KFUPM ePrints

SENSING AND CONTROL OF ROTATING BLADE VIBRATIONS DUE TO THERMAL LOADS USING PIEZOELECTRIC MATERIALS

l SENSING AND CONTROL OF ROTATING BLADE VIBRATIONS DUE TO THERMAL LOADS USING PIEZOELECTRIC MATERIALS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]
Preview
PDF
2034Kb

Arabic Abstract

سوف يتم التركيز على استشعار الاهتزازات والتحكم بالعوارض الدوارة بإستخدام المواد ذات الكهرباء الإجهادية تحت تأثير عبء حراري في هذه الدراسة. في البداية، ستتم دراسة وتحليل اهتزازت العورارض الثابتة المستحثة حراريًا، حيث سيتم تطبيق العبء الحراري على طول العارضة مما سيؤدي إلى اهتزازات جانبية بسبب تغيير الحرارة مع الوقت. سيتم دراسة وحساب انتشار وتوزيع كل من الحرارة والإزاحة في العارضة عن طريق المعادلات التحليلية وبإستخدام طرق العناصر المنتهية. المعادلات التحليلية ستكون مبنية على توظيف نظرية التوصيل الحراري ونظرية "داليمبيرت" لحساب انتشار وتوزيع الحرارة والإزاحة المرتبطين بتغير الوقت. ستتم الإستفادة من طريق العناصر المنتهية لحساب نفس النتائج عن طريق التحليل الحراري والإنشائي الوقتي. ستتم مقارنة النتائج المستخرجة عن طريق الأساليب التحليلية وطرق العناصر المنتهية ببعض لغرض التأكد من صحتها. سيتم استخدام برنامج طرق العناصر المنتھية المعروف بANSYS لدراسة وتحليل الاھتزازات المستحثة حراريًا لعارضة دوارة. النتائج المستخرجة عن طريق الأساليب التحليلية وطرق العناصر المنتھية لكل من الحرارة والإزاحة في العارضة متطابقة تقريبًا. سيتم فرض اھتزازات العارضة الجانبية على المادة ذات الكھرباء الإجھادية الملتصقة بالعارضة للإستشعار بالاهتزازات والتحكم بها في الجزء الثاني من هذه الدراسة، سيتم استشعار اهتزازات العرضة الدوارة والتحكم بها أيضًا باستخدام طبقة من المواد ذات الإجهادية مرتبطة بسطح العارضة الدوارة. سيتم دراسة وفحص تخفيف الاهتزازات في العارضة الثابتة والعارضة الدوارة تحت تأثير عبء حراري سيتم عن طريق قوانين تحكم مناسبة وملائمة. النتائج المستخرجة عن طريق طرق العناصر المنتھية أوجدت أن فرق الجھد الناتج مقتصر على 500 فولت لكل ملم من سمك طبقة المواد ذات الكھرباء الإجھادية إضافة إلى درجات حرارة أقل بكثير من 365 درجة مئوية وھي درجة الحرارة المتسببة في تغيير خصائص المواد ذات الكھرباء الإجھادية حيث تصبح غير صالحة بعدھا وھذا ما كان يجب البرھنة عليه.

English Abstract

Vibration sensing and control of rotating beams using piezoelectric materials subjected to thermal loads are considered in this thesis. Thermal loads are important in many applications such as turbo-machinery, where thermal effects should be imposed on rotating blades/beams in addition to other mechanical effects. Thermal effects are imposed on turbine blades, which are assumed to be mounted with piezoelectric patches for vibration sensing and control. Effects of the temperature field on the piezoelectric media are treated through the phenomenon of thermopiezoelectricity where electrical, mechanical, and thermal fields are all coupled. First, static beams/plates are considered without control in order to analyze temperature distribution for a beam along its thickness due to a uniform heat flux, followed by the lateral vibrations of the beam caused by the temperature gradients; using the finite element method and analytical equations for comparison purposes. The well-known finite element package ANSYS is utilized to implement the finite element method in all cases. The analytically and finite element approaches for both the temperature distribution and lateral vibrations of the beam have resulted in almost identical solutions. After that, the rotating blades bonded with piezoelectric materials are then analyzed for sensing and control of thermally-induced vibrations. The attenuation of rotating blade responses (vibrations) due to thermal loads are investigated through an appropriate control laws. Resulting voltages are confined to a maximum voltage of 500 V per mm of the PZT layer thickness and temperatures to values much less than the Curie point of 365oC for proper functioning of piezoelectric elements.



Item Type:Thesis (Masters)
Subjects:Mechanical
Divisions:College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor:Sunar, Mehmet
Committee Members:Al-Qahtani, Hussain and Al-Athel, Khaled
ID Code:140012
Deposited By:OMR AHMED SHABAN (g200598150)
Deposited On:26 Sep 2016 13:51
Last Modified:26 Sep 2016 13:51

Repository Staff Only: item control page