水轮机过鱼压力损伤机理试验装置的设计及应用

孟 龙，王万鹏，李铁友，张建光，王武昌，何 磊，秦 鑫

（中国水利水电科学研究院，北京100038）

1 引言

在修建拦水坝等水利工程的河流，鱼类因为季节性捕食、洄游等特性，往往需要通过大坝到达坝下游或者上游，鱼类过坝也因此分为上行过坝和下行过坝两种。目前对于鱼类上行过坝，国内外都已经开发并投入使用了鱼道等设施来提升过坝成功率，但是鱼类下行过坝主要还是通过水轮机内部流道下行。鱼类下行过坝时，会先后通过压力钢管、水轮机蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管，沿途会经历压力逐渐上升、迅速下降再回升，导叶及叶片进口撞击，剪切射流，空化等多种致伤致死源。

近年来国内外有很多学者对水轮机过鱼损伤情况进行了研究和分析，例如在大坝上游释放带有标记的鱼并在下游进行回收，然后分析鱼的损伤特性，又或者通过模型机组对小鱼苗的损伤情况进行分析。但是将研究结果形成通用的对鱼友好设计方法，却进展比较缓慢。这是由于水轮机对鱼的损伤情况与水轮机的流量、机型、工况，鱼的种类、尺寸等因素密切相关，水轮机又往往是高度定制化的产品，不同河流上的鱼类也不尽相同，因此不同国家不同流域上进行的水轮机过鱼损伤情况研究很难直接应用到另一个电站。

因此，分析相关因素对鱼的损伤机理，找到致伤原因，讨论和研究这些致伤物理条件的致伤机理及致死阈值，才能形成比较通用的结果，并对鱼友型水轮机的设计和开发提供理论支持。根据致伤致死原因，可以将水轮机过鱼损伤机理分为压力损伤机理、撞击损伤机理、剪切射流损伤机理、空化损伤机理等。鱼在经过水轮机内部的短时间内，可能受到一项或多项损伤模式或同时或先后的作用，但是分析其损伤机理，并不需要将所有模式和各因素混在一起，可以将各损伤模式、影响因素分开研究，了解各损伤因素的作用机理及阈值，再分析因素叠加可能形成的影响。

本研究开发并搭建了一套水轮机过鱼压力损伤机理试验装置，用于模拟鱼类通过水力机械时压力变化，通过调节压力变化趋势及变化速度，实现压力的可控变化，并可将试验用鱼置于试验设备中，观察鱼的活动特性，并可以在试验结束后统计损伤情况。

2 试验装置简介

压力损伤机理试验的本质，是为鱼搭建一个压力可控可调的观察系统，了解鱼在不同的压力环境下的损伤及死亡规律。为了能够对鱼进行压力损伤机理试验，需要设计如图1所示的压力调节试验系统。在图1中，有3个压力罐通过管路联通，其中T2是观察试验罐，T1和T3分别是与真空泵连接的真空罐和与空气压缩机连接的高压储气罐。试验观察罐T2内部装水，并且设有观察窗和补光口，罐口通过螺栓和密封圈压紧，可以反复拆卸，便于试验前将鱼置入和试验后取出。

图1 压力损伤机理试验装置设计

真空罐T1，试验观察罐T2和高压储气罐T3分别连接了真空、压力真空表和压力表等，用于试验中观察各项调控运行是否正常，同时3个罐子也都连接了压力传感器用于准确测量并记录试验过程中罐内压力变化。

压力损伤机理装置加工完成后的实际效果如图2所示。试验观察罐等罐体选用不锈钢材料加工，设计承压为1 MPa，壁厚5 mm。试验观察罐侧面加工有钢化玻璃观察窗，为保证罐内可视情况，罐顶盖也加装钢化玻璃，可提供补充光源。由于空间限制，压力储气罐放在另一个房间。为了便于鱼的取放，将鱼置入试验观察罐时，放在宽松的网兜内，再将网兜挂于罐口的挂钩上，这样不会影响鱼的正常呼吸游动，又可以将鱼的活动范围大致局限于观察视角内。

要通过该装置实现对鱼经过水轮机下行过程的仿真，则要了解鱼进入水轮机后的压力变化过程。如图3所示，Brown等学者[1]通过传感器鱼等方式获得的鱼经过水轮机下行的压力变化情况。其中蓝色实线条表示鱼从坝前表层水进入水轮机过程中的压力变化，红色虚线表示鱼从坝前深层水进入水轮机过程中的压力变化。

图2 压力损伤机理试验装置

当鱼进入压力钢管内，鱼所在的微小水团内压力是逐渐增加的，这个压力增长过程可能持续60～90 s；当鱼从转轮进口进入转轮出口附近，压力在0.1～0.3 s内从最高压力降到接近空化压力的最低压力值；当鱼通过尾水管进入大坝下游，压力又从极低压升高到某个压力值，然后再降低到接近大气压的压力值。

图3 鱼经过轴流水轮机下行过程压力变化情况[1]

要实现对这一过程的仿真，试验装置需要具备以下能力：压力高值和低值能够达到或者接近目标水轮机内部的高压值和低压值，压力变化速度能够尽可能接近水轮机内部的真实变化情况等。

要实现对试验观察罐中压力值的调控，需要通过相应性能的真空泵和空压机配合T1和T3完成，此外为了实现一个实验过程中出现多个高压值，需要合理搭配减压阀等压力调节设备。储气完成后，T3内最低压力（绝对压力）为6 kPa，T1内最大压力为780 kPa。通过配合减压阀，电动阀等调节装置，可以实现T2内部压力在6～780 kPa范围内的调控。

要实现对试验观察罐中压力变化速度的调控，需要通过配备高速电动阀、降低T2中空气量、增大管径及缩短管线长度来实现T1和T3对T2内部压力的快速压力调控，通过流量调节阀等实现对T2内部压力的慢速压力调控。

3 试验流程及试验装置应用

3.1 试验流程简介

试验之前，需要确定试验对象，应选择合适品种，合适尺寸，生命体征良好的鱼，在实验室暂养超过两周后再进行试验。

试验开始时，需要对T1和T3抽真空或充气，T2放入适当水位的水，将一定数目的鱼通过网兜置入适当观察位置后，拧紧密封盖螺栓。

试验过程中，如果要实现T2内的压力逐渐上升到某个压力值P1，则首先将高压储气罐T3内压力调节到相应压力P1，再将T3与T2之间管路上的流量调节阀门调节到相应开度（调压速度与阀门开度之间的关系需要事先通过试验测定），再打开电动阀，即可实现对T2内压力的加压调控过程。如果紧接着需要完成T2内的降压，则需要先关闭加压电动阀，再打开降压电动阀，联通T2与T1。如果是模拟水轮机内部压力变化，还需要实现最后压力回升的过程，则又是一个加压过程，且压力回升到的压力值P2低于首次加压值P1，因此不能直接通过T3对T2升压，而需要旁通管路连接减压调节阀，将通过减压调节阀的压力保持在P2，再对T2回升压力。

试验过程中，需要观察相关测表判断试验的正确性，并且对压力等信息进行采集和存储，用于准确分析试验结果；试验时，需要在观察窗观察、拍摄试验观察罐内鱼的活动特性。

试验之后，需要先关闭所有与T1和T3联通的阀门，再打开T2排压阀门，观察压力真空表，确认试验观察罐T2内压力为大气压才可以打开密封盖，将内置的鱼取出观察或者解剖。

3.2 试验装置在损伤机理研究方面的应用

试验装置调试完成后，可以根据需求完成以下两种试验：①对不同比转速的水轮机过鱼过程中压力变化情况进行仿真，以评估该机型压力变化对鱼的损伤情况；②对各种损伤原因进行模拟试验，确定相应物理量及其变化的速度对鱼的致伤和致死阈值。

对于第一种试验，主要是通过试验或者数值模拟获得鱼经过轴流式水轮机过程中压力-时间变化曲线（如图3所示），再使用该试验设备对压力-时间曲线进行模拟，即可对特定水轮机组进行综合性的对鱼损伤特性评估。

如图4所示，为使用压力损伤机理试验装置对图3所示压力变化规律的模拟。从图4可以看出，使用设计出来的试验装置，可以实现对以下几个阶段的模拟：鱼进入压力钢管后的压力逐渐上升阶段；鱼从转轮入口到叶片出口处的压力快速下降阶段；鱼进入尾水管后的压力回升阶段以及进入下游后的压力下降阶段。图4的压力变化与图3的变化规律也比较吻合。这说明设计方案具有对水轮机过鱼压力损伤情况进行仿真性研究的能力。通过这种压力仿真，可以直接了解设计出的或者已经投运的水轮机对过机鱼的损伤情况。

图4 对鱼经过水轮机下行过程中压力变化曲线的仿真

除了对水轮机内部压力变化进行模拟，该装置也可以用来对高压损伤、低压损伤、快速降压损伤等可能对鱼造成损伤的过程进行试验，用于详细分析对鱼造成损伤的物理因素，了解损伤机理，并确定致伤及致死阈值，也即第二种试验。

如图5和图6所示，是利用压力损伤机理试验装置对降压区间进行试验的压力变化曲线。图5中的压力-时间曲线表示将试验观察罐内压力从大气压直接降低到6 kPa，并在低压区保持5 s，再回升压力到大气压；而图6则是从700 kPa降低到6 kPa，也在低压区保持5 s后再回升压力到大气压。通过这两组试验可以用于分析低压值相同的情况下，降压区间（最高压力值与最低压力值之差）对鱼的影响。

图5 降压区间试验1压力-时间曲线

图6 降压区间试验2压力-时间曲线

从这几幅图可以看出，压力损伤机理试验装置可以实现对鱼经过水轮机内部的压力变化的仿真，对于高压值，能够实现多个压力值的稳定输出，对于低压值，能够实现T2内部压力接近空化压力，除此之外还能根据需求设定压力值的稳定时长以及调控速度。如图7所示，为图6中8.3～9.1 s局部放大图。从图7可以看出，通过阀门调控，能够实现T2内压力呈现700 kPa/0.3 s的降压速率。

图7 降压区间试验2降压速度示意图

通过该压力损伤机理试验设备，还可以对更多类似的物理值变化情况进行对比性试验和分析，可以了解到更多的鱼的受伤机理。作者通过本试验设备对鲫鱼进行了一系列试验，介绍了快速降压过程对鲫鱼的损伤情况，分析了损伤机理，也通过对比性试验确定低压值对鲫鱼的影响大于降压速率的影响等。相应的试验结果见文献[2-3]。

通过类似的试验，使用压力损伤机理试验设备还能对高压损伤机理、负压损失机理等进行分析，也可以对更多的鱼类进行试验，获得压力损伤的相关数据，进而形成更全面的水轮机对鱼友好设计准则。

4 总结

鱼类经过水轮机下行过坝，不可避免会经历压力的急剧变化，这也是导致鱼类过机死亡的主要原因。通过设计的包含储气罐、调压阀、流量调节阀及电动阀等设备的压力损伤机理试验装置，可以实现鱼经过水轮机过程中的压力变化情况的高精度仿真，从而能够研究获得鱼类在水轮机内部的受压力影响的生理状况，并评估相应机型对过机鱼的压力致伤及致死情况。也可以完成各种压力变化情况对鱼的损伤机理及阈值，从而形成对鱼友好水轮机的设置准则。