過魚水輪機研究進(jìn)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(guān)資料查閱，總結(jié)了魚類通過水輪機時的受傷機理，并從機械結(jié)構(gòu)、流體動力學(xué)、魚類生物特性方面進(jìn)行可行性探討，可為我國“過魚水輪機”的進(jìn)一步研發(fā)與設(shè)計提供參考依據(jù)與建議。

關(guān)鍵詞：過魚水輪機;損傷機理;設(shè)計

水利水電工程的建設(shè)會對環(huán)境造成了一定負(fù)面影響。魚類在穿過水輪機，或者被吸入水輪機時將遭受嚴(yán)重的傷害。據(jù)文獻(xiàn)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(shè)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(zhuǎn)速、流量、葉片數(shù)有關(guān)。水輪機轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)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?？栈莸臐绠a(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(dāng)魚類進(jìn)入水輪機系統(tǒng)的剪應(yīng)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(shè)計理念

2.1 轉(zhuǎn)槳式過魚水輪機的設(shè)計理念

對于轉(zhuǎn)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(dǎo)葉處的縫隙，轉(zhuǎn)輪體、葉片之間的縫隙。合理布置導(dǎo)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(shè)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(dǎo)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(shè)計的思考

對于各類水輪機的機械結(jié)構(gòu)改進(jìn)，可以減小剪切力和空蝕，但是嚴(yán)重影響水輪機的運行效率，因此可以從流體動力學(xué)、生物學(xué)方面進(jìn)行研究

3.1 流體動力學(xué)方面

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

3.2 生物學(xué)方面

過魚水輪機的研發(fā)還可以結(jié)合該流域典型魚類的體型、習(xí)性等特征展開。在特定的水輪機水力學(xué)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(xué)的角度來確定水力學(xué)特性導(dǎo)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(shè)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(dá)國家，我國在該領(lǐng)域的研究還有很長的路要走。對于符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)又高效的過魚水輪機，應(yīng)當(dāng)積極大力開展研發(fā)設(shè)計工作。

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基金項目：大學(xué)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。