有机工质离心透平气动设计与数值模拟

本书根据离心式透平有气动与几何相匹配的特征，系统介绍了有机工质离心透平气动设计、叶型优化、变工况特性等内容，并阐述了利用有限元方法校核叶轮强度的情况。本书内容系统，可以作为能源动力专业的高校师生、科研院所的研究人员的参考资料。

本书系统阐述了有机工质离心透平的一维气动设计、叶型优化设计、基于CFD 技术气动性能研究和基于有限元的叶轮强度校核等四个方面的研究。全书共分为5章，可为有机工质离心透平的设计和推广应用提供理论参考。本书适合从事有机工质离心透平设计和性能研究的科研工作者，也可供高等院校动力机械和流体机械等相关专业师生参考阅读。

宋艳苹，副教授。2019年获得上海理工大学热能工程专业工学博士学位。近年来主持河南省科技攻关项目1项，河南省高等学校重点科研项目1项，主持河南省教育厅“十三五”教育科学规划课题1项，参与国家自然科学基金重点项目1项，面上项目2项，发表学术论文10余篇，其中收录5篇。从事热机气动热力学方面的研究工作。

第1章 引言  001
1.1 有机朗肯循环发电技术 003
1.1.1 有机朗肯循环工作原理 003
1.1.2 有机朗肯循环工质选择 004
1.1.3 有机朗肯循环研究现状 006
1.2 有机工质膨胀机 009
1.2.1 容积型膨胀机 009
1.2.2 速度型膨胀机 011
1.3 离心式透平 014
1.3.1 离心式透平结构特点 014
1.3.2 离心式透平的设计方法 014

第2章 有机工质离心式透平的热力设计  017
2.1 离心式透平工作原理 019
2.1.1 离心式透平基本结构 019
2.1.2 离心式透平级的工作过程 020
2.2 离心式透平热力设计 024
2.2.1 离心式透平轮周效率影响因素 024
2.2.2 速比对气动性能的影响 026
2.2.3 径比对气动性能的影响 028
2.2.4 离心式透平热力设计流程 029
2.3 离心式透平变工况条件下热力参数变化规律 031
2.3.1 离心透平级内焓降变化规律 031
2.3.2 离心式透平级内反动度变化规律 034
2.3.3 离心式透平级流量随着热力参数的变化规律 038
2.4 本章小结 042

第3章 有机工质离心式透平设计及性能研究  043
3.1 离心式透平数值模拟方法 046
3.1.1 控制方程 046
3.1.2 湍流模型 047
3.1.3 定常/ 非定常计算方法 049
3.1.4 数值模型 050
3.2 叶型优化设计 052
3.2.1 Beizer 曲线 052
3.2.2 离心式透平叶型设计 053
3.2.3 叶型优化设计 054
3.3 单级跨音速离心式透平设计工况流动特性数值分析 058
3.3.1 离心透平热力参数 058
3.3.2 单级跨音速离心式透平气动设计结果 059
3.3.3 单级跨音速离心式透平叶型设计 060
3.3.4 单级跨音速离心式透平定常计算结果 061
3.4 单级跨音速离心式透平变工况性能研究 065
3.4.1 进气压力变化对透平性能的影响 065
3.4.2 背压变化对透平性能的影响 068
3.5 单级跨音速反动式离心透平性能研究 070
3.6 本章小结 073

第4章 多级亚音速有机工质离心式透平设计及性能研究  075
4.1 多级亚音速离心式透平气动及几何设计 077
4.1.1 多级亚音速离心式透平气动设计 077
4.1.2 多级亚音速离心式透平叶型设计 079
4.2 多级亚音速离心式透平级组的流动特性数值分析 081
4.2.1 数值模型 081
4.2.2 数值模拟计算结果 081
4.2.3 流场特性分析 083
4.3 变工况条件下，多级亚音速离心式透平热力参数变化规律 085
4.3.1 级组内各级焓降的变化规律 085
4.3.2 级组内各级反动度变化规律 086
4.3.3 级组内各级流量与压力的关系 087
4.4 多级亚音速离心式透平变工况性能研究 089
4.4.1 膨胀比和转速变化对透平级组效率的影响 089
4.4.2 膨胀比和转速变化对透平级组功率的影响 091
4.5 本章小结 093

第5章 有机工质离心式透平叶轮的强度校核  095
5.1 叶轮强度分析理论基础 097
5.1.1 有限元法 097
5.1.2 屈服准则 097
5.2 有机工质离心式透平叶轮模型 099
5.2.1 叶轮几何结构 099
5.2.2 材料选择 100
5.2.3 网格划分 100
5.2.4 加载约束与载荷 101
5.3 离心式透平叶轮强度分析 102
5.3.1 叶轮几何结构 102
5.3.2 计算结果与分析 102
5.3.3 破坏转速下叶轮强度分析 105
5.4 本章小结 107

参考文献  108

低品位热能种类繁多且总量巨大，主要包括工业余热、太阳能、地热能、生物质能等。这些能源都广泛存在于生产生活中，但由于其品位较低、做功能力差，未能得到充分利用。开发低品位热能的高效利用技术，对于提高我国的能源利用效率、推动能源可持续发展和降低碳排放具有重要的意义。有机朗肯循环发电技术是开发利用中低温热源的有效途径，膨胀机是有机朗肯循环发电系统的核心设备，研发性能优良的大功率有机工质膨胀机是推广应用有机朗肯循环发电技术的关键。
离心（式）透平具有气动与几何相匹配的结构特征，应用于体积流量变化的有机朗肯循环具有显著优势。本书从离心透平这一结构特征对热力特性的影响机理入手，基于有机工质的特殊热物性，开展对有机工质离心透平的设计和性能研究，探索径比（动静叶进出口直径之比）对离心透平气动性能的影响，与动静叶型几何特性和气动特性之间的关联，具有较好的科学意义。
本书共分为5章，首先介绍了离心透平结构特点，引入径比的概念，对离心式透平级的能量转换过程进行热力学分析，建立了单级和多级有机工质离心式透平的热力设计系统，并分析了变工况条件下焓降、反动度和流量等热力参数变化规律。然后利用计算流体力学（CFD）技术和优化算法，基于单级和多级有机离心透平设计案例，研究了离心式透平动静叶型优化设计方法和离心式透平内流场特征和流动特性，验证了离心式透平变工况性能以及焓降、反动度和流量等关键参数的变化规律。最后采用有限元法基于应力分析对离心透平核心部件叶轮的强度进行了校核，分析了在离心力和气流力共同作用下，离心式透平叶轮在设计转速和最大破坏转速下的叶轮应力和应变分布规律。本书内容为有机工质离心式透平的设计和推广应用提供理论参考。
另外近年随着计算机技术的发展，CFD技术的快速发展给流体力学学科及其交叉研究领域带来新的研究方法，已经深入到相关工程技术的各个领域。利用CFD技术研究透平内复杂高速旋转流动特性和叶型气动设计方面得到了广泛应用，已经成为工业设计的重要分析工具。本书详细描述了离心透平通流部件的优化设计方法、网格划分方法和数值模拟计算方法，以及基于有限元叶轮强度校核方法。从事动力机械研究的高等院校本科生、研究生和企业工程师也可通过本书，了解CFD技术在研究透平内复杂高速旋转流动特性和叶型气动设计方面的应用。
本书内容基于作者多年研究成果撰写而成，很多成果已经在国内外重要期刊公开发表。在该课题研究过程中，得到了导师上海理工大学黄典贵教授多年的指导和大力帮助，得到博士期间课题组孙晓晶、罗大海、孙槿静等老师提供的帮助，得到课题组谭鑫、刘亚萍、罗丹和王乃安等提供的支持，谨向他们致以衷心感谢。
限于作者的能力和水平，加之时间仓促，书中难免有不当之处，敬请读者批评指正。

编著者
2024年7月