過魚水輪機研究進展及建議

姜紅羽 胡宇祥 王思銘

摘 要：過魚水輪機的目的是在保證水輪機正常工作的前提下，提高魚類的存活幾率。本文通過相關資料查閱，總結了魚類通過水輪機時的受傷機理，并從機械結構、流體動力學、魚類生物特性方面進行可行性探討，可為我國“過魚水輪機”的進一步研發(fā)與設計提供參考依據(jù)與建議。

關鍵詞：過魚水輪機;損傷機理;設計

水利水電工程的建設會對環(huán)境造成了一定負面影響。魚類在穿過水輪機，或者被吸入水輪機時將遭受嚴重的傷害。據(jù)文獻介紹，對于普通的水輪機，魚類通過水輪機的死亡率超過30%。本文探討了魚類通過水輪機的受傷機理，提出了過魚水輪機的設計可行性及建議，旨在使水利工程與自然生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 水輪機過魚損傷機理研究

魚類通過水輪機可能的損傷分為機械、壓力、剪切力和空蝕等四類：

（1）機械傷害。魚類在水輪機流道內(nèi)與水輪機組件以及管壁的摩擦、碰撞可造成魚類的機械損傷。其損傷程度與水輪機轉速、流量、葉片數(shù)有關。水輪機轉輪轉速越快，過魚撞擊死亡率越高。

（2）壓力傷害。魚在水輪機管道系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)受快速的壓力改變，會造成器官和組織的損傷損傷，損傷程度取決于魚的種類和壓力變化速率。

（3）空蝕傷害。空化汽泡的潰滅產(chǎn)生的高壓沖擊波，致使魚類經(jīng)過附近時受到損傷。

（4）剪切力傷害。在固體與水流的交界面處會出現(xiàn)較大的剪切力，例如葉片前緣處。當魚類進入水輪機系統(tǒng)的剪應力區(qū)域時，魚會受到致命的傷害。

2 現(xiàn)有過魚水輪機的設計理念

2.1 轉槳式過魚水輪機的設計理念

對于轉槳式過魚水輪機可以減少和消除縫隙，避免對魚類造成擠壓傷害，其中包括導葉處的縫隙，轉輪體、葉片之間的縫隙。合理布置導葉，使其位置、方向趨向一致，避免或減少擾流，是魚類造成壓力損傷和機械傷害。

2.2 混流式過魚水輪機的設計理念

對于混流式過魚水輪機，可以減少葉片的個數(shù)，以降低對魚類造成機械傷害的概率，并盡可能地加大流道尺寸。對于葉片個數(shù)較少的水輪機，可以采用較長葉片代替，以維持相同的裝機容量。將導葉和尾水管上部錐管表面采用光滑處理，以減少對魚類造成擦傷。

3 對過魚水輪機設計的思考

對于各類水輪機的機械結構改進，可以減小剪切力和空蝕，但是嚴重影響水輪機的運行效率，因此可以從流體動力學、生物學方面進行研究

3.1 流體動力學方面

隨著計算模擬技術的不斷發(fā)展，可以通過計算流體動力學（CFD）對水輪機的流場進行數(shù)值模擬，以分析水輪機內(nèi)部水力學特性，研究不同工況下的轉速和壓力分布狀況，分析對魚類存活率的影響。

3.2 生物學方面

過魚水輪機的研發(fā)還可以結合該流域典型魚類的體型、習性等特征展開。在特定的水輪機水力學特性和幾何外觀條件下，不同尺寸的魚體通過水輪機后存活率是不相同的。還需要從生物學的角度來確定水力學特性導致各種魚類受傷害的程度以及死亡的極限值，這樣其性能設計也可以針對某些特定通過水輪機的魚類展開。

總之相對于發(fā)達國家，我國在該領域的研究還有很長的路要走。對于符合環(huán)保標準又高效的過魚水輪機，應當積極大力開展研發(fā)設計工作。

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基金項目：大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目

作者簡介：姜紅羽（1999-），女，吉林遼源人，本科，研究方向：水利水電工程。

*通訊作者：胡宇祥（1983-），男，吉林吉林人，博士，講師，主要從事農(nóng)業(yè)水土工程方面研究。