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随着社会与经济的迅猛发展,水轮发电机组正朝着大型化、高速化和大功率方向发展,集成化程度越来越高。随着水电在电力能源结构中比例不断增加,其对电网稳定运行所带来的影响也逐渐加大。在水力、机械和电磁等外界因素的相互影响下,机组振动问题日益突出,由此引发的非线性动力学现象广受工程界和学术界关注,已成为水电行业的热点研究之一。本文以水轮发电机组轴系为研究对象,考虑到振动问题在机组运行过程中的普遍性,对转子-轴承系统在不平衡磁拉力作用下的动力特性、电磁力与密封力联合作用下系统的非线性动力学行为、水轮机转轮-密封系统的稳定性和由不平衡磁拉力(Unbalanced Magnetic Pull, UMP)引起的机组定、转子碰摩动力学特性等进行了系统的分析,论文主要研究内容和成果如下：(1)针对以往多从单一方面分析UMP或密封力激励下机组运动特性的问题,建立了考虑UMP和非线性密封力共同作用的机组转子-转轮-密封系统模型。该力学模型较好地反映了系统的非线性动力学行为,通过参数的敏感性分析可以进一步揭示其非线性失稳的产生和发展变化规律,为机组动力设计和运行稳定控制提供理论支撑。(2)建立了机组转子-轴承系统的非线性电磁动力学模型和运动微分方程,从转子轴心轨迹和频域两方面,重点分析了轴承参数,如轴承长径比和轴颈间隙在有无UMP情况下对系统横向振动特性的影响,为机组振动故障诊断以及在UMP作用下的动力特性分析提供了参考。(3)针对定、转子在UMP作用下的碰摩问题,首次建立了UMP作用下水轮发电机组碰摩转子-轴承系统的非线性动力学模型,并以与UMP大小关系最为紧密的参数之一一励磁电流作为重点分析对象,研究了其变化对系统动态特性的影响。该模型可以较好地反映碰摩转子系统在励磁电流变化过程中所呈现的一系列非线性动力学行为,能够解释系统在UMP与碰摩力耦合作用下的振动现象及其发生发展规律,为提高机组振动故障诊断的准确性与振动主动控制提供了有益借鉴。(4)在对转子-转轮-密封系统动力特性分析的基础上,研究了水轮机转轮-密封系统在线性、非线性密封力作用下的稳定性及失稳临界转速。根据不同密封参数对失稳临界转速的影响规律,给出了系统减小、甚至避免自激振动的路线或措施,为机组转轮-密封系统的动态设计和稳定运行提供了参考。