友好型水轮机丨降低鱼儿出行的危险

长江环境问题专家范晓曾说：“当长江水域物种灭绝的多米诺骨牌纷纷倒下的时候，作为其中一张牌的人类，能幸免于难吗？”2015 年，重庆市“小南海电站”建设项目被环境保护部叫停，这只是我国水电开发中面临的巨大生态困境的一个缩影。

如今，水电开发和生态的协调发展已经成为基本共识，专家学者和管理者千方百计地寻找能够缓解筑坝对鱼类洄游阻隔的办法：为上行过坝鱼设置鱼梯、升鱼机、鱼闸等通道；下行过坝鱼则主要通过溢洪道或水轮机泄放到下游。

目前所有下行过鱼设施都会对鱼类产生一定程度的影响。因此，降低水轮机对鱼类的伤害，提高鱼类过坝存活率，对水轮机及其流道进行改造十分重要。有研究表明，鱼类通过设计良好的水轮机的存活率要高于通过溢洪道的存活率。

☝鱼生都如这般

电影《悬崖上的金鱼姬》

鱼类通过水轮机的损伤机理

鱼类通过水轮机时的存活率主要依赖于鱼类通过水轮机系统时采取的路径。一旦鱼体离开前池，进入水轮机系统，它受到的伤害就和流道内非常迅速的几何物理变化和水流流动特性变化密切相关。

☝水轮机1

☝水轮机2

☝水轮机3

☝水轮机4

1995 年，美国陆军工程师团（USACE）成立了一个水轮机流道鱼类存活率研究小组。通过分析，小组专家们将鱼类通过水轮机流道下行时可能受到的伤害机理分为机械、压力、剪切力和空蚀四种原因：

1 机械原因

鱼随水流通过水轮机流道时，直接与旋转的转轮叶片相撞、摩擦。摩擦伤害程度取决于流量和流速、水轮机叶片数目和间距，以及流道的几何形状，鱼的死亡率随转轮圆周速度的增加而增加。

鱼通过活动导叶和固定导叶等固定机械部件引起的擦伤，及鱼卡在叶片末端与外壳之间受到擦伤，可以通过检查鱼体判断擦伤情况，如局部瘀伤、深层割伤，甚至是斩首伤害。鱼在撞击水轮机系统部件时可能会产生伤亡。

鱼体撞击水轮机系统部件的可能性取决于几个因素：鱼的大小、叶片的数目及其间距、水轮机转速、流速和流量等。

2 压力原因

水流通过水轮机流道进行能量转换时水压力发生改变，鱼从高压侧移动到低压侧时，因压力急剧变化使鱼体受到损伤，鱼体损伤的程度取决于压差的大小和梯度，鱼的类型、大小等因素。

鱼体能承受的压力变化是和它们进入水轮机系统前已经适应的压力相关的,鱼体承受压力的变化范围是从低水头水电站绝对压力（146 kPa）到高水头电站的绝对压力（605 kPa）。

有研究认为鱼对压力的降低比对压力的增加更敏感。压力和死亡率相关是因为鱼鳔减压而受到的损伤。另外，压力与速度变化导致的应力可能导致鱼鳃与鱼鳞的损伤，非对称的流道扩散可能造成鱼体与固壁的碰撞。

3 剪切力和湍流原因

水流通过水轮机流道进行能量转换时，水压力会发生改变。水轮机过流流道中靠近固体边界附近出现较大的剪切应力。剪切力和湍流越大，鱼类受伤的可能性越大。最高剪切力值接近于流体和固体速度之间的交界面，比如叶片前缘、固定导叶和活动导叶。

水轮机流道中可能造成鱼体损伤或死亡的剪切力区域为固定导叶与活动导叶附近区域、转轮区域及尾水管区域。当鱼进入水轮机系统中的“破坏性”剪切力区域时，鱼会受到伤害，有时甚至是致命的。伤害的程度和鱼的种类、大小及进入剪切带的方式有关。

大多数轴流式水轮机在活动导叶和转轮叶片之间有间隙，从这些间隙中的泄漏以及水轮机非最优工况在高剪切力区域导致流动分离从而产生涡。量化这些高剪切应力区域可以协助水轮机的设计和运行，从而减少剪切力区域，增强鱼的生存能力。

4 空蚀原因

空化气泡在产生和溃灭时所产生的高压冲击波会使鱼类产生损伤。负压状态下压力梯度对鱼类的生存构成威胁，鱼鳔受损，在肝、肾等处有出血点。

☝水轮机不同区域可能造成伤害的原因

1——压力上升；2——压力突降；

3——空化；4——撞击；

5——擦伤；6——剪切力；7——湍流。

鱼类友好型水轮机设计进展

目前，国内外正积极努力研究既能高效发电又能帮助鱼类安全下行的鱼类友好型水轮机。研究者们对鱼类友好型水轮机的设计研究主要从以下思路着手：

①确定设计和评估标准，包括：确定过鱼目标存活率，确定水轮机目标效率；

②初步计算水轮机的外形尺寸，并进行三维几何建模；

③采用CFD 技术对水轮机流场进行模拟，根据计算结果对水轮机进行优化，使得上述的机械、压力、剪切力、空蚀等因素满足目标鱼体的存活率要求，同时还需满足水轮机的效率目标。

1 转桨式水轮机设计

美国能源部启动了“先进水电站水轮机系统科研计划（AHTS）”，该计划的目的是提出既能减少对鱼类损伤，又能提高水轮机运行效率的鱼类友好型水轮机设计方案。

计划中提出了鱼类友好型转桨式水轮机的设计思路：

①去空蚀、去间隙：转桨式水轮机可高效率运行，没有空蚀，可降低伤害鱼类的概率；除去转子中心体、叶片和转轮室中环附近的间隙，包括导叶处的缝隙，转轮体、叶片及出水环间的缝隙，以降低鱼类受伤概率，并提高水轮机效率。

②调整导叶形状和布局：去除导叶的突出部分，并通过变柱形出水环为球形出水环以减少间隙，同时提高能效；适当地布置固定导叶与活动导叶位置，以消除因撞击而使鱼类受伤的可能性；抛光所有的表面焊缝，以降低对鱼的擦伤等。

③减少污染物：采用生物降解的润滑液、润滑脂和无润滑脂的活动导叶轴瓦，避免有害的污染物进入水中。

2 贯流式水轮机设计

目前鱼类友好型贯流式水轮机的设计主要从导叶的形状和布局上进行优化：

减少转轮叶片数量，减小转轮体积，减小叶片长度，采用厚的叶片前缘；减少导叶突起；增加导叶与叶片之间的距离；合理布置活动导叶和固定导叶，使其位置及方向趋于一致；

另外，还考虑了优化压力梯度，减少压力突变。增大转轮直径，并相应降低转轮转速。

3 混流式水轮机设计

鱼类友好型混流式水轮机的设计也主要从导叶上进行优化：

减少叶片数，加大流道尺寸；采用较厚的叶片进口边，使转轮的效率和水头特性曲线更平坦；降低导叶的悬臂，以消除产生有害涡流的间隙，增加导叶对转轮之间的距离，并使导叶与固定导叶对齐等。

4 其他水轮机设计

奥尔登（Alden）公司侧重于设计全新的水轮机。奥尔登水轮机采用螺旋状的叶片及叶片前缘装置旋转罩来消除常出现在叶缘附近的低压涡流阻力，使鱼类可恰好从转轮叶片与座环的间隙通过。

虽然奥尔登水轮机设计目标是消除可能造成鱼类伤亡的关键因子，但其模型实验结果表明，尽管保证了水轮机的高效率，水流却在尾水管处存在大量漩涡，这有可能使鱼类在通过尾水管时被绕晕，致使其到下游后易被其他鱼类或鸟类捕食。

☝奥尔登鱼类友好型水轮机示意图

此外，阿尔斯通（ALSTOM）公司研制了一种最小间隙转轮（简称MGR），其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。

格兰特县公共事业管理区的工程师和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）为依托进行鱼类友好型水轮机研究。

参考文献：

杨春霞，郑源，张玉全，罗红英. 鱼类友好型水轮机设计研究综述[J]. 中国工程科学, 2018(3): 96 -101 .

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