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。

1 计算模型及方法

1.1 模型基本参数

本文采用轴流式水轮机模型，水轮机转轮直径D=460 mm，设计水头Hr=0.732 m，转速为270 r/min，转轮叶片数Z1=5，活动导叶数Z2=32。模型试验结果表明在设计水头下，机组流量Q=281.97 L/s，出力P=1.63 kW，效率为80.53%。模型包括进水流道、蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮室以及尾水管，整个模型流道如图1所示。

图1 轴流式水轮机的模型三维图Fig.1 Three dimensional model of Kaplan turbine

1.2 计算域及网格划分

模型由进水流道、蜗壳、导叶、导流装置、转轮、尾水管几部分构成计算域。考虑到模型结构复杂，故采用gambit对模型划分适应性较强的非结构网格。经过网格无关性验证,初始模型数值计算得到的流量为282.22 L/s，出力为1.64 kW，效率为80.87%，与模型试验数据十分接近，故确定以上过流部件网格单元数分别为：27.1、12.2、54.2、15.9、88.7、18 万个，共计216.1 万个。

1.3 控制方程

轴流式水轮机数值模拟介质为水，为不可压缩的黏性流体。计算时采用不可压缩的连续方程和N-S方程[7]，方程如下：

▽u=0

(1)

(u▽)u=f-▽p/ρ+υ▽2u

(2)

式中：u为流体速度矢量；f为单位质量力矢量；ρ为流体密度；▽为哈密顿算符；p为流体微元上的压强；υ为流体运动黏度。

计算采用Spalart-Allmaras湍流模型，因其网格质量要求相对较低，收敛较快，故在流体机械的数值模拟中得以广泛运用。计算中采用二阶迎风格式来保证计算精度，对湍流流场中的速度和压力方程用SIMPLEC算法进行耦合[8]，计算时为确保收敛性，监测残差值设为10-5。

1.4 边界条件

由于已知水轮机的设计水头，进口及尾水管出口分别定义为压力进口和压力出口边界条件，转轮设置为转动边界。壁面设置为无滑移边界条件，近壁区域使用标准壁面函数的方法。

2 改型及数值模拟结果

2.1 导叶改型及数值模拟结果

导叶改型旨在减少导叶数量以及改变固定导叶和活动导叶的相对位置，使其位置、方向趋向一致，减少或避免扰流和机械伤害[9]，以降低鱼类通过导叶时撞击卡壳几率，提高水轮机组低伤或无伤过鱼的能力。导叶改型前后模型及中间截面速度分布如图2所示。

图2 导叶改型前后模型及速度分布图(单位：m/s)Fig.2 The guide vane model and velocity distribution before and after retrofitting

在按照鱼类友好理念改型导叶前其中间截面平均流速多处于1.3～1.7 m/s间，改型后其流速多低于1.3 m/s，且流态稳定绕流减少，鱼类碰撞和损伤几率减小。另外，在相同工况下改型后水轮机流量提升至291.81 L/s，出力为1.66 kW，比改型前提升0.02 kW，同时其改型后效率为79.11%，降低了1.76%。由此表明这种改型方式在损失少部分效率时既能保证水轮机所需出力，又能够起到保护鱼类的作用。

2.2 轮毂改型及数值模拟结果

轮毂改型主要是将传统的柱形-球形-锥形改为球形轮毂，减少和消除了叶片与轮毂间缝隙并使流道平滑，降低鱼类在叶片轮毂间卡壳撞击的概率从而提高水轮机组保护鱼类的能力，减少鱼类的受伤和死亡几率。轮毂改型前后的局部示意图如图3所示。

图3 轮毂改型前后转轮室局部正视图Fig.3 Local graph of runner chamber with different hub shapes

改型后水轮机流量下降为279.05 L/s，出力下降为1.62 kW，均为小幅度下降，而机组效率仍维持在80.8%左右。改型前后轮毂及叶片局部压力分布如图4所示，从内特性上来看并未新增如空化点、压力明显变化点等影响转轮运行的情况，且轮毂处压力梯度线分布更为均匀。所以可得出结论，轮毂由传统的柱形-球形-锥形改为球形可以适用于水轮机转轮基于鱼类友好理念的改型。

图4 轮毂改型前后局部压力分布图(单位：kPa)Fig.4 Local pressure distribution map with different hub shapes

2.3 轮缘改型及数值模拟结果

轮缘改型旨在减少或消除叶片与转轮室间的间隙。将转轮室外壁由传统的柱形-球形-锥形改为球形并将叶片延伸至转轮室外壁，目的是为了使流道平滑并减少叶片与转轮室壁面的缝隙，从而降低鱼类因缝隙挤压受伤和死亡的几率。轮缘改型前后二维模型如图5所示。

图5 轮缘改型前后转轮室二维示意图Fig.5 2D runner chamber model with different shroud shapes

改型后在相同工况下机组流量为287.32 L/s，机组效率由于减少和消除缝隙后降低了水力损失而有明显提高，由原始模型的80.87%上升至83.05%，出力也在原始模型的基础上提升了0.07 kW变为1.71 kW。改型前后叶片压力分布如图6所示，转轮叶片压力面5 kPa以上高压区面积增大，吸力面压力分布层次更为均匀也可证明其转轮做功能力提高使效率提升。可得出这样的改型方式既满足了鱼类友好理念的设计需求，还能在一定程度上提升水轮机组的水力性能。

图6 轮缘改型前后叶片压力分布图(单位：kPa)Fig.6 Pressure distribution diagram of blade with different shroud shapes

2.4 转轮室进出口改型及数值模拟结果

转轮室进出口改型主要包括修改出水环形状以及修改转轮室入口形状两方面。转轮室出口改型是将原始的锥形改为从叶片出水端先经过球形流道再渐变为锥形以减少叶片出口与转轮室壁面间隙。转轮室入口即导叶出口改型主要指将该部位传统的柱形改为更加平稳圆滑的球形和椭球形，以减少导叶悬垂距离从而减少导叶和转轮入口间隙并且有效避免水流泄漏和剪切力对鱼类的伤害。两种改型可降低鱼类进出转轮室时的碰撞卡壳损伤概率。改型前后模型如图7所示。

图7 转轮室进出口改型前后局部正视图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，在相同工况下，出水环和转轮入口即导叶出口处经过改型后，均不会对原始机组的 水力性能造成过多的影响，所以可按此方式进行改型以达到保护鱼类的目的。

表1 改型前后水轮机水力特性Tab.1 Turbine’s hydraulic characteristics before and after the reform

2.5 整合改型及数值模拟结果

经过上述几种几何形状的单一改型，最后整合所有改型于一体。用相同的工况对其进行CFD数值模拟并与原始模型对比分析。改型后水轮机流量小幅提升至284.18 L/s，而效率变为77.76%，降低了3.11%，出力为1.59 kW较改型前下降0.05 kW。由此可见，所有单一改型方式的整合并不是完美的搭配，基于鱼类友好理念的改型使得原始机组效率及水力性能有所下降在所难免，但数值实验中性能的下降仍然处于可接受范围内，且在改型后并无过度影响原始机组的性能。

3 结 语

本文利用CFD数值模拟对该轴流式水轮机进行建模并基于鱼类友好理念对机组进行单一改型和整合改型的计算，得出以下结论。

(1)导叶改型后出力提升，效率下降1.76%；转轮轮毂和转轮室进出口改型后效率、出力和流量基本不变；转轮轮缘改型后出力提高0.07 kW，效率提升2.18%；整合所有单一改型设计最终模型后，效率降低3.11%，出力下降0.05 kW。

(2)CFD数值模拟表明所有改型对水力特性的影响均在可接受范围内浮动，对鱼类友好理念水轮机的改型具有指导意义。今后还需进一步针对不同鱼类的生物特性，研究更多鱼类损伤因素并通过更多试验来验证水轮机组基于鱼类友好理念的改型设计措施的有效性。

□

[1] 李海锋. 环境友好水轮机流动机理研究[D]. 北京：清华大学, 2002.

[2] 赵青山, 王 颢, 杜 枫,等. 鱼类友好型水轮机的设计研究[J]. 电站系统工程, 2014,(2):67-68.

[3] D 乌帕德亚伊, 王振华, 赵建达. 英国观察:鱼类友好的水轮机设计的最新进展[J]. 小水电, 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, 冯顺新, 廖文根,等. 环境友好型水轮机技术最新进展[C]∥ 水利水电工程新技术推广研讨会暨中国水利学会水工结构专业委员会第九次年会，2010.

[7] 尚 勇, 刘小兵, 曾永忠. 叶片数对离心泵性能影响的数值模拟及试验对比[J]. 中国农村水利水电, 2014,(5):124-127.

[8] 朱 李, 赖喜德. 长短叶片混流式水轮机流动特性分析[J]. 中国农村水利水电, 2015,(6):162-165.

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