叶片式流体机械动力学分析及应用
出版时间：2017年版
内容简介
叶片式流体机械是指以流体为工作介质和能量载体并通过叶轮叶片进行能量转换的旋转机械设备。叶片式流体机械动力学是一个涉及机械、流体、结构、测试、传热和电磁等多领域的综合与交叉学科。《叶片式流体机械动力学分析与应用》针对该类机械的设计与运行过程中涉及的机械结构动力学、转子动力学、“流体-结构”耦合动力学等方面的理论及分析方法进行较为系统的探讨，较为全面地反映目前叶片式流体动力机械的动力学分析体系和发展趋势。主要内容包括：叶片式流体机械的振动特征分析、机械结构动力学建模与分析、“流体-结构”耦合动力学建模与数值模拟分析、转子轴系统动力学建模与数值模拟分析、“转子-支撑”系统的动力特性计算与数值模拟分析等，以及叶片式水力机械的水压力脉动与水力振动、叶片式流体机械的振动状态监测与分析、基于轴系动力学仿真的水电机组振动分析系统及应用等专题。结合各章节的内容需要，给出了大量的工程分析与应用实例。
目录
第0章 绪论 1
0.1 叶片式流体机械的特点与动力学问题 1
0.2 叶片式流体机械动力学的主要研究内容 6
0.3 叶片式流体机械动力学的研究方法 10
0.4 叶片式流体机械动力学的研究现状与发展趋势 12
参考文献 14
第1章 叶片式流体机械结构动力学分析基础 15
1.1 叶片式流体机械承受的主要载荷与结构振动响应 15
1.2 叶片式流体机械结构振动的分类 16
1.3 结构振动的力学模型 18
1.3.1 单自由度系统振动的力学模型 19
1.3.2 多自由度系统振动的力学模型 25
1.4 振动数据处理与分析方法 29
1.4.1 振动数据的分类及一般分析方法 29
1.4.2 稳态振动数据的分析方法 31
1.4.3 变工况运行时的振动分析方法 36
参考文献 39
第2章 叶片式流体机械的振动特征 40
2.1 叶片式流体机械运行中的主要激振力 40
2.2 流体诱发的振动特征 41
2.2.1 流体的脉动压力等引起的振动 42
2.2.2 间隙流动不均等引起的振动 45
2.2.3 叶片式气体机械的气流激振 47
2.3 机械和结构引起的振动特征 50
2.3.1 主轴弯曲不直或有挠度 50
2.3.2 机组转动部件的质量不平衡 51
2.3.3 机组转动部件与静止部件的碰摩 52
2.3.4 支撑系统刚度不足引起的振动 52
2.3.5 导轴承轴瓦间隙大 53
2.3.6 推力轴承的推力头松动和推力瓦不平 53
2.4 其他原因引起的振动 54
2.4.1 电磁原因引起的振动 54
2.4.2 转子热变形引起的振动 55
参考文献 56
第3章 叶片流体机械的流固耦合动力学分析 57
3.1 叶片式流体机械的流固耦合动力学分析模型 57
3.1.1 流体动力学控制方程 57
3.1.2 流固耦合动力学控制方程 60
3.2 流固耦合分析的实现方法 62
3.3 水轮机中的流固耦合动力学分析实例 65
3.3.1 针对给定工况的叶轮流固耦合动力学分析 66
3.3.2 水轮机启动过程的流固耦合动力学分析 71
参考文献 74
第4章 叶片流体机械的结构动力学分析 75
4.1 结构动力学的有限元分析方法 75
4.1.1 结构运动方程的有限元模型 75
4.1.2 模态分析的有限元方程 77
4.1.3 模态分析特征值的求解方法 78
4.2 混流式水轮机叶轮的模态分析实例 79
4.2.1 模态的数值计算分析 79
4.2.2 模态的实验分析 80
4.3 水泵水轮机叶轮的模态及振动分析实例 83
4.4 轴流式水轮机固定导叶因卡门涡引起的振动分析实例 86
4.5 轴封式核主泵的地震响应谱分析实例 87
4.5.1 反应谱理论 87
4.5.2 轴封式核主泵机组建模 88
4.5.3 核主泵机组的模态分析 89
4.5.4 核主泵机组的地震谱响应分析 90
参考文献 94
第5章 叶片式流体动力机械的转子支撑系统动力学分析 95
5.1 转子支撑系统的动力特性分析理论与方法 95
5.1.1 雷诺方程及其求解 95
5.1.2 导轴承及密封的液膜动力特性分析模型 101
5.1.3 推力轴承及基座的动力特性分析模型 107
5.1.4 轴承动力特性计算分析软件简介 108
5.2 导轴承动力特性计算分析实例 109
5.2.1 水导轴承 110
5.2.2 上、下导轴承 110
5.3 密封动力特性计算实例 115
5.3.1 定子与转子间的密封形式 115
5.3.2 直通形迷宫密封分析模型 116
5.3.3 各影响因素对密封动力特性的影响分析 117
参考文献 120
第6章 叶片式流体机械的转子动力学分析 123
6.1 转子动力学的研究内容与发展 123
6.2 转子动力学计算分析模型 124
6.3 转子动力学计算分析方法 125
6.3.1 传递矩阵法简介 126
6.3.2 有限元法简介 132
6.4 水轮发电机组转子动力学计算分析实例 136
6.4.1 机组主要参数及分析工况 136
6.4.2 机组转动部件的几何建模及有限元网格 137
6.4.3 数值计算分析中的约束、载荷施加 138
6.4.4 机组的转子动力学计算分析 143
6.5 汽轮机组的轴系动力学计算分析实例 150
参考文献 158
第7章 叶片式水力机械的水压力脉动与水力振动 160
7.1 叶片式水力机械的水压力脉动特征 160
7.2 水压力脉动特征与运行工况关系 163
7.3 尾水管中涡带引起酌低频压力脉动 164
7.3.1 水轮机尾水管中的涡带 164
7.3.2 尾水管涡带引起的压力脉动 166
7.3.3 尾水管中涡带的数值模拟及压力脉动预测 169
7.4 水轮机叶轮中叶道涡引起的压力脉动 170
7.4.1 叶道涡的特点 170
7.4.2 叶道涡的数值模拟分析 171
7.5 叶片式水力机械中的动静干涉引起的压力脉动 172
7.5.1 动静叶栅干涉引起的压力脉动 172
7.5.2 叶轮流道几何不对称引起的压力脉动 174
7.5.3 壳体流道的不均匀流场引起的压力脉动 175
7.5.4 动静叶栅干涉引起的压力脉动数值模拟 177
7.6 冯 卡门涡列引起的压力脉动 180
7.6.1 冯 卡门涡列产生及引起的压力脉动特点 180
7.6.2 受冯 卡门涡影响的水力机械过流部件 180
7.6.3 叶片式水力机械中卡门涡流动数值模拟 182
7.7 间隙流动不均等引起的水力振动 183
7.7.1 叶轮密封导致的失稳 184
7.7.2 上冠/下环侧腔的影响 185
7.8 压力管道系统引起的水力振动 185
参考文献 188
第8章 叶片式流体机械的振动状态监测与分析 191
8.1 叶片式流体机械振动状态监测仪器与分析系统 191
8.1.1 流体机械振动监测的一般要求及监测方法 191
8.1.2 振动监测系统的构成 193
8.1.3 振动监测方式 199
8.2 某贯流式水电机组转动部件的振动离线监测分析 201
8.2.1 测点布置及试验工况 201
8.2.2 机组的振动测试结果及分析 202
8.2.3 机组离线振动测试分析结论 207
8.3 某轴流式水电机组转动部件的振动在线监测分析 207
8.3.1 某电厂及其在线监测系统概况 207
8.3.2 水电机组的振动稳定性在线监测系统 208
8.3.3 部分工况的在线振动监测分析 210
参考文献 214
第9章 基于轴系动力学仿真的水电机组振动分析系统及应用 215
9.1 基于仿真模型的故障诊断及设备健康状态评价 215
9.1.1 基于仿真模型的故障诊断方法 216
9.1.2 基于仿真模型的设备健康状态评价方法 216
9.2 水电机组振动仿真分析系统的建立 217
9.2.1 振动仿真分析系统的构成 217
9.2.2 轴系动力学模型的建立 220
9.2.3 基于轴系仿真模型的水电机组振动仿真分析系统 229
9.3 基于轴系仿真模型的水电机组振动分析系统的应用 232
9.3.1 考察和分析工况变化对轴系振动特性的影响 232
9.3.2 模拟实际振动试验 234
9.3.3 仿真水力不平衡对机组振动特性的影响 238
参考文献 241
