Influence of embedded diagnostic sensors on structural dynamic behaviour of composite rotors

• Autorzy: Hufenbach W. , Fidali M. , Kostka P. , Langkamp A.

Warianty tytułu

PL

Wpływ wbudowanych czujników diagnostycznych na zachowanie dynamiczne wirników kompozytowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Technological progress in the field of fibre and textile reinforced composites caused that these materials are increasingly used in the process of rotating machinery design including aircraft engines, turbines, etc. Reduction of mass and increase of strength of composite rotor elements by means of optimization of matrix and anisotropic reinforcement properties allows us to decrease dynamical forces and thereby to increase the machinery efficiency. This unique material optimization is impossible in the case of rotors made of classical isotropic materials. The application of the composite rotors with high reliability demands causes that it is important to evaluate their durability and to investigate phenomena related to the complex material degradation process and to the rotor failures. One of the ways of the failure detection and observation of its evolution is to apply a diagnostic system which use methods based on relations between features of diagnostic signals and the technical state of the machine. Diagnostic signals, e.g. vibroacoustic signals, can be observed and supplied on-line to the diagnostic system. Signal observation requires an application of suitable sensors, which should be mounted as close as possible to the place where the failure can occur. Among of different solutions, a big attention is paid to piezoelectric sensors, which are embedded in composites. Such type of sensors, especially in high-speed rotors, can cause unintended changes of their dynamical properties. In the article, a short overview of requirements for a diagnostic system at the different stages of life of a composite rotor was shown. Exemplary results of numerical modal analysis of a composite rotor disk with embedded piezoelectric sensors was presented. The aim of the experiment was to identify how the size and the number of piezoelectric patches effect on dynamic behavior of the disk at different values of rotational speed.

PL

Postęp technologiczny w dziedzinie materiałów kompozytowych na osnowie włóknistej lub tekstylnej spowodował, że znalazły one zastosowanie w procesie projektowania i konstruowania maszyn wirnikowych, takich jak np. silniki odrzutowe, turbiny itp. Obniżenie masy i zwiększenie wytrzymałości wirników kompozytowych poprzez optymalizacje własności i właściwości osnowy oraz matrycy pozwala na obniżenie poziomu sił dynamicznych, a tym samych na podniesienie wydajności i efektywności działania maszyny, co w przypadku wirników wykonanych z klasycznych materiałów nie byłoby możliwe. Stosowanie wirników kompozytowych o wysokich wymaganiach niezawodnościowych powoduje, że konieczne jest określanie ich trwałości i poznanie zjawisk leżących u podstaw powstawania uszkodzeń. Jednym ze sposobów detekcji uszkodzeń i obserwacji ich rozwoju jest stosowanie systemów diagnostycznych, w których wykorzystuje się metody diagnozowania oparte na relacjach diagnostycznych miedzy cechami sygnałów diagnostycznych i cechami stanu technicznego maszyny. Sygnałami diagnostycznymi mogą być m.in. sygnały wibroakustyczne obserwowane i analizowane w sposób ciągły przez systemy monitorowania. Obserwacja sygnałów wymaga stosowania odpowiednich czujników, które powinny być zamontowane jak najbliżej miejsc, gdzie mogą wystąpić uszkodzenia. Spośród wielu rozwiązań dużym zainteresowaniem cieszą się czujniki wykonywane z materiałów piezoelektrycznych, które są wbudowywane w strukturę kompozytową. Zastosowanie tego typu czujników, szczególnie w wirnikach wysokoobrotowych, może mieć wpływ na ich własności dynamiczne. W artykule poza podstawowymi informacjami o procesie diagnozowania i wymaganiach dotyczących trwałości wirników kompozytowych przedstawiono przykładowe wyniki badań uzyskanych podczas prowadzenia numerycznego eksperymentu modalnego prostego modelu tarczy wirnikowej z wbudowanymi czujnikami piezoelektrycznymi. Eksperyment miał na celu określenie wpływu wielkości i liczby czujników na właściwości dynamiczne tarczy przy różnych prędkościach obrotowych.

Słowa kluczowe

EN

composite rotors; diagnostics; piezoelectric patches; modal analysis

PL

wirniki kompozytowe; diagnozowanie; czujniki piezoelektryczne; analiza modalna

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2006
• Tom: R. 6, nr 3
• Strony: 14--19
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Hufenbach W.

autor

Fidali M.

autor

Kostka P.

autor

Langkamp A.

• Technische Universitat Dresden, Institut fur Leichtbau und Kunststofftechnik, 01062 Dresden, Germany; Politechnika Śląska, Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn, ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice,

Bibliografia

• [1] Hufenbach W., Archodouiakis G., Grothaus R., Kroll L., Langkamp A., Variable-axial composites for complexly loaded high-speed rotors, Proceedings of the 12th International Conference on Composite Materials (ICCM 12), Paris, 5-9 Juli 1999 (auf CD-ROM).
• [2] Cholewa W., The DT200 diagnostic system of 200MW steam turbine, Krajowa Konferencja Problemy badawcze energetyki cieplnej, Warszawa 1997.
• [3] Fidali M., Joint signal analysis in the multichannel diagnosis systems of rotating machinery, Zeszyt naukowy nr 123, Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn, Politechnika Śląska, Gliwice 2003.
• [4] Korbicz J., Kościelny J.M., Kowalczuk Z., Cholewa W. (ed.), Fault Diagnosis. Models, artificial intelligence, applications, Springer 2004.
• [5] Kostka P., Classification of rotating machinery shaft kinetostatic line shapes, Zeszyt naukowy nr 121, Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn, Politechnika Śląska, Gliwice 2001.
• [6] Hufenbach W., Bohm R., Kroll L., Langkamp A., Theoretical and experimental investigation of anisotropic damage in textile-reinforced composite structures, Mechanics of Composite Materials 2004, 40, 6, 519-532.
• [7] Turner I.Y., Bajwa A., A survey of aircraft engine health monitoring systems, In The 1999 AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, Los Angeles, CA, June 1999.
• [8] Blanas P., Das-Gupta D.K., Composite Piezoelectric Sensors for Smart Composite Structures, International Symposium on Electrets 1999. ISE 10. Proceedings 10th 1999 September, 731-734.
• [9] Yan Y.J., Yam L.H., Online detection of crack damage in composite plates using embedded piezoelectric actuators/ /sensors and wavelet analysis, Composite Structures 2002, 58, 29-38.
• [10] Okafor A.C., Chandrashekhara K., Jiang Y.P., Kilcher R.R., Damage assessment of smart composite plates using piezoceramic and acoustic emission sensors, Proc. SPIE, 2191, 265-275, Smart Structures and Materials 1994: Smart Sensing, Processing, and Instrumentation, James S. Sirkis, Ed. May 1994.
• [11] Hong C.S., Bang H.J., Kang H.K., Kim C.G., Real - time damage detection for smart composite materials using optical fiber sensors, Proc. 13th International Conference on Composite Materials (ICCM-13) 2001 25-29 June Beijing, China.
• [12] Fidali M., Tager O., Modelling of a composite plate with piezoelectric patch, XLIV Symposium Modeling in Mechanics, Wisła, 27.02-03.03.2005.
• [13] Ansys6.1 documentation. Software help.
• [14] Mrozek M., The design of test stand for modal investigation of smart structures. MSc Thesis. Silesian University of Technology, Department of Fundamentals of Machinery Design, Gliwice 2005.
• [15] Imaoka S., Ansys tip of the week: Conversion of piezoelectric material data. http://ansys.net/ansys/tips/Weekl3 TNT Conversion of Piezoelectric Material Data. pdf, November 12 1999.