隨著國家對節(jié)能減排技術的日益重視，各大科研院所、高校和企業(yè)對節(jié)能設備的關注日趨增強，而液力透平作為有效的節(jié)能設備之一，發(fā)展液力透平現(xiàn)代設計方法勢在必行。
«液力透平理論、設計與優(yōu)化» 是作者多年來完成課題和發(fā)表論文的系統(tǒng)總結和提高。本書共分11章，首先對液力透平的相關基礎知識做了詳細的介紹，然后介紹了液力透平試驗臺的設計方法和試驗方案，之后對液力透平的理論研究結果做了定量的闡述，包括揭示了液力透平向心葉輪內流體的流動機理，建立了液力透平向心葉輪內的滑移系數(shù)計算方法，介紹了液力透平蝸殼結構和導葉對液力透平流動機理的影響，系統(tǒng)闡述了液力透平的能量轉換特性，對液力透平葉輪的設計方法和優(yōu)化方法也做了具體的闡述，后介紹了CFD方法在液力透平內流場中的應用。
本書可作為流體機械教學和科研人員以及相關研究生的參考書，也可作為廣大液體余壓能量回收透平設計和使用者的參考書。
適讀人群：流體機械教學和科研人員，相關研究生，以及廣大液體余壓能量回收透平設計和使用者
本書是國內首本講述液力透平的著作，隨著國家對節(jié)能減排技術的日益重視，各大科研院所、高校和企業(yè)對節(jié)能設備的關注日趨增強，而液力透平作為有效的節(jié)能設備之一，發(fā)展液力透平現(xiàn)代設計方法勢在必行。本書可作為流體機械教學和科研人員以及相關研究生的參考書，也可作為廣大液體余壓能量回收透平設計和使用者的參考書。
液力透平是以高壓流體作為工作介質進行能量轉換的一種機械，是依據(jù)流體和機械之間的相互作用而工作的。具體來說，液力透平就是把高壓流體的壓力能轉換為液力透平葉輪旋轉的機械能，所以液力透平是一種原動機，也是一種能量回收裝置，即葉輪在高壓液體的作用下旋轉，將液體所具有的能量部分轉化為液力透平的機械能，從而驅動其他工作機工作，達到能量回收的目的。在石油、化工生產過程中排放的流體仍具有較高的壓力，但由于缺乏節(jié)能設備使這些能量未能被有效回收和利用，基本上在所有需要減壓閥降壓的工藝流程中均可以進行能量的回收利用。液力透平是最早被研究和開發(fā)的壓力能回收技術之一，且液力透平技術幾乎被應用于所有的壓力能回收領域，液力透平回收液體能量的研究對國民經濟和社會的發(fā)展有重要的促進作用。目前，常見的液力透平絕大部分是離心泵反轉作液力透平，當離心泵反轉作液力透平時主要存在液力透平的準確選型難、運行效率低下、運轉時穩(wěn)定性較差等問題。分析其原因主要有：其一，離心泵用作液力透平的換算關系誤差較大；其二，當離心泵用作液力透平時并沒有專門針對泵反轉的工況進行設計或者對其結構進行優(yōu)化設計；其三，很少有關于如何降低液力透平內壓力脈動的研究。本書的研究工作是在國家自然科學基金項目“液體能量回收透平內氣液兩相非定常流動機理和水力學特性研究”(51169010)、國家科技支撐計劃項目“液體余壓能量回收液力透平”(2012BAA08B05)和中國博士后科學基金面上項目(2016M600090)的資助下展開的。
本書采用理論推導、試驗研究和數(shù)值計算相結合的方法，以單級液力透平為研究對象，對液力透平的理論設計方法、結構優(yōu)化設計以及參數(shù)優(yōu)化設計方法進行了研究。提出了液力透平向心葉輪出口滑移系數(shù)的計算公式，并分析了向心葉輪出口滑移系數(shù)的影響因素，從而可以從理論上對液力透平的性能進行更加準確的預測。還對液力透平的能量轉換特性進行了研究，從而揭示了液力透平葉輪和蝸殼內流體能量的傳遞與變化規(guī)律。同時對液力透平的結構進行了重新設計，并研究了蝸殼結構對液力透平外特性、流場分布、速度矩、葉輪所受徑向力和各過流部件內壓力脈動的影響，以及液力透平向心葉輪進口前有無導葉和不同導葉數(shù)對液力透平外特性、流場分布、葉輪所受徑向力和各過流部件內壓力脈動的影響。提出了含有流量放大系數(shù)的離心泵用作液力透平的換算關系，成功地剔除了流量放大系數(shù)對離心泵用作液力透平換算關系的影響，也提出了液力透平向心葉輪進出口安放角的計算方法、葉輪進出口直徑的計算方法和葉輪進口寬度的計算方法，初步建立了液力透平葉輪的設計方法。最后建立了離心泵用作液力透平時葉輪的優(yōu)化系統(tǒng)，并對液力透平葉輪成功進行了優(yōu)化，詳細地介紹了CFD方法在液力透平內流場中的應用。
事實上，關于液力透平的理論設計方法還有很多內容需要進一步補充和深化，目前國內外的研究仍然處于起步階段，作者所做的研究工作仍是探索和初步嘗試。作者希望本書的出版，能在一定程度上推動液力透平理論設計方法的研究進展，同時拓展液體余壓能量回收(液力透平)領域的研究途徑和思維方式。限于作者的能力和水平，加之時間倉促，書中不當之處，敬請讀者批評指正。
本書部分研究工作是在西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室的資助下完成的。本書第1、2、3、5、6、7、8和11章由史廣泰老師編寫，第4、9和10章由苗森春老師編寫。在撰寫過程中得到了蘭州理工大學楊軍虎教授、西華大學張惟斌老師和呂文娟老師等的大力支持，謹在此致以衷心的感謝。同時還要感謝研究生劉洋、羅琨和王志文在本書編寫過程中做的大量工作。此外，感謝西華大學能源與動力工程學院的領導以及流體及動力機械教育部重點實驗室同事們的支持和鼓勵。在本書撰寫過程中，參考和引用了大量的國內外相關文獻，在此對這些文獻的作者一并表示感謝。最后向參與本書審稿工作的專家表示真誠的感謝。
作者
前言
第1章液力透平基礎1
1.1液力透平的定義1
1.2液力透平的分類1
1.2.1離心泵反轉作透平1
1.2.2專用液力透平7
1.3液力透平的用途7
1.4液力透平的結構8
1.5液力透平基本參數(shù)8
1.51流量8
1.5.2水頭8
1.5.3轉速9
1.5.4功率和效率9
1.5.5比轉速9
1.6液力透平的基本方程9
1.6.1基本方程的推導10
1.6.2基本方程的幾點說明12
1.7液力透平特性曲線12
1.7.1流量水頭特性曲線12
1.7.2流量軸功率特性曲線14
1.7.3流量效率特性曲線14
1.8液力透平的能量損失14
1.8.1水力損失及水力效率15
1.8.2容積損失及容積效率15
1.8.3機械損失及機械效率15
1.9本章小結15
第2章液力透平試驗臺17
2.1試驗臺的設計17
2.2試驗方案與步驟18
2.3流量的測量與計算19
2.3.1流量的概念和單位19
2.3.2流量測量儀表21
2.4水頭的測量與計算29
2.4.1壓力的概念和單位29
2.4.2測壓儀表30
2.5轉速與軸功率的測量與計算33
2.5.1轉速的測量33
2.5.2軸功率的測量34
2.6本章小結39
第3章液力透平向心葉輪內滑移的理論研究40
3.1向心葉輪內流體的流動機理40
3.1.1流動機理分析40
3.1.2分析結果證明41
3.2向心葉輪理論能頭和滑移系數(shù)43
3.3向心葉輪出口滑移系數(shù)的計算方法44
3.4向心葉輪進口滑移系數(shù)54
3.5液力透平的理論水頭55
3.5.1葉輪內只有出口有滑移時的理論水頭55
3.5.2葉輪內進出口均有滑移時的理論水頭55
3.6試驗驗證56
3.7向心葉輪出口滑移系數(shù)的影響因素59
3.7.1葉輪進口直徑對出口滑移系數(shù)的影響59
3.7.2葉輪出口直徑對出口滑移系數(shù)的影響59
3.7.3葉片進口安放角對出口滑移系數(shù)的影響60
3.7.4葉片出口安放角對出口滑移系數(shù)的影響61
3.7.5葉片數(shù)對出口滑移系數(shù)的影響61
3.8本章小結62
第4章離心泵作液力透平的能量轉換特性63
4.1液力透平三維定常流動的能量轉換特性63
4.1.1葉輪內能量轉換特性63
4.1.2蝸殼內流體能量轉換特性76
4.2液力透平三維非定常流動的能量轉換特性81
4.2.1葉輪內能量轉換特性81
4.2.2蝸殼內流體能量轉換特性85
4.3本章小結94
第5章液力透平蝸殼結構對其流動機理的影響96
5.1蝸殼進口截面對流動機理的影響96
5.1.1蝸殼進口截面對液力透平外特性的影響96
5.1.2蝸殼進口截面對液力透平內流場的影響98
5.1.3蝸殼進口截面對液力透平內速度矩的影響101
5.1.4蝸殼進口截面對液力透平內徑向力的影響104
5.1.5蝸殼進口截面對液力透平內壓力脈動的影響106
5.2蝸殼周向截面對流動機理的影響127
5.2.1蝸殼周向截面對液力透平外特性的影響127
5.2.2蝸殼周向截面對液力透平內特性的影響130
5.2.3蝸殼周向截面對液力透平水力損失的影響131
5.3本章小結132
第6章導葉對液力透平流動機理的影響134
6.1導葉對液力透平外特性的影響134
6.2導葉對液力透平內流場的影響136
6.2.1速度場分布136
6.2.2壓力場分布142
6.3導葉對液力透平內徑向力的影響142
6.4導葉對液力透平內壓力脈動的影響144
6.4.1參數(shù)設置145
6.4.2蝸殼內壓力脈動分析146
6.4.3葉輪內壓力脈動分析156
6.4.4導葉內壓力脈動分析158
6.4.5尾水管內壓力脈動分析160
6.5本章小結165
第7章離心泵用作液力透平的選型方法168
7.1含有放大系數(shù)的離心泵用作液力透平的換算關系168
7.2放大系數(shù)對換算系數(shù)的影響172
7.3試驗研究172
7.3.1液力透平試驗方案的選型172
7.3.2離心泵用作液力透平換算關系的試驗驗證172
7.4本章小結175
第8章液力透平向心葉輪主要尺寸的確定方法176
8.1向心葉輪進口安放角的計算方法176
8.2向心葉輪出口安放角的計算方法179
8.3向心葉輪進口直徑的計算方法181
8.4向心葉輪出口直徑的計算方法183
8.5向心葉輪進口寬度的計算方法185
8.6算例186
8.7本章小結186
第9章基于代理模型和智能優(yōu)化算法優(yōu)化系統(tǒng)的建立187
9.1幾何參數(shù)化187
9.1.1B樣條曲線的數(shù)學表達188
9.1.2B樣條曲線的局部性質188
9.1.3B樣條插值曲線控制頂點的反算189
9.1.4B樣條曲線上點的計算190
9.2代理模型190
9.2.1試驗設計方法191
9.2.2近似方法193
9.3智能優(yōu)化算法195
9.3.1遺傳算法概述195
9.3.2遺傳算法基本原理195
9.4優(yōu)化系統(tǒng)的構建198
9.5本章小結201
第10章離心泵作液力透平的葉輪優(yōu)化設計202
10.1離心泵作液力透平葉輪軸面投影圖優(yōu)化設計203
10.1.1葉輪軸面投影圖控制變量的確定及參數(shù)化控制203
10.1.2葉輪軸面投影圖優(yōu)化模型的建立204
10.1.3優(yōu)化流程206
10.1.4優(yōu)化結果及分析206
10.2離心泵作液力透平葉片型線的優(yōu)化設計210
10.2.1液力透平的計算模型211
10.2.2葉片型線的參數(shù)化表達213
10.2.3葉片型線優(yōu)化模型的建立213
10.2.4優(yōu)化流程215
10.2.5優(yōu)化結果及分析218
10.3葉片數(shù)對液力透平性能的影響231
10.3.1外特性分析231
10.3.2內流場分析233
10.4分流葉片偏置對液力透平性能的影響241
10.4.1計算模型242
10.4.2數(shù)值計算條件的確定242
10.4.3正交試驗方案的確定243
10.4.4數(shù)值計算結果及其分析244
10.5本章小結248
第11章CFD方法在液力透平內流場中的應用250
11.1概述250
11.1.1CFD的技術簡介250
11.1.2常用的CFD商用軟件2
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