Development of an optimal sensor placement algorithm and modal analysis of a turbine blade by means of OBR optical-fiber strain sensor

Most of turbomachines failures are the result of blades uncontrolled vibration. Due to the aerodynamic forcing that they undergo, a resonant vibrating behaviour can occur. The knowledge of blades displacement modal-shapes allows to be aware of such critical condition and to proceed in more suitable blade designs. For this purpose, in this thesis an innovative method has been developed to reconstruct displacement modal-shape starting from local strains. The measurement system is based on the Optical Backscatter Reflectometer (OBR) fiber-optic technology, which generates a continuous strain measure. After the definition of the optimal fiber arrangement by means of a dedicated genetic algorithm, the acquired fiber strains are transformed into the displacements of the whole surface of a bi-dimensional thin plate, without employing the commonly used Displacement Strain Transformation (DST)- matrix method. The result is a displacement modal shapes reconstruction which does not require for any Finite Element (FE)-models of the analysed structure. Then, displacement modal-shapes of a 3D-printed blade model will be experimentally obtained relying on a proper three-dimensional DST-matrix strain conversion method. To conclude, a totally new approach will be explained in order to achieve a FE-model independent result. Instrumentation criticisms, which arises due to its application in dynamic measurements, will be highlighted and solved.

Gran parte dei cedimenti che si verificano nelle turbomacchine sono la conseguenza della vibrazione incontrollata delle pale. A causa del forzamento aerodinamico cui sono sottoposte, infatti, può innescarsi una loro vibrazione in risonanza. Conoscere le forme modali di spostamento delle pale stesse permette di prevedere se una tale situazione possa verificarsi, dando quindi la possibilità di agire progettualmente per evitare questa circostanza. Al fine di ottenere questi parametri modali è stato sviluppato un metodo innovativo. La ricostruzione delle forme modali di spostamento dell’intera superficie strumentata si basa sull’utilizzo della tecnologia a fibra ottica OBR, che misura in modo continuo le deformazioni subite dalla fibra stessa lungo tutta la sua lunghezza. Dopo aver determinato il percorso ottimale lungo cui disporre la fibra, ottenuto grazie all’implementazione di un opportuno algoritmo genetico, le deformazioni misurate sono rielaborate per ottenere il campo di spostamento superficiale di una piastra bi-dimensionale. Questo processo è condotto senza fare affidamento a simulazioni numeriche, a differenza di quello generalmente proposto in letteratura attraverso la matrice DST. Successivamente, le forme modali di spostamento di un prototipo di pala ottenuto con stampa 3D saranno ottenute facendo affidamento al metodo DST opportunamente sviluppato. Come conclusione verrà proposto un approccio completamente nuovo al fine di raggiungere anche sulla struttura tridimensionale il medesimo risultato senza avvalersi dell’uso di un modello FEM. Le criticità riguardanti il sistema di acquisizione, sorte a causa del suo impiego nel monitoraggio di fenomeni dinamici, saranno messe in evidenza e verranno proposte le rispettive soluzioni.