基于鱼类友好理念的水轮机改型及特性分析

赵文龙，周大庆，林奇峰

(河海大学能源与电气学院， 南京 211100)

随着人们对于生态环境的日益重视和关注，设计建立鱼类友好型水电设施已经成为一种趋势和研究方向。为解决这一问题，除了修建专门的鱼梯、鱼道，或进行人工增殖放流外[1]，对于水轮机组本身的改造使其低伤害或无伤害过鱼的能力提升也是极其重要的方式。赵青山等[2]概括了鱼类友好型水轮机设计的一般过程并提出鱼类友好型水轮机仅能部分解决下行鱼过坝的问题；D．乌帕德亚伊等[3]对鱼类在通过水轮机时的损伤情况进行分析并引入STRIKER模型来比较改型前后水轮机对鱼类的伤害概率。但目前对于鱼类友好型水轮机的研究及其工程实例仍不多见。故有必要根据现有的水轮机组进行理论分析和CFD数值模拟来为今后的工程实践奠定基础。

鱼类进入水轮机，损伤和死亡的3个主要因素是机械损伤、剪切速度引起的高梯度力以及压力波动[4]，以此得出鱼类损伤的具体表现为[5]：叶片撞击；固定机械部件擦伤；间隙擦伤；压降损伤；水力剪切和湍流；空化现象。本文针对上述叶片撞击、固定机械部件擦伤及间隙擦伤3个表现形式确立以下改型设计理念[6]：减少活动导叶数量，合理布置导叶相对位置；减少和消除转轮室缝隙；转轮入口及出口消除间隙。

本文采用上述理念对水轮机组原始模型改型，每一处几何改型均采取单一变量的方式进行改型前后的对比，并在最后整合所有改型方式，设计出最终改型后的水轮机并利用CFD数值模拟得出结论。……