鱼友型水轮机研究进展及建议

廖翠林，陆 力，李铁友，王万鹏

（中国水利水电科学研究院，北京 100038）

鱼友型水轮机研究进展及建议

廖翠林，陆 力，李铁友，王万鹏

（中国水利水电科学研究院，北京 100038）

鱼友型水轮机的研究旨在保证水轮机水力性能的前提下提高过机鱼的存活率。某些发达国家已投入一定的人力和财力进行了鱼友型水轮机的研究，取得了不少成果，部分成果已应用到水电站，而我国在该领域的研究还处于空白。本文对过机鱼损伤机理、鱼友型水轮机设计及水轮机过鱼试验等成果进行全面的归纳和总结，并对鱼友型水轮机的研究方向提出建议。

鱼友型水轮机；过机鱼；损伤机理；存活率；设计

1 研究背景

水电工程的建设会截断鱼类的上下游洄游通道，对依靠向上游洄游产卵、经过一定时间的生长后再向下游迁移而完成生命循环的溯河产卵鱼类的影响很大。鱼类上行过坝鱼道的研究和应用很多，而对鱼类下行过坝的关注比较少。事实上，鱼类通过水轮机或溢洪道下行过坝时都会受到一定程度的损伤。水轮机过机鱼的损伤率和存活率与很多因素有关，文献所介绍的数据也各不相同。20世纪70年代，初步的试验表明，通过美国哥伦比亚河水电站水轮机的洄游鱼类直接损伤率在15％内。研究表明，幼鱼通过混流式水轮机下行时，存活率为60％～90％（与鱼的大小和转轮速度有关）；通过轴流转浆式水轮机时，存活率为85％～95％［1］。鱼类通过常规水轮机的死亡率可超过30％，水轮机设计不同，过机鱼死亡率不同［2-4］。

在国外，从1980年开始，绿色环保组织和渔业者反对筑坝，要求拆毁一些水电站。随着环境问题和生态保护问题日益严重、环保呼声日益增高，水电站设施损伤鱼类的问题引起了更加普遍的关注，不少机构开始研究减轻河流拦截对鱼类影响的措施。其中设计鱼友型水轮机，降低下行过机鱼的损伤情况，是解决鱼类下行过坝的措施之一。水轮机设计应考虑改善水轮机的友好过鱼能力。近年来，国外投入一定的人力和财力在进行鱼友型水轮机的研究，取得了一些成果，部分成果已经被应用到水电站。本文对这些进行了归纳总结，供相关研究工作者参考。

2 水轮机过机鱼损伤机理研究

水轮机系统内几何形状复杂且流态变化迅速，过机鱼会受到严重的损伤。水轮机过机鱼的存活率与鱼在水轮机系统内的通过路径有很大的关系［5］。美国陆军工程师团（USACE）对水轮机过机鱼存活率进行了研究，将鱼类通过水轮机流道下行可能的损伤分为机械、压力、剪切力和空蚀等四类损伤［6］。鱼类在转轮附近区域最容易受到损伤，因为在转轮附近鱼类会与转轮叶片接触造成机械损伤，且该区域流态复杂，压力、剪切力及紊流变化较大，也会造成过机鱼的损伤。

（1）机械损伤，包含擦伤、碾磨损伤和撞击损伤。鱼类在水轮机流道内与水轮机元件的摩擦可造成过机鱼的摩擦损伤，损伤程度与水轮机流量、流速、叶片数及流道的几何形状有关。碾磨损伤发生在水轮机流道的间隙内，比如轴流转桨式水轮机转轮叶片与轮毂体、叶片与转轮室之间的间隙，夹入间隙中的鱼可能受到碾磨损伤。摩擦和碾磨造成的过机鱼损伤很难精确预估，并且碾磨造成的一些损伤症状也可能因为其他类型损伤造成［5］。鱼与流道内的物体相撞也可能造成损伤。鱼受撞击的概率取决于鱼的大小、水轮机转轮叶片个数和间距、水轮机转速、水流流速和泄水量等。转轮圆周速度越高，过机鱼撞击死亡率越高［7］。针对Bonneville大坝的最小间隙转轮和原始轴流转桨式水轮机以及McNary大坝水轮机物理模型（模型和原型之比为1∶25），研究出过机鱼叶片撞击概率预估模型，并通过水轮机过鱼撞击损伤现场试验和平衡浮力小球通过水轮机模型时的叶片撞击试验，对叶片撞击概率预估模型进行了评估［8］。文献［9］指出，不是所有与叶片相撞的过机鱼都会死亡，撞击死亡率是变化的。通过试验研究发现，转轮叶片进口边比较厚钝时，即便速度很快，过机鱼在进口边的撞击损伤也很小，试验中好几种鱼都没有因撞击而死亡；叶片型线很窄时，过机鱼在叶片前缘的撞击会产生严重的损伤。此外还发现，质量小的鱼能随着流线绕过叶片，质量大的鱼由于惯性太大，与叶片撞击的概率高很多。因此，过机鱼在水轮机流道内的撞击损伤率预估和撞击概率预估同样的重要。

（2）压力损伤。鱼在水轮机系统内经受快速的压力改变，会造成损伤，损伤程度取决于鱼的种类、鱼承受的压力大小和压力变化率［6］。Cada等［5］人总结水轮机流道内压力对鱼类的损伤情况，闭鳔和通鳔鱼都能承受快速的压力上升而不会受伤，但是鱼类承受压力降低时的情况不一样，快速的压力降低可能造成鱼鳔的膨胀和扩大，从而造成鱼鳔的破裂以及其它器官和组织的损伤，闭鳔和通鳔鱼在经历快速的压力降低时都容易受到损伤。MontgomeryWatson等［5］人在实验室让虹鳟鱼经历不同的压力变化，研究鱼类的损伤情况。采用气体增压系统（计算机控制）控制试验腔内的压力变化。试验腔内压力经历初始增压阶段（在30～60 s时间内，从大气压增压至300 kPa）、降压阶段（在0.1 s时间内，压力降低至水的汽化压力）、低压阶段（保持压力在水的汽化压力附近约0.25 s）、压力恢复阶段（在30～60 s时间内，压力恢复至115～120 kPa）。这一压力变化过程被认为是鱼类经过McNary大坝水轮机转轮叶片区域时所能遭遇的最坏的压力变化过程。虹鳟鱼长度为9～10 cm，被分为20组，放入试验腔中进行压力损伤试验。文献［10］采用压力容器、真空泵和空气压缩机组成的管路系统模拟水力机械内压力变化过程，观察并解剖分析不同体长的鲤鱼和草鱼经历压力变化后的损伤情况。研究发现，负压状态下的压力变化过程会对鱼的生存构成威胁，鱼的主要损伤是鱼鳔破损，致使鱼身失去平衡甚至死亡；经历相同的压力变化过程，0.25 kg小鲤鱼和0.5 kg大鲤鱼的损伤率较小，在5％～15％左右，而草鱼损伤率较大，约62％～95％左右。

（3）空蚀损伤。空化汽泡在低压区形成，当汽泡随着水流运动到压力高于汽化压力的区域时，汽泡会迅速溃灭。汽泡溃灭会产生高压冲击波，强度与汽泡大小、溃灭区水压、溶解气体量等有关。汽泡溃灭中心产生的高压达10 MPa量级，压力从中心向外逐渐减弱，鱼类经过附近会受到损伤。在实验室中，当小鲑鱼受到的压力从汽化压力瞬时回到环境压力时，空化汽泡溃灭产生的高压冲击波致使小鲑鱼死亡率为50％［7］。Turnpenny等［9］人采用水下火花发生装置来产生空化汽泡，在0.5mm电极间隙之间产生的汽泡在1.4ms时间内迅速发展到最大尺寸8～10mm，然后在0.1ms时间内溃灭。试验中，一组连续汽泡在试验鱼头部及身体周围溃灭，并没有对试验鱼造成组织损伤，但这并不代表水轮机内的空化不会造成过机鱼损伤。水轮机空化会在转轮叶片上形成凹坑及损坏，而在以上试验中，汽泡溃灭并没有在铜板上形成凹坑。由此可见，水轮机空化汽泡溃灭所产生的破坏能量远远高于以上试验中空泡溃灭产生的能量。Foster水电站水轮机运行空化系数为临界空化系数的1/2～1/3时，过机鱼存活率最高［11］。Lower Granite大坝的试验表明，机组分别在最优效率和空化工况运行时，过机鱼损伤情况没有显著的差别［12］。但是两种工况下的空化都不严重［13］。也有研究表明，Lower Granite大坝过机鱼死亡率为2％～6％，其中观察的损伤中19％是由压力引起的［12］。

（4）剪切力损伤。剪切力最大值出现在固体与水流的交界面处，如叶片前缘、轮叶和导叶处。当鱼进入水轮机系统的剪切应力“损伤”区域时，鱼会受到伤害，有时甚至是致命的。损伤程度取决于鱼的种类、大小和进入剪切区的方式［6］。Johnson等人将大马哈和虹鳟鱼幼鱼输入36 cm直径的管路，管路出口直径收缩为10 cm或者15 cm，淹没在水槽中，试验鱼从管口出来进入水槽，研究管口射流对试验鱼的损伤。当射流流速为17.5 m/s时，没有试验鱼死亡；当流速为20.4、23.6和28m/s时，试验鱼平均死亡率分别为2.4％、7.2％和31％。该试验中，造成试验鱼死亡的原因除了剪切力和湍流外，还包括其它一些损伤机理因素［14］。Groves等［14］将试验鱼通过有一定角度的管路冲入水槽中的淹没射流，射流速度为9～37 m/s。试验推断，瞬间（时间约1 ms）的局部速度快速变化会造成鱼类损伤。Turnpenny等［9］采用Groves的试验方法测试了剪切力对鱼类的影响。水射流速度分别取5、10、15、19和20m/s，试验鱼通过导管诱导至射流中心，待鱼回到水槽的平静水域后通过捞网将鱼捞出，检查试验鱼受到的损伤。Morgan等［5］研究了剪切力造成鱼类死亡的回归方程。在水槽中，将幼鱼引入高速的淹没射流附近，射流通过圆形喷嘴射入水槽，速度为0～23 m/s。通过逻辑回归法对试验鱼受到的损伤进行分析。当射流速度为9.1m时，最大剪切力为1 600 Pa，试验鱼受到轻微损伤，比如鱼鳞损伤［3］。虽然试验研究了剪切力对鱼类的损伤机理，但是分析发现，剪切力和湍流对鱼类的损伤机理很难在实验室进行深入研究。剪切力和湍流对过机鱼的损伤很难精确地描述和量化［5］。

过机鱼伤害机理以及生物设计准则是鱼友型水轮机研制的基础。ARL/NREC和Voith Hydro研究小组在进行鱼友型水轮机研制时发现缺少必要的生物设计标准。虽然国外曾进行过一些鱼类通过水轮机损伤机理的研究，但因为这些研究并不是以建立鱼友型水轮机生物设计准则为目标，缺少导致鱼类损伤的相关数值（或阈值），几乎没有可用于指导鱼友型水轮机研制的数据资料［6］。卡达等［7］人在DOE和AHTS委员会成员的支持下，提出了生物学的临时设计准则，并建议对有关生物学设计准则作进一步研究，可以在试验室对需要的鱼种通过模型水轮机进行试验研究。ARL/NREC研究小组在鱼友型水轮机研发中采用的设计及评估准则见表1，其中新型鱼类友好型水轮机设计参数为流量28.3m3/s，水头23～30m。

表1 ARL/NREC鱼友型水轮机设计及评估准则

3 鱼友型水轮机的设计

鱼友型水轮机设计的最终目的是，使过机鱼受到的损伤或死亡率最低，同时高效发电，实现社会效益和环境效益最大化。鱼友型水轮机发展至今，代表性研究成果如下。

3.1 ARL/NREC鱼友型水轮机在美国高级水轮机系统计划（AHTS）的支持下，ARL/NREC研究团队致力于设计一种不同于混流式或轴流式水轮机的新型水轮机转轮，最大限度地降低过机鱼的损伤。新型水轮机的设计目标是过机鱼存活率高于96％，效率至少为90％［1］。该研究团队以导水机构和转轮的水力设计为核心进行了研究。

ARL/NREC转轮基于泵叶轮的形状，尽量减少叶片数、降低转轮叶片上压力随时间及速度随距离的变化梯度、尽量减小转轮和转轮室的间隙、尽量加大流道尺寸，且所有这些有利于鱼类通行的设计所引起的水轮机效率下降要尽量小［4］。为了获取相同的能量，叶片数量减少后，叶片相应加长，而叶片的高度不变。叶片呈螺旋状绕中心体包卷。该几何形状可逐渐降低压力，将可能损伤鱼类的水流流速突变减到最小。ARL/NREC鱼友型水轮机转轮见图1。

对ARL/NREC鱼友型水轮机在中试模型试验台上进行过鱼试验，以评估水轮机水力性能和过机鱼成活情况。模型转轮直径为1.22m，模型和原型转轮直径之比为1∶3.25。文献［1］对水轮机模型试验进行了详细介绍。鱼从尾水管出来后进入收集箱后，立即检查鱼的伤亡情况，并观察96 h以确定任何潜在的死亡。同时，测量相关流动参数，计算水轮机水力效率。通过模型试验结果换算得到原型机组最高效率为90.5％。模型机组过鱼试验表明，美国鳗鱼的总存活率超过98％，白鲟鱼的存活率高于硬骨鱼（如虹鳟鱼），过机鱼在叶片进口边的撞击是造成过机鱼立即死亡的主要原因。

3.2 VOITH小组关于鱼友型水轮机的设计概念同样是在AHTS的支持下，VOITH研究小组通过分析水轮机内部流动特性，探索导致鱼类损伤的原因，提出鱼类友好型设计概念。这些概念可以用于已有水轮机的更新改造，也可用于新的水轮机设计。主要的设计概念如下［7］。

鱼友型轴流转桨式水轮机设计概念：水轮机以高效率运行，没有空蚀，以降低鱼类的损伤概率；消除转子中心体、叶片和转轮室附近的间隙，以降低鱼类的碾磨损伤概率；优化布置固定导叶与活动导叶位置，以消除撞击损伤的可能性；抛光所有的表面焊缝，以降低对鱼的摩擦损伤等。

鱼友型混流式水轮机设计概念：减少叶片数，加大流道尺寸，增加叶片长度，以降低鱼受撞击和擦伤的概率，并维持相同的容量；采用较厚的叶片进口边，使转轮的效率-水头特性曲线更平坦，这意味着机组在高水头运行时叶片进口边不发生空化，水流脱流减少，且可以降低鱼类在叶片进口边的撞击概率（过机鱼沿着叶片进口边绕流通过的概率提高）；降低导叶的悬臂（向外伸出部分），以消除产生有害涡流的间隙；增加导叶和转轮之间的距离，以降低鱼类在导叶出口边和转轮之间受到碾磨损伤的可能性；使导叶与固定导叶对齐；提高固定导叶、导叶和尾水管锥管的光滑度，以减少对鱼的潜在摩擦损伤等。

图1 ARL/NREC鱼友型水轮机转轮

3.3 最小间隙转轮最小间隙转轮（简称MGR）的概念为，除结构上必须的间隙外，叶片与轮毂、叶片与转轮室之间无间隙或者间隙尽可能小［15］。最小间隙转轮设计可以减小与间隙相关的碾磨、空化、剪切力及湍流所引起的过机鱼损伤。轴流转桨式水轮机通过将轮毂体和转轮室的形状从圆柱体-球体-圆锥体改为整个球体，从而使叶片全部包入转轮室，消除轮毂体、叶片和转轮之间的间隙。

美国陆军工程师兵团研发中心（ERDC）采用无色空心小球代替过机鱼对ALSTOM研发的最小间隙转轮和常规转轮进行了模型试验，衡量转轮性能和过机鱼的下行情况［15］。通过高速摄影系统记录无色空心小球通过固定导叶、活动导叶及转轮区域的过程，分析确定小球与水轮机部件的碰撞情况及剪切应力区；使用三束两色激光多普勒测速仪确定流动分布、流速量级和方向、湍流等。通过分析小球表面和过流面的接触程度及小球运动方向的变化预估过机鱼下行通过该水轮机的情况。模型试验结果表明，最小间隙转轮实现了在保持常规轴流转桨式水轮机效率水平的同时，还能够改善水轮机中过机鱼的通行环境。并在Bonneville大坝1号水电站6号和4号机组上将常规轴流转桨式水轮机转轮更换为最小间隙转轮。1999年11月到2000年1月，USACE在6号和5号机组（常规转轮）上进行幼年鲑鱼通过水轮机下行的现场试验，测试、比较鲑鱼的存活率。两种转轮相比：经过轮毂附近的过机鱼存活率都很高，为97％或者更高；经过叶片中间的过机鱼存活率相当，为95％～97％；经过最小间隙转轮叶片外缘过机鱼的存活率比经过常规转轮叶片外缘过机鱼的存活率高3％［4］。

3.4 美国瓦纳普姆水电站鱼友型水轮机格兰特县PUD的工程师和VOITH的代表组成研究团队，以美国瓦纳普姆Wanapum水电站（共10台机组）为依托进行鱼友型水轮机研究［16］。研究内容包括：转轮尺寸和叶片数的改变、降低转轮安装高程以改善空化性能、延长固定导叶以改善流态、活动导叶和固定导叶对齐、尾水管改型等等。通过这些综合设计研究，使水轮机内部流态更平稳，提高水力性能。最关键的设计为，转轮叶片从5个改为6个，叶片长度变短，以便于采用全球型的轮毂体设计。所需要的装机容量通过增大转轮直径（由285英寸增加到305英寸）和降低安装高程来保证。对研发的新型水轮机进行全流道模型试验。试验结果表明，新水轮机转轮内部的流动特性得到显著改善，流动更加顺畅，水轮机效率平均提高3％。此外，新设计使流道内剪切力降低至过机幼鲑鱼所能承受的剪切力临界值以下。根据试验结果，对新型水轮机固定导叶和活动导叶进行了进一步优化设计。

新设计的鱼友型水轮机安装在Wanapum水电站，2005年2月完成了启动试验。格兰特县PUD采用8 850尾幼鲑鱼进行了过机鱼存活率试验。试验表明，新水轮机过机鱼存活率的整体加权估值为97.82％。2005年12月，联邦能源管理委员会（FERC）批准格兰特县PUD采用新水轮机技术对余下的9台机组进行更新改造［16］。

3.5 最小间隙导叶对于低水头水轮机，导叶在全开位置时是向外伸出的，这是由于导叶开度大、且节圆直径与水轮机进口直径之比小。导叶全开时其下部的尾流形成很大的剪切力和极强的紊流，会损伤经过的鱼类。针对这一问题，ALSTOM的设计人员提出了一项与传统导叶相适应的新设计方案，即完全消除导叶外伸结构，该设计方法称为“最小间隙导叶（MGGV）”。这一创新设计是采用回转表面底环嵌入物，每只导叶处有一个嵌入物，嵌入物的形状保证了在任何导叶开度下导叶与底环之间无间隙。MGGV的应用可以完全取消导叶外伸结构，极大地减小流场中的剪切力区和导水机构下游区域的紊流，从而提高过机鱼的存活率。此外，CFD分析和模型试验都表明，采用传统导叶和最小间隙导叶，水轮机效率几乎没有改变［17］。

3.6 上流式水轮机上流式水轮机将传统的向下出流式水轮机改为向上出流式，在设计思路中兼顾了环保因素和能量性能的需求，整个水轮机系统结构简洁、紧凑。上流式水轮机保护过机鱼的主要设计特点为［18-19］：（1）采用向上开放式出流，无尾水管。这种尾水出流方式可以增加空气的溶入量，消除空化，从而避免剧烈的压力变化，减少由此引起的过机鱼损伤。（2）应用竖直的压力平衡针阀，取代导叶，减少了机械碰撞引起的过机鱼损伤。

4 结论与建议

综上所述，国外研究机构在鱼友型水轮机研究方面取得了一些成果，但从文献来看，我国在这方面的研究几乎为零，处于缺失状态。在环保呼声日益增高、生态保护更加关注的形势下，鱼友型水轮机作为解决鱼类下行过坝的有效途径之一，很有必要展开系统、深入的研究，以促进水电和生态环境的协调可持续发展，使社会经济效益和环境效益最大化，同时也为国家制定和实施相关环保政策、法规、标准提供技术支撑。建议从以下方面展开鱼友型水轮机的研究：（1）过机鱼损伤情况与鱼的种类和大小、上下游水位、水轮机运行工况及水轮机本身结构等都有很大的关系，我国水电站及所在流域内鱼类特点多样，建议选择代表性水电站进行过机鱼损伤情况调研及试验研究，以助于水轮机过机鱼损伤机理的研究。（2）生物设计准则是鱼友型水轮机设计的基础，建议以建立鱼友型水轮机生物设计准则为目标，开展以机械、压力、空蚀及剪切力等单一因素和多因素联合作用的鱼类损伤机理研究。（3）兼顾水轮机友好过鱼能力和水力性能要求，开展以导水机构、转轮等单一部件设计和多部件匹配设计的关键技术研究。（4）水轮机过机鱼损伤试验可以评估水轮机的友好过鱼能力，是过机鱼损伤机理及鱼友水轮机设计理论深入研究的重要手段，建议开展水轮机过机鱼损伤试验系统及方法研究。

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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

（责任编辑：韩昆）

2014-06-25

廖翠林（1981-），女，湖北荆门人，高级工程师，主要从事水力机械研究。E-mail：liaocuilin@163.com