基于魚類友好理念的水輪機改型及特性分析

趙文龍，周大慶，林奇峰

(河海大學能源與電氣學院， 南京 211100)

隨著人們對于生態環境的日益重視和關注，設計建立魚類友好型水電設施已經成為一種趨勢和研究方向。為解決這一問題，除了修建專門的魚梯、魚道，或進行人工增殖放流外[1]，對于水輪機組本身的改造使其低傷害或無傷害過魚的能力提升也是極其重要的方式。趙青山等[2]概括了魚類友好型水輪機設計的一般過程并提出魚類友好型水輪機僅能部分解決下行魚過壩的問題；D．烏帕德亞伊等[3]對魚類在通過水輪機時的損傷情況進行分析并引入STRIKER模型來比較改型前后水輪機對魚類的傷害概率。但目前對于魚類友好型水輪機的研究及其工程實例仍不多見。故有必要根據現有的水輪機組進行理論分析和CFD數值模擬來為今后的工程實踐奠定基礎。

魚類進入水輪機，損傷和死亡的3個主要因素是機械損傷、剪切速度引起的高梯度力以及壓力波動[4]，以此得出魚類損傷的具體表現為[5]：葉片撞擊；固定機械部件擦傷；間隙擦傷；壓降損傷；水力剪切和湍流；空化現象。本文針對上述葉片撞擊、固定機械部件擦傷及間隙擦傷3個表現形式確立以下改型設計理念[6]：減少活動導葉數量，合理布置導葉相對位置；減少和消除轉輪室縫隙；轉輪入口及出口消除間隙。

本文采用上述理念對水輪機組原始模型改型，每一處幾何改型均采取單一變量的方式進行改型前后的對比，并在最后整合所有改型方式，設計出最終改型后的水輪機并利用CFD數值模擬得出結論。

1 計算模型及方法

1.1 模型基本參數

本文采用軸流式水輪機模型，水輪機轉輪直徑D=460 mm，設計水頭Hr=0.732 m，轉速為270 r/min，轉輪葉片數Z1=5，活動導葉數Z2=32。模型試驗結果表明在設計水頭下，機組流量Q=281.97 L/s，出力P=1.63 kW，效率為80.53%。模型包括進水流道、蝸殼、固定導葉、活動導葉、轉輪室以及尾水管，整個模型流道如圖1所示。

圖1 軸流式水輪機的模型三維圖Fig.1 Three dimensional model of Kaplan turbine

1.2 計算域及網格劃分

模型由進水流道、蝸殼、導葉、導流裝置、轉輪、尾水管幾部分構成計算域?？紤]到模型結構復雜，故采用gambit對模型劃分適應性較強的非結構網格。經過網格無關性驗證,初始模型數值計算得到的流量為282.22 L/s，出力為1.64 kW，效率為80.87%，與模型試驗數據十分接近，故確定以上過流部件網格單元數分別為：27.1、12.2、54.2、15.9、88.7、18 萬個，共計216.1 萬個。

1.3 控制方程

軸流式水輪機數值模擬介質為水，為不可壓縮的黏性流體。計算時采用不可壓縮的連續方程和N-S方程[7]，方程如下：

▽u=0

(1)

(u▽)u=f-▽p/ρ+υ▽2u

(2)

式中：u為流體速度矢量；f為單位質量力矢量；ρ為流體密度；▽為哈密頓算符；p為流體微元上的壓強；υ為流體運動黏度。

計算采用Spalart-Allmaras湍流模型，因其網格質量要求相對較低，收斂較快，故在流體機械的數值模擬中得以廣泛運用。計算中采用二階迎風格式來保證計算精度，對湍流流場中的速度和壓力方程用SIMPLEC算法進行耦合[8]，計算時為確保收斂性，監測殘差值設為10-5。

1.4 邊界條件

由于已知水輪機的設計水頭，進口及尾水管出口分別定義為壓力進口和壓力出口邊界條件，轉輪設置為轉動邊界。壁面設置為無滑移邊界條件，近壁區域使用標準壁面函數的方法。

2 改型及數值模擬結果

2.1 導葉改型及數值模擬結果

導葉改型旨在減少導葉數量以及改變固定導葉和活動導葉的相對位置，使其位置、方向趨向一致，減少或避免擾流和機械傷害[9]，以降低魚類通過導葉時撞擊卡殼幾率，提高水輪機組低傷或無傷過魚的能力。導葉改型前后模型及中間截面速度分布如圖2所示。

圖2 導葉改型前后模型及速度分布圖(單位：m/s)Fig.2 The guide vane model and velocity distribution before and after retrofitting

在按照魚類友好理念改型導葉前其中間截面平均流速多處于1.3～1.7 m/s間，改型后其流速多低于1.3 m/s，且流態穩定繞流減少，魚類碰撞和損傷幾率減小。另外，在相同工況下改型后水輪機流量提升至291.81 L/s，出力為1.66 kW，比改型前提升0.02 kW，同時其改型后效率為79.11%，降低了1.76%。由此表明這種改型方式在損失少部分效率時既能保證水輪機所需出力，又能夠起到保護魚類的作用。

2.2 輪轂改型及數值模擬結果

輪轂改型主要是將傳統的柱形-球形-錐形改為球形輪轂，減少和消除了葉片與輪轂間縫隙并使流道平滑，降低魚類在葉片輪轂間卡殼撞擊的概率從而提高水輪機組保護魚類的能力，減少魚類的受傷和死亡幾率。輪轂改型前后的局部示意圖如圖3所示。

圖3 輪轂改型前后轉輪室局部正視圖Fig.3 Local graph of runner chamber with different hub shapes

改型后水輪機流量下降為279.05 L/s，出力下降為1.62 kW，均為小幅度下降，而機組效率仍維持在80.8%左右。改型前后輪轂及葉片局部壓力分布如圖4所示，從內特性上來看并未新增如空化點、壓力明顯變化點等影響轉輪運行的情況，且輪轂處壓力梯度線分布更為均勻。所以可得出結論，輪轂由傳統的柱形-球形-錐形改為球形可以適用于水輪機轉輪基于魚類友好理念的改型。

圖4 輪轂改型前后局部壓力分布圖(單位：kPa)Fig.4 Local pressure distribution map with different hub shapes

2.3 輪緣改型及數值模擬結果

輪緣改型旨在減少或消除葉片與轉輪室間的間隙。將轉輪室外壁由傳統的柱形-球形-錐形改為球形并將葉片延伸至轉輪室外壁，目的是為了使流道平滑并減少葉片與轉輪室壁面的縫隙，從而降低魚類因縫隙擠壓受傷和死亡的幾率。輪緣改型前后二維模型如圖5所示。

圖5 輪緣改型前后轉輪室二維示意圖Fig.5 2D runner chamber model with different shroud shapes

改型后在相同工況下機組流量為287.32 L/s，機組效率由于減少和消除縫隙后降低了水力損失而有明顯提高，由原始模型的80.87%上升至83.05%，出力也在原始模型的基礎上提升了0.07 kW變為1.71 kW。改型前后葉片壓力分布如圖6所示，轉輪葉片壓力面5 kPa以上高壓區面積增大，吸力面壓力分布層次更為均勻也可證明其轉輪做功能力提高使效率提升。可得出這樣的改型方式既滿足了魚類友好理念的設計需求，還能在一定程度上提升水輪機組的水力性能。

圖6 輪緣改型前后葉片壓力分布圖(單位：kPa)Fig.6 Pressure distribution diagram of blade with different shroud shapes

2.4 轉輪室進出口改型及數值模擬結果

轉輪室進出口改型主要包括修改出水環形狀以及修改轉輪室入口形狀兩方面。轉輪室出口改型是將原始的錐形改為從葉片出水端先經過球形流道再漸變為錐形以減少葉片出口與轉輪室壁面間隙。轉輪室入口即導葉出口改型主要指將該部位傳統的柱形改為更加平穩圓滑的球形和橢球形，以減少導葉懸垂距離從而減少導葉和轉輪入口間隙并且有效避免水流泄漏和剪切力對魚類的傷害。兩種改型可降低魚類進出轉輪室時的碰撞卡殼損傷概率。改型前后模型如圖7所示。

圖7 轉輪室進出口改型前后局部正視圖Fig.7 The inlet and outlet profile of the runner chamber

改型前后模型水力特性如表1所示，在相同工況下，出水環和轉輪入口即導葉出口處經過改型后，均不會對原始機組的 水力性能造成過多的影響，所以可按此方式進行改型以達到保護魚類的目的。

表1 改型前后水輪機水力特性Tab.1 Turbine’s hydraulic characteristics before and after the reform

2.5 整合改型及數值模擬結果

經過上述幾種幾何形狀的單一改型，最后整合所有改型于一體。用相同的工況對其進行CFD數值模擬并與原始模型對比分析。改型后水輪機流量小幅提升至284.18 L/s，而效率變為77.76%，降低了3.11%，出力為1.59 kW較改型前下降0.05 kW。由此可見，所有單一改型方式的整合并不是完美的搭配，基于魚類友好理念的改型使得原始機組效率及水力性能有所下降在所難免，但數值實驗中性能的下降仍然處于可接受范圍內，且在改型后并無過度影響原始機組的性能。

3 結 語

本文利用CFD數值模擬對該軸流式水輪機進行建模并基于魚類友好理念對機組進行單一改型和整合改型的計算，得出以下結論。

(1)導葉改型后出力提升，效率下降1.76%；轉輪輪轂和轉輪室進出口改型后效率、出力和流量基本不變；轉輪輪緣改型后出力提高0.07 kW，效率提升2.18%；整合所有單一改型設計最終模型后，效率降低3.11%，出力下降0.05 kW。

(2)CFD數值模擬表明所有改型對水力特性的影響均在可接受范圍內浮動，對魚類友好理念水輪機的改型具有指導意義。今后還需進一步針對不同魚類的生物特性，研究更多魚類損傷因素并通過更多試驗來驗證水輪機組基于魚類友好理念的改型設計措施的有效性。

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[1] 李海鋒. 環境友好水輪機流動機理研究[D]. 北京：清華大學, 2002.

[2] 趙青山, 王 顥, 杜 楓,等. 魚類友好型水輪機的設計研究[J]. 電站系統工程, 2014,(2):67-68.

[3] D 烏帕德亞伊, 王振華, 趙建達. 英國觀察:魚類友好的水輪機設計的最新進展[J]. 小水電, 2007,(5):5-7.

[4] Richmond M C, Serkowski J A, Ebner L L, et al. Quantifying barotrauma risk to juvenile fish during hydro-turbine passage[J]. Fisheries Research, 2014,154(154):152-164.

[5] Deng, Zhiqun, Carlson, et al. Fish passage assessment of an advanced hydropower turbine and conventional turbine using Blade-Strike modeling[J]. Energies, 2011,4(1):57-67.

[6] 姜莉萍, 馮順新, 廖文根,等. 環境友好型水輪機技術最新進展[C]∥ 水利水電工程新技術推廣研討會暨中國水利學會水工結構專業委員會第九次年會，2010.

[7] 尚 勇, 劉小兵, 曾永忠. 葉片數對離心泵性能影響的數值模擬及試驗對比[J]. 中國農村水利水電, 2014,(5):124-127.

[8] 朱 李, 賴喜德. 長短葉片混流式水輪機流動特性分析[J]. 中國農村水利水電, 2015,(6):162-165.

[9] Robb D. Hydro’s fish-friendly turbines[J]. Renewable Energy Focus, 2011,12(2):16-17.