本書系統(tǒng)闡述了有機(jī)工質(zhì)離心透平的一維氣動設(shè)計、葉型優(yōu)化設(shè)計、基于CFD 技術(shù)氣動性能研究和基于有限元的葉輪強(qiáng)度校核等四個方面的研究。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)計和性能研究的科研工作者，也可供高等院校動力機(jī)械和流體機(jī)械等相關(guān)專業(yè)師生參考閱讀。

宋艷蘋，副教授。2019年獲得上海理工大學(xué)熱能工程專業(yè)工學(xué)博士學(xué)位。近年來主持河南省科技攻關(guān)項目1項，河南省高等學(xué)校重點科研項目1項，主持河南省教育廳“十三五”教育科學(xué)規(guī)劃課題1項，參與國家自然科學(xué)基金重點項目1項，面上項目2項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇，其中收錄5篇。從事熱機(jī)氣動熱力學(xué)方面的研究工作。

本書根據(jù)離心式透平有氣動與幾何相匹配的特征，系統(tǒng)介紹了有機(jī)工質(zhì)離心透平氣動設(shè)計、葉型優(yōu)化、變工況特性等內(nèi)容，并闡述了利用有限元方法校核葉輪強(qiáng)度的情況。本書內(nèi)容系統(tǒng)，可以作為能源動力專業(yè)的高校師生、科研院所的研究人員的參考資料。

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?、生物質(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)，對于提高我國的能源利用效率、推動能源可持續(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。本書從離心透平這一結(jié)構(gòu)特征對熱力特性的影響機(jī)理入手，基于有機(jī)工質(zhì)的特殊熱物性，開展對有機(jī)工質(zhì)離心透平的設(shè)計和性能研究，探索徑比（動靜葉進(jìn)出口直徑之比）對離心透平氣動性能的影響，與動靜葉型幾何特性和氣動特性之間的關(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，引入徑比的概念，對離心式透平級的能量轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行熱力學(xué)分析，建立了單級和多級有機(jī)工質(zhì)離心式透平的熱力設(shè)計系統(tǒng)，并分析了變工況條件下焓降、反動度和流量等熱力參數(shù)變化規(guī)律。然后利用計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)和優(yōu)化算法，基于單級和多級有機(jī)離心透平設(shè)計案例，研究了離心式透平動靜葉型優(yōu)化設(shè)計方法和離心式透平內(nèi)流場特征和流動特性，驗證了離心式透平變工況性能以及焓降、反動度和流量等關(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)計和推廣應(yīng)用提供理論參考。
另外近年隨著計算機(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)流動特性和葉型氣動設(shè)計方面得到了廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為工業(yè)設(shè)計的重要分析工具。本書詳細(xì)描述了離心透平通流部件的優(yōu)化設(shè)計方法、網(wǎng)格劃分方法和數(shù)值模擬計算方法，以及基于有限元葉輪強(qiáng)度校核方法。從事動力機(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)流動特性和葉型氣動設(shè)計方面的應(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，加之時間倉促，書中難免有不當(dāng)之處，敬請讀者批評指正。

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 014
1.3.2 離心式透平的設(shè)計方法 014

第2章 有機(jī)工質(zhì)離心式透平的熱力設(shè)計 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 離心式透平級的工作過程 020
2.2 離心式透平熱力設(shè)計 024
2.2.1 離心式透平輪周效率影響因素 024
2.2.2 速比對氣動性能的影響 026
2.2.3 徑比對氣動性能的影響 028
2.2.4 離心式透平熱力設(shè)計流程 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 離心透平級內(nèi)焓降變化規(guī)律 031
2.3.2 離心式透平級內(nèi)反動度變化規(guī)律 034
2.3.3 離心式透平級流量隨著熱力參數(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/ 非定常計算方法 049
3.1.4 數(shù)值模型 050
3.2 葉型優(yōu)化設(shè)計 052
3.2.1 Beizer 曲線 052
3.2.2 離心式透平葉型設(shè)計 053
3.2.3 葉型優(yōu)化設(shè)計 054
3.3 單級跨音速離心式透平設(shè)計工況流動特性數(shù)值分析 058
3.3.1 離心透平熱力參數(shù) 058
3.3.2 單級跨音速離心式透平氣動設(shè)計結(jié)果 059
3.3.3 單級跨音速離心式透平葉型設(shè)計 060
3.3.4 單級跨音速離心式透平定常計算結(jié)果 061
3.4 單級跨音速離心式透平變工況性能研究 065
3.4.1 進(jìn)氣壓力變化對透平性能的影響 065
3.4.2 背壓變化對透平性能的影響 068
3.5 單級跨音速反動式離心透平性能研究 070
3.6 本章小結(jié) 073

第4章 多級亞音速有機(jī)工質(zhì)離心式透平設(shè)計及性能研究 075
4.1 多級亞音速離心式透平氣動及幾何設(shè)計 077
4.1.1 多級亞音速離心式透平氣動設(shè)計 077
4.1.2 多級亞音速離心式透平葉型設(shè)計 079
4.2 多級亞音速離心式透平級組的流動特性數(shù)值分析 081
4.2.1 數(shù)值模型 081
4.2.2 數(shù)值模擬計算結(jié)果 081
4.2.3 流場特性分析 083
4.3 變工況條件下，多級亞音速離心式透平熱力參數(shù)變化規(guī)律 085
4.3.1 級組內(nèi)各級焓降的變化規(guī)律 085
4.3.2 級組內(nèi)各級反動度變化規(guī)律 086
4.3.3 級組內(nèi)各級流量與壓力的關(guān)系 087
4.4 多級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)速變化對透平級組效率的影響 089
4.4.2 膨脹比和轉(zhuǎn)速變化對透平級組功率的影響 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