مجله علمی صوت و ارتعاش

مجله علمی صوت و ارتعاش

شناسایی تجربی فرکانس‌های طبیعی پره توربین گاز با سنجش غیرتماسی مبتنی بر میکروفون

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشگاه شهید بهشتی
2 دانشگاه شهید بهشتی، پردیس فنی و مهندسی شهید عباسپور، استادیار دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی
چکیده
شناسایی فرکانس‌های طبیعی سازه‌ها یکی از ابزارهای کلیدی برای تحلیل رفتار دینامیکی پره‌های توربین گاز و بخار است و اهمیت ویژه‌ای در صنایع نیروگاهی و هوافضا دارد. در پره‌های سبک و حساس، استفاده از حسگرهای تماسی مانند شتاب‌سنج موجب تغییر جرم و میرایی سیستم شده و خطا در تخمین فرکانس‌های طبیعی را افزایش می‌دهد. در این پژوهش، فرکانس‌های طبیعی یک پره توربین با روش سنجش غیرتماسی مبتنی بر میکروفون اندازه‌گیری می‌شود. پره با شرایط مرزی آزاد آویخته و تحت تحریک ضربه چکش قرار می‌گیرد و پاسخ ارتعاشی ناشی از پره به صورت سیگنال صوتی توسط میکروفون ثبت می‌شود. سیگنال‌ها با استفاده از کارت داده‌برداری و الگوریتم FFT پردازش شده و فرکانس‌های طبیعی استخراج می‌شود. نتایج تجربی با شبیه‌سازی اجزای محدود در نرم‌افزار انسیس مقایسه گردید. داده‌ها نشان می‌دهند که روش پیشنهادی با خطای نسبی کمتر از 2 درصد قادر به شناسایی فرکانس‌های طبیعی پره‌ها است و تغییر فاز متناظر در نمودار تابع پاسخ فرکانسی صحت روش غیرتماسی را تأیید می‌کند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Experimental identification of natural frequencies of a gas turbine blade using a non-contact microphone-based measurement method

نویسندگان English

Ali Rahi 1
ُSyed Ahmad Mortazavi 1
Abbas Rahi 2
1 Shahid Beheshti Unv.
2 Faculty of Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
چکیده English

Identification of natural frequencies is one of the key tools for analyzing the dynamic behavior of gas and steam turbine blades and plays a critical role in power generation and aerospace industries. In lightweight and sensitive blades, the use of contact sensors such as accelerometers introduces additional mass and damping into the system, leading to increased errors in estimating natural frequencies. In this study, the natural frequencies of a turbine blade are measured using a non‑contact microphone‑based acoustic sensing method. The blade is suspended under free–free boundary conditions and excited by an impulse hammer, while the resulting vibration response is captured as an acoustic signal by a microphone. The signals are processed using a data acquisition system and the FFT algorithm to extract the natural frequencies. The experimental results are compared with finite‑element simulations performed in ANSYS. The data show that the proposed method can identify the blade’s natural frequencies with a relative error of less than 2%, and the corresponding phase transitions in the frequency response function confirm the validity of the non‑contact measurement approach.

کلیدواژه‌ها English

Natural Frequencies
Turbine Blade
Non-Contact Measurement
Microphone
Modal Analysis
[1] Ewins, David J. Modal testing: theory, practice and application. John Wiley & Sons, 2009.
[2] Blevins, Robert D., and R. Plunkett. "Formulas for natural frequency and mode shape." Journal of Applied Mechanics 47.2 (1980): 461.
[3] Peeters, Bart, et al. "Automotive and aerospace applications of the PolyMAX modal parameter estimation method." Proceedings of IMAC. Vol. 22. No. 1. Citeseer, 2004.
[4] Farshidi, R., et al. "Non-contact experimental modal analysis using air excitation and a microphone array." Measurement 43.6 (2010): 755-765.
[5] Bölke, Olaf, J. Garcia, and J. Heimann. "Experimental Modal Analysis based on non-contact measurements with a commercial microphone array." ICSV26 (2019).
[6] Vanlanduit, Steve, Frank Daerden, and Patrick Guillaume. "Experimental modal testing using pressurized air excitation." Journal of sound and vibration 299.1-2 (2007): 83-98.
[7] Ozdoganlar, O. Burak, Bruce D. Hansche, and Thomas G. Carne. "Experimental modal analysis for microelectromechanical systems." Experimental mechanics 45.6 (2005): 498-506.
[8] Castellini, Paolo, Gian Marco Revel, and Lorenzo Scalise. "Measurement of vibrational modal parameters using laser pulse excitation techniques." Measurement 35.2 (2004): 163-179.
[9] Park, Simon S., Yusuf Altintas, and Mohammad Movahhedy. "Receptance coupling for end mills." International Journal of Machine Tools and Manufacture 43.9 (2003): 889-896.
[10] Pastor, Miroslav, Michal Binda, and Tomáš Harčarik. "Modal assurance criterion." Procedia Engineering 48 (2012): 543-548.
[11] Steiner, Rolf, and Jorgen Hald. "Near-field acoustical holography without the errors and limitations caused by the use of spatial DFT." International Journal of Acoustics and Vibration 6.2 (2001): 83-89.
[12] Phares, D.J., Smedley, G.T., & Flagan, R.C. (2000). The wall shear stress produced by the normal impingement of a jet on a flat surface. Journal of Fluid Mechanics, 418, 351-375.
[13] Lee, Q.J., & Lee, J.H. (2006). Non-contact rotating beam crack size estimation from vibro-acoustic signals. Measurement Science and Technology, 17, 1529-1536.
[14] Benko, U., Petrovic, J., Juricic, D., Tavcar, J., & Rejec, J. (2005). An approach to fault diagnosis of vacuum cleaner motors based on sound analysis. Mechanical Systems and Signal Processing, 19, 427-445.
[15] Hallauer, W.L., & Smith, J.C. (1990). Air-jet thrusters for active vibration control: design and calibration. Journal of Experimental Techniques, 14, 47-50.
[16] Ramachandran, P., and S. Narayanan. "Evaluation of modal density, radiation efficiency and acoustic response of longitudinally stiffened cylindrical shell." Journal of Sound and Vibration 304.1-2 (2007): 154-174.
[17] Gadà, A., Manzoni, S., & Vanali, M. (2008). Vibro-acoustic characterization of railway wheels. Journal of Applied Acoustics, 69, 530-545.
[18] Castellini, P., Revel, G.M., & Scalise, L. (2004). Measurement of vibrational modal parameters using laser pulse excitation techniques. Journal of Measurement, 35, 163-179.
[19] Phillips, A.W., & Allemang, R.J. (2004). A Low Order Implementation of the Polyreference Least Squares Complex Frequency (LSCF) Algorithm. International Conference on Noise and Vibration Engineering.
[20] Puhle, C. (2016). On the sunflower spiral: acoustical holography results. InterNoise.
[21] پارسا سلامی پور، رضا کاظمی، "شناسایی مودال یک تیر طره به کمک روش پردازش تصویر و توابع انتقال‌پذیری"، نشریه صوت و ارتعاش، دوره 13، شماره 25، ص 126-144، 1403.
[22] Fahy, F., & Gardonio, P. (2007). Sound and Structural Vibration: Radiation, Transmission and Response (2nd ed.). Academic Press (Elsevier).