液力透平设计

王珏，男，工学博士、研究员、博士生导师，国际宇航科学院院士。现任中国运载火箭技术研究院首席专家、长征5号系列运载火箭总指挥。长期致力于液体火箭推进技术研究和运载火箭系统工程管理，主持多型氢氧液体火箭发动机工程研制和宇航动力关键技术研究项目，带领团队成功研制了我国运载火箭长征五号。获首届全国创新争先奖，国防科学技术及军队科技进步一等奖5项，二等奖6项等，是国家千百万人才工程首批专家人选、国防科技工业511学术带头人

第1章概论1

1.1工程流体力学基本方程1

1.1.1工程流体力学基础1

1.1.2坐标系2

1.1.3流体动力学基本方程3

1.2液力透平定义4

1.3液力透平结构形式及应用4

参考文献7

第2章液力透平基本理论和设计方法8

2.1液力透平基本方程8

2.1.1叶轮形式与反力度8

2.1.2混（径）流式液力透平基本方程9

2.1.3轴流式液力透平基本方程11

2.1.4静止导叶12

2.2液力透平主要特征参数13

2.2.1比转速计算13

2.2.2单位转速单位流量单位功率计算14

2.3液力透平相似理论简介14

2.4液力透平设计方法15

2.4.1水轮机和水泵水轮机设计方法15

2.4.2离心泵反转液力透平设计方法18

2.4.3液力透平直接正向设计方法.23

2.5液力透平的损失与效率23

2.5.1机械损失与机械效率23

2.5.2容积效率计算25

2.5.3水力效率计算25

2.5.4轴流式液力透平的损失和效率26

参考文献27

第3章液力透平过流部件水力设计28

3.1液力透平过流部件基础参数29

3.1.1设计输入参数29

3.1.2结构设计相关参数29

3.2径（混）流式液力透平叶轮的一维水力设计31

3.2.1叶轮进口直径的设计计算31

3.2.2叶轮出口叶片平均直径、叶片大/小径和轮毂直径的设计计算33

3.2.3叶轮进/出口叶片宽度与叶片安放角34

3.2.4径（混）流式透平导叶参数计算与选取36

3.2.5涡壳参数计算与选取40

3.3径（混）流式过流部件的二维造型43

3.3.1叶轮二维造型43

3.3.2导叶叶片绘形与叶片数的2终确定46

3.3.3涡壳及进出口管48

3.3.4过流部件关键参数校核计算49

3.3.5液力透平一维直接正向设计案例.49

3.4径（混）流式液力透平三维数值模拟54

3.5轴流式液力透平过流部件水力设计57

3.5.1轴流式液力透平参数的选择及理论计算57

3.5.2轴流式液力透平动静叶片设计61

参考文献66

第4章液力透平轴向力、径向力及平衡67

4.1轴向力计算及平衡67

4.1.1径（混）流式透平轴向力计算67

4.1.2轴流式透平轴向力计算72

4.1.3轴向力平衡74

4.2径向力计算及平衡85

4.2.1径（混）流式透平径向力计算与平衡85

4.2.2轴流式透平径向力计算与平衡86

参考文献89

第5章液力透平主要零件强度计算与材料选择90

5.1叶轮强度计算90

5.1.1叶轮强度的一维简化计算90

5.1.2叶轮轮毂强度计算96

5.1.3叶轮强度的有限元分析算例97

5.2轴的强度计算99

5.2.1轴的受力99

5.2.2轴的强度校核100

5.2.3轴系关键部位2形量三维校核104

5.3壳体强度计算105

5.3.1壳体强度的一维计算106

5.3.2壳体强度的有限元分析算例108

5.3.3壳体关键配合部位的2形量校核112

5.4主要零件材料选择114

参考文献116

第6章液力透平的轴承设计与选择117

6.1轴承的基本分类117

6.2轴承与润滑的选择117

6.2.1轴承载荷的确定117

6.2.2轴承及轴承润滑方式的初步确定118

6.3滚动轴承的设计选择118

6.3.1滚动轴承的失效形式与设计计算119

6.3.2滚动轴承的选择121

6.4滑动轴承的设计124

6.4.1径向滑动轴承124

6.4.2固定瓦推力滑动轴承130

6.4.3可倾瓦推力轴承134

6.5轴承的润滑与冷却136

6.5.1轴承的润滑136

6.5.2轴承的冷却137

6.6可倾瓦轴承设计实例137

6.7其他轴承139

6.7.1气浮轴承139

6.7.2磁浮轴承139

6.7.3箔片轴承简介141

参考文献143

第7章液力透平转子动力学144

7.1转子动力学简述144

7.2临界转速与动平衡144

7.2.1临界转速定义144

7.2.2临界转速的简化计算145

7.2.3转子的干态和湿态临界转速148

7.2.4临界转速裕度149

7.2.5转子动平衡149

7.3影响临界转速的因素150

7.3.1轴密封的影响150

7.3.2转子结构和支撑刚度等的影响150

7.3.3介质条件对临界转速及振幅的影响151

7.4模态振型及转子弯曲应2能152

7.4.1模态振型152

7.4.2柔性转子与刚性转子153

7.4.3转子弯曲应2能153

7.5稳态不平衡响应153

7.6转子扭转振动155

参考文献157

第8章液力透平密封158

8.1概述158

8.2液力透平用动密封158

8.2.1动密封的种类和特点158

8.2.2填料密封159

8.2.3迷宫密封160

8.2.4浮动环密封161

8.3液力透平用机械密封163

8.3.1机械密封基本结构163

8.3.2机械密封的密封性能164

8.3.3密封面的几何特征165

8.3.4机械密封设计参数166

8.3.5机械密封端面温度和热平衡168

8.3.6机械密封辅助系统170

8.3.7机械密封典型故障179

8.3.8非接触流体膜密封181

8.4液力透平用静密封183

8.4.1平面密封胶密封183

8.4.2密封垫密封183

8.4.3O形密封圈184

8.4.4全氟醚橡胶189

8.5轴承和法兰用特殊密封190

参考文献193

第9章液力透平试验196

9.1关键零部件试验196

9.1.1轴上转动件与转子动平衡196

9.1.2叶轮的超速试验197

9.1.3壳体强度试验197

9.2液力透平性能试验197

9.2.1液力透平密封性试验197

9.2.2液力透平水力性能试验198

9.2.3液力透平运转试验198

9.2.4液力透平稳定飞逸转速与飞逸转速试验198

9.3液力透平试验系统及相关标准200

9.3.1测量参数200

9.3.2试验系统201

9.3.3液力透平的输出功率P及效率η计算203

9.3.4试验标准204

参考文献206

220章液力透平系统与状态监测207

10.1液力透平系统构成及配置要求207

10.1.1液力透平系统构成207

10.1.2液力透平配置要求207

10.2液力透平工艺系统207

10.2.1工艺系统设计208

10.2.2工艺系统控制209

10.3液力透平状态监测209

10.3.1状态监测的目的209

10.3.2状态监测对象210

10.4液力透平辅助系统状态监测210

10.4.1润滑系统构成及状态监测210

10.4.2密封冲洗系统构成与状态监测212

10.4.3辅助系统状态监测说明212

10.5转子系统状态监测214

10.5.1轴承温度监测214

10.5.2转子径向振动监测216

10.5.3转子轴向位移监测216

10.5.4转速监测216

10.6监测参数的报警、联锁参数设定示例217

10.6.1温度参数217

10.6.2振动参数217

10.6.3轴向位移参数217

10.6.4转速217

10.7监测参数异常的致因及排除217

参考文献219

附录220

本书是为了适应我国工业装置节能减排需要，特别是实现“碳达峰碳中和”目标，针对工业装置中液体压力能回收利用液力透平关键技术，以液体火箭发动机气体涡轮、液体涡轮、高速泵和特种泵的研制经验为基础，全面系统地阐述了液力透平基础理论、技术和工程应用。内容包括透平基本理论和基本方程、水力设计方法以及性能和结构优化流程，液力透平的结构形式，轴、叶轮、壳体、轴承、密封等关键零部件结构设计和强度分析、材料选择，试验系统和试验方法，系统设计、辅助系统构成和安全保护系统设计等。考虑到本书水力设计方法的特殊性及阅读需要，给出了过流部件水力设计案例、强度分析案例、工程应用中出现问题的原因分析、应用与设计选型参考数据表等。本书可作为能量回收领域液力透平设计、研究和工程技术人员的参考书，也可作为流体机械专业领域在校学生的教材。