Page 108 - 水利学报2021年第52卷第6期

图 9 为最小水头 H 、设计水头 H 、最大水头 H 下鱼
min r max 7
类遭受转轮内压强损伤概率 P（A）随水轮机出力的变化情 3m
4m
6
5m
况。根据图 6 至图 8 可知，相对压强小于-15 kPa 的区域主 5
要位于叶片背面靠近进口边的位置，且当水头一定时，贯 （A）% / 4
流式水轮机在不同导叶开度下运行时，相对压强小于-15 P 3
kPa 的区域随着流量的增加呈增多趋势，因此根据式（1）可 2
知，鱼类遭受压强损伤概率随着流量的升高呈增大趋势。 1
0
在大水头工况时，相对压强小于-15 kPa 的区域随着流量
50 100 150 200 250 300
的增加而增多的趋势减缓，在小水头工况时，该区域面积 功率/kW
增多的趋势迅速。该原因主要是在低水头工况时，水轮机 图 9 不同水头时鱼类遭受压强损伤概率
进口压力相对较低，经过转轮将压能转换之后，转轮内部
的压强相对较低。同时，在小开度时，相对压强小于-15 kPa 的区域随着水头的增大呈增多趋势；而
在大开度时，相对压强小于-15 kPa 的区域随着水头的增大呈减少趋势。该原因主要是： 在小开度
时，随着水头的提高，水轮机的过流量增大，效率增高快，被转轮转换利用的水流压能相对增加，
故经过能量转换后的转轮内部低压区增多。而在大开度时，随着水头的提高，水轮机的过流量增
大，效率下降，被转轮转换利用的水流压能相对减少，故经过能量转换后的转轮内部低压区减少。
根据图 9 可知，鱼体遭受压强损伤的概率随着流量的增大而增大。当水轮机在最小水头 H =3 m 的
min
大流量工况时，鱼类遭受压强损伤概率达到了最大值 P（A）=6.45%。各种导叶开度下，最小水头 H =
min
3 m 鱼 类 遭 受 压 强 损 伤 概 率 平 均 值 为 2.289% ， 设 计 水 头 H =4m 鱼 类 遭 受 压 强 损 伤 概 率 平 均 值 为
r
2.029%，最大水头 H =5 m 鱼类遭受压强损伤概率平均值为 1.752%。其中最小水头 H =3 m 鱼类遭受
max min
压强损伤概率平均值最大，因此在水头较小时，通过该贯流式水轮机转轮时鱼体遭受压强损伤概率越大。
5.2 贯流式水轮机中鱼受压强梯度损伤概率分析 通过数值模拟计算了贯流式水轮机在最小水头
H 、设计水头 H 、最大水头 H 3 种水头下，不同导叶开度下转轮内压强梯度大于 3 kPa/s 的区域体
min r max
积。图 10 为同一叶片安放角时，设计水头 4 m 时不同导叶开度下压强梯度大于 3 kPa/s 的区域。该区
域主要出现在叶片进水边，在小开度时，出现在偏叶片外缘位置；随着开度的增大，靠近轮毂处也
出现压强梯度大于 3 kPa/s 的区域；当导叶开度继续增加到 90 mm 时，靠近轮毂处，压强梯度大于
3 kPa/s 的区域又减小。根据式（2）计算得到贯流式水轮机在各流量工况下运行时鱼类遭受转轮内压强
梯度损伤的概率 P（B）。

（a）导叶开度 50mm （b）导叶开度 60mm （c）导叶开度 70mm （d）导叶开度 80mm （e）导叶开度 90mm
图 10 H r=4m：转轮处压强梯度高于 3kPa/s 区域
图 11 为最小水头 H 、设计水头 H 、最大水头 H 下鱼类遭受转轮内压强梯度损伤概率 P（B）随
min r max
水轮机出力的变化情况。根据图 11可知，该贯流式水轮机在不同导叶开度下运行时，压强梯度大于 3 kPa/s
的区域随着流量的增加呈先增多后减少，鱼类遭受压强梯度损伤概率随着流量的升高呈先增大后减
小趋势。当水轮机在最大水头的导叶开度为 60 mm 时，鱼类遭受压强梯度损伤概率达到了最大值
P（B）=4.61%。各种导叶开度下，最小水头 H =3 m 鱼类遭受压强梯度损伤概率平均值为 1.969%，设
min
计水头 H =4 m 鱼类遭受压强梯度损伤概率平均值为 3.197%，最大水头 H max =5 m 鱼类遭受压强梯度损
r
伤概率平均值为 4.067%。其中最大水头 H =5 m 鱼类遭受压强梯度损伤概率平均值最大，因此在水
max
头较大时，通过该贯流式水轮机转轮的鱼体遭受压强梯度损伤概率越大。

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