前言

液力透平是以高壓流體作為工作介質(zhì)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的一種機(jī)械，是依據(jù)流體和機(jī)械之間的相互作用而工作的。具體來(lái)說(shuō)，液力透平就是把高壓流體的壓力能轉(zhuǎn)換為液力透平葉輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，所以液力透平是一種原動(dòng)機(jī)，也是一種能量回收裝置，即葉輪在高壓液體的作用下旋轉(zhuǎn)，將液體所具有的能量部分轉(zhuǎn)化為液力透平的機(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)其他工作機(jī)工作，達(dá)到能量回收的目的。在石油、化工生產(chǎn)過(guò)程中排放的流體仍具有較高的壓力，但由于缺乏節(jié)能設(shè)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(jìn)行能量的回收利用。液力透平是最早被研究和開(kāi)發(fā)的壓力能回收技術(shù)之一，且液力透平技術(shù)幾乎被應(yīng)用于所有的壓力能回收領(lǐng)域，液力透平回收液體能量的研究對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展有重要的促進(jìn)作用。目前，常見(jiàn)的液力透平絕大部分是離心泵反轉(zhuǎn)作液力透平，當(dāng)離心泵反轉(zhuǎn)作液力透平時(shí)主要存在液力透平的準(zhǔn)確選型難、運(yùn)行效率低下、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)穩(wěn)定性較差等問(wèn)題。分析其原因主要有：其一，離心泵用作液力透平的換算關(guān)系誤差較大；其二，當(dāng)離心泵用作液力透平時(shí)并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)泵反轉(zhuǎn)的工況進(jìn)行設(shè)計(jì)或者對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；其三，很少有關(guān)于如何降低液力透平內(nèi)壓力脈動(dòng)的研究。本書(shū)的研究工作是在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“液體能量回收透平內(nèi)氣液兩相非定常流動(dòng)機(jī)理和水力學(xué)特性研究”(51169010)、國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“液體余壓能量回收液力透平”(2012BAA08B05)和中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2016M600090)的資助下展開(kāi)的。

本書(shū)采用理論推導(dǎo)、試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，以單級(jí)液力透平為研究對(duì)象，對(duì)液力透平的理論設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。提出了液力透平向心葉輪出口滑移系數(shù)的計(jì)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(duì)液力透平的性能進(jìn)行更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。還對(duì)液力透平的能量轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行了研究，從而揭示了液力透平葉輪和蝸殼內(nèi)流體能量的傳遞與變化規(guī)律。同時(shí)對(duì)液力透平的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并研究了蝸殼結(jié)構(gòu)對(duì)液力透平外特性、流場(chǎng)分布、速度矩、葉輪所受徑向力和各過(guò)流部件內(nèi)壓力脈動(dòng)的影響，以及液力透平向心葉輪進(jìn)口前有無(wú)導(dǎo)葉和不同導(dǎo)葉數(shù)對(duì)液力透平外特性、流場(chǎng)分布、葉輪所受徑向力和各過(guò)流部件內(nèi)壓力脈動(dòng)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(guān)系，成功地剔除了流量放大系數(shù)對(duì)離心泵用作液力透平換算關(guān)系的影響，也提出了液力透平向心葉輪進(jìn)出口安放角的計(jì)算方法、葉輪進(jìn)出口直徑的計(jì)算方法和葉輪進(jìn)口寬度的計(jì)算方法，初步建立了液力透平葉輪的設(shè)計(jì)方法。最后建立了離心泵用作液力透平時(shí)葉輪的優(yōu)化系統(tǒng)，并對(duì)液力透平葉輪成功進(jìn)行了優(yōu)化，詳細(xì)地介紹了CFD方法在液力透平內(nèi)流場(chǎng)中的應(yīng)用。

事實(shí)上，關(guān)于液力透平的理論設(shè)計(jì)方法還有很多內(nèi)容需要進(jìn)一步補(bǔ)充和深化，目前國(guó)內(nèi)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(shū)的出版，能在一定程度上推動(dòng)液力透平理論設(shè)計(jì)方法的研究進(jìn)展，同時(shí)拓展液體余壓能量回收(液力透平)領(lǐng)域的研究途徑和思維方式。限于作者的能力和水平，加之時(shí)間倉(cāng)促，書(shū)中不當(dāng)之處，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

本書(shū)部分研究工作是在西華大學(xué)流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助下完成的。本書(shū)第1、2、3、5、6、7、8和11章由史廣泰老師編寫(xiě)，第4、9和10章由苗森春老師編寫(xiě)。在撰寫(xiě)過(guò)程中得到了蘭州理工大學(xué)楊軍虎教授、西華大學(xué)張惟斌老師和呂文娟老師等的大力支持，謹(jǐn)在此致以衷心的感謝。同時(shí)還要感謝研究生劉洋、羅琨和王志文在本書(shū)編寫(xiě)過(guò)程中做的大量工作。此外，感謝西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)以及流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室同事們的支持和鼓勵(lì)。在本書(shū)撰寫(xiě)過(guò)程中，參考和引用了大量的國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，在此對(duì)這些文獻(xiàn)的作者一并表示感謝。最后向參與本書(shū)審稿工作的專(zhuān)家表示真誠(chéng)的感謝。

作者