本文围绕建立能够投入实际应用的汽轮发电机组在线监测、分析和保护方法这一目标展开研究,主要研究内容包括轴系转子-叶片耦合扭振模型建模与仿真、汽轮发电机组扭振故障机理和特征分析、汽轮发电机组轴系扭振疲劳寿命损耗分析以及轴系扭振在线监测、分析与保护策略研究。本文通过对上述问题的深入研究,形成了机组轴系扭振安全性在线评价的整体思路和方法,制定了一套汽轮发电机组扭振监测、分析、预警、诊断和保护方案并最终开发了一套汽轮发电机组轴系扭振在线监测、分析和保护装置。在轴系转子-叶片耦合扭振模型建模与仿真方法研究方面,采用将汽轮发电机组轴系及其叶轮模化为带分支结构的集中质量模型的方法对轴系进行建模,并对转子-叶片耦合扭振动态响应分析方法进行研究。针对振动特性复杂的低压缸末级叶片等长叶片,提出了一种适用于扭振分析的叶片振动模型建模方法及其参数的调整方法。在此基础上,建立了转子-叶片耦合扭振模型并提出了一套转子-叶片耦合扭振动态响应分析方法。在汽轮发电机组扭振故障机理和特征分析方面,利用FMEA的方法对可能导致汽轮发电机组轴系扭振的故障进行故障模式影响分析,并针对容易引发轴系严重扭振的几种故障：次同步振荡、发电机短路、非同期并列和自动重合闸不成功进行了重点研究。针对扭振故障中发电机电磁力矩变化特点,对轴系进行了扭振动态响应仿真,分析了轴系在各类故障下的扭矩响应特性,为扭振故障的归类和诊断方法研究,以及轴系扭振危险截面的确定提供了理论依据。在汽轮发电机组轴系扭振疲劳寿命损耗分析方法方面,主要研究内容包括危险截面在扭振过程中应力历程的计算,以及转子钢材料S-N曲线、P-S-N曲线拟合方法研究。根据轴颈、联轴器、低压缸长叶片这三种结构的特点,分别给出了相应的应力历程计算方法,可利用转子-叶片耦合扭振模型对危险截面的应力变化情况进行计算。基于疲劳试验数据,对转子钢材料的高周疲劳特性进行了研究,确定了适用于次同步下疲劳寿命损耗计算的转子钢材料高周疲劳S-N曲线模型,并提出了一种方法,可利用较少的疲劳试验次数较为准确地估算材料的P-S-N曲线并且更好地反映材料的高周疲劳特性。在轴系扭振在线监测、分析与保护策略研究方面,在转子-叶片耦合扭振模型研究、扭振故障机理研究和轴系扭振疲劳寿命损耗分析方法研究的基础上,通过分析比较不同扭振分析方法对于不同类型扭振故障的适用性,分别制定电磁力矩冲击类扭振和次同步振荡的疲劳寿命损耗在线分析方法,并以疲劳寿命损耗为主要依据,制定轴系扭振保护策略及其相应门槛值。同时,根据轴系扭振的FMEA分析结果,并结合实际汽轮发电机组的可监测信号,提出一套轴系扭振故障原因识别方法。基于上述研究,最终建立了一套关于汽轮发电机组轴系扭振的在线监测、分析和保护的方法体系,能够快速、准确地对轴系的扭振安全性做出评价,并在必要时能够迅速做出跳机保护判断,在此同时能够兼顾机组的安全性和经济性,避免不必要跳机对电厂的经济性造成影响。最后,通过软硬件实现,开发出一套扭振监测和保护系统,具备扭振的在线监测、分析、预警、诊断和保护功能,将本文研究成果投入工程应用。