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本書系統(tǒng)闡述了有機(jī)工質(zhì)離心透平的一維氣動(dòng)設(shè)計(jì)、葉型優(yōu)化設(shè)計(jì)、基于CFD 技術(shù)氣動(dòng)性能研究和基于有限元的葉輪強(qiáng)度校核等四個(gè)方面的研究。全書共分為5章，可為有機(jī)工質(zhì)離心透平的設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用提供理論參考。本書適合從事有機(jī)工質(zhì)離心透平設(shè)計(jì)和性能研究的科研工作者，也可供高等院校動(dòng)力機(jī)械和流體機(jī)械等相關(guān)專業(yè)師生參考閱讀。

低品位熱能種類繁多且總量巨大，主要包括工業(yè)余熱、太陽能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能等。這些能源都廣泛存在于生產(chǎn)生活中，但由于其品位較低、做功能力差，未能得到充分利用。開發(fā)低品位熱能的高效利用技術(shù)，對(duì)于提高我國的能源利用效率、推動(dòng)能源可持續(xù)發(fā)展和降低碳排放具有重要的意義。有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)是開發(fā)利用中低溫?zé)嵩吹挠行緩�，膨脹機(jī)是有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備，研發(fā)性能優(yōu)良的大功率有機(jī)工質(zhì)膨脹機(jī)是推廣應(yīng)用有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵。離心（式）透平具有氣動(dòng)與幾何相匹配的結(jié)構(gòu)特征，應(yīng)用于體積流量變化的有機(jī)朗肯循環(huán)具有顯著優(yōu)勢(shì)。本書從離心透平這一結(jié)構(gòu)特征對(duì)熱力特性的影響機(jī)理入手，基于有機(jī)工質(zhì)的特殊熱物性，開展對(duì)有機(jī)工質(zhì)離心透平的設(shè)計(jì)和性能研究，探索徑比（動(dòng)靜葉進(jìn)出口直徑之比）對(duì)離心透平氣動(dòng)性能的影響，與動(dòng)靜葉型幾何特性和氣動(dòng)特性之間的關(guān)聯(lián)，具有較好的科學(xué)意義。本書共分為5章，首先介紹了離心透平結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，引入徑比的概念，對(duì)離心式透平級(jí)的能量轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行熱力學(xué)分析，建立了單級(jí)和多級(jí)有機(jī)工質(zhì)離心式透平的熱力設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并分析了變工況條件下焓降、反動(dòng)度和流量等熱力參數(shù)變化規(guī)律。然后利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)和優(yōu)化算法，基于單級(jí)和多級(jí)有機(jī)離心透平設(shè)計(jì)案例，研究了離心式透平動(dòng)靜葉型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和離心式透平內(nèi)流場(chǎng)特征和流動(dòng)特性，驗(yàn)證了離心式透平變工況性能以及焓降、反動(dòng)度和流量等關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律。最后采用有限元法基于應(yīng)力分析對(duì)離心透平核心部件葉輪的強(qiáng)度進(jìn)行了校核，分析了在離心力和氣流力共同作用下，離心式透平葉輪在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和最大破壞轉(zhuǎn)速下的葉輪應(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律。本書內(nèi)容為有機(jī)工質(zhì)離心式透平的設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用提供理論參考。另外近年隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD技術(shù)的快速發(fā)展給流體力學(xué)學(xué)科及其交叉研究領(lǐng)域帶來新的研究方法，已經(jīng)深入到相關(guān)工程技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。利用CFD技術(shù)研究透平內(nèi)復(fù)雜高速旋轉(zhuǎn)流動(dòng)特性和葉型氣動(dòng)設(shè)計(jì)方面得到了廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為工業(yè)設(shè)計(jì)的重要分析工具。本書詳細(xì)描述了離心透平通流部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、網(wǎng)格劃分方法和數(shù)值模擬計(jì)算方法，以及基于有限元葉輪強(qiáng)度校核方法。從事動(dòng)力機(jī)械研究的高等院校本科生、研究生和企業(yè)工程師也可通過本書，了解CFD技術(shù)在研究透平內(nèi)復(fù)雜高速旋轉(zhuǎn)流動(dòng)特性和葉型氣動(dòng)設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用。本書內(nèi)容基于作者多年研究成果撰寫而成，很多成果已經(jīng)在國內(nèi)外重要期刊公開發(fā)表。在該課題研究過程中，得到了導(dǎo)師上海理工大學(xué)黃典貴教授多年的指導(dǎo)和大力幫助，得到博士期間課題組孫曉晶、羅大海、孫槿靜等老師提供的幫助，得到課題組譚鑫、劉亞萍、羅丹和王乃安等提供的支持，謹(jǐn)向他們致以衷心感謝。限于作者的能力和水平，加之時(shí)間倉促，書中難免有不當(dāng)之處，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。編著者 2024年7月

第1章引言 001 1.1 有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù) 003 1.1.1 有機(jī)朗肯循環(huán)工作原理 003 1.1.2 有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)選擇 004 1.1.3 有機(jī)朗肯循環(huán)研究現(xiàn)狀 006 1.2 有機(jī)工質(zhì)膨脹機(jī) 009 1.2.1 容積型膨脹機(jī) 009 1.2.2 速度型膨脹機(jī) 011 1.3 離心式透平 014 1.3.1 離心式透平結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 014 1.3.2 離心式透平的設(shè)計(jì)方法 014 第2章有機(jī)工質(zhì)離心式透平的熱力設(shè)計(jì) 017 2.1 離心式透平工作原理 019 2.1.1 離心式透平基本結(jié)構(gòu) 019 2.1.2 離心式透平級(jí)的工作過程 020 2.2 離心式透平熱力設(shè)計(jì) 024 2.2.1 離心式透平輪周效率影響因素 024 2.2.2 速比對(duì)氣動(dòng)性能的影響 026 2.2.3 徑比對(duì)氣動(dòng)性能的影響 028 2.2.4 離心式透平熱力設(shè)計(jì)流程 029 2.3 離心式透平變工況條件下熱力參數(shù)變化規(guī)律 031 2.3.1 離心透平級(jí)內(nèi)焓降變化規(guī)律 031 2.3.2 離心式透平級(jí)內(nèi)反動(dòng)度變化規(guī)律 034 2.3.3 離心式透平級(jí)流量隨著熱力參數(shù)的變化規(guī)律 038 2.4 本章小結(jié) 042 第3章有機(jī)工質(zhì)離心式透平設(shè)計(jì)及性能研究 043 3.1 離心式透平數(shù)值模擬方法 046 3.1.1 控制方程 046 3.1.2 湍流模型 047 3.1.3 定常/ 非定常計(jì)算方法 049 3.1.4 數(shù)值模型 050 3.2 葉型優(yōu)化設(shè)計(jì) 052 3.2.1 Beizer 曲線 052 3.2.2 離心式透平葉型設(shè)計(jì) 053 3.2.3 葉型優(yōu)化設(shè)計(jì) 054 3.3 單級(jí)跨音速離心式透平設(shè)計(jì)工況流動(dòng)特性數(shù)值分析 058 3.3.1 離心透平熱力參數(shù) 058 3.3.2 單級(jí)跨音速離心式透平氣動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果 059 3.3.3 單級(jí)跨音速離心式透平葉型設(shè)計(jì) 060 3.3.4 單級(jí)跨音速離心式透平定常計(jì)算結(jié)果 061 3.4 單級(jí)跨音速離心式透平變工況性能研究 065 3.4.1 進(jìn)氣壓力變化對(duì)透平性能的影響 065 3.4.2 背壓變化對(duì)透平性能的影響 068 3.5 單級(jí)跨音速反動(dòng)式離心透平性能研究 070 3.6 本章小結(jié) 073 第4章多級(jí)亞音速有機(jī)工質(zhì)離心式透平設(shè)計(jì)及性能研究 075 4.1 多級(jí)亞音速離心式透平氣動(dòng)及幾何設(shè)計(jì) 077 4.1.1 多級(jí)亞音速離心式透平氣動(dòng)設(shè)計(jì) 077 4.1.2 多級(jí)亞音速離心式透平葉型設(shè)計(jì) 079 4.2 多級(jí)亞音速離心式透平級(jí)組的流動(dòng)特性數(shù)值分析 081 4.2.1 數(shù)值模型 081 4.2.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果 081 4.2.3 流場(chǎng)特性分析 083 4.3 變工況條件下，多級(jí)亞音速離心式透平熱力參數(shù)變化規(guī)律 085 4.3.1 級(jí)組內(nèi)各級(jí)焓降的變化規(guī)律 085 4.3.2 級(jí)組內(nèi)各級(jí)反動(dòng)度變化規(guī)律 086 4.3.3 級(jí)組內(nèi)各級(jí)流量與壓力的關(guān)系 087 4.4 多級(jí)亞音速離心式透平變工況性能研究 089 4.4.1 膨脹比和轉(zhuǎn)速變化對(duì)透平級(jí)組效率的影響 089 4.4.2 膨脹比和轉(zhuǎn)速變化對(duì)透平級(jí)組功率的影響 091 4.5 本章小結(jié) 093 第5章有機(jī)工質(zhì)離心式透平葉輪的強(qiáng)度校核 095 5.1 葉輪強(qiáng)度分析理論基礎(chǔ) 097 5.1.1 有限元法 097 5.1.2 屈服準(zhǔn)則 097 5.2 有機(jī)工質(zhì)離心式透平葉輪模型 099 5.2.1 葉輪幾何結(jié)構(gòu) 099 5.2.2 材料選擇 100 5.2.3 網(wǎng)格劃分 100 5.2.4 加載約束與載荷 101 5.3 離心式透平葉輪強(qiáng)度分析 102 5.3.1 葉輪幾何結(jié)構(gòu) 102 5.3.2 計(jì)算結(jié)果與分析 102 5.3.3 破壞轉(zhuǎn)速下葉輪強(qiáng)度分析 105 5.4 本章小結(jié) 107 參考文獻(xiàn) 108

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