近年来,重型发电燃气轮机在整体煤气化联合循环发电系统(IGCC系统)、燃气蒸汽联合循环发电系统等领域中得到了广泛的应用。与传统的蒸汽发电机组相比,燃气发电机组技术集成度更高、结构更加复杂,较高的工作温度和压力对燃气轮机的结构和材料提出了较大的挑战。转子系统是燃气轮机的核心部件,主要由压气机、透平以及相应的支承系统构成,开展燃气轮机转子动力学特性研究,对于保障燃气轮机安全稳定运行具有重要意义。本文依托于中央在京高校重大成果转化项目“大型燃气发电机组监测保护系统及应用”(ZDZH20141005401),以燃气轮机多盘拉杆式转子为对象,通过理论分析、数值模拟以及试验研究,对故障状态下拉杆转子系统的非线性动力学响应特性进行研究,所得结果对深入掌握拉杆转子系统动力学特性,提高燃气轮机转子设计制造水平和运行安全可靠性提供技术支持。论文的主要研究内容如下:(1)研究了拉杆转子在碰摩故障条件下的非线性动力学特性。建立了考虑轮盘之间接触特性的拉杆转子轴承系统非线性动力学模型,对轮盘发生碰摩条件下的转子响应进行求解,探讨了系统转速、静子径向刚度、不平衡质量偏心距等参数对转子动力学特性的影响。通过与整体转子系统的碰摩响应特性对比分析表明:考虑轮盘之间的接触特性与不考虑轮盘之间接触特性的碰摩转子系统响应特性存在较大差异;静子径向刚度、偏心量、转速对系统响应特性影响较大,碰摩力主要影响系统高转速区域的响应特性。(2)研究了具有初始弯曲的拉杆转子轴承系统的非线性动力学特性。在拉杆转子轴承系统动力学模型中考虑转轴初始弯曲的影响,计算分析了转子系统响应,讨论了系统转速、初始弯曲量等参数对系统响应的影响。结果表明:在分析具有初始弯曲故障的拉杆转子系统的动力学响应特性的时候,将拉杆转子近似的作为整体转子处理是不合适的,建模时应考虑轮盘之间接触特性的影响;初始弯曲故障主要影响系统低转速区域的响应特性,随着初始弯曲量的增加,系统的失稳转速逐渐增加,同时系统的混沌运动区域逐渐减小。(3)研究了初始弯曲与碰摩耦合条件下的拉杆转子非线性动力学特性。基于达朗贝尔原理建立了考虑初始弯曲、轮盘接触特性、非线性油膜力、碰摩力的拉杆转子轴承系统动力学模型,求解响应,讨论了系统转速、静子径向刚度、初始弯曲量等参数对系统耦合非线性动力学响应特性的影响。结果表明:不同故障模式下,拉杆转子轴承系统的非线性动力学响应表现不同;与单一故障相比,耦合故障对拉杆转子轴承系统动力学特性的影响更为显著,在低转速区域,初始弯曲故障对系统的响应特性影响较大,随着转速的升高碰摩故障逐渐成为影响系统运动特性的主导因素。(4)多盘拉杆转子振动特性的试验研究。设计搭建了多盘拉杆转子实验台及振动测试系统,采用模态参数辨识的方法识别多盘拉杆转子系统在不同预紧力情况下的结构特性。通过研究发现多盘拉杆转子结构一阶弯振固有频率以及二阶弯振固有频率随拉杆螺栓拧紧力的升高呈现逐渐增大的趋势;轮盘之间接触面的应力分布对结构的固有特性产生影响。