振动是影响水轮发电机组安全、稳定运行的最重要因素之一。过大的振动会导致材料的疲劳损坏,缩短设备的使用寿命,甚至可能引发严重的机组毁坏事故,造成重大的经济损失。随着水轮发电机组单机装机容量和水头的不断提高,机组的振动问题日益突出,已经成为水电行业亟待解决的关键课题之一。建立一个合适的水轮发电机组轴系动力学模型对于振动机理的阐明、振动故障的诊断以及状态检修技术的实现都具有重要的研究意义。本文以葛洲坝电厂125MW机组为例,深入研究了大型水轮发电机组轴系的动力学建模与仿真。为了建立更准确的轴系动力学模型,详细分析了机组的结构特性。针对机组的结构特性,将机组轴系的动力学相关因素按逻辑分为轴系本体、边界条件、外部激励、运行工况四个模块。轴系本体指机组的旋转部分,为主要的研究对象。边界条件和外部激励是影响轴系动力响应的重要因素,而运行工况参数如转速、励磁电流及负荷等对边界条件和外部激励都具有重要的影响。在认真总结转子动力学建模理论的基础上,选用了有限元方法建立机组轴系本体模型。详细讨论了利用转子动力学有限元方法建立轴系本体转子模型的过程,以及实际机组建模过程中的问题及解决办法。在此基础上,分别详细论述了对机组轴系动力响应具有重要影响的边界条件和外部激励。其中边界条件主要包括导轴承、推力轴承及密封等,与轴系的动力响应密切相关,同时对轴系的动力特性具有重要影响。数值计算的方法可以较精确地求解轴承动力特性系数,但是因为过大的计算量而无法在轴系响应分析时实时更新系数。为了解决这一问题,提出了简洁而实用的基于动力特性系数数据库的轴承分析方法。既解决数值计算方法计算量过大而无法实用的问题,又改进了传统的轴系响应分析时轴承分析过于简化的缺陷。该轴承分析方法还可以考虑转速及轴承间隙对轴承力的影响,使模型能够仿真分析轴承参数对轴系动力响应的影响。外部激励指质量不平衡力、水力、不平衡磁拉力及故障因素引起的受力等。水轮发电机组在运行中表现出的一些“个性”较强的特征,往往是由运行环境所引起的外部激励所造成。轴系所受的水力及不平衡磁拉力分别由流固耦合作用及电磁场作用引起,通过有限元等数值计算方法能够计算得到较精确的受力。但是,同样存在计算量过大而无法适用于以轴系响应分析为目的的模型的问题。为此,提出了利用发电机空载特性曲线分析计算不平衡磁拉力的方法。该分析方法考虑了励磁电流及其饱和效应对不平衡磁拉力的影响,改进了以往轴系响应分析中用一个负刚度系数简化不平衡磁拉力作用的做法。提出了施加不平衡力矩于轴系转角自由度的方法模拟水力不平衡。通过对机组轴系各模块的系统分析,得到一个描述机组轴系动力学特性的仿真模型。仿真模型是一个只在若干结点自由度上具有局部非线性因素的线性动力系统,由一个高维二阶微分方程组描述。利用数值积分方法求解该系统运动方程,可在合理的时间内得到轴系的动力响应。利用动力学模型仿真分析了机组在变转速试验、变励磁试验、工况变化以及轮叶和导叶开口不均下的振动特性。与葛洲坝水电站最优维护信息系统(HOMIS)采集到的振动监测信息进行对比分析,得到一些有意义的振动故障机理推断知识。分析结果显示,仿真模型在振动机理的阐明、振动故障的诊断方面已显示出其应用价值。在该轴系仿真模型框架下,不断完善相应结点下各种影响因素的考虑,可发展成为更加成熟的仿真模型。模型精度将更高,应用范围将更广,应用价值也将更大。