《History of Rotating Machinery Dynamics》

请叫我雷锋

《History of Rotating Machinery Dynamics》
旋转机械动力学史
作者：
J.S. Rao
Altair Engineering
Chief Science Officer
出版社：Springer
出版时间：2011年

《History of Rotating Machinery Dynamics》

《History of Rotating Machinery Dynamics》

《History of Rotating Machinery Dynamics》

《History of Rotating Machinery Dynamics》

目录
Foreword . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix
1 Beginnings of the Wheel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Science before the Medieval Period . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3 Water Wheels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4 Wind Mills . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5 Renaissance and Scientific Revolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
6 Renaissance Engineers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
7 Industrial Revolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
vii
viii Contents
8 Turbomachines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
9 Fundamentals of Elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
10 Energy Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
10.1 Euler–Lagrange Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
10.2 LagrangeMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
10.3 Rayleigh’s Energy Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
10.4 RitzMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
10.5 Lagrange Method for Vibration Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
10.6 GalerkinMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
10.7 Hamilton’s Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
10.8 Complementary VirtualWork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
10.9 Hellinger–Reissner Variational Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
10.10Hu–Washizu Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
10.11Different Theories of Torsion of Rods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
10.11.1Coulomb (1784) Elementary Theory , see Timoshenko
and Goodier [42] for Circular Rods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
10.11.2St. Venant (1853) Theory, see Todhunter [43] and
Timoshenko and Goodier [42] for Circular Rods . . . . . . . . . . 90
10.11.3Love’s (1944) Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
10.11.4Timoshenko (1945) – Gere’s (1954) Theory . . . . . . . . . . . . . . 91
10.11.5Reissner (1952) and Lo–Goulard’s (1955) Theory . . . . . . . . 92
10.11.6Barr’s (1962) Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
10.11.7Refined Theory by Rao (1974) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
11 20th Century Graphical and Numerical Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
11.1 Stodola–Viannello (Rayleigh’s Maximum Energy) Method in
Graphical Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
11.2 Stodola–Viannello Iterative Method in Tabular Form . . . . . . . . . . . . . 101
11.3 Dunkerley’sMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
11.4 Proof of the Dunkerley Formula by Blaess [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
11.5 Hahn’s Proof Using Matrix Algebra [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
11.6 HolzerMethod for TorsionalVibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
11.7 TheMyklestadMethod [7,8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
11.8 Prohl’sMethod [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Contents ix
12 Matrix Methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
12.1 TorsionalVibration Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
12.2 Far-Coupled Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
12.3 Gräffe’s Method of Successive Approximations . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
12.4 Matrix IterationMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
12.5 Method of Priebs [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
12.6 The Holzer Method (Close Coupled Systems) in Transfer Matrix
Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
12.7 Myklestad–Thomson (1949, 1953) – Prohl Methods in Transfer
Matrix Form for Far-Coupled Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
12.8 A Brief Note on Computers and Evolution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
13 Finite Element Methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
13.1 BeamFinite Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
13.2 Tocher Triangular Plate Element (1962) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
13.3 Shell Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
13.4 Interface Damping through Finite Element Analysis . . . . . . . . . . . . . 163
13.5 Illustration of Turbomachine Blade Analysis using Commercial
Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
14 Rotor Dynamics Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
14.1 De LavalModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
14.2 Jeffcott RotorAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
14.3 Fluid Film Bearings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
14.4 Oil Film Instabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
14.5 Quality Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
14.6 Gyroscopic Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
14.7 Internal Friction,Hysteresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
14.8 Shafts with Gravity and Variable Elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
14.9 Misalignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
14.10Bowed Rotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
14.11Variable Inertia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
14.12Seals and Instabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
14.13SteamWhirl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
14.14Cracked Shafts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
15 Transfer Matrix Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
15.1 Torsional Vibration due to Short Circuit of Generators . . . . . . . . . . . . 253
15.2 TransferMatrixMethod for Lateral Vibrations of Rotors . . . . . . . . . . 258
15.3 Twin Spool Rotor Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
x Contents
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
16 Finite Element Methods for Rotor Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
16.1 Nelson’s Beam Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
16.2 Geared Rotors and Chaos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
16.3 Solid Rotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
16.4 Two Spool Aircraft Engine [21] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
16.5 Cryogenic Pump Rotor Dynamic Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
17 Bladed Disks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
17.1 Armstrong’s Analysis for Tuned Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
17.2 Ewins’ Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
17.3 Mistuning Arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
17.4 Damping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
17.5 Micro-Slip Damping (Fretting Fatigue) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
18 Lifing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
18.1 High Cycle Fatigue (HCF) Life Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
18.2 Low Cycle Fatigue (Strain Based Life Estimation) . . . . . . . . . . . . . . . 333
18.3 Linear Elastic Fracture Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
19 Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
19.1 Shape Optimization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
19.2 Weight Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
20 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355


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