汽轮发电机组轴系动力学灵敏度分析及响应预测

李德昊; 陈九如; 冀大伟; 陈钢; 李浦; 袁奇

doi:10.7652/xjtuxb202604016

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

汽轮发电机组轴系动力学灵敏度分析及响应预测

专题汽轮机关键部件动态特性研究 | 更新时间：2026-04-10

- 汽轮发电机组轴系动力学灵敏度分析及响应预测
- Dynamic Sensitivity Analysis and Response Prediction of Turbine Generator Shaft System
- 西安交通大学学报 2026年60卷第4期页码：199-209
- 作者机构：
  
  西安交通大学能源与动力工程学院，710049，西安
  上海电气电站集团，310016，上海
- 作者简介：
  
  作者简介：李德昊（2001—），男，硕士生；
  李浦（通信作者），男，副研究员，博士生导师。
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(12372058)
- DOI：10.7652/xjtuxb202604016
  中图分类号： TK14
- 收稿：2025-09-03，
  
  网络首发：2025-12-19，
  
  纸质出版：2026-04-10
- 稿件说明：
移动端阅览
李德昊, 陈九如, 冀大伟, 等. 汽轮发电机组轴系动力学灵敏度分析及响应预测[J]. 西安交通大学学报, 2026,60(4):199-209.

LI Dehao, CHEN Jiuru, JI Dawei, et al. Dynamic Sensitivity Analysis and Response Prediction of Turbine Generator Shaft System[J]. Journal of Xi'an Jiaotong University, 2026, 60(4): 199-209.
李德昊, 陈九如, 冀大伟, 等. 汽轮发电机组轴系动力学灵敏度分析及响应预测[J]. 西安交通大学学报, 2026,60(4):199-209. DOI： 10.7652/xjtuxb202604016.

LI Dehao, CHEN Jiuru, JI Dawei, et al. Dynamic Sensitivity Analysis and Response Prediction of Turbine Generator Shaft System[J]. Journal of Xi'an Jiaotong University, 2026, 60(4): 199-209. DOI： 10.7652/xjtuxb202604016.

摘要

针对汽轮机组轴系动态响应特性的快速预测问题，通过有限元建模与混合卷积神经网络（HCNet）相结合的方法，开展了轴系动力学响应的灵敏度分析和预测。首先，基于虚拟材料法建立了考虑联轴器不对中刚度特性的汽轮机组轴系有限元模型；其次，考虑联轴器参数不确定性，针对联轴器转动惯量、质量、平行不对中量与角度不对中量4个参数，采用拉丁超立方采样方法，计算了不同参数组合下的轴系动力学响应并开展了Sobol灵敏度分析；最后，提出了一种新型HCNet模型，实现了轴系频响特性的高效预测。研究结果表明：振动响应峰值对角度不对中更加敏感，其在添加一阶、二阶不平衡量下的一阶灵敏度指数与总灵敏度指数分别为0.50、0.48与0.60、0.65，均显著高于其他参数。新型HCNet模型预测的轴系频响特性，其精度显著优于卷积神经网络、残差神经网络和Transformer这3种经典模型预测的轴系频响特性。该研究可为汽轮发电机组轴系动力学响应的快速预测与故障诊断提供理论支撑和分析方法。

Abstract

In order to address the issue of rapidly predicting the dynamic response characteristics of turbine generator shaft systems，sensitivity analysis and prediction of shaft system dynamic responses were conducted through a method combining finite element modeling and a hybrid convolutional neural network（HCNet）.First，a finite element model of the turbine generator shaft system was established based on the virtual material method，taking into account the misalignment stiffness characteristics of the coupling.Second，considering the uncertainty of coupling parameters，the Latin hypercube sampling method was applied for four parameters—coupling moment of inertia，mass，parallel misalignment，and angular misalignment—to compute the shaft system dynamic response under different parameter combinations，and Sobol sensitivity analysis was performed. Finally，a novel HCNet model was proposed，achieving efficient prediction of the shaft system frequency response characteristics.The results indicate that the peak vibration response is more sensitive to angular misalignment.Its first-order sensitivity index and total sensitivity index under the addition of first-order and second-order unbalanced masses are 0.50，0.48，and 0.60，0.65，respectively，both significantly higher than those of other parameters.The shaft system frequency response characteristics predicted by the new HCNet model are significantly more accurate than those predicted by three classical neural network models：convolutional neural networks，residual neural networks，and Transformers. This research provides theoretical support and analytical methods for the rapid prediction and fault diagnosis of the shaft system dynamic response in turbine generator sets.

关键词

Keywords

references

徐宁，王庆超，刘占生，等.基于热弹耦合的涡轮转子瞬态热冲击研究[J].哈尔滨工程大学学报，2016，37（7）：936-942.

XU Ning，WANG Qingchao，LIU Zhansheng，et al. Transient thermal impact research on turbine rotors based on thermoelastic coupling[J].Journal of Harbin Engineering University，2016，37（7）：936-942.

王军利，陆正午，李庆庆，等.基于热分析的双螺杆压缩机转子的应力疲劳研究[J].机械强度，2021，43（4）：928-935.

WANG Junli，LU Zhengwu，LI Qingqing，et al.Research on stress fatigue of twin screw compressor rotor based on thermal analysis[J].Journal of Mechanical Strength，2021，43（4）：928-935.

MOGHE S M，MAHURE A N.Study of vibration response of coupling under misalignment condition：a review [J].International Journal of Research in Advent Technology，2017，5（4）：50-53.

WANG Nanfei，JIANG Dongxiang. Vibration response characteristics of a dual-rotor with unbalance-misalignment coupling faults：theoretical analysis and experimental study [J].Mechanism and Machine Theory，2018，125：207-219.

BING Hankun，LUO Xun，CHEN Shuai，et al.Study on the dynamics model of the misaligned coupling-rolling bearing-double rotor systems [J].Journal of Physics：Conference Series，2025，3126（1）：012012.

HUANG Yong，PENG Fei. Vibration behavior of laminated couplings based on angular misalignment and nonlinear stiffness characteristics [J].International Journal of Non-Linear Mechanics，2025，178：105175.

刘加春.新型膜片联轴器应用研究[J].日用电器，2015（9）：40-48. LIU Jiachun.Application research on the new type disc coupling[J].Electrical Appliances，2015（9）：40-48 .

柳溢沛，王正峰.膜片联轴器刚度特性研究[J].内燃机与配件，2024（23）：41-43.

LIU Yipei，WANG Zhengfeng.Research on stiffness characteristics of diaphragm coupling [J]. Internal Combustion Engine & Parts，2024（23）：41-43.

秦波，崔海旭，王建国，等.风电机组膜片联轴器平行不对中动力学特性分析[J].机械设计与制造，2021，368（10）：155-158.

QIN Bo，CUI Haixu，WANG Jianguo，et al.Dynamic characteristics analysis of parallel misalignment of diaphragm coupling in wind turbine[J].Machinery Design & Manufacture，2021，368（10）：155-158.

梁曾凯，刘明政，王念先，等.基于联轴器不对中的磁悬浮双转子系统不平衡响应分析[J].农业装备与车辆工程，2024，62（9）：96-101.

LIANG Zengkai，LIU Mingzheng，WANG Nianxian，et al.Analysis of unbalanced response of magnetic suspended dual-rotor system based on coupling misalignment[J].Agricultural Equipment & Vehicle Engineering，2024，62（9）：96-101 .

陈果，杨默晗，李伦绪，等.转子支承不对中故障建模与机理分析[J].航空发动机，2023，49（3）：75-88.

CHEN Guo，YANG Mohan，LI Lunxu，et al.Modeling and mechanism analysis of rotor-bearing misalignment fault[J].Aeroengine，2023，49（3）：75-88.

孟凡刚，黄延忠，冯永志，等.重型燃气轮机转子不对中故障动力学数值仿真研究[J].热能动力工程，2021，36（6）：51-56.

MENG Fangang，HUANG Yanzhong，FENG Yongzhi，et al.Dynamic numerical simulation of rotor misalignment fault of heavy duty gas turbine[J].Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2021，36（6）：51-56.

于清文，王菲，卢良文，等.联轴器不对中转子系统的故障再现方法[J].航空发动机，2022，48（6）：98-104.

YU Qingwen，WANG Fei，LU Liangwen，et al.A method for fault reproduction of rotor system with coupling misalignment[J].Aeroengine，2022，48（6）：98-104.

董超，邵增德，王晓伟，等.燃机动力涡轮转子不对中对整机振动影响研究[J].汽轮机技术，2022，64（5）：347-350.

DONG Chao，SHAO Zengde，WANG Xiaowei，et al. Study on vibration of gas turbine power rotor with misalignment[J].Turbine Technology，2022，64（5）：347-350.

夏雪，闫恩来，李喜武.Transformer在时间序列预测中的应用综述[J].信息技术与信息化，2024（3）：124-128.

XIA Xue，YAN Enlai，LI Xiwu.Overview of the application of Transformer in time series prediction[J]. Information Technology and Informatization，2024（3）：124-128.

孟祥福，石皓源.基于Transformer模型的时序数据预测方法综述[J].计算机科学与探索，2025，19（1）：45-64.

MENG Xiangfu，SHI Haoyuan.Survey of Transformer-Based model for time series forecasting[J].Journal of Frontiers of Computer Science and Technology，2025，19（1）：45-64.

QIAN Bing，CAI Yinhui，RAN Yinkang，et al.Nonlinear mechanical response analysis and convolutional neural network enabled diagnosis of single-span rotor bearing system [J].Scientific Reports，2024，14（1）：10321 .

唐杰，孙茹.航空管路无扩口管接头寿命预测方法研究[J].重庆理工大学学报（自然科学），2025，39（2）：154-162.

TANG Jie，SUN Ru.Study on life prediction method of aviation flareless pipe joint [J]. Journal of Chongqing University of Technology（Natural Science），2025，39（2）：154-162.

ZHANG Hao，ZHANG Qiang，SHAO Siyu，et al. Sequential network with residual neural network for rotatory machine remaining useful life prediction using deep transfer learning [J]. Shock and Vibration，2020，2020（1）：8888627.

袁奇，李浦.燃气轮机拉杆转子结构动力学[M].西安：西安交通大学出版社，2021.

LI Pu，YUAN Qi.Determination of contact stiffness and damping of a tie-bolt rotor with interference fits using model updating with thin-layer elements [J]. Shock and Vibration，2020，2020（1）：8872401.

钱徐芹，温华兵，曾林锡，等.基于四端参数法的膜片联轴器等效建模及参数影响分析[J].船舶工程，2022，44（3）：78-83.QIAN Xuqin，WEN Huabing，ZENG Linxi，et al.

Equivalent modeling and parameter influence analysis of diaphragm coupling based on Four-Terminal parameter method[J].Ship Engineering，2022，44（3）：78-83 .

American Petroleum Institute.Special-purpose couplings for petroleum，chemical，and gas industry services：API STD 671[S].Washington，DC，USA：API，2020 .

申屠留芳，孙成龙，巩尊国.叠片联轴器角向刚度的研究[J].中国机械工程，2013，24（14）：1897-1901.

SHEN TU Liufang，SUN Chenglong，GONG Zunguo.Study on angular stiffness of a laminated membrane coupling[J].China Mechanical Engineering，2013，24（14）：1897-1901.

HRISTOV H，TENEV S，MEHMEDOV I.A study of the dynamic stiffness of flexible couplings with a rubber-metal element type SEGME [J].Engineering Proceedings，2024，60（1）：26.

洪运，王旦，农苏，等.束腰型膜片联轴器刚度阻尼仿真与试验分析[J].机械传动，2024，48（4）：116-125.

HONG Yun，WANG Dan，NONG Su，et al.Simulation and experimental analysis of stiffness and damping of the waist type diaphragm coupling[J].Journal of Mechanical Transmission，2024，48（4）：116-125.

罗宇轩，李金星，赵名星，等.采用AK-MCS的燃气轮机轮盘疲劳寿命预测及可靠性评估[J].西安交通大学学报，2024，58（4）：107-116.

LUO Yuxuan，LI Jinxing，ZHAO Mingxing，et al. Research on the method of low-cycle fatigue life prediction and reliability evaluation of gas turbine discs based onAK-MCS[J].Journal of Xi'an Jiaotong University，2024，58（4）：107-116.

王竹晴.基于神经网络的锂离子电池RUL预测方法研究[D].太原：中北大学，2019.

KINGMA D P，BA J.Adam：a method for stochastic optimization [EB/OL].（2017-01-30）[2017-08-13]. https://arxiv.org/abs/1412.6980.

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

基于受扰后平衡点延拓的在线暂态稳定控制策略——稳控措施求解

变分水平集方法在Stokes问题形状识别中的应用

汽车坐盆安全气囊对假人伤害的仿真及优化

利用结构等效转换的空间可展机构装配误差建模与灵敏度分析

考虑性能退化的飞机典型部件灵敏度分析