魚類友好型水輪機設計研究綜述

楊春霞，鄭源, ，張玉全，羅紅英

（1. 河海大學能源與電氣學院，南京211100；2. 西藏農牧學院，西藏林芝 860000）

一、前言

水電被歸類為可再生能源，《可再生能源發展“十三五”規劃》指出可再生能源是中國非化石能源的主力，也是中國未來能源轉型的依托。“十三五”可再生能源發電裝機總量年均增長4.25×107kW、總投資規模將達2.5萬億元。清潔低碳能源將是“十三五”期間能源供應增量的主體[1,2]。黨的“十九大”報告提出要堅持新發展理念。發展是解決我國一切問題的基礎和關鍵，發展必須是科學發展，必須堅定不移貫徹創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念，堅持人與自然和諧共生。目前，生態環境保護已經成為國家和社會關注的熱點問題。在美國，綠色環保組織基于三文魚的生態問題長期呼吁拆除哥倫比亞河下游的Bennevilee、Dalles、John Day、McNary四座電站大壩，緬因州肯納貝克河上的愛德華茲水壩最終于1999年拆除，成為一個標志性事件。2015年，重慶市“小南海電站”建設項目被環境保護部叫停的事件，也折射出我國水電開發中面臨的巨大生態困境。然而，簡單地將“魚”與“水電”對立起來的認識顯然是不可取的。考慮水電開發和生態的協調發展已經成為共識，專家學者和管理者千方百計地尋找能夠緩解筑壩對魚類洄游阻隔的辦法。為上行過壩魚設置魚梯、升魚機、魚閘等通道；下行過壩魚則主要通過溢洪道或水輪機泄放到下游。

二、魚類下行過壩措施及存在問題

目前所有下行過魚設施都會對魚類產生一定程度的影響，且有些過魚設施工程造價高、施工難度大，還可能影響水電站的發電量[3]。

（1）當采用機械運輸時，耗費的人力和財力大，且魚類在捕撈和運輸過程中會受到不可控制的傷害；

（2）魚類通過溢洪道下行的存活率受流速、水頭因素的影響，溢洪道作為目前常用的魚類下行過壩措施，效果很不理想；

（3）幼魚旁路系統，常規工程中很難有橫穿大壩的旁路水道，若是采用駁船和卡車運魚，需要耗費大量的人力和財力，且在運輸過程中不可避免地會造成幼魚死亡；

（4）采用水表面通道，幼魚被誘導收集后仍需要通過機械運輸或者溢流堰過壩。

對魚類通過各種過魚設施的生存率進行評估后發現，所有過魚設施都會對魚類產生一定程度的影響。

事實上，無論采用何種下行魚類過壩措施，都無法避免會有一部分魚類隨著水流進入水輪機。因此，降低水輪機對魚類的傷害，提高魚類過壩存活率，對水輪機及其流道進行改造十分重要。有研究表明，魚類通過設計良好的水輪機的存活率要高于通過溢洪道的存活率。

三、魚類通過水輪機的損傷機理研究

魚類通過水輪機時的存活率主要依賴于魚類通過水輪機系統時采取的路徑。一旦魚體離開前池，進入水輪機系統，它受到的傷害就和流道內非常迅速的幾何物理變化和水流流動特性變化密切相關。1995年，美國陸軍工程師團（USACE）成立了一個水輪機流道魚類存活率研究小組。通過分析，小組專家們將魚類通過水輪機流道下行時可能受到的傷害機理分為機械、壓力、剪切力和空蝕四種原因[4～6]。圖1給出了水輪機不同區域可能造成傷害的原因。

（一）機械原因

魚隨水流通過水輪機流道時，直接與旋轉的轉輪葉片相撞、摩擦，摩擦傷害程度取決于流量和流速、水輪機葉片數目和間距以及流道的幾何形狀，但是并不能確定或區別由于摩擦所造成的損傷的量，魚的死亡率隨轉輪圓周速度的增加而增加；通過活動導葉和固定導葉等固定機械部件引起的擦傷；魚卡在葉片末端與外殼之間受到擦傷，可以通過檢查魚體判斷擦傷情況，如局部瘀傷、深層割傷，甚至是斬首傷害。但是，無法精確地判斷傷害是由摩擦還是擦傷造成的，并且一些由擦傷造成的基本癥狀也有可能是其他的損傷機制所造成。

圖1 水輪機不同區域可能造成傷害的原因

魚在撞擊水輪機系統部件時可能會產生傷亡。魚體撞擊水輪機系統部件的可能性取決于幾個因素：魚的大小、葉片的數目及其間距、水輪機轉速、流速和流量等。早在1957 年，Raben [7]就提出了一種葉片撞擊模型，預測魚類和渦輪葉片的潛在撞擊概率，隨后很多研究者拓展這個模型并應用在不同的渦輪機械中。直接的目測觀察不到撞擊傷亡的相關死亡率，也無法證明概率預測模型。Ploskey等[8,9]將其應用在水輪機中，采用確定的和隨機的葉片撞擊模型來把新安裝的新型水輪機過魚性能和已有的水輪機進行比較。通過確定性模型預測的受傷率高于實驗中受傷率，通過隨機性模型的預測結果和實驗結果基本一致。Esch等[10,11]將葉片撞擊模型應用在泵中，投入1 253條鯉魚到軸流泵中，在一個較寬的運行范圍內研究魚的損傷率，測量到的鯉魚死亡率和葉片撞擊模型得到的數據相一致。Deng等[12]通過對原型尺寸的活魚生存研究和物理水輪機模型中使用浮子的觀察發現，兩種葉片撞擊概率預測模型相當。隨機模型的預測比確定性模型的預測更接近實驗數據，因為隨機模型考慮了魚接近水輪機轉輪葉片前緣的方向。潘強等[13]研究了一種應用在軸流泵中的葉片撞擊數學模型，對某一軸流泵的魚類通過性能進行了預測，包括葉片撞擊概率、撞擊死亡率和魚類死亡率。

（二）壓力原因

水流通過水輪機流道進行能量轉換時水壓力發生改變，魚從高壓側移動到低壓側時，因壓力急劇變化使魚體受到損傷，魚體損傷的程度取決于壓差的大小和梯度、魚的類型、尺寸等因素。魚體能承受的壓力變化是和它們進入水輪機系統前已經適應的壓力相關的，根據USACE的研究，魚體承受壓力的變化范圍是從低水頭水電站絕對壓力（146 kPa）到高水頭電站的絕對壓力（605 kPa）。

有研究認為魚對壓力的降低比對壓力的增加更敏感。壓力和死亡率相關是因為魚鰾減壓而受到的損傷。圖2為實驗室測得的由于壓力急劇下降導致的魚死亡率情況。Xu等[14]研究草魚在射流泵中的運動及傷害情況，指出壓力與速度變化導致的應力可能導致魚鰓與魚鱗的損傷，非對稱的流道擴散可能造成魚體與固壁的碰撞。

圖2 實驗室測得由于壓力急劇下降導致的魚死亡率情況

（三）剪切力和湍流原因

水流通過水輪機流道進行能量轉換時水壓力發生改變。水輪機過流流道中靠近固體邊界附近出現較大的剪切應力，剪切力和湍流越大，魚類受傷的可能性越大。最高剪切力值接近于流體和固體速度之間的交界面，比如葉片前緣、固定導葉和活動導葉。福伊特團隊利用計算流體動力學（CFD）分析來證實上述區域的的高剪切力。當魚進入水輪機系統中的“破壞性”剪切力區域時，魚會受到傷害，有時甚至是致命的。傷害的程度和魚的種類、大小及進入剪切帶的方式有關。

大多數軸流式水輪機在活動導葉和轉輪葉片之間有間隙，從這些間隙中的泄漏以及水輪機非最優工況在高剪切力區域導致流動分離從而產生渦。量化這些高剪切應力區域可以協助水輪機的設計和運行，從而減少剪切力區域，增強魚的生存能力。例如，對于軸流式水輪機，最大化地傾斜葉片，并使葉片前緣角度和速度矢量相匹配從而減少渦，使剪切力區域減少。在混流式水輪機中，尾水管渦流中的漩渦也有相關的剪切力，并且可能是魚受到傷害的剪切力的主要來源。

Neitzel等[15]通過實驗得到了魚類對剪切速度的安全極限受魚種類和方位的影響，用應變率作為強度指標來描述魚在剪切環境中所受到的水動力，在應變速率等于或小于500 cm/s時魚沒有明顯損傷。Cada [16]通過數值模擬及原型實驗相結合的方法對幼鮭通過軸流式水輪機受到的剪切力損傷進行研究，結果得出水輪機流道中可能造成魚體損傷或死亡的剪切力區域為固定導葉與活動導葉附近區域、轉輪區域及尾水管區域。

（四）空蝕原因

空化氣泡在產生和潰滅時所產生的高壓沖擊波會使魚類產生損傷。

Turnpenny 等[17]采用水下火花發生裝置來產生空化氣泡，試驗中，一組連續汽泡在試驗魚頭部及身體周圍潰滅，并沒有對試驗魚造成組織損傷，但這并不代表水輪機內的空化氣泡不會對過機魚造成損傷。這種裝置被認為并沒有達到真正水輪機中空化氣泡潰滅時產生的高能量水平。邵奇等[18]采用人工模擬方法模擬鯉魚、草魚、鯽魚不同大小個體在不同水輪機工況條件下的損傷，發現負壓狀態下壓力梯度對魚類的生存構成威脅，魚鰾受損，在肝、腎等處有出血點。

四、魚類友好型水輪機設計概念

（一）魚類友好型水輪機設計思路

目前，國內外正積極努力研究既能高效發電又能幫助魚類安全下行的魚類友好型水輪機[19～22]。研究者們對魚類友好型水輪機的設計研究主要從以下思路著手：①確定設計和評估標準，包括：確定過魚目標存活率，確定水輪機目標效率；②初步計算水輪機的外形尺寸，并進行三維幾何建模；③采用CFD技術對水輪機流場進行模擬，根據計算結果對水輪機進行優化，使得上述的機械、壓力、剪切力、空蝕等因素滿足目標魚體的存活率要求，同時還需滿足水輪機的效率目標。

（二）魚類友好型水輪機設計進展

1. 魚類友好型轉槳式水輪機設計

美國能源部啟動了“先進水電站水輪機系統科研計劃（AHTS）”，該計劃的目的是提出既能減少對魚類損傷，又能提高水輪機運行效率的魚類友好型水輪機設計方案。在該計劃中，福伊特集團（Voith）提出了魚類友好型轉槳式水輪機的設計理論：轉槳式水輪機可高效率運行，沒有空蝕，可降低傷害魚類的概率；除去轉子中心體、葉片和轉輪室中環附近的間隙，包括導葉處的縫隙，轉輪體、葉片及出水環間的縫隙，以降低魚類受傷概率，并提高水輪機效率；去除導葉的突出部分，并通過變柱形出水環為球形出水環以減少間隙，同時提高能效；適當地布置固定導葉與活動導葉位置，以消除因撞擊而使魚類受傷的可能性[23,24]；采用生物降解的潤滑液、潤滑脂和無潤滑脂的活動導葉軸瓦，避免有害的污染物進入水中；拋光所有的表面焊縫，以降低對魚的擦傷等。

2. 魚類友好型貫流式水輪機設計

目前魚類友好型貫流式水輪機的設計主要按以下方法進行優化：①增大轉輪直徑，并相應降低轉輪轉速；②減少轉輪葉片數量，減小轉輪體積，減小葉片長度，采用厚的葉片前緣；③減少導葉突起；④增加導葉與葉片之間的距離；⑤合理布置活動導葉和固定導葉，使其位置及方向趨于一致；⑥優化壓力梯度，減少壓力突變。

3. 魚類友好型混流式水輪機設計

魚類友好型混流式水輪機的設計主要從以下幾方面著手：①減少葉片數，加大流道尺寸；②采用較厚的葉片進口邊，使轉輪的效率和水頭特性曲線更平坦；③降低導葉的懸臂，以消除產生有害渦流的間隙，增加導葉對轉輪之間的距離，并使導葉與固定導葉對齊等。

4. 其他魚類友好型水輪機設計

奧爾登（Alden）公司側重于設計全新的水輪機[25]。奧爾登水輪機采用螺旋狀的葉片及葉片前緣裝置旋轉罩來消除常出現在葉緣附近的低壓渦流阻力，使魚類可恰好從轉輪葉片與座環的間隙通過，如圖3所示。通過CFD數值模擬計算表明，在葉片附近，流動沿著下游方向，并且在輪轂和輪緣之間的葉片表面沒有流動分離，如圖4所示。雖然奧爾登水輪機設計目標是消除可能造成魚類傷亡的關鍵因子，但其模型實驗結果表明，雖然保證了水輪機的高效率，但水流在尾水管處存在大量漩渦，這有可能使魚類在通過尾水管時被繞暈，致使其到下游后易被其他魚類或鳥類捕食。

圖3 奧爾登魚友型水輪機示意圖

圖4 奧爾登水輪機轉輪前緣流速分布

阿爾斯通（ALSTOM）研制了一種最小間隙轉輪（簡稱MGR），其概念為除結構上必須的間隙外，葉片與輪轂、葉片與轉輪室之間無間隙或者間隙盡可能小[26]。最小間隙轉輪設計可以減小與間隙相關的碾磨、空化、剪切力及湍流所引起的過魚損傷。ALSTOM 的設計人員還提出了一種計方法稱為“最小間隙導葉（MGGV）”，即完全消除導葉外伸結構。這一創新設計是采用回轉表面底環嵌入一物，每只導葉處有一個嵌入物，嵌入物的形狀保證了在任何導葉開度下導葉與底環之間無間隙。MGGV 的應用可以完全取消導葉外伸結構，極大地減小流場中的剪切力區和導水機構下游區域的紊流，從而提高過機魚的存活率。此外，ALSTOM 公司還開發了渦旋形水輪機（Vortex Turbine），其采用渦旋形的外殼取代傳統水輪機中容易傷害魚群的固定導葉與活動導葉，使水流以適當的進水角進入轉輪而減小對魚群的傷害。然而這種機型主要用于小型水電站，其直錐形的尾水管雖有利于魚群通過，但會增加下游河床的沖刷和水電站的開挖高程。

此外，格蘭特縣公共事業管理區的工程師和Voith 的代表組成研究團隊，以美國瓦納普姆（Wanapum）水電站（共10臺機組）為依托進行魚類友好型水輪機研究[3,27]，如圖5所示。研究內容包括：轉輪尺寸和葉片數的改變、降低轉輪安裝高程以改善空化性能、延長固定導葉以改善流態、活動導葉和固定導葉對齊、尾水管改型等。通過這些綜合設計研究，使水輪機內部流態更平穩，提高水力性能。

圖5 瓦納普姆水電站魚類友好型水輪機

五、總結與展望

（1）我國大型水電基地所在河流內珍貴洄游魚類對壓力、剪切力等損傷因子的承受閾值尚不明確，需對它們的生物特性、行為特性進行深入研究，確定各種特殊水動力學條件下魚類傷害的閾值，建立相應的魚類友好型水輪機設計的生物準則。

（2）設計研究合理的試驗系統，分析壓力、水流剪切力、空化特性以及機械碰撞等對魚體傷害情況的定量化影響，并觀察不同試驗環境下魚類的行為特性和反應。

（3）目前我國正在大力發展海洋能資源，開展我國海洋典型魚類在海洋發電裝備水動力學條件下的傷害機理研究意義重大。

（4）已有的多種魚類友好型水輪機大多是基于軸流式水輪機進行的開發，對于魚類友好型的混流式水輪機還有待深入研究。