Page 224 - 《振动工程学报》2026年第2期

第 39 卷第 2 期 振 动 工 程 学 报 Vol. 39 No. 2
2026 年 2 月 Journal of Vibration Engineering Feb. 2026

转 子 在 非 均 匀 温 度 场 下 的 瞬 态 振 动 响 应 特 性 研 究

郭铭杰， 周 瑾， 赵亚正， 徐园平

（南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016）

摘要：非均匀温度场下的转子热弹耦合振动会引起转子振动特性突变、动态失衡等问题，特别是在航空发动机和燃气轮机等
旋转机械的热起动过程中表现尤为明显。综合考虑空间温度场分布的影响，提出考虑轴向和径向非均匀温度场的热弹耦合
转子动力学模型。基于转子热弓现象将转子热变形等效为弯曲激励力，建立变工况下轴向参数连续变化的转子瞬态动力学
特性分析模型。结合快速热起动过程温度场和热变形分布特性，分析转子在热变形激励下、快速热起动过程中，不同影响因
素下的瞬态响应特性。结果表明，转子在升速过程的低转速区间，由于初始热变形量的存在，系统具有较大的振动位移。另
外，随着停车时间的增加，转子热起动过程中测点振动幅值先迅速增大，后缓慢减小并逐渐趋近于 0，这与转子冷机过程径向
温差趋势保持一致。研究成果能够预测非均匀温度场下的转子瞬态响应，对热弹耦合转子振动抑制、热弯曲振动监测和故障
诊断具有重要的工程意义。
关键词： 转子；瞬态动力学；非均匀温度场；热起动；热弯曲
中图分类号：TH133.3；O325 文献标志码：A DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.202312043

Analysis on the transient vibration response characteristics of the rotor system
under non-uniform temperature field

GUO Mingjie，ZHOU Jin，ZHAO Yazheng，XU Yuanping
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

Abstract：The rotor thermoelastic coupling vibration under non-uniform temperature field will cause problems such as sudden change of rotor
vibration characteristics and dynamic imbalance，especially in the thermal starting process of rotating machinery such as aero engines and gas
turbines. Considering the influence of the spatial temperature field distribution，a thermoelastic coupled rotor dynamics model considering the
axial and radial non-uniform temperature fields is proposed，and the thermal deformation of the rotor is equivalent to the bending excitation
force based on the rotor thermal arch phenomenon，and a theoretical analysis model of the transient dynamic characteristics of the rotor with
continuous changes of axial parameters under variable working conditions is established. The results show that the rotor has a large vibration
displacement due to the initial thermal deformation in the low speed interval of the ramp-up process. With the increase of the cooling time，the
vibration amplitude of the measuring point in the hot start process of the rotor increases rapidly with the increase of the shutdown and cooling
time，and then decreases slowly and gradually approaches 0，which is consistent with the radial temperature difference trend of the rotor
cooling process. The research results can predict the transient response of the rotor under the heterogeneous temperature field，which is of great
engineering significance for the vibration suppression of the thermoelastic coupled rotor and the monitoring and fault diagnosis of the thermal
bending vibration.

Keywords：rotor；transient dynamics；non-uniform temperature field；hot starting；thermal bending

航空发动机、船舶燃气轮机等高速旋转机械，长 率。特别是在装备频繁起停过程中，转子停机后冷
期在非均匀温度场工况下工作，轴向温度不均匀会 却过程因自然热对流换热，转子下部比上部冷却速
导致转子轴向方向上的结构刚度变化，引起振动频 度更快而造成转子存在径向温度梯度，导致重新起
率和模态的改变；径向温度不均匀将导致转子动态 动时转子存在初始弯曲量，形成暂时性热弓状态，引
失衡，增加振动和机械磨损，降低系统的可靠性和效 起较大的振动响应，造成整机振动超标，严重时会导

收稿日期：2023-12-19；修订日期：2024-03-05
基金项目：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ 52075239） ； 广 东 省 高 速 节 能 电 机 系 统 企 业 重 点 实 验 室 开 放 基 金 资 助 项 目
（HEMKL2022KT02）