水轮机选型及蜗壳尾水管设计
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水轮机的蜗壳、尾水管讲述
三、蜗壳的主要参数
1、断面型式与断面参数 (1) 金属蜗壳：圆形。结构参数：座环外
径、内径、导叶高度、蜗壳断面半径、蜗 壳外缘半径
(2) 混凝土蜗壳：“T”形。便于施工和减小其径 向尺寸，降低厂房土建投资有四种型式：
(i) n=0：平顶蜗壳。特点：接力器布置方便， 减小下部混凝土，但水流条件不太好。
2g
h 25 )
作用：(1)、汇集转轮出口水流，排往下 游。
(2)、当H2>0时，利用这一高度水流 所具有的位能。
(3)、回收转轮出口水流的部分动能。
二、尾水管的动能恢复系数
尾水管H2取决于水轮机的安装高程，与尾水管
的性能无关；衡量尾水管性能好坏的标志是恢
由此可以绘出蜗壳平面图单线图。 其步骤为： (a) 确定φ0 和VC ；
(b) 求Fc、ρmax、Rmax； (c) 由φi确定Qi 、 Fi、ρi、Ri。
第二节 尾水管的作用、型式及其主要 尺寸确定
尾水管是反击式水轮机的重要过流部件。 其型式、尺寸影响、厂房基础开挖、下部 块体混凝土尺寸。尾水管尺寸越大，η越 高，工程量及投资增大。合理确定是非常 重要的。
(1) 金属蜗壳：φ0=340°~350°，常取 345°
φ0大，过流条件好，但平面尺寸增大，厂 房尺寸加大。金属蜗壳的流量小，尺寸小， 一般取较大包角；从构造上讲，最后 100°内，断面演变成为椭圆。
(2)、混凝土蜗壳：Q大，为减小平面尺寸， φ0=180°~270°，一般取180°，一 部分水流未进入蜗形流道，从而减小了蜗 壳进口断面尺寸，这部分水流直接进入导 叶，为非对称入流，加重了导叶的负担， 因此在非蜗形流道处，固定导叶断面形状 常需特殊设计。
四、蜗壳的水力计算
蜗壳的作用、型式、主要尺寸的选择与计算
2、蜗壳的断面形式
➢混凝土蜗壳：梯形断面
➢m≥n：减低厂房高度， 缩短主轴长度
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
• 混凝土蜗壳进口断面形状选择：
（1）δ一般为20°~30°， 常取δ=30°；
（2）当n=0时，γ=10°~15°，
b/a=1.5~1.7，可达 2.0；
2、金属蜗壳的水力计算
通过任一断面i 的流量为： Qi Qmaxi / 360
（ i ：从蜗壳鼻端至断面i 的包角）
又 Vu C Vc 的假定
∴断面半径
i
Qi
Vc
Qmax i 360Vc
断面中心矩： ai ra i 断面外半径：Ri ra 2i
对进口断面，将 i 代入0 公式
Q0 , ，0 , a即0和得R0。值
面和断面单线图。
已知条件：Hr、Qmax、b0、 Da、Db，蜗壳类型，
0、Vc 。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
1、蜗壳中的水流运动 V Vr Vu
（1）径向分速度 V：r
Vr
Qmax
Dab0
constant
（水流必须均匀地、 轴对称地进入导水机构）
（3）当m＞n时，γ=10°~20°，
(b-n)/a=1.2~1.7，可达1.85；
（4）当m≤n时，γ=25°~35°，
(b-m)/a=1.2~1.7，可达1.85；
中间断面形状的确定： 直线过渡或抛物线过渡。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
3、蜗壳的包角 0：从蜗壳鼻端至蜗壳进口断面
可求出对应每一个Ri中间断面的尺寸 ai ,ni ,mi及
➢混凝土蜗壳：梯形断面
➢m≥n：减低厂房高度， 缩短主轴长度
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
• 混凝土蜗壳进口断面形状选择：
（1）δ一般为20°~30°， 常取δ=30°；
（2）当n=0时，γ=10°~15°，
b/a=1.5~1.7，可达 2.0；
2、金属蜗壳的水力计算
通过任一断面i 的流量为： Qi Qmaxi / 360
（ i ：从蜗壳鼻端至断面i 的包角）
又 Vu C Vc 的假定
∴断面半径
i
Qi
Vc
Qmax i 360Vc
断面中心矩： ai ra i 断面外半径：Ri ra 2i
对进口断面，将 i 代入0 公式
Q0 , ，0 , a即0和得R0。值
面和断面单线图。
已知条件：Hr、Qmax、b0、 Da、Db，蜗壳类型，
0、Vc 。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
1、蜗壳中的水流运动 V Vr Vu
（1）径向分速度 V：r
Vr
Qmax
Dab0
constant
（水流必须均匀地、 轴对称地进入导水机构）
（3）当m＞n时，γ=10°~20°，
(b-n)/a=1.2~1.7，可达1.85；
（4）当m≤n时，γ=25°~35°，
(b-m)/a=1.2~1.7，可达1.85；
中间断面形状的确定： 直线过渡或抛物线过渡。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
3、蜗壳的包角 0：从蜗壳鼻端至蜗壳进口断面
可求出对应每一个Ri中间断面的尺寸 ai ,ni ,mi及
金属蜗壳水力计算和尾水管设计
金属蜗壳的水力计算在选定包角ϕ0及进口断面平均流速v 0后，根据设计流量Q r ，即可求出进口断面面积F 0。
由于要求水流沿圆周均匀地进入导水机构，蜗壳任一断面ϕi 通过的流量Q ϕ应为 Q Q ir ϕϕ=360（7—6）于是，蜗壳进口断面的流量为 Q Q r 00360=ϕ（7—7）进口断面的面积为F Q v Qv r 00000360==ϕ （7—8） 圆形断面蜗壳的进口断面半径为 ρπϕπmax ==F Q v r00360 （7—9）采用等速度矩方法计算蜗壳内其它断面的参数。
取蜗壳中的任一断面，其包角为ϕi ，如图7—15所示，通过该断面的流量为Q v bdr u r R aiϕ=⎰（7—10）因v r K u =，则v K r u =/，代入式（7—10）得： Q Kbrdr r R aiϕ=⎰（7—11） 式中：r a ──座环固定导叶的外切圆 半径；R i ──蜗壳断面外缘到水轮机轴线半径；r ──任一断面上微小面积到水轮机轴线的半径： b ──任一断面上微小面积的高度。
一、圆形断面蜗壳的主要参数计算对圆形断面的蜗壳，断面参数b 从图7—15中的几何关系可得b r a i i =--222ρ() （7—12） 式中：ρi ──蜗壳任一断面的半径；a i ──任一断面中心到水轮机轴线距离。
图7—15 金属蜗壳的平面图和断面图水轮机轴r aa ir R id rρibv uv rviϕ将式（7—12）代入式（7—11），并进行积分得：Q K a a i i i ϕπρ=--222() （7—13） 由式（7—6）与式（6-13）得ϕπρi r i i i KQ a a =--72022 () （7—14） 令C KQ r=720 π，称为蜗壳系数，则有ϕρi i i i C a a =--()22 （7—15）或 ρϕϕi i ii a C C =-⎛⎝ ⎫⎭⎪22（7—16）以上两式中的蜗壳系数C 可由进口断面作为边界条件求得。
蜗壳及尾水管设计
蜗壳及尾水管设计（1）蜗壳水力计算从蜗壳鼻端至蜗壳进口断面0-0之间的夹角称为蜗壳的包角，常用φ0表示，蜗壳的鼻端即位于蜗壳末端连接在一起的那一个特殊固定导叶的出水边，一般采用φ0=345°蜗壳进口断面平均流速V c是决定蜗壳尺寸的主要参数。
V c值根据水轮机设计水头Hr从图中查得V c=4.5 m/s1主要参数H r=31.0 m Q max=13.17 m3/s D a=2.42m 包角φ0=345 D a/2=2.42/2=1.21 m2 蜗壳计算表水轮机蜗壳单线图（2）尾水管设计根据以往经验,弯肘形尾说管不但可以减少开挖深度,而且具有良好的水力性能尾水管尺寸表弯肘型尾水管有进口直锥段.中间肘管段和出口扩散段和出口扩散段三部分组成.A 进口直锥段混流式水轮机单边扩散角009~7=θ,这里取 80.B 中间弯肘段是一段900转弯的变截面弯管,进口断面为圆形,出口断面为矩形.C 出口扩散段是一段水平放置,两侧平行,顶板上翘的矩形扩散管.起顶板仰角一般取0013~10=α,这里取13.应用第三种比例情况进行尺寸计算:h=2..6×1.4=3.64 m L=4.5×1.4=6.30 m B 5=2.72*1.4=3.808m D 4=1.35×1.4=1.89 m h 4=1.35×1.4=1.89 mh 6=0.675×1.4=0.945mL 1=0.94×1.4=2.548 m h 5=1.22×1.4=1.708m尾水管高度指水轮机底环平面至尾水管底版的高度.h=2.6*D 1=2.6*1.4=3.64m 满足最低要求,宽度B= 3.808m,同样满足要求. 尾水管长度指机组中心线至尾水管出口断面的距离. L=(3.5~4.5)D 1 这里取4 则L=4*1.4=5.6m。
第3章 水轮机结构(蜗壳及尾水管)课件
B5很大时，加隔墩d5=(0.1~0.15) B5
顶板 α=10°~13°，底板水平。
4.尾水管的高度与水平长度
尾水管的总高度和总长度是影响尾水管性能的重要 因素。
H=h1+h2+h3+h4 h1，h2由转轮结构确定; h4为肘管 高度，不易变动。 H取决于h3(直锥段长度)。h3大→开挖加大，工程 投资增大； L：机组中心到尾水管出口，L大→F出大→V出小 →ηw大→hf大→厂房尺寸加大，一般L=( 3.5～4.5) D1。 5.推荐尾水管尺寸：表4-15。
参数：座环外径、内
径、导叶高度、蜗壳
断面半径、蜗壳外缘
半径。
混凝土蜗壳：“T”形。 (1) m=n时：称为对称型式 (2) m>n：下伸式 (3) m<n：上伸式
(4) n=0：平顶蜗壳
中间断面：
蜗壳顶点、底角点的变化规律按直线或抛物线确 定。
蜗壳中间断面
金属蜗壳
混凝土蜗壳
2. 蜗壳包角
蜗壳末端(鼻端)到蜗壳进口断面之间的中心角φ0 (1) 金属蜗壳：φ0=340°~350°,常取345° (2) 混凝土蜗壳：φ0=180°~270°,一般取180°，一 大部分水流直接进入导叶，为非对称入流，对转轮 不利）
断面半径：
max
Fc
Qmax 0 3600 VC
从轴心线到蜗壳外缘半径：
Rmax ra 2 max
(ii) 中间断面( i )
Qi
i
i
360
Q max 0
Qi Qmaxi Fi Vu 3600Vc
Q max i 360 0 VC
板衬砌防渗(H 最大达Leabharlann 80m)2. 金属蜗壳
顶板 α=10°~13°，底板水平。
4.尾水管的高度与水平长度
尾水管的总高度和总长度是影响尾水管性能的重要 因素。
H=h1+h2+h3+h4 h1，h2由转轮结构确定; h4为肘管 高度，不易变动。 H取决于h3(直锥段长度)。h3大→开挖加大，工程 投资增大； L：机组中心到尾水管出口，L大→F出大→V出小 →ηw大→hf大→厂房尺寸加大，一般L=( 3.5～4.5) D1。 5.推荐尾水管尺寸：表4-15。
参数：座环外径、内
径、导叶高度、蜗壳
断面半径、蜗壳外缘
半径。
混凝土蜗壳：“T”形。 (1) m=n时：称为对称型式 (2) m>n：下伸式 (3) m<n：上伸式
(4) n=0：平顶蜗壳
中间断面：
蜗壳顶点、底角点的变化规律按直线或抛物线确 定。
蜗壳中间断面
金属蜗壳
混凝土蜗壳
2. 蜗壳包角
蜗壳末端(鼻端)到蜗壳进口断面之间的中心角φ0 (1) 金属蜗壳：φ0=340°~350°,常取345° (2) 混凝土蜗壳：φ0=180°~270°,一般取180°，一 大部分水流直接进入导叶，为非对称入流，对转轮 不利）
断面半径：
max
Fc
Qmax 0 3600 VC
从轴心线到蜗壳外缘半径：
Rmax ra 2 max
(ii) 中间断面( i )
Qi
i
i
360
Q max 0
Qi Qmaxi Fi Vu 3600Vc
Q max i 360 0 VC
板衬砌防渗(H 最大达Leabharlann 80m)2. 金属蜗壳
第3章 水轮机结构(蜗壳及尾水管)(参考研究)
Ri ra 2i
由此可以绘出蜗壳平面图单线图。其步骤为：
(i) 确定φ0 和VC ； (ii) 求Fc、ρmax、Rmax； (iii) 由φi确定Fi、ρi、Ri。
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(2) 混凝土蜗壳的水力计算(半解析法)
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(1) 按进口流速求进口断面积；
(2) 根据水电站具体情况选择断面型式，并确定断面尺 寸，使其 F Fc
第四节 水轮机蜗壳的形式及尺寸确定
一、蜗壳的功用及型式 (一) 功用
蜗壳是水轮机的进水部件，把水流以较小的水头 损失，均匀对称地引向导水机构，进入转轮。设 置在尾水管末端。 (二) 型式 混凝土蜗壳和钢蜗壳。
1
1. 混凝土蜗壳
适用于低水头大流量 的水轮机。 H≦40m, 钢筋混凝土 浇筑，“T”形断面。 当H>40m时，可用钢 板衬砌防渗(H 最大达 80m)
21
2. 肘管： 90°变断面的弯管，进口为圆形断面，出口为 矩形断面。F进/F出=1.3
❖ 曲率半径R小——离心力大——压力、流速分布 不均匀—hw大。R=(0.6~1.0)D4
❖ 为减小转弯处的脱 流及涡流损失，肘 管出口收缩断面 (口扩散段： ❖ 矩形扩散管，出口宽度B5， ❖B5很大时，加隔墩d5=(0.1~0.15) B5 ❖顶板 α=10°~13°，底板水平。
(3) 选择顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线)，以 虚线表示并画出1、2、3…….等中间断面。
(4) 测算出各断面的面积，绘出：F = f(R)关系曲线。
(5) 按
Fi
Qi Vu
Qm axi
360 0Vc
绘出F = f(Φ)直线。
(6) 根据φi确定Fi、Ri及断面尺寸，绘出平面单线图。
选型及结构设计
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导叶轴颈密封及其轴套
导叶轴颈密封装在导叶套筒下端，采用“L”型密 封。该结构封水性能好，结构简单。导叶下轴颈的 密封主要是防止泥沙进入、轴颈磨损。导叶轴套材 料采用ZGSn6-6-3，它的润滑性能好，耐磨
叉头传动机构
本设计采用叉头传动机构，其受力情况较好。 叉头传动机构主要由导叶臂、连接板、叉头、叉头 销、连接螺杆、螺冒、分半键、剪断销、轴套和补 偿环等组成。
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4.3 轴承密封
轴承密封分为工作密封和检修密封两种。 本设计采用的工作密封为水压端面密封，检 修密封为空气围带式密封
空气围带检修密封
1--围带压板；2—空气围带；3—固定外壳
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4.4 座环
座环是反击式水轮机的基础部件， 除了承受水压力作用外，还承受整个 机组和机组段混凝土重量，因此要求 有足够的强度和刚度。其结构由上环、 下环和固定导叶组成。本设计采用与 金属蜗壳连接的座环。
与蝶形边相连接的金属蜗壳圆形断面尺寸图 2019/7/26
与蝶形边连接的金属蜗壳椭圆形断面尺寸图 10
通过程序即可计算出的蜗壳各断面尺寸即 可绘制蜗壳的水力单线图，各断面数据如下表 所示：
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蜗壳单线图
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3 尾水管水力设计
尾水管的作用：
（1） 将尾水管做成扩散形，可回收转轮出口处水的 部分动能。 （2） 当尾水管进口与下游水位的高程差大于零时， 可以利用尾水管进口与下游水位的高程差的几何高度 所具有的动能； （3） 使水流按要求排至下游。
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单位转速的修正值 ： △n11=0
蜗壳及尾水管尺寸
蜗壳平面单线图
蜗壳及尾水管的尺寸
三、蜗壳水力计算
4、混凝土蜗壳的水力计算
蜗壳及尾水管的尺寸
作业
已知某轴流式水轮机的参数如下：设计水头hr=38.1m,设 计水头下的最大Q0=54.7m3/s，转轮标称直径D1=3.3m,水轮机导 叶高度b0=0.4D1，座环外径Da=5.3m, 座环内径Da=4.5m。此外， 因水电站条件限制，厂房布置场地比较狭窄，要求选择蜗壳型 式时考虑缩小机组段长度。试计算蜗壳的断面及平面尺寸，并 绘出平面单线图。
蜗壳及尾水管的尺寸
一、蜗壳的断面型式
金属蜗壳 混凝土蜗壳
蜗壳及尾水管的尺寸
蜗壳的中间断面
蜗壳及尾水管的尺寸
二、蜗壳的参数
1、尺寸参数
蜗壳的尺寸参数
蜗壳及尾水管的尺寸
二、蜗壳的参数
2、包角
蜗壳的进口 断面
鼻端
蜗壳的包角
蜗壳及尾水管的尺寸
二、蜗壳的参数
2、包角
蜗壳包角
蜗壳及尾水管的尺寸
二、蜗壳的参数
3、进口流速
混凝土
进口流速与水头关 系曲线
金属
进口流速系数与水头关系曲线蜗壳及尾来自管的尺寸三、蜗壳水力计算
1、目的：绘出平面单线图，为厂房设计提供依据
蜗壳平面单线图
蜗壳及尾水管的尺寸
三、蜗壳水力计算
1、目的：绘出平面单线图，为厂房设计提供依据
厂房蜗壳层平面图
蜗壳及尾水管的尺寸
三、蜗壳水力计算
2、计算原理
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六、反击式水轮机主要参数的确定
确定了水轮机的型号后，再计算水轮机的主要参数：
转轮直径D1，转速n、吸出高Hs。 D1、n应该满足：在Hr下，发出Nr；在Hav时，η最
高。
吸出高Hs应满足：防止水轮机汽蚀，开挖深度合理。
4. 绘制水轮机运转特性曲线 5. 确定蜗壳、尾水管的形式及其尺寸，估算水轮机的重量
和价格。
6. 调速器及油压装置选择 7. 根据选定的水轮机型式和参数，结合水轮机在结构上、
材料、运行等方面的要求，拟定并向厂家提出制造任务 书，最终双方共同商定机组的技术条件，作为进一步设 计的依据。
二、水轮机选型设计的基本要求
说明：括号内的数字表示仅适用于轴流式水轮机。
三、水轮发电机标准同步转速
磁极对数 3
4
同步转速n 1000 750
5
7
8
9
10
600 428.6 375 333.3 300
12 14 250 214.3
磁极对数 16 18
20
22
24
26
28
30 32
同步转速n 187.5 166.7 150 136.4 125 115.4 107.1 100 93.8
磁极对数 34 36 38 同步转速n 88.2 83.3 79
40 42 44 48 50 75 71.4 68.2 62.5 60
四、水轮机系列应用范围图
第二节 水轮机选择
一、水轮机选型设计的内容 1. 确定机组台数及单机容量 2. 选择水轮机型式（型号）及装置方式
3. 确定水轮机参数D1、n、Hs、Za；Z0、d0
数，使水轮机可以在较长时间内以最优工况运行，其平均 效率也比较高。
(2) 担任峰荷时：出力变化幅度大，应该选用较多的台数，以 增加其运行灵活性，提高整体运行效率。
(3) 对于轴流定浆和混流式水轮机，可以选用较多的台数，而 对于轴流转浆式水轮机因其调节性能好，可以选用较少的 机组。
4、机组台数与电站运行维护工作的关系 • 台数多，运行灵活，事故影响小，但同时增加了事故的
3. 水电站有关经济资料：机电设备价格、工程单价、年 运行费等。
4. 电力系统资料：系统负荷构成，水电站的作用及运行 方式等。
四、机组台数及单机容量的选择
已知总装机容量(=Z0×N单)，N单不同，D1、n 、Hs、
η 均不同。 1、机组台数与机电设备制造的关系
N总一定，Z0多→N单↓→尺寸（D1）小→制造运输容
五、水轮机型号及主要参数的确定
依据：N单，特征水头(Hmax、Hmin、Hav、Hr)
1、 根据水轮机系列型谱选择 型号的选择主要取决于水头。各种水轮机都有一定的使
用范围，根据电站运行水头的范围，直接查系列型谱，确定 水轮机的型号。
如果两种型号均可采用经过长期实践验证在某一水头段的性能 优异的转轮。 • 型谱中，水轮机转轮型号规定一律用比转速代号。 • 轴流式、混流式、ZD760型、水斗式水轮机系列型谱参数 见表4-1~表4-5。
二、水轮机转轮标称直径系列(cm)
25 30 35 (40) 42 50 60 71 (80) 84 100 120 140 160 180 200 225 250 275 300 330 380 410 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000
5. 考虑适度合理的经济节省原则。
三、所需要的有关资料
1. 水轮机产品技术资料：系列型谱、生产厂家、产品目 录、模型综合特性曲线。
2. 水电站技术资料：河流梯级开发方案、水库的调节性 能、水电站布置方案、地形、地质、水质、泥沙情况、 总装机容量、水电站运输、安装技术条件；水文资料： 特征流量及特征水头、下游水位流量关系曲线。
2、专题研究法
对特别重要的工程或特别大型的水电站，为了获得最 优设计效果，根据水电站的具体参数，进行专门设计，但 所需时间和费用高。
3、查系列范围图法
根据水电站的水头范围和单机出力，在系列范围总图 中查出适应的型号，以及对应的转轮直径、转速及吸出高 度。当有两种机型可供选择时，一般选用较大的直径。
1. 有较好的能量特性，在额定水头下能保证发出额定出力， 额定水头以下的机组受阻容量小，水电站全厂机组平均 效率高。
2. 性能要与水电站的整体运行方式和谐一致，运行稳定， 可靠灵活。有良好的抗空蚀和抗磨损性能，对多泥沙河 流的电站更应如此。
3. 结构设计合理，便于安装与操作、检修与维护。
4. 选择生产实力强、制造技术水平高、合作信誉好的制造 厂商。
几率，也增加了管理人员、提高了运行费，所以不宜采 用过多的台数。
• 总之，一般应采用较大的N单，较少的台数，但一般至少 应选2台，少数情况下可选1台。中大型电站一般选4~6 台，根据机组的制造水平和装机容量也可以选用更多的 台数，如葛洲坝共21台，装机2715MW，三峡26×700 共装机18200MW。
ZZ440系列水轮机应用范围
4、采用套用机组 根据目前国内设计、施工和运行的电站资料，在特征水
头相近、N单适当，经济技术指标相近时，优先套用已经生 产过的机组，这样可以节省设计时间、尽早供货、提前发电。 5、直接查产品样本
直接查设备厂家的产品样本，适用于小型电站。 6、统计分析法
对大量已建水电站的参数进行统计，得出水轮机各参数 之间的统计关系，再根据本电站的参数选择。
易→造价高(单位千瓦耗材多、制造量大)。 所以一般选用较大的N单。 2、机组台数与电站投资的关系 Z0多→单位千瓦投资↑→阀门、调速、管道、辐设、 电气等增加→厂房尺寸增加。 N单↓→D1↓→尾水管高度低→开挖少→投资少
3、机组台数与运行效率的关系
Z0↑→平均效率↑ (1) 担任基荷时：出力变化小，流量变化稳定，可用较少的台
水轮机选型及蜗壳尾水管设计
水轮机是水电站中最主要动力设备之一，影响电站 的投资、制造、运输、安装、安全运行、经济效益。
根据H、N的范围选择水轮机是水电站主要设计任
务之一，目标是使水电站充分利用水能，安全可靠运行。
第一节 水轮机的标准系列
一、水轮机的系列型谱 • 我国在1974年编制了反击式水轮机暂行系列型谱，其中