液力透平理论、设计与优化_史广泰苗森春著_9787111574965

随着国家对节能减排技术的日益重视，各大科研院所、高校和企业对节能设备的关注日趋增强，而液力透平作为有效的节能设备之一，发展液力透平现代设计方法势在必行。 «液力透平理论、设计与优化» 是作者多年来完成课题和发表论文的系统总结和提高。本书共分11章，首先对液力透平的相关基础知识做了详细的介绍，然后介绍了液力透平试验台的设计方法和试验方案，之后对液力透平的理论研究结果做了定量的阐述，包括揭示了液力透平向心叶轮内流体的流动机理，建立了液力透平向心叶轮内的滑移系数计算方法，介绍了液力透平蜗壳结构和导叶对液力透平流动机理的影响，系统阐述了液力透平的能量转换特性，对液力透平叶轮的设计方法和优化方法也做了具体的阐述，后介绍了CFD方法在液力透平内流场中的应用。本书可作为流体机械教学和科研人员以及相关研究生的参考书，也可作为广大液体余压能量回收透平设计和使用者的参考书。

　　液力透平是以高压流体作为工作介质进行能量转换的一种机械，是依据流体和机械之间的相互作用而工作的。具体来说，液力透平就是把高压流体的压力能转换为液力透平叶轮旋转的机械能，所以液力透平是一种原动机，也是一种能量回收装置，即叶轮在高压液体的作用下旋转，将液体所具有的能量部分转化为液力透平的机械能，从而驱动其他工作机工作，达到能量回收的目的。在石油、化工生产过程中排放的流体仍具有较高的压力，但由于缺乏节能设备使这些能量未能被有效回收和利用，基本上在所有需要减压阀降压的工艺流程中均可以进行能量的回收利用。液力透平是最早被研究和开发的压力能回收技术之一，且液力透平技术几乎被应用于所有的压力能回收领域，液力透平回收液体能量的研究对国民经济和社会的发展有重要的促进作用。目前，常见的液力透平绝大部分是离心泵反转作液力透平，当离心泵反转作液力透平时主要存在液力透平的准确选型难、运行效率低下、运转时稳定性较差等问题。分析其原因主要有：其一，离心泵用作液力透平的换算关系误差较大；其二，当离心泵用作液力透平时并没有专门针对泵反转的工况进行设计或者对其结构进行优化设计；其三，很少有关于如何降低液力透平内压力脉动的研究。本书的研究工作是在国家自然科学基金项目“液体能量回收透平内气液两相非定常流动机理和水力学特性研究”(51169010)、国家科技支撑计划项目“液体余压能量回收液力透平”(2012BAA08B05)和中国博士后科学基金面上项目(2016M600090)的资助下展开的。

　　本书采用理论推导、试验研究和数值计算相结合的方法，以单级液力透平为研究对象，对液力透平的理论设计方法、结构优化设计以及参数优化设计方法进行了研究。提出了液力透平向心叶轮出口滑移系数的计算公式，并分析了向心叶轮出口滑移系数的影响因素，从而可以从理论上对液力透平的性能进行更加准确的预测。还对液力透平的能量转换特性进行了研究，从而揭示了液力透平叶轮和蜗壳内流体能量的传递与变化规律。同时对液力透平的结构进行了重新设计，并研究了蜗壳结构对液力透平外特性、流场分布、速度矩、叶轮所受径向力和各过流部件内压力脉动的影响，以及液力透平向心叶轮进口前有无导叶和不同导叶数对液力透平外特性、流场分布、叶轮所受径向力和各过流部件内压力脉动的影响。提出了含有流量放大系数的离心泵用作液力透平的换算关系，成功地剔除了流量放大系数对离心泵用作液力透平换算关系的影响，也提出了液力透平向心叶轮进出口安放角的计算方法、叶轮进出口直径的计算方法和叶轮进口宽度的计算方法，初步建立了液力透平叶轮的设计方法。最后建立了离心泵用作液力透平时叶轮的优化系统，并对液力透平叶轮成功进行了优化，详细地介绍了CFD方法在液力透平内流场中的应用。

　　事实上，关于液力透平的理论设计方法还有很多内容需要进一步补充和深化，目前国内外的研究仍然处于起步阶段，作者所做的研究工作仍是探索和初步尝试。作者希望本书的出版，能在一定程度上推动液力透平理论设计方法的研究进展，同时拓展液体余压能量回收(液力透平)领域的研究途径和思维方式。限于作者的能力和水平，加之时间仓促，书中不当之处，敬请读者批评指正。

　　本书部分研究工作是在西华大学流体及动力机械教育部重点实验室的资助下完成的。本书第1、2、3、5、6、7、8和11章由史广泰老师编写，第4、9和10章由苗森春老师编写。在撰写过程中得到了兰州理工大学杨军虎教授、西华大学张惟斌老师和吕文娟老师等的大力支持，谨在此致以衷心的感谢。同时还要感谢研究生刘洋、罗琨和王志文在本书编写过程中做的大量工作。此外，感谢西华大学能源与动力工程学院的领导以及流体及动力机械教育部重点实验室同事们的支持和鼓励。在本书撰写过程中，参考和引用了大量的国内外相关文献，在此对这些文献的作者一并表示感谢。最后向参与本书审稿工作的专家表示真诚的感谢。

　　作者

前言第1章液力透平基础1 1.1液力透平的定义1 1.2液力透平的分类1 1.2.1离心泵反转作透平1 1.2.2专用液力透平7 1.3液力透平的用途7 1.4液力透平的结构8 1.5液力透平基本参数8 1.51流量8 1.5.2水头8 1.5.3转速9 1.5.4功率和效率9 1.5.5比转速9 1.6液力透平的基本方程9 1.6.1基本方程的推导10 1.6.2基本方程的几点说明12 1.7液力透平特性曲线12 1.7.1流量水头特性曲线12 1.7.2流量轴功率特性曲线14 1.7.3流量效率特性曲线14 1.8液力透平的能量损失14 1.8.1水力损失及水力效率15 1.8.2容积损失及容积效率15 1.8.3机械损失及机械效率15 1.9本章小结15 第2章液力透平试验台17 2.1试验台的设计17 2.2试验方案与步骤18 2.3流量的测量与计算19 2.3.1流量的概念和单位19 2.3.2流量测量仪表21 2.4水头的测量与计算29 2.4.1压力的概念和单位29 2.4.2测压仪表30 2.5转速与轴功率的测量与计算33 2.5.1转速的测量33 2.5.2轴功率的测量34 2.6本章小结39 第3章液力透平向心叶轮内滑移的理论研究40 3.1向心叶轮内流体的流动机理40 3.1.1流动机理分析40 3.1.2分析结果证明41 3.2向心叶轮理论能头和滑移系数43 3.3向心叶轮出口滑移系数的计算方法44 3.4向心叶轮进口滑移系数54 3.5液力透平的理论水头55 3.5.1叶轮内只有出口有滑移时的理论水头55 3.5.2叶轮内进出口均有滑移时的理论水头55 3.6试验验证56 3.7向心叶轮出口滑移系数的影响因素59 3.7.1叶轮进口直径对出口滑移系数的影响59 3.7.2叶轮出口直径对出口滑移系数的影响59 3.7.3叶片进口安放角对出口滑移系数的影响60 3.7.4叶片出口安放角对出口滑移系数的影响61 3.7.5叶片数对出口滑移系数的影响61 3.8本章小结62 第4章离心泵作液力透平的能量转换特性63 4.1液力透平三维定常流动的能量转换特性63 4.1.1叶轮内能量转换特性63 4.1.2蜗壳内流体能量转换特性76 4.2液力透平三维非定常流动的能量转换特性81 4.2.1叶轮内能量转换特性81 4.2.2蜗壳内流体能量转换特性85 4.3本章小结94 第5章液力透平蜗壳结构对其流动机理的影响96 5.1蜗壳进口截面对流动机理的影响96 5.1.1蜗壳进口截面对液力透平外特性的影响96 5.1.2蜗壳进口截面对液力透平内流场的影响98 5.1.3蜗壳进口截面对液力透平内速度矩的影响101 5.1.4蜗壳进口截面对液力透平内径向力的影响104 5.1.5蜗壳进口截面对液力透平内压力脉动的影响106 5.2蜗壳周向截面对流动机理的影响127 5.2.1蜗壳周向截面对液力透平外特性的影响127 5.2.2蜗壳周向截面对液力透平内特性的影响130 5.2.3蜗壳周向截面对液力透平水力损失的影响131 5.3本章小结132 第6章导叶对液力透平流动机理的影响134 6.1导叶对液力透平外特性的影响134 6.2导叶对液力透平内流场的影响136 6.2.1速度场分布136 6.2.2压力场分布142 6.3导叶对液力透平内径向力的影响142 6.4导叶对液力透平内压力脉动的影响144 6.4.1参数设置145 6.4.2蜗壳内压力脉动分析146 6.4.3叶轮内压力脉动分析156 6.4.4导叶内压力脉动分析158 6.4.5尾水管内压力脉动分析160 6.5本章小结165 第7章离心泵用作液力透平的选型方法168 7.1含有放大系数的离心泵用作液力透平的换算关系168 7.2放大系数对换算系数的影响172 7.3试验研究172 7.3.1液力透平试验方案的选型172 7.3.2离心泵用作液力透平换算关系的试验验证172 7.4本章小结175 第8章液力透平向心叶轮主要尺寸的确定方法176 8.1向心叶轮进口安放角的计算方法176 8.2向心叶轮出口安放角的计算方法179 8.3向心叶轮进口直径的计算方法181 8.4向心叶轮出口直径的计算方法183 8.5向心叶轮进口宽度的计算方法185 8.6算例186 8.7本章小结186 第9章基于代理模型和智能优化算法优化系统的建立187 9.1几何参数化187 9.1.1B样条曲线的数学表达188 9.1.2B样条曲线的局部性质188 9.1.3B样条插值曲线控制顶点的反算189 9.1.4B样条曲线上点的计算190 9.2代理模型190 9.2.1试验设计方法191 9.2.2近似方法193 9.3智能优化算法195 9.3.1遗传算法概述195 9.3.2遗传算法基本原理195 9.4优化系统的构建198 9.5本章小结201 第10章离心泵作液力透平的叶轮优化设计202 10.1离心泵作液力透平叶轮轴面投影图优化设计203 10.1.1叶轮轴面投影图控制变量的确定及参数化控制203 10.1.2叶轮轴面投影图优化模型的建立204 10.1.3优化流程206 10.1.4优化结果及分析206 10.2离心泵作液力透平叶片型线的优化设计210 10.2.1液力透平的计算模型211 10.2.2叶片型线的参数化表达213 10.2.3叶片型线优化模型的建立213 10.2.4优化流程215 10.2.5优化结果及分析218 10.3叶片数对液力透平性能的影响231 10.3.1外特性分析231 10.3.2内流场分析233 10.4分流叶片偏置对液力透平性能的影响241 10.4.1计算模型242 10.4.2数值计算条件的确定242 10.4.3正交试验方案的确定243 10.4.4数值计算结果及其分析244 10.5本章小结248 第11章CFD方法在液力透平内流场中的应用250 11.1概述250 11.1.1CFD的技术简介250 11.1.2常用的CFD商用软件2

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