CONDITION MONITORING OF TURBINE BLADES USING AIR-COUPLED GUIDED WAVES. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis Report Final-- Awad.pdf Restricted to Repository staff only until 12 May 2026. Download (8MB)

Arabic Abstract

تخضع التوربينات الغازية لتطورات تهدف إلى تحسين أدائها، ويتضمن ذلك زيادة نسبة الضغط الناتجة داخل ضاغط الهواء ورفع درجة الحرارة عند مدخل التوربين. ونتيجة لهذه التعديلات، تنشأ أشكال مختلفة من الأعطال في المكونات الموجودة في المناطق ذات درجات الحرارة العالية في التوربين. يقدم هذا البحث على استغلال تقنية الموجات الموجهة للكشف المبكر عن الأعطال في ريش التوربين، بهدف تعزيز الأمان التشغيلي والموثوقية والكفاءة للتوربينات الغازية. وعلى الرغم من إمكانيات تقنيات الفحص غير التلامسية اخرى، الم ان استخدام الموجات الموجهة عبر الهواء في تقييم ريش التوربين محدودة. ولتغطية هذه الفجوة، ركزت الدراسة على تطوير وتحسين نظام فحص غير تلامسي يعمل عبر الهواء، مع اختيار المكونات بناءً على جدواها وأدائها، لاستكشاف انتشار الموجات الموجهة عبر الهواء في هياكل شفرات التوربين من خلال تجارب ومحاكاة باستخدام نماذج العناصر المحددة .(Finite Element Analysis) أظهرت النتائج أن الشقوق المفتوحة أو المغلقة تؤثر بشكل كبير على سلوك الموجات الموجهة، مما يؤدي إلى تشتت الطاقة، وانخفاض سعة الإشارة، وظهور قمة طاقة ثانية بارزة. وأكدت المقارنات بين الشفرات السليمة وتلك المعيبة قدرة الموجات الموجهة عبر الهواء على الكشف عن الشذوذات وتوصيفها. علاوة على ذلك، لوحظ أن وجود الغطاء الحراري على ريش التوربين يؤدي إلى تأخير وصول الإشارة وتقليل سعتها، وهو ما يُعزى إلى الطبيعة اللزجة و المرنة للطلاء، التي تؤدي إلى تبديد طاقة الموجات أثناء انتشارها. تم استخدام أدوات تحليلية، بما في ذلك، Normalized Hilbert Waveformمع Bandpass Filtered Envelope و time-frequency representations ، لاستخراج الميزات الأساسية للإشارات، مما يوفر رؤى حول كشف العيوب وخصائص المواد. وأبرز التحليل تأثير شكل العيب وخصائص الطلاء وظروف المواد على انتشار الموجات. من خلال تطوير منهجيات الفحص غير التلامسية، يساهم هذا البحث في فحص التوربينات الغازية من خلال تقديم نهج عملي لتطبيقات الموجات الموجهة. وتؤكد النتائج فعالية الموجات الموجهة عبر الهواء في تحديد العيوب الهيكلية وتقييم سلامة المواد، مما يوفر أداة قيمة لتعزيز مراقبة الحالة والكشف المبكر عن الأعطال في شفرات التوربين.

English Abstract

Gas turbines are undergoing advancements aimed at improving their performance. This includes, but not limited to, elevating the pressure ratio created within the compressor and increasing the temperature at the turbine inlet. Consequently, these modifications result in diverse forms of component failures within the high-temperature zones of the turbine. This research focuses on leveraging guided wave technology for the early detection of faults in turbine blades, aiming to enhance the operational safety, reliability, and efficiency of gas turbines. Despite the potential of non-contact inspection techniques, limited attention has been given to the use of air-coupled guided waves for turbine blade evaluation. To address this gap, the study focused on developing and optimizing a non-contact air-coupled inspection system, with components chosen for their feasibility and performance, to explore air-coupled guided wave propagation in turbine blade structures through experimental testing and Finite Element Model simulations. The results reveal that open or closed defects, significantly influence guided wave behavior, causing energy dissipation, reduced signal amplitude, and the appearance of a second dominant energy peak. Comparisons between healthy and defective blades confirmed the capability of air-coupled guided waves to detect and characterize anomalies. Additionally, the presence of TBC on turbine blades was found to delay signal arrival and reduce amplitude, attributed to the coating's viscoelastic nature, which dissipates Lamb wave energy. Signal processing tools, including the Normalized Hilbert Waveform with Bandpass Filtered Envelope and time frequency representations, were applied to extract key signal features, offering insights into defect detection and material characterization. The analysis highlighted the influence of defect geometry, coating properties, and material conditions on wave propagation. By advancing non-contact inspection methodologies, this research contributes to the gas turbine industry by providing a practical approach to guided wave applications. The findings underline the effectiveness of air-coupled guided waves in identifying structural defects and assessing material integrity, offering a valuable tool for enhancing condition monitoring and early fault detection in turbine blades.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Al-Badour, Fadi
Committee Members:	Merah, Nesar and Hawwa, Muhammed and Bashmal, Salem Mohamed and Samir, Mustapha
Depositing User:	AWAD ALMOMANI (g202008460)
Date Deposited:	12 May 2025 10:21
Last Modified:	12 May 2025 10:21
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143362