叶片式流体机械动力学分析及应用_赖喜德, 徐永著_9787030518415

叶片式流体机械动力学分析及应用

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    本书针对该类机械的设计与运行过程中设计的机械结构动力学、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地探讨，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。

　　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，主要包括叶片式泵、水轮机、压缩机、风机、汽轮机、燃气轮机、风力机等。在现代电力工业中绝大部分发电量是由叶片式流体动力机械承担的，其中汽轮机、燃气轮机和风力机约占70%，水轮机约占30%。叶片式流体工作机械作为通用机械，据统计，总用电量中约1／3是用于驱动泵、风机和压缩机的。叶片式流体机械是一类应用极为广泛的旋转机械设备，在国民经济的很多领域中起着极为重要的作用。叶片式流体机械广泛应用于电力工业、水利工程、动力工程、市政工程、制冷与低温工程、化学工业、石油工业、钢铁工业、采矿工业、航空航天工业等领域。
　　随着各应用领域的不断发展，对叶片式流体机械产品的性能、可靠性、开发周期等提出了更高的要求。根据能量传递的方向不同，可以将叶片式流体机械分为原动机（如水轮机、汽轮机、燃气轮机、风力机）和工作机（如泵、压缩机）。原动机将流体的能量转换为机械能，工作机则将机械能转换为流体的能量。无论是叶片式原动机还是工作机都在向大型、高速、大功率方向发展，运行工况也非常复杂，其动力学特性方面引起的问题也越来越多、越来越严重。该类机械的设计与运行过程中除需要解决传统的结构静力学和流体动力学问题外，还涉及复杂的机械结构动力学、“流体一结构”耦合动力学、转子动力学、转子一支撑系统的动力学等动力学设计和分析问题。在传统的叶片式流体机械研究中，将其动力学问题主要归为流体动力学、结构动力学和转子动力学三大类来研究，结构动力学和转子动力学问题有所交叉，流体动力学相对独立。但是在实际工程中，这三大类相互融合并对机组的动力学特性产生相互影响。大型机组的支撑系统动力特性对转子和机组结构的动力学特性影响巨大。在运行过程中，“流体一结构”耦合引起的动力学特性非常复杂，流体引起的振动、噪声、运行稳定性等动力学问题也需要深入研究。
　　动力学分析与数值仿真技术是现代叶片式流体机械的性能参数提高和可靠性保证的技术基础。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。叶片式流体机械的动力学主要研究方法包括理论分析、试验分析和数值模拟分析，随着叶片式流体机械的数字化设计理论及技术研究开发的不断深入，数值模拟分析已成为主要的手段。本书针对该类机械在设计与运行过程中涉及的机械结构动力学、转子动力学、“流体一结构”耦合动力学等方面的理论及分析方法进行较为系统地探讨。针对设计与运行过程中这些动力学问题的分析特点和一些工程实例，根据内容的相关性和紧密程度，全书共分10章。第0章是绪论，主要介绍叶片式流体机械设计与运行过程中涉及的动力学、主要研究内容和研究方法，较为全面地介绍工程中目前叶片式流体机械的动力学分析体系和发展趋势；第1章针对叶片式流体机械结构和运行特点，介绍其结构动力学和振动分析方法，为其后动力学分析的基础；第2章针对叶片式流体机械中的主要振源，讨论在运行过程中来自流体诱发、机械不平衡、电磁和系统其他方面产生的激振力及振动特征，为后续各章计算分析考虑载荷等奠定基础；第3章针对叶片式流体机械中的“流体一结构”耦合问题，介绍目前广泛采用的分离法来求解流固耦合问题的实现方法，并以混流式叶轮动态应力分析的流固耦合数值模拟与实测为例说明在工程中的应用；第4章在第1章基础上介绍考虑流体机械流固耦合问题的结构模态分析及数值模拟方法，以水轮机转轮、水泵叶轮、水轮机座环为例说明结构模态分析在工程问题中的应用，以某核主泵机组的地震安全校核计算为例，介绍地震谱分析在叶片式流体机械工程中的应用；第5章针对大型叶片式流体机械广泛采用的液膜轴承作为转子支撑系统，讨论导轴承、密封等动力学特性的数值模拟分析方法；第6章针对叶片式流体机械转子的结构和受力特点，介绍其转子动力学分析的内容和数值模拟方法，以一个立式水轮发电机组转动部件和一个汽轮发电机组转子的振动模态、转子稳定性及谐响应分析、瞬态分析等转子动力学特性计算分析为例说明在工程问题中的应用；第7章是针对叶片式水力机械的水压脉动与水力振动特征分析专题，讨论叶轮与导叶之间的动静干扰、尾水管的低频涡带、叶道涡及过流部件的绕流体产生的高频卡门涡及空化噪声而引起的压力脉动的主要特征及间隙不均匀、压力管道系统等引起的水力振动特征和数值模拟分析；第8章结合水电机组的振动状态监测，介绍叶片式流体机械振动特性的测量分析方法；第9章是基于轴系仿真模型的水电机组振动分析系统专题，介绍根据大型立式水轮发电机组结构特点，综合应用叶片式流体机械动力学分析建立适当的机组轴系动力学仿真模型，开发出水电机组振动仿真分析系统，基于仿真模型来研究机组动力学性能以及各种振动故障的产生原因。
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　　赖喜德，1962年9月出生，先后获华中理工大学流体机械及工程工学硕士学位及华中科技大学机械工程工学博士学位。四川省学术和技术带头人、享受国务院政府特殊津贴专家、国家二级教授。现任西华大学教授，动力工程及工程热物理、水利工程硕士生导师；西华大学学术委员会委员、流体及动力机械教育部重点实验室学术委员会委员、《西华大学学报》编委；四川省自动化学会理事、自动化与计算机辅助技术专委会副主任，四川水力发电工程学会水力机械专委会副主任；中国农业机械学会排灌机械分会委员，中国机械工业标准化技术协会排灌专业委员会委员；国家自然科学基金评审专家，国内外多个期刊论文审稿人。
　　自1982年大学本科毕业以来，先后在东方电气集团东方电机有限公司及西华大学等单位从事科研和教学工作。曾先后八次到德国、美国、加拿大、瑞士、韩国、巴西、澳大利亚等国家进行短期的技术合作并在日本山口大学和美国加州大学圣地哥分校研修。负责或主研完成了多项国家“八五”和“九五”重大科技攻关项目及国家自然科学基金重大项目。负责完成省部级以上科研项目10余项、大型企业委托科研项目40余项，并有10余项通过国家及省部级鉴定或验收，已获国家科技进步二等奖1项，部省级科技进步二、三等奖4项，地市级科技进步一等奖2项。已在国内外公开发表学术论文170余篇（SCI、EI收录50余篇），2007年出版《叶片式流体机械的数字化设计与制造》专著1部，培养硕士和博士研究生80余人。
　　
　　徐永，1984年1月出生，先后获得华中科技大学计算数学专业硕士及系统分析与集成专业博士学位，博士期间师从于李朝晖教授、赖喜德教授。现任四川大学流体机械及工程专业讲师，为ASME（美国机械工程师学会）会员，中国电机工程学会会员。兼任国家自然科学基金评审人、《Journal of Vibration and Control》、《ASME Journal of Vibration and Acoustics》等杂志论文审稿人。主要从事大型水轮发电机组振动故障机理及故障诊断方法研究。曾于德国短期访问一次，负责国家青年自然科学基金项目1项，负责或作为主要参与人完成省部级纵向科研课题及企业委托科研项目10余项。已在国内外公开发表学术论文10余篇（SCI、EI收录5篇）。

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