內容簡介
《先進燃氣輪機設計製造基礎專著係列:軸承轉子係統動力學:應用篇(下冊)》較為係統地介紹瞭軸承轉於係統動力學的基礎理論、分析方法及其在工程中的應用案例,分為基礎篇和應用篇上、下兩冊。基礎篇主要內容是關於軸承轉子係統動力學基礎理論與分析方法的介紹;應用篇則主要涵蓋瞭對於三大類機組亦即多平行軸壓縮機機組、大型汽輪發電機組以及重型燃氣輪機組閤轉子係統動力學的研究進展。
《先進燃氣輪機設計製造基礎專著係列:軸承轉子係統動力學:應用篇(下冊)》可作為高等院校機械、力學類教材使用,也可供從事軸承轉子係統動力學研究的專業工程技術人員參考。
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目錄
第9章 復雜轉子係統的固有振動和強迫振動響應
9.1 軸承轉子係統的固有振動分析
9.1.1 鄧柯萊法
9.1.2 經典瑞利法
9.1.3 復模態分析及廣義瑞利法
9.1.4 廣義逆迭代法
9.2 轉子係統的靈敏度分析
9.3 轉子係統強迫振動響應求解方法
9.3.1 振型疊加法
9.3.2 直接求解法
9.3.3 傳遞矩陣法
9.4 可傾瓦軸承支承的單跨多質量轉子係統
9.4.1 係統穩定性分析
9.4.2 係統靈敏度分析
參考文獻
第10章 齒輪傳動的多平行軸轉子係統
10.1 齒輪傳動的平行軸係統的一般處理方法
10.1.1 齒輪耦閤模型
10.1.2 多圓盤轉子的扭轉振動
10.1.3 轉子的彎扭復閤振動
10.2 齒輪耦閤的兩平行軸轉子係統
10.2.1 小擾動下的齒輪耦閤幾何關係
10.2.2 齒輪嚙閤過程中的力、力矩增量
10.2.3 兩平行軸轉子係統的動力學方程
10.3 齒輪耦閤的多平行軸係統動力學分析
10.3.1 多平行軸係統的模態分析
10.3.2 多平行軸係統的強迫振動響應
參考文獻
第11章 大型汽輪發電機組軸係動力學分析
11.1 大型汽輪發電機組軸係結構
11.2 多支承軸係動力學分析
11.2.1 多支承軸係的負荷分配
11.2.2 油膜剛度和阻尼對轉子臨界轉速的影響
11.2.3 單跨轉子係統的穩定性
11.2.4 多跨轉子間的耦閤效應
11.3 聯軸器的耦閤效應
11.3.1 聯軸器結構與力學模型
11.3.2 剛性聯軸器的耦閤效應
11.3.3 聯軸器連接剛度的影響
11.4 徑嚮滑動軸承對於軸係穩定性的貢獻評估
11.5 不同軸承對於軸係穩定性的影響
參考文獻
第12章 重型燃氣輪機組閤轉子中接觸界麵的力傳遞機製
12.1 引言
12.1.1 重型燃氣輪機發展概況
12.1.2 重型燃氣輪機軸承轉子係統研究的相關問題
12.2 接觸界麵力傳遞模型評述
12.3 組閤轉子預緊飽和狀態下力傳遞特性的精確錶達
參考文獻
第13章 組閤轉子預緊飽和狀態下的基本解係和普適性動力學分析方法
13.1 預緊組閤轉子研究評述
13.2 分段預緊組閤轉子的撓麯變形方程
13.3 分段預緊組閤轉子中的力傳遞機製與基本解係
13.4 預緊拉杆的固有頻率計算
13.5 分段預緊組閤轉子動力學分析的普適性方法
13.5.1 無預緊軸段質點的運動方程
13.5.2 預緊軸段質點的運動方程
參考文獻
第14章 重型燃氣輪機組閤轉子係統的結構強度分析與設計準則
14.1 引言
14.2 組閤轉子的三維動力學建模
14.3 重型燃氣輪機組閤轉子結構強度與安全裕度選擇
14.3.1 組閤轉子最大Von Mises應力與安全裕度
14.3.2 拉杆結構最大Von Mises應力與安全裕度
14.3.3 關於重型燃氣輪機接觸界麵“100%接觸”的詮釋
14.4 重型燃氣輪機軸承轉子係統設計準則
14.4.1 組閤轉子接觸界麵設計準則
14.4.2 組閤轉子動力學設計準則
14.5 重型燃氣輪機轉子的軸承設計
14.5.1 固定瓦可傾瓦軸承和動態性能錶徵
14.5.2 重型燃氣輪機轉子係統柔性支承設計準則
參考文獻
第15章 重型燃氣輪機轉子係統動力學實驗研究
15.1 基於支承剛度可變的油膜動特性參數辨識
15.2 軸承擺架子係統的結構參數估計與振動模態分析
15.2.1 軸承擺架子係統結構參數的數值計算
15.2.2 軸承擺架子係統的動力學仿真
15.2.3 軸承擺架子係統的結構參數測量
15.2.4 擺架係統結構參數辨識結果的比較與討論
15.3 基於高速動平衡機的重型燃氣輪機軸承軸係全尺寸實驗
15.3.1 全尺寸軸承油膜動特性係數辨識
15.3.2 重型燃氣輪機全尺寸軸係動力學性能實驗
15.3.3 重型燃氣輪機機組動力學性能的在綫測試
參考文獻
第16章 軸承轉子係統的非綫性動力學分析
16.1 概述
16.1.1 軸承轉子非綫性動力係統的一般錶述
16.1.2 軸承轉子非綫性動力係統的主要研究內容
16.1.3 非綫性動力係統研究的一般方法
16.2 非綫性動力係統的穩定性、分岔理論
16.2.1 龐加萊映射
16.2.2 非綫性動力係統穩定性分析的一般方法
16.2.3 非綫性動力係統平衡點解的霍普夫分岔理論
16.2.4 非綫性動力係統穩態周期解的穩定性分岔理論
16.2.5 非綫性動力係統的僞周期解及混沌解
16.3 軸承轉子非綫性動力係統穩定性、分岔問題的數值分析方法
16.3.1 軸承轉子係統平衡點解的預測追蹤算法
16.3.2 軸承轉子係統周期解的預測追蹤算法
16.4 非綫性動力係統的全局穩定性及其數值分析方法
16.4.1 胞映射方法
16.4.2 全局穩定性分析的數值方法——龐加萊型胞映射法
16.5 軸承轉子係統非綫性動力分析實例
16.5.1 剛性軸承轉子係統的運動方程
16.5.2 平衡軸承轉子係統平衡點解的霍普夫分岔
16.5.3 平衡軸承轉子係統周期解的穩定性分岔分析
16.5.4 不平衡軸承轉子係統同步周期解的穩定性分岔規律
16.5.5 平衡軸承轉子係統自激振動的全局性態分析
16.5.6 不平衡軸承轉子係統的全局性態分析
16.5.7 小結
參考文獻
索引
前言/序言
鏇轉機械在能源電力、交通、石油化工、軍工生産及空間技術中占有極其重要的地位,也是國民經濟支柱産業的關鍵高端裝備。
有彆於其他工程機械的最大特點是:在鏇轉機械中,轉子與其他不動件之間是依賴小間隙約束而構成完整係統的。機組的失效也總是最先錶現在這類小間隙約束的破壞與失效方麵,而機組振動則是導緻小間隙約束破壞的直接原因。因此在鏇轉機械發展的整個曆史進程中,如何保證轉子係統在小間隙約束條件下具有優良的動力學品質這一命題始終是學術界和工程界關注的焦點。軸承轉子係統動力學就是這樣一門研究在各種小間隙激勵因素作用下轉子係統動力學行為的科學。
本書是在參閱瞭國內外大量研究文獻,以及總結我和我的同事們在本領域內數十年科學研究成果的基礎上完成的。全書內容一部分是在2001年齣版的同名研究生教材基礎上修改而成的;增加和擴展部分則總結瞭作者在本領域內十餘年來新的研究成果。與2001年齣版的同名教材相比,在內容深度和廣度上都大為拓展瞭。
全書共16章,分為基礎篇(上冊)和應用篇(下冊)。基礎篇主要內容是關於軸承轉子係統動力學基礎理論、分析方法的介紹;應用篇則主要涵蓋瞭對於三大類機組亦即多平行軸壓縮機機組、大型汽輪發電機組以及重型燃氣輪機組閤轉子係統動力學的研究進展。書中第6、第16章由劉恒教授撰寫;第3、第12~14章由王為民博士撰寫;第4、第10、第15章分彆取材於賈妍博士、李明博士和張明書博士的博士論文;其餘章節以及全書的定稿由虞烈完成。
貫穿本書的主導思想是:與單一零部件相比,鏇轉機械的動力學行為在更大程度上取決於係統,這裏所說的係統是指包括轉子、支承、密封等在內的集成;另外一個需要充分關注的是關於係統的復雜性研究和非綫性研究,隨著現代機電係統的日趨復雜化,它們將成為二十一世紀科學研究的重要內容。
自然界的規律是客觀存在的。同樣,知識也是有生命的——人類在認識自然規律過程中以往所獲得的正確認知,歲月的更替令它們常新不再,但並不消亡。這些知識作為人類文明的一部分被傳承下去,並隨著科學技術的進步不斷地深化、豐富與發展,永無窮盡。這也許正是廣大科學工作者願意為之奉獻畢生的真正動力與原因。
特彆感謝國傢重點基礎研究發展計劃和國傢自然科學基金曆年來所給予的資助。特彆感謝國傢科學技術學術著作齣版基金委員會對本書齣版的資助。
特彆感謝景敏卿教授、周健高級工程師、孫岩樺副教授、耿海鵬博士、戚社苗博士、李輝光博士、楊利花副教授和研究所同仁在工作中所給予的長期支持和幫助。
感謝所有曾經與我共同工作過的碩士和博士們,他們的聰明纔智和卓有成效的工作令我受益良多。
感謝所有的朋友與親人們!
因學識有限,謬誤難免,尚望大傢不吝賜教。
《先進燃氣輪機設計製造基礎專著係列:軸承轉子係統動力學:應用篇(下冊)》 概述 《先進燃氣輪機設計製造基礎專著係列:軸承轉子係統動力學:應用篇(下冊)》作為該係列專著的組成部分,聚焦於現代燃氣輪機設計與製造領域中至關重要的軸承轉子係統動力學問題,並深入探討其在實際工程應用中的解決方案和前沿技術。本書在“應用篇”的框架下,以前冊為基礎,更加側重於將軸承轉子係統動力學的理論知識轉化為解決復雜工程問題的實際方法和先進技術。全書旨在為燃氣輪機設計工程師、研發人員、以及相關領域的科研工作者提供一套係統、深入且極具實踐指導意義的參考。 內容聚焦與結構安排 本書的結構緊密圍繞軸承轉子係統動力學在先進燃氣輪機中的實際應用展開,力求全麵覆蓋設計、分析、試驗、診斷以及優化等各個環節。其內容安排旨在引導讀者從理論走嚮實踐,理解並掌握如何應對燃氣輪機在高速、高溫、高壓等極端工況下,軸承轉子係統所麵臨的挑戰。 第一部分:先進軸承設計與應用 本部分將深入剖析各種先進軸承類型在燃氣輪機中的應用,包括但不限於: 流體動壓軸承(Hydrodynamic Bearings): 詳細闡述不同幾何形狀(如徑嚮滑動軸承、推力軸承、三瓣軸承、錐形軸承等)的設計理論、流體動力學特性以及在不同轉速、載荷下的性能錶現。重點分析薄膜特性、油膜剛度和阻尼的計算方法,以及如何通過優化軸承結構參數以提高承載能力、抑製振動並降低功率損失。將結閤實際案例,探討流體動壓軸承在不同燃氣輪機部件(如壓氣機、渦輪、齒輪箱)中的具體應用,以及針對高溫、高載荷等工況的特殊設計考量。 氣體軸承(Gas Bearings): 重點介紹氣體動壓軸承和氣體靜壓軸承在燃氣輪機中的獨特優勢,尤其是在高溫、低粘度潤滑劑(如空氣)條件下的應用。詳細講解氣體軸承的流體動力學理論,包括氣膜的壓縮性效應,以及如何分析和預測其剛度、阻尼特性。討論氣體軸承在小型燃氣輪機、渦輪增壓器等應用中的設計要點,以及如何剋服氣膜漏氣、啓動性能等挑戰。 動壓軸承(Journal Bearings)與推力軸承(Thrust Bearings)的組閤應用: 分析燃氣輪機復雜轉子係統中的徑嚮與軸嚮載荷共同作用情況,探討如何設計和匹配動壓軸承與推力軸承,以實現整體轉子係統的穩定運行。重點研究多點支撐、柔性軸承座等結構對軸承係統性能的影響。 先進潤滑技術與材料: 探討用於高溫、高轉速環境的特種潤滑劑(如閤成潤滑油、固體潤滑劑)及其在軸承設計中的應用。分析高性能軸承材料(如陶瓷、復閤材料)的特性,以及它們如何提升軸承的耐磨性、耐腐蝕性和高溫穩定性,從而延長軸承壽命並提高轉子係統可靠性。 第二部分:轉子係統動力學分析與建模 本部分將聚焦於轉子係統整體動力學行為的精確建模與分析,為理解和預測係統響應奠定基礎: 轉子係統動力學模型建立: 介紹多種轉子係統動力學建模方法,包括有限元法(FEM)、集中質量法(Lumped Mass Method)以及連續體模型(Continuous Body Models)。詳細講解如何將軸承、轉子、齒輪、盤片等部件的特性集成到整體轉子動力學模型中。重點關注建模過程中需要考慮的關鍵因素,如軸承的非綫性特性(油膜力)、轉子的不平衡、軸的彎麯、齒輪的嚙閤效應以及不同轉速下的剛度與阻尼變化。 模態分析與臨界轉速計算: 深入闡述轉子係統的固有頻率(模態)和臨界轉速(臨界速度)的計算方法。分析臨界轉速的物理意義,以及它與轉子係統剛度、質量分布及軸承特性的關係。探討如何通過優化設計參數(如轉子剛度、軸承剛度)來規避或推移臨界轉速,確保轉子係統在運行轉速範圍內平穩無振動。 不平衡響應分析: 詳細講解轉子係統在存在不平衡質量時的響應分析。分析不平衡引起的激振力,以及轉子係統在不同轉速下的幅頻響應。介紹平衡技術(如單平麵平衡、雙平麵平衡)在現場和製造過程中的應用,以及如何利用不平衡響應分析來診斷轉子係統的故障。 碰摩與失速分析: 深入探討轉子係統發生碰摩(Rotor-Stator Contact)的現象及其動力學後果,包括振動加劇、功率損失和部件損壞。分析不同類型的碰摩(如轉子與殼體碰摩、轉子與密封碰摩)的機理,以及如何通過調整間隙、優化結構設計來預防碰摩。針對燃氣輪機特有的失速(Stall)現象,分析其與轉子動力學的相互作用,以及可能引起的極端振動。 軸承與轉子係統的耦閤動力學: 重點研究軸承的非綫性油膜力(剛度和阻尼)對整個轉子係統動力學行為的影響。分析油膜力的非綫性特性如何導緻更復雜的振動模式,如渦動(Whirl)和振蕩(Oscillation)。介紹數值仿真技術,用於求解軸承-轉子耦閤係統的非綫性動力學方程,並預測係統的穩定性。 第三部分:先進分析與試驗技術 本部分將介紹用於理解和評估軸承轉子係統性能的先進分析手段和試驗方法: 數值仿真與多物理場耦閤分析: 介紹先進的計算流體動力學(CFD)與有限元分析(FEA)耦閤方法,用於精確預測軸承流體動力學性能,並將其反饋到轉子動力學模型中。探討熱-力-流耦閤分析,以考慮高溫對材料性能和軸承間隙的影響。介紹接觸力學分析,用於模擬轉子與密封、葉片等部件的潛在接觸。 轉子動力學試驗技術: 詳細介紹轉子係統動力學特性的試驗測試方法,包括臨界轉速測試、平衡試驗、振動信號測量與分析。介紹各種傳感器(如加速度計、位移傳感器、轉速傳感器)的應用,以及數據采集與處理係統的配置。重點關注在綫監測係統(OMS)在運行狀態下的數據采集與實時分析。 故障診斷與狀態監測: 深入探討基於振動分析的轉子係統故障診斷技術,包括不平衡、不對中、軸承損壞、齒輪故障等常見故障的識彆方法。介紹先進的信號處理技術,如FFT、小波分析、時域-頻域分析等,用於提取故障特徵。強調狀態監測(Condition Monitoring)在預防性維護和提高燃氣輪機可靠性中的作用。 可靠性工程與壽命預測: 討論軸承轉子係統在設計和運行過程中的可靠性工程考量。介紹基於損傷纍積模型(Damage Accumulation Models)和概率論的壽命預測方法,以評估軸承和轉子部件的剩餘壽命。分析設計裕度(Design Margin)和安全係數(Safety Factor)在可靠性設計中的重要性。 第四部分:前沿技術與發展趨勢 本部分將展望軸承轉子係統動力學在燃氣輪機領域的前沿技術和未來發展方嚮: 智能軸承與自適應控製: 探討智能軸承(Smart Bearings)的概念,即集成傳感器、執行器和微處理器的軸承,能夠實時監測自身狀態,並根據工況進行自適應調整。研究主動阻尼與主動支撐技術,以進一步抑製振動和提高係統穩定性。 新型軸承技術: 介紹和展望下一代軸承技術,如磁力軸承(Magnetic Bearings)在高溫、超高速應用中的潛力,以及在能源效率方麵的優勢。探討微機電係統(MEMS)在軸承技術中的應用可能性。 數字化孿生與虛擬測試: 討論構建燃氣輪機軸承轉子係統的數字化孿生(Digital Twin),實現對物理係統的實時映射和預測。重點介紹利用虛擬測試(Virtual Testing)來加速設計迭代、降低試驗成本,並全麵評估係統在各種極端工況下的性能。 先進製造技術在軸承轉子係統中的應用: 探討增材製造(3D打印)、精密加工等先進製造技術如何為設計復雜幾何形狀的軸承、製造高性能轉子部件提供可能,從而進一步提升燃氣輪機性能。 目標讀者 本書適用於: 燃氣輪機設計與研發工程師: 掌握先進軸承設計、轉子動力學建模與分析,為高性能、高可靠性燃氣輪機設計提供技術支持。 航空發動機和工業燃氣輪機領域的科研人員: 深入瞭解軸承轉子係統動力學的最新研究進展和理論方法。 設備運維與故障診斷工程師: 提升對轉子係統運行狀態的理解,掌握先進的故障診斷與狀態監測技術。 高等院校機械工程、動力工程及相關專業的師生: 作為一本係統深入的教材或參考書,為學生提供紮實的理論基礎和工程實踐指導。 結論 《先進燃氣輪機設計製造基礎專著係列:軸承轉子係統動力學:應用篇(下冊)》通過對軸承設計、轉子動力學建模、分析方法、試驗技術以及前沿趨勢的全麵而深入的探討,為讀者構建瞭一個完整、係統的軸承轉子係統動力學知識體係。本書不僅強調理論的嚴謹性,更注重其實際應用價值,旨在賦能讀者解決燃氣輪機設計與運行中的實際挑戰,推動燃氣輪機技術的不斷進步。