廖翠林，陸 力，李鐵友，王萬鵬

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

魚友型水輪機(jī)研究進(jìn)展及建議

廖翠林，陸 力，李鐵友，王萬鵬

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

魚友型水輪機(jī)的研究旨在保證水輪機(jī)水力性能的前提下提高過機(jī)魚的存活率。某些發(fā)達(dá)國家已投入一定的人力和財(cái)力進(jìn)行了魚友型水輪機(jī)的研究，取得了不少成果，部分成果已應(yīng)用到水電站，而我國在該領(lǐng)域的研究還處于空白。本文對(duì)過機(jī)魚損傷機(jī)理、魚友型水輪機(jī)設(shè)計(jì)及水輪機(jī)過魚試驗(yàn)等成果進(jìn)行全面的歸納和總結(jié)，并對(duì)魚友型水輪機(jī)的研究方向提出建議。

魚友型水輪機(jī)；過機(jī)魚；損傷機(jī)理；存活率；設(shè)計(jì)

1 研究背景

水電工程的建設(shè)會(huì)截?cái)圄~類的上下游洄游通道，對(duì)依靠向上游洄游產(chǎn)卵、經(jīng)過一定時(shí)間的生長后再向下游遷移而完成生命循環(huán)的溯河產(chǎn)卵魚類的影響很大。魚類上行過壩魚道的研究和應(yīng)用很多，而對(duì)魚類下行過壩的關(guān)注比較少。事實(shí)上，魚類通過水輪機(jī)或溢洪道下行過壩時(shí)都會(huì)受到一定程度的損傷。水輪機(jī)過機(jī)魚的損傷率和存活率與很多因素有關(guān)，文獻(xiàn)所介紹的數(shù)據(jù)也各不相同。20世紀(jì)70年代，初步的試驗(yàn)表明，通過美國哥倫比亞河水電站水輪機(jī)的洄游魚類直接損傷率在15％內(nèi)。研究表明，幼魚通過混流式水輪機(jī)下行時(shí)，存活率為60％～90％（與魚的大小和轉(zhuǎn)輪速度有關(guān)）；通過軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)時(shí)，存活率為85％～95％［1］。魚類通過常規(guī)水輪機(jī)的死亡率可超過30％，水輪機(jī)設(shè)計(jì)不同，過機(jī)魚死亡率不同［2-4］。

在國外，從1980年開始，綠色環(huán)保組織和漁業(yè)者反對(duì)筑壩，要求拆毀一些水電站。隨著環(huán)境問題和生態(tài)保護(hù)問題日益嚴(yán)重、環(huán)保呼聲日益增高，水電站設(shè)施損傷魚類的問題引起了更加普遍的關(guān)注，不少機(jī)構(gòu)開始研究減輕河流攔截對(duì)魚類影響的措施。其中設(shè)計(jì)魚友型水輪機(jī)，降低下行過機(jī)魚的損傷情況，是解決魚類下行過壩的措施之一。水輪機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮改善水輪機(jī)的友好過魚能力。近年來，國外投入一定的人力和財(cái)力在進(jìn)行魚友型水輪機(jī)的研究，取得了一些成果，部分成果已經(jīng)被應(yīng)用到水電站。本文對(duì)這些進(jìn)行了歸納總結(jié)，供相關(guān)研究工作者參考。

2 水輪機(jī)過機(jī)魚損傷機(jī)理研究

水輪機(jī)系統(tǒng)內(nèi)幾何形狀復(fù)雜且流態(tài)變化迅速，過機(jī)魚會(huì)受到嚴(yán)重的損傷。水輪機(jī)過機(jī)魚的存活率與魚在水輪機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的通過路徑有很大的關(guān)系［5］。美國陸軍工程師團(tuán)（USACE）對(duì)水輪機(jī)過機(jī)魚存活率進(jìn)行了研究，將魚類通過水輪機(jī)流道下行可能的損傷分為機(jī)械、壓力、剪切力和空蝕等四類損傷［6］。魚類在轉(zhuǎn)輪附近區(qū)域最容易受到損傷，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)輪附近魚類會(huì)與轉(zhuǎn)輪葉片接觸造成機(jī)械損傷，且該區(qū)域流態(tài)復(fù)雜，壓力、剪切力及紊流變化較大，也會(huì)造成過機(jī)魚的損傷。

（1）機(jī)械損傷，包含擦傷、碾磨損傷和撞擊損傷。魚類在水輪機(jī)流道內(nèi)與水輪機(jī)元件的摩擦可造成過機(jī)魚的摩擦損傷，損傷程度與水輪機(jī)流量、流速、葉片數(shù)及流道的幾何形狀有關(guān)。碾磨損傷發(fā)生在水輪機(jī)流道的間隙內(nèi)，比如軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片與輪轂體、葉片與轉(zhuǎn)輪室之間的間隙，夾入間隙中的魚可能受到碾磨損傷。摩擦和碾磨造成的過機(jī)魚損傷很難精確預(yù)估，并且碾磨造成的一些損傷癥狀也可能因?yàn)槠渌愋蛽p傷造成［5］。魚與流道內(nèi)的物體相撞也可能造成損傷。魚受撞擊的概率取決于魚的大小、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片個(gè)數(shù)和間距、水輪機(jī)轉(zhuǎn)速、水流流速和泄水量等。轉(zhuǎn)輪圓周速度越高，過機(jī)魚撞擊死亡率越高［7］。針對(duì)Bonneville大壩的最小間隙轉(zhuǎn)輪和原始軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)以及McNary大壩水輪機(jī)物理模型（模型和原型之比為1∶25），研究出過機(jī)魚葉片撞擊概率預(yù)估模型，并通過水輪機(jī)過魚撞擊損傷現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和平衡浮力小球通過水輪機(jī)模型時(shí)的葉片撞擊試驗(yàn)，對(duì)葉片撞擊概率預(yù)估模型進(jìn)行了評(píng)估［8］。文獻(xiàn)［9］指出，不是所有與葉片相撞的過機(jī)魚都會(huì)死亡，撞擊死亡率是變化的。通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口邊比較厚鈍時(shí)，即便速度很快，過機(jī)魚在進(jìn)口邊的撞擊損傷也很小，試驗(yàn)中好幾種魚都沒有因撞擊而死亡；葉片型線很窄時(shí)，過機(jī)魚在葉片前緣的撞擊會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷。此外還發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量小的魚能隨著流線繞過葉片，質(zhì)量大的魚由于慣性太大，與葉片撞擊的概率高很多。因此，過機(jī)魚在水輪機(jī)流道內(nèi)的撞擊損傷率預(yù)估和撞擊概率預(yù)估同樣的重要。

（2）壓力損傷。魚在水輪機(jī)系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)受快速的壓力改變，會(huì)造成損傷，損傷程度取決于魚的種類、魚承受的壓力大小和壓力變化率［6］。Cada等［5］人總結(jié)水輪機(jī)流道內(nèi)壓力對(duì)魚類的損傷情況，閉鰾和通鰾魚都能承受快速的壓力上升而不會(huì)受傷，但是魚類承受壓力降低時(shí)的情況不一樣，快速的壓力降低可能造成魚鰾的膨脹和擴(kuò)大，從而造成魚鰾的破裂以及其它器官和組織的損傷，閉鰾和通鰾魚在經(jīng)歷快速的壓力降低時(shí)都容易受到損傷。MontgomeryWatson等［5］人在實(shí)驗(yàn)室讓虹鱒魚經(jīng)歷不同的壓力變化，研究魚類的損傷情況。采用氣體增壓系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)控制）控制試驗(yàn)腔內(nèi)的壓力變化。試驗(yàn)腔內(nèi)壓力經(jīng)歷初始增壓階段（在30～60 s時(shí)間內(nèi)，從大氣壓增壓至300 kPa）、降壓階段（在0.1 s時(shí)間內(nèi)，壓力降低至水的汽化壓力）、低壓階段（保持壓力在水的汽化壓力附近約0.25 s）、壓力恢復(fù)階段（在30～60 s時(shí)間內(nèi)，壓力恢復(fù)至115～120 kPa）。這一壓力變化過程被認(rèn)為是魚類經(jīng)過McNary大壩水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片區(qū)域時(shí)所能遭遇的最壞的壓力變化過程。虹鱒魚長度為9～10 cm，被分為20組，放入試驗(yàn)腔中進(jìn)行壓力損傷試驗(yàn)。文獻(xiàn)［10］采用壓力容器、真空泵和空氣壓縮機(jī)組成的管路系統(tǒng)模擬水力機(jī)械內(nèi)壓力變化過程，觀察并解剖分析不同體長的鯉魚和草魚經(jīng)歷壓力變化后的損傷情況。研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)壓狀態(tài)下的壓力變化過程會(huì)對(duì)魚的生存構(gòu)成威脅，魚的主要損傷是魚鰾破損，致使魚身失去平衡甚至死亡；經(jīng)歷相同的壓力變化過程，0.25 kg小鯉魚和0.5 kg大鯉魚的損傷率較小，在5％～15％左右，而草魚損傷率較大，約62％～95％左右。

（3）空蝕損傷?？栈菰诘蛪簠^(qū)形成，當(dāng)汽泡隨著水流運(yùn)動(dòng)到壓力高于汽化壓力的區(qū)域時(shí)，汽泡會(huì)迅速潰滅。汽泡潰滅會(huì)產(chǎn)生高壓沖擊波，強(qiáng)度與汽泡大小、潰滅區(qū)水壓、溶解氣體量等有關(guān)。汽泡潰滅中心產(chǎn)生的高壓達(dá)10 MPa量級(jí)，壓力從中心向外逐漸減弱，魚類經(jīng)過附近會(huì)受到損傷。在實(shí)驗(yàn)室中，當(dāng)小鮭魚受到的壓力從汽化壓力瞬時(shí)回到環(huán)境壓力時(shí)，空化汽泡潰滅產(chǎn)生的高壓沖擊波致使小鮭魚死亡率為50％［7］。Turnpenny等［9］人采用水下火花發(fā)生裝置來產(chǎn)生空化汽泡，在0.5mm電極間隙之間產(chǎn)生的汽泡在1.4ms時(shí)間內(nèi)迅速發(fā)展到最大尺寸8～10mm，然后在0.1ms時(shí)間內(nèi)潰滅。試驗(yàn)中，一組連續(xù)汽泡在試驗(yàn)魚頭部及身體周圍潰滅，并沒有對(duì)試驗(yàn)魚造成組織損傷，但這并不代表水輪機(jī)內(nèi)的空化不會(huì)造成過機(jī)魚損傷。水輪機(jī)空化會(huì)在轉(zhuǎn)輪葉片上形成凹坑及損壞，而在以上試驗(yàn)中，汽泡潰滅并沒有在銅板上形成凹坑。由此可見，水輪機(jī)空化汽泡潰滅所產(chǎn)生的破壞能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以上試驗(yàn)中空泡潰滅產(chǎn)生的能量。Foster水電站水輪機(jī)運(yùn)行空化系數(shù)為臨界空化系數(shù)的1/2～1/3時(shí)，過機(jī)魚存活率最高［11］。Lower Granite大壩的試驗(yàn)表明，機(jī)組分別在最優(yōu)效率和空化工況運(yùn)行時(shí)，過機(jī)魚損傷情況沒有顯著的差別［12］。但是兩種工況下的空化都不嚴(yán)重［13］。也有研究表明，Lower Granite大壩過機(jī)魚死亡率為2％～6％，其中觀察的損傷中19％是由壓力引起的［12］。

（4）剪切力損傷。剪切力最大值出現(xiàn)在固體與水流的交界面處，如葉片前緣、輪葉和導(dǎo)葉處。當(dāng)魚進(jìn)入水輪機(jī)系統(tǒng)的剪切應(yīng)力“損傷”區(qū)域時(shí)，魚會(huì)受到傷害，有時(shí)甚至是致命的。損傷程度取決于魚的種類、大小和進(jìn)入剪切區(qū)的方式［6］。Johnson等人將大馬哈和虹鱒魚幼魚輸入36 cm直徑的管路，管路出口直徑收縮為10 cm或者15 cm，淹沒在水槽中，試驗(yàn)魚從管口出來進(jìn)入水槽，研究管口射流對(duì)試驗(yàn)魚的損傷。當(dāng)射流流速為17.5 m/s時(shí)，沒有試驗(yàn)魚死亡；當(dāng)流速為20.4、23.6和28m/s時(shí)，試驗(yàn)魚平均死亡率分別為2.4％、7.2％和31％。該試驗(yàn)中，造成試驗(yàn)魚死亡的原因除了剪切力和湍流外，還包括其它一些損傷機(jī)理因素［14］。Groves等［14］將試驗(yàn)魚通過有一定角度的管路沖入水槽中的淹沒射流，射流速度為9～37 m/s。試驗(yàn)推斷，瞬間（時(shí)間約1 ms）的局部速度快速變化會(huì)造成魚類損傷。Turnpenny等［9］采用Groves的試驗(yàn)方法測(cè)試了剪切力對(duì)魚類的影響。水射流速度分別取5、10、15、19和20m/s，試驗(yàn)魚通過導(dǎo)管誘導(dǎo)至射流中心，待魚回到水槽的平靜水域后通過撈網(wǎng)將魚撈出，檢查試驗(yàn)魚受到的損傷。Morgan等［5］研究了剪切力造成魚類死亡的回歸方程。在水槽中，將幼魚引入高速的淹沒射流附近，射流通過圓形噴嘴射入水槽，速度為0～23 m/s。通過邏輯回歸法對(duì)試驗(yàn)魚受到的損傷進(jìn)行分析。當(dāng)射流速度為9.1m時(shí)，最大剪切力為1 600 Pa，試驗(yàn)魚受到輕微損傷，比如魚鱗損傷［3］。雖然試驗(yàn)研究了剪切力對(duì)魚類的損傷機(jī)理，但是分析發(fā)現(xiàn)，剪切力和湍流對(duì)魚類的損傷機(jī)理很難在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行深入研究。剪切力和湍流對(duì)過機(jī)魚的損傷很難精確地描述和量化［5］。

過機(jī)魚傷害機(jī)理以及生物設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是魚友型水輪機(jī)研制的基礎(chǔ)。ARL/NREC和Voith Hydro研究小組在進(jìn)行魚友型水輪機(jī)研制時(shí)發(fā)現(xiàn)缺少必要的生物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。雖然國外曾進(jìn)行過一些魚類通過水輪機(jī)損傷機(jī)理的研究，但因?yàn)檫@些研究并不是以建立魚友型水輪機(jī)生物設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為目標(biāo)，缺少導(dǎo)致魚類損傷的相關(guān)數(shù)值（或閾值），幾乎沒有可用于指導(dǎo)魚友型水輪機(jī)研制的數(shù)據(jù)資料［6］。卡達(dá)等［7］人在DOE和AHTS委員會(huì)成員的支持下，提出了生物學(xué)的臨時(shí)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并建議對(duì)有關(guān)生物學(xué)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則作進(jìn)一步研究，可以在試驗(yàn)室對(duì)需要的魚種通過模型水輪機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究。ARL/NREC研究小組在魚友型水輪機(jī)研發(fā)中采用的設(shè)計(jì)及評(píng)估準(zhǔn)則見表1，其中新型魚類友好型水輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)為流量28.3m3/s，水頭23～30m。

表1 ARL/NREC魚友型水輪機(jī)設(shè)計(jì)及評(píng)估準(zhǔn)則

3 魚友型水輪機(jī)的設(shè)計(jì)

魚友型水輪機(jī)設(shè)計(jì)的最終目的是，使過機(jī)魚受到的損傷或死亡率最低，同時(shí)高效發(fā)電，實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益和環(huán)境效益最大化。魚友型水輪機(jī)發(fā)展至今，代表性研究成果如下。

3.1 ARL/NREC魚友型水輪機(jī)在美國高級(jí)水輪機(jī)系統(tǒng)計(jì)劃（AHTS）的支持下，ARL/NREC研究團(tuán)隊(duì)致力于設(shè)計(jì)一種不同于混流式或軸流式水輪機(jī)的新型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，最大限度地降低過機(jī)魚的損傷。新型水輪機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是過機(jī)魚存活率高于96％，效率至少為90％［1］。該研究團(tuán)隊(duì)以導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計(jì)為核心進(jìn)行了研究。

ARL/NREC轉(zhuǎn)輪基于泵葉輪的形狀，盡量減少葉片數(shù)、降低轉(zhuǎn)輪葉片上壓力隨時(shí)間及速度隨距離的變化梯度、盡量減小轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)輪室的間隙、盡量加大流道尺寸，且所有這些有利于魚類通行的設(shè)計(jì)所引起的水輪機(jī)效率下降要盡量?。?］。為了獲取相同的能量，葉片數(shù)量減少后，葉片相應(yīng)加長，而葉片的高度不變。葉片呈螺旋狀繞中心體包卷。該幾何形狀可逐漸降低壓力，將可能損傷魚類的水流流速突變減到最小。ARL/NREC魚友型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪見圖1。

對(duì)ARL/NREC魚友型水輪機(jī)在中試模型試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行過魚試驗(yàn)，以評(píng)估水輪機(jī)水力性能和過機(jī)魚成活情況。模型轉(zhuǎn)輪直徑為1.22m，模型和原型轉(zhuǎn)輪直徑之比為1∶3.25。文獻(xiàn)［1］對(duì)水輪機(jī)模型試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。魚從尾水管出來后進(jìn)入收集箱后，立即檢查魚的傷亡情況，并觀察96 h以確定任何潛在的死亡。同時(shí)，測(cè)量相關(guān)流動(dòng)參數(shù)，計(jì)算水輪機(jī)水力效率。通過模型試驗(yàn)結(jié)果換算得到原型機(jī)組最高效率為90.5％。模型機(jī)組過魚試驗(yàn)表明，美國鰻魚的總存活率超過98％，白鱘魚的存活率高于硬骨魚（如虹鱒魚），過機(jī)魚在葉片進(jìn)口邊的撞擊是造成過機(jī)魚立即死亡的主要原因。

3.2 VOITH小組關(guān)于魚友型水輪機(jī)的設(shè)計(jì)概念同樣是在AHTS的支持下，VOITH研究小組通過分析水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性，探索導(dǎo)致魚類損傷的原因，提出魚類友好型設(shè)計(jì)概念。這些概念可以用于已有水輪機(jī)的更新改造，也可用于新的水輪機(jī)設(shè)計(jì)。主要的設(shè)計(jì)概念如下［7］。

魚友型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)設(shè)計(jì)概念：水輪機(jī)以高效率運(yùn)行，沒有空蝕，以降低魚類的損傷概率；消除轉(zhuǎn)子中心體、葉片和轉(zhuǎn)輪室附近的間隙，以降低魚類的碾磨損傷概率；優(yōu)化布置固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉位置，以消除撞擊損傷的可能性；拋光所有的表面焊縫，以降低對(duì)魚的摩擦損傷等。

魚友型混流式水輪機(jī)設(shè)計(jì)概念：減少葉片數(shù)，加大流道尺寸，增加葉片長度，以降低魚受撞擊和擦傷的概率，并維持相同的容量；采用較厚的葉片進(jìn)口邊，使轉(zhuǎn)輪的效率-水頭特性曲線更平坦，這意味著機(jī)組在高水頭運(yùn)行時(shí)葉片進(jìn)口邊不發(fā)生空化，水流脫流減少，且可以降低魚類在葉片進(jìn)口邊的撞擊概率（過機(jī)魚沿著葉片進(jìn)口邊繞流通過的概率提高）；降低導(dǎo)葉的懸臂（向外伸出部分），以消除產(chǎn)生有害渦流的間隙；增加導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪之間的距離，以降低魚類在導(dǎo)葉出口邊和轉(zhuǎn)輪之間受到碾磨損傷的可能性；使導(dǎo)葉與固定導(dǎo)葉對(duì)齊；提高固定導(dǎo)葉、導(dǎo)葉和尾水管錐管的光滑度，以減少對(duì)魚的潛在摩擦損傷等。

圖1 ARL/NREC魚友型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪

3.3 最小間隙轉(zhuǎn)輪最小間隙轉(zhuǎn)輪（簡稱MGR）的概念為，除結(jié)構(gòu)上必須的間隙外，葉片與輪轂、葉片與轉(zhuǎn)輪室之間無間隙或者間隙盡可能?。?5］。最小間隙轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)可以減小與間隙相關(guān)的碾磨、空化、剪切力及湍流所引起的過機(jī)魚損傷。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)通過將輪轂體和轉(zhuǎn)輪室的形狀從圓柱體-球體-圓錐體改為整個(gè)球體，從而使葉片全部包入轉(zhuǎn)輪室，消除輪轂體、葉片和轉(zhuǎn)輪之間的間隙。

美國陸軍工程師兵團(tuán)研發(fā)中心（ERDC）采用無色空心小球代替過機(jī)魚對(duì)ALSTOM研發(fā)的最小間隙轉(zhuǎn)輪和常規(guī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了模型試驗(yàn)，衡量轉(zhuǎn)輪性能和過機(jī)魚的下行情況［15］。通過高速攝影系統(tǒng)記錄無色空心小球通過固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉及轉(zhuǎn)輪區(qū)域的過程，分析確定小球與水輪機(jī)部件的碰撞情況及剪切應(yīng)力區(qū)；使用三束兩色激光多普勒測(cè)速儀確定流動(dòng)分布、流速量級(jí)和方向、湍流等。通過分析小球表面和過流面的接觸程度及小球運(yùn)動(dòng)方向的變化預(yù)估過機(jī)魚下行通過該水輪機(jī)的情況。模型試驗(yàn)結(jié)果表明，最小間隙轉(zhuǎn)輪實(shí)現(xiàn)了在保持常規(guī)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)效率水平的同時(shí)，還能夠改善水輪機(jī)中過機(jī)魚的通行環(huán)境。并在Bonneville大壩1號(hào)水電站6號(hào)和4號(hào)機(jī)組上將常規(guī)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪更換為最小間隙轉(zhuǎn)輪。1999年11月到2000年1月，USACE在6號(hào)和5號(hào)機(jī)組（常規(guī)轉(zhuǎn)輪）上進(jìn)行幼年鮭魚通過水輪機(jī)下行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)試、比較鮭魚的存活率。兩種轉(zhuǎn)輪相比：經(jīng)過輪轂附近的過機(jī)魚存活率都很高，為97％或者更高；經(jīng)過葉片中間的過機(jī)魚存活率相當(dāng)，為95％～97％；經(jīng)過最小間隙轉(zhuǎn)輪葉片外緣過機(jī)魚的存活率比經(jīng)過常規(guī)轉(zhuǎn)輪葉片外緣過機(jī)魚的存活率高3％［4］。

3.4 美國瓦納普姆水電站魚友型水輪機(jī)格蘭特縣PUD的工程師和VOITH的代表組成研究團(tuán)隊(duì)，以美國瓦納普姆Wanapum水電站（共10臺(tái)機(jī)組）為依托進(jìn)行魚友型水輪機(jī)研究［16］。研究內(nèi)容包括：轉(zhuǎn)輪尺寸和葉片數(shù)的改變、降低轉(zhuǎn)輪安裝高程以改善空化性能、延長固定導(dǎo)葉以改善流態(tài)、活動(dòng)導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉對(duì)齊、尾水管改型等等。通過這些綜合設(shè)計(jì)研究，使水輪機(jī)內(nèi)部流態(tài)更平穩(wěn)，提高水力性能。最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)為，轉(zhuǎn)輪葉片從5個(gè)改為6個(gè)，葉片長度變短，以便于采用全球型的輪轂體設(shè)計(jì)。所需要的裝機(jī)容量通過增大轉(zhuǎn)輪直徑（由285英寸增加到305英寸）和降低安裝高程來保證。對(duì)研發(fā)的新型水輪機(jī)進(jìn)行全流道模型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，新水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的流動(dòng)特性得到顯著改善，流動(dòng)更加順暢，水輪機(jī)效率平均提高3％。此外，新設(shè)計(jì)使流道內(nèi)剪切力降低至過機(jī)幼鮭魚所能承受的剪切力臨界值以下。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)新型水輪機(jī)固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

新設(shè)計(jì)的魚友型水輪機(jī)安裝在Wanapum水電站，2005年2月完成了啟動(dòng)試驗(yàn)。格蘭特縣PUD采用8 850尾幼鮭魚進(jìn)行了過機(jī)魚存活率試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，新水輪機(jī)過機(jī)魚存活率的整體加權(quán)估值為97.82％。2005年12月，聯(lián)邦能源管理委員會(huì)（FERC）批準(zhǔn)格蘭特縣PUD采用新水輪機(jī)技術(shù)對(duì)余下的9臺(tái)機(jī)組進(jìn)行更新改造［16］。

3.5 最小間隙導(dǎo)葉對(duì)于低水頭水輪機(jī)，導(dǎo)葉在全開位置時(shí)是向外伸出的，這是由于導(dǎo)葉開度大、且節(jié)圓直徑與水輪機(jī)進(jìn)口直徑之比小。導(dǎo)葉全開時(shí)其下部的尾流形成很大的剪切力和極強(qiáng)的紊流，會(huì)損傷經(jīng)過的魚類。針對(duì)這一問題，ALSTOM的設(shè)計(jì)人員提出了一項(xiàng)與傳統(tǒng)導(dǎo)葉相適應(yīng)的新設(shè)計(jì)方案，即完全消除導(dǎo)葉外伸結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)方法稱為“最小間隙導(dǎo)葉（MGGV）”。這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)是采用回轉(zhuǎn)表面底環(huán)嵌入物，每只導(dǎo)葉處有一個(gè)嵌入物，嵌入物的形狀保證了在任何導(dǎo)葉開度下導(dǎo)葉與底環(huán)之間無間隙。MGGV的應(yīng)用可以完全取消導(dǎo)葉外伸結(jié)構(gòu)，極大地減小流場(chǎng)中的剪切力區(qū)和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)下游區(qū)域的紊流，從而提高過機(jī)魚的存活率。此外，CFD分析和模型試驗(yàn)都表明，采用傳統(tǒng)導(dǎo)葉和最小間隙導(dǎo)葉，水輪機(jī)效率幾乎沒有改變［17］。

3.6 上流式水輪機(jī)上流式水輪機(jī)將傳統(tǒng)的向下出流式水輪機(jī)改為向上出流式，在設(shè)計(jì)思路中兼顧了環(huán)保因素和能量性能的需求，整個(gè)水輪機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔、緊湊。上流式水輪機(jī)保護(hù)過機(jī)魚的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)為［18-19］：（1）采用向上開放式出流，無尾水管。這種尾水出流方式可以增加空氣的溶入量，消除空化，從而避免劇烈的壓力變化，減少由此引起的過機(jī)魚損傷。（2）應(yīng)用豎直的壓力平衡針閥，取代導(dǎo)葉，減少了機(jī)械碰撞引起的過機(jī)魚損傷。

4 結(jié)論與建議

綜上所述，國外研究機(jī)構(gòu)在魚友型水輪機(jī)研究方面取得了一些成果，但從文獻(xiàn)來看，我國在這方面的研究幾乎為零，處于缺失狀態(tài)。在環(huán)保呼聲日益增高、生態(tài)保護(hù)更加關(guān)注的形勢(shì)下，魚友型水輪機(jī)作為解決魚類下行過壩的有效途徑之一，很有必要展開系統(tǒng)、深入的研究，以促進(jìn)水電和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，使社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益最大化，同時(shí)也為國家制定和實(shí)施相關(guān)環(huán)保政策、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)提供技術(shù)支撐。建議從以下方面展開魚友型水輪機(jī)的研究：（1）過機(jī)魚損傷情況與魚的種類和大小、上下游水位、水輪機(jī)運(yùn)行工況及水輪機(jī)本身結(jié)構(gòu)等都有很大的關(guān)系，我國水電站及所在流域內(nèi)魚類特點(diǎn)多樣，建議選擇代表性水電站進(jìn)行過機(jī)魚損傷情況調(diào)研及試驗(yàn)研究，以助于水輪機(jī)過機(jī)魚損傷機(jī)理的研究。（2）生物設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是魚友型水輪機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，建議以建立魚友型水輪機(jī)生物設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為目標(biāo)，開展以機(jī)械、壓力、空蝕及剪切力等單一因素和多因素聯(lián)合作用的魚類損傷機(jī)理研究。（3）兼顧水輪機(jī)友好過魚能力和水力性能要求，開展以導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪等單一部件設(shè)計(jì)和多部件匹配設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)研究。（4）水輪機(jī)過機(jī)魚損傷試驗(yàn)可以評(píng)估水輪機(jī)的友好過魚能力，是過機(jī)魚損傷機(jī)理及魚友水輪機(jī)設(shè)計(jì)理論深入研究的重要手段，建議開展水輪機(jī)過機(jī)魚損傷試驗(yàn)系統(tǒng)及方法研究。

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The state of the art and suggestions on fish-friend ly turbine

LIAO Cui-lin，LU Li，LI Tie-you，WANG Wan-peng

（China InstituteofWater resourcesand Hydropower Research，Beijing 100038，China）

The research and developments of fish friendly turbine is to increase the fish passage survival，while minimizing the impact on the turbine efficiency.Studies were made in some developed countries with a certain amount of manpower and financial resources.Good achievements were obtained and some were ap?plied to hydropower station successfully.But similar research has not yet been conducted in China.In this paper the research and developments of fish friendly turbine are summarized overall from the aspects of mechanisms of injury to fish，design of fish friend ly turbine，turbine-passed fish test，etc.The suggestions are given on the research direction of fish friendly turbine.

fish-friendly turbine；turbine-passed fish；injury mechanism；survival rate；design

TV734

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.04.013

1672-3031（2014）04-0414-07

（責(zé)任編輯：韓昆）

2014-06-25

廖翠林（1981-），女，湖北荊門人，高級(jí)工程師，主要從事水力機(jī)械研究。E-mail：liaocuilin@163.com