水輪機過魚壓力損傷機理試驗裝置的設計及應用

孟 龍，王萬鵬，李鐵友，張建光，王武昌，何 磊，秦 鑫

（中國水利水電科學研究院，北京100038）

1 引言

在修建攔水壩等水利工程的河流，魚類因為季節(jié)性捕食、洄游等特性，往往需要通過大壩到達壩下游或者上游，魚類過壩也因此分為上行過壩和下行過壩兩種。目前對于魚類上行過壩，國內(nèi)外都已經(jīng)開發(fā)并投入使用了魚道等設施來提升過壩成功率，但是魚類下行過壩主要還是通過水輪機內(nèi)部流道下行。魚類下行過壩時，會先后通過壓力鋼管、水輪機蝸殼、固定導葉、活動導葉、轉輪和尾水管，沿途會經(jīng)歷壓力逐漸上升、迅速下降再回升，導葉及葉片進口撞擊，剪切射流，空化等多種致傷致死源。

近年來國內(nèi)外有很多學者對水輪機過魚損傷情況進行了研究和分析，例如在大壩上游釋放帶有標記的魚并在下游進行回收，然后分析魚的損傷特性，又或者通過模型機組對小魚苗的損傷情況進行分析。但是將研究結果形成通用的對魚友好設計方法，卻進展比較緩慢。這是由于水輪機對魚的損傷情況與水輪機的流量、機型、工況，魚的種類、尺寸等因素密切相關，水輪機又往往是高度定制化的產(chǎn)品，不同河流上的魚類也不盡相同，因此不同國家不同流域上進行的水輪機過魚損傷情況研究很難直接應用到另一個電站。

因此，分析相關因素對魚的損傷機理，找到致傷原因，討論和研究這些致傷物理條件的致傷機理及致死閾值，才能形成比較通用的結果，并對魚友型水輪機的設計和開發(fā)提供理論支持。根據(jù)致傷致死原因，可以將水輪機過魚損傷機理分為壓力損傷機理、撞擊損傷機理、剪切射流損傷機理、空化損傷機理等。魚在經(jīng)過水輪機內(nèi)部的短時間內(nèi)，可能受到一項或多項損傷模式或同時或先后的作用，但是分析其損傷機理，并不需要將所有模式和各因素混在一起，可以將各損傷模式、影響因素分開研究，了解各損傷因素的作用機理及閾值，再分析因素疊加可能形成的影響。

本研究開發(fā)并搭建了一套水輪機過魚壓力損傷機理試驗裝置，用于模擬魚類通過水力機械時壓力變化，通過調節(jié)壓力變化趨勢及變化速度，實現(xiàn)壓力的可控變化，并可將試驗用魚置于試驗設備中，觀察魚的活動特性，并可以在試驗結束后統(tǒng)計損傷情況。

2 試驗裝置簡介

壓力損傷機理試驗的本質，是為魚搭建一個壓力可控可調的觀察系統(tǒng)，了解魚在不同的壓力環(huán)境下的損傷及死亡規(guī)律。為了能夠對魚進行壓力損傷機理試驗，需要設計如圖1所示的壓力調節(jié)試驗系統(tǒng)。在圖1中，有3個壓力罐通過管路聯(lián)通，其中T2是觀察試驗罐，T1和T3分別是與真空泵連接的真空罐和與空氣壓縮機連接的高壓儲氣罐。試驗觀察罐T2內(nèi)部裝水，并且設有觀察窗和補光口，罐口通過螺栓和密封圈壓緊，可以反復拆卸，便于試驗前將魚置入和試驗后取出。

圖1 壓力損傷機理試驗裝置設計

真空罐T1，試驗觀察罐T2和高壓儲氣罐T3分別連接了真空、壓力真空表和壓力表等，用于試驗中觀察各項調控運行是否正常，同時3個罐子也都連接了壓力傳感器用于準確測量并記錄試驗過程中罐內(nèi)壓力變化。

壓力損傷機理裝置加工完成后的實際效果如圖2所示。試驗觀察罐等罐體選用不銹鋼材料加工，設計承壓為1 MPa，壁厚5 mm。試驗觀察罐側面加工有鋼化玻璃觀察窗，為保證罐內(nèi)可視情況，罐頂蓋也加裝鋼化玻璃，可提供補充光源。由于空間限制，壓力儲氣罐放在另一個房間。為了便于魚的取放，將魚置入試驗觀察罐時，放在寬松的網(wǎng)兜內(nèi)，再將網(wǎng)兜掛于罐口的掛鉤上，這樣不會影響魚的正常呼吸游動，又可以將魚的活動范圍大致局限于觀察視角內(nèi)。

要通過該裝置實現(xiàn)對魚經(jīng)過水輪機下行過程的仿真，則要了解魚進入水輪機后的壓力變化過程。如圖3所示，Brown等學者[1]通過傳感器魚等方式獲得的魚經(jīng)過水輪機下行的壓力變化情況。其中藍色實線條表示魚從壩前表層水進入水輪機過程中的壓力變化，紅色虛線表示魚從壩前深層水進入水輪機過程中的壓力變化。

圖2 壓力損傷機理試驗裝置

當魚進入壓力鋼管內(nèi)，魚所在的微小水團內(nèi)壓力是逐漸增加的，這個壓力增長過程可能持續(xù)60～90 s；當魚從轉輪進口進入轉輪出口附近，壓力在0.1～0.3 s內(nèi)從最高壓力降到接近空化壓力的最低壓力值；當魚通過尾水管進入大壩下游，壓力又從極低壓升高到某個壓力值，然后再降低到接近大氣壓的壓力值。

圖3 魚經(jīng)過軸流水輪機下行過程壓力變化情況[1]

要實現(xiàn)對這一過程的仿真，試驗裝置需要具備以下能力：壓力高值和低值能夠達到或者接近目標水輪機內(nèi)部的高壓值和低壓值，壓力變化速度能夠盡可能接近水輪機內(nèi)部的真實變化情況等。

要實現(xiàn)對試驗觀察罐中壓力值的調控，需要通過相應性能的真空泵和空壓機配合T1和T3完成，此外為了實現(xiàn)一個實驗過程中出現(xiàn)多個高壓值，需要合理搭配減壓閥等壓力調節(jié)設備。儲氣完成后，T3內(nèi)最低壓力（絕對壓力）為6 kPa，T1內(nèi)最大壓力為780 kPa。通過配合減壓閥，電動閥等調節(jié)裝置，可以實現(xiàn)T2內(nèi)部壓力在6～780 kPa范圍內(nèi)的調控。

要實現(xiàn)對試驗觀察罐中壓力變化速度的調控，需要通過配備高速電動閥、降低T2中空氣量、增大管徑及縮短管線長度來實現(xiàn)T1和T3對T2內(nèi)部壓力的快速壓力調控，通過流量調節(jié)閥等實現(xiàn)對T2內(nèi)部壓力的慢速壓力調控。

3 試驗流程及試驗裝置應用

3.1 試驗流程簡介

試驗之前，需要確定試驗對象，應選擇合適品種，合適尺寸，生命體征良好的魚，在實驗室暫養(yǎng)超過兩周后再進行試驗。

試驗開始時，需要對T1和T3抽真空或充氣，T2放入適當水位的水，將一定數(shù)目的魚通過網(wǎng)兜置入適當觀察位置后，擰緊密封蓋螺栓。

試驗過程中，如果要實現(xiàn)T2內(nèi)的壓力逐漸上升到某個壓力值P1，則首先將高壓儲氣罐T3內(nèi)壓力調節(jié)到相應壓力P1，再將T3與T2之間管路上的流量調節(jié)閥門調節(jié)到相應開度（調壓速度與閥門開度之間的關系需要事先通過試驗測定），再打開電動閥，即可實現(xiàn)對T2內(nèi)壓力的加壓調控過程。如果緊接著需要完成T2內(nèi)的降壓，則需要先關閉加壓電動閥，再打開降壓電動閥，聯(lián)通T2與T1。如果是模擬水輪機內(nèi)部壓力變化，還需要實現(xiàn)最后壓力回升的過程，則又是一個加壓過程，且壓力回升到的壓力值P2低于首次加壓值P1，因此不能直接通過T3對T2升壓，而需要旁通管路連接減壓調節(jié)閥，將通過減壓調節(jié)閥的壓力保持在P2，再對T2回升壓力。

試驗過程中，需要觀察相關測表判斷試驗的正確性，并且對壓力等信息進行采集和存儲，用于準確分析試驗結果；試驗時，需要在觀察窗觀察、拍攝試驗觀察罐內(nèi)魚的活動特性。

試驗之后，需要先關閉所有與T1和T3聯(lián)通的閥門，再打開T2排壓閥門，觀察壓力真空表，確認試驗觀察罐T2內(nèi)壓力為大氣壓才可以打開密封蓋，將內(nèi)置的魚取出觀察或者解剖。

3.2 試驗裝置在損傷機理研究方面的應用

試驗裝置調試完成后，可以根據(jù)需求完成以下兩種試驗：①對不同比轉速的水輪機過魚過程中壓力變化情況進行仿真，以評估該機型壓力變化對魚的損傷情況；②對各種損傷原因進行模擬試驗，確定相應物理量及其變化的速度對魚的致傷和致死閾值。

對于第一種試驗，主要是通過試驗或者數(shù)值模擬獲得魚經(jīng)過軸流式水輪機過程中壓力-時間變化曲線（如圖3所示），再使用該試驗設備對壓力-時間曲線進行模擬，即可對特定水輪機組進行綜合性的對魚損傷特性評估。

如圖4所示，為使用壓力損傷機理試驗裝置對圖3所示壓力變化規(guī)律的模擬。從圖4可以看出，使用設計出來的試驗裝置，可以實現(xiàn)對以下幾個階段的模擬：魚進入壓力鋼管后的壓力逐漸上升階段；魚從轉輪入口到葉片出口處的壓力快速下降階段；魚進入尾水管后的壓力回升階段以及進入下游后的壓力下降階段。圖4的壓力變化與圖3的變化規(guī)律也比較吻合。這說明設計方案具有對水輪機過魚壓力損傷情況進行仿真性研究的能力。通過這種壓力仿真，可以直接了解設計出的或者已經(jīng)投運的水輪機對過機魚的損傷情況。

圖4 對魚經(jīng)過水輪機下行過程中壓力變化曲線的仿真

除了對水輪機內(nèi)部壓力變化進行模擬，該裝置也可以用來對高壓損傷、低壓損傷、快速降壓損傷等可能對魚造成損傷的過程進行試驗，用于詳細分析對魚造成損傷的物理因素，了解損傷機理，并確定致傷及致死閾值，也即第二種試驗。

如圖5和圖6所示，是利用壓力損傷機理試驗裝置對降壓區(qū)間進行試驗的壓力變化曲線。圖5中的壓力-時間曲線表示將試驗觀察罐內(nèi)壓力從大氣壓直接降低到6 kPa，并在低壓區(qū)保持5 s，再回升壓力到大氣壓；而圖6則是從700 kPa降低到6 kPa，也在低壓區(qū)保持5 s后再回升壓力到大氣壓。通過這兩組試驗可以用于分析低壓值相同的情況下，降壓區(qū)間（最高壓力值與最低壓力值之差）對魚的影響。

圖5 降壓區(qū)間試驗1壓力-時間曲線

圖6 降壓區(qū)間試驗2壓力-時間曲線

從這幾幅圖可以看出，壓力損傷機理試驗裝置可以實現(xiàn)對魚經(jīng)過水輪機內(nèi)部的壓力變化的仿真，對于高壓值，能夠實現(xiàn)多個壓力值的穩(wěn)定輸出，對于低壓值，能夠實現(xiàn)T2內(nèi)部壓力接近空化壓力，除此之外還能根據(jù)需求設定壓力值的穩(wěn)定時長以及調控速度。如圖7所示，為圖6中8.3～9.1 s局部放大圖。從圖7可以看出，通過閥門調控，能夠實現(xiàn)T2內(nèi)壓力呈現(xiàn)700 kPa/0.3 s的降壓速率。

圖7 降壓區(qū)間試驗2降壓速度示意圖

通過該壓力損傷機理試驗設備，還可以對更多類似的物理值變化情況進行對比性試驗和分析，可以了解到更多的魚的受傷機理。作者通過本試驗設備對鯽魚進行了一系列試驗，介紹了快速降壓過程對鯽魚的損傷情況，分析了損傷機理，也通過對比性試驗確定低壓值對鯽魚的影響大于降壓速率的影響等。相應的試驗結果見文獻[2-3]。

通過類似的試驗，使用壓力損傷機理試驗設備還能對高壓損傷機理、負壓損失機理等進行分析，也可以對更多的魚類進行試驗，獲得壓力損傷的相關數(shù)據(jù)，進而形成更全面的水輪機對魚友好設計準則。

4 總結

魚類經(jīng)過水輪機下行過壩，不可避免會經(jīng)歷壓力的急劇變化，這也是導致魚類過機死亡的主要原因。通過設計的包含儲氣罐、調壓閥、流量調節(jié)閥及電動閥等設備的壓力損傷機理試驗裝置，可以實現(xiàn)魚經(jīng)過水輪機過程中的壓力變化情況的高精度仿真，從而能夠研究獲得魚類在水輪機內(nèi)部的受壓力影響的生理狀況，并評估相應機型對過機魚的壓力致傷及致死情況。也可以完成各種壓力變化情況對魚的損傷機理及閾值，從而形成對魚友好水輪機的設置準則。