù)測數(shù)學模型，經(jīng)過試驗驗證可準確反應(yīng)栗設(shè)計參數(shù) 與魚存活率之間的關(guān)系，可指導設(shè)計魚類友好型軸流栗。根據(jù)數(shù)學模型可得，葉片數(shù)和轉(zhuǎn)速 是影響葉片前緣撞擊概率最主要因素，撞擊速度是影響撞擊死亡率的最主要因素。 (2) 基于魚存活率預(yù)測數(shù)學模型設(shè)計魚類友好型軸流栗，兩葉片葉輪可大幅降低葉片 撞擊概率，與采用低轉(zhuǎn)速葉輪降低撞擊概率相比，可保證更高的揚程;葉片前緣線性前掠前 伸可大幅降低前緣各點撞擊速度，從而降低撞擊死亡率。通過數(shù)學模型預(yù)測，相同設(shè)計參數(shù) (外徑，轉(zhuǎn)速，流量，揚程等)下的軸流栗經(jīng)魚友好型設(shè)計后，魚類存活率提高50%以上。 (3) 本發(fā)明在設(shè)計葉片翼型參數(shù)時，弦長1取值較小可降低葉柵稠密度，一方面控制葉 片軸向高度，另一方面減小葉片做功面積，降低水力損失;采用1.5~1.7倍設(shè)計揚程計算葉 片出口角02,彌補較小弦長值造成的液流偏轉(zhuǎn)不足。
【附圖說明】
[0022]圖1為標準軸流栗葉輪側(cè)視圖。
[0023]圖2為標準軸流栗葉輪正視圖。
[0024] 圖3為魚存活率預(yù)測數(shù)學模型示意圖。
[0025] 圖4為魚存活率預(yù)測數(shù)學模型軸向速度分解示意圖
[0026] 圖5為魚存活率預(yù)測數(shù)學模型圓周速度分解示意圖
[0027] 圖6為魚類友好型軸流栗葉輪示意圖。
[0028]圖7為魚類友好型軸流栗葉輪正視圖。
[0029] 圖8為魚類友好型軸流栗葉輪軸面投影圖。
[0030] 圖9為葉片截面示意圖。
[0031]圖10葉片截面翼型展開圖。
[0032]附圖標記說明如下：1_軸流栗輪轂，2-葉片前緣，3-葉片，4-葉片后緣，5-葉片前緣 處過流斷面。
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖以及具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0034]魚存活率預(yù)測數(shù)學模型通過圖1至圖5說明。圖1為標準軸流栗葉輪側(cè)視圖，圖2為 標準軸流栗葉輪正視圖，將其葉片(3)按平面展開，如圖3所示。將魚類考慮為一維