Experimental calibration of two rotational laser vibrometers

Torsional vibrations are a critical phenomenon in rotor dynamics. They consist of an oscillatory motion of the shaft, and they are at the origin of failures in many fields of application. This type of vibrations are more difficult to measure compared to the lateral ones. Torsional vibrometers are usually invasive and require complicated set-ups, and they are inconvenient for on-field measurements. Furthermore, measurements in two different sections are needed to know the torsional stress to which the rotor is subjected, which requires that the instruments used are identical or perfectly calibrated with each other. One of the most reliable, non-invasive, and transportable torsional vibrometers is the Laser Torsional Vibrometer, even if it is quite an expensive technology. In this thesis work, the most common solutions for measuring torsional vibrations are discussed and compared, with particular attention to their constitutive advantages, limits, and fields of application. For this research activity, two laser heads are available with different measuring performances. One of the fundamental outcomes of this work is the relative calibration for the measuring equipment, to obtain experimental data directly comparable. An experimental test rig is assembled ad hoc to make a relative calibration of the two laser vibrometers. The experimental setup is based on a single shaft line provided with several inertia disks. The driving motors can be controlled in speed and torque during the measuring procedure, to check for sensitivity analysis. The frequency of the acting force and the shaft rotating speed are varied in the same range, commonly experienced in real gas turbine machines for energy production. Therefore, the measuring equipment is ready for in-situ measures of real machines. Moreover, the dynamic response of the rotating test rig is measured and discussed. Finally, the experimental data of the laser vibrometers are directly compared with the numerical results of a 1D Finite Element Model of the same test-rig and the experimental data of an optical encoder for cross-comparisons. Good correspondence is found between the numerical and the experimental data.

Le vibrazioni torsionali sono un fenomeno critico nella dinamica dei rotori. Esse consistono in un movimento oscillatorio dell'albero ed sono all'origine di guasti in molti campi di applicazione. Questo tipo di vibrazioni sono più difficili da misurare rispetto a quelle laterali. I vibrometri torsionali sono di solito invasivi, richiedono una configurazione complicata e sono scomodi per le misure sul campo. Inoltre, per conoscere la sollecitazione torsionale a cui è sottoposto il rotore, sono necessarie misure in due sezioni diverse; ciò richiede che gli strumenti utilizzati siano perfettamente calibrati tra loro. Uno degli strumenti più affidabili, non invasivi e facilmente trasportabili è il vibrometro torsionale laser, anche se si tratta di una tecnologia piuttosto costosa. In questo lavoro di tesi vengono discusse e confrontate le soluzioni più comuni per la misura delle vibrazioni torsionali, con particolare attenzione ai loro vantaggi costitutivi, ai limiti e ai campi di applicazione. Per questa attività di ricerca sono disponibili due teste laser con diverse prestazioni di misura. Uno dei risultati fondamentali di questo lavoro è la relativa calibrazione delle apparecchiature di misura, per ottenere dati sperimentali direttamente confrontabili. Un banco di prova sperimentale è stato assemblato ad hoc per calibrare con precisione i due vibrometri laser. Il setup sperimentale si basa su una linea ad albero singolo dotata di alcuni dischi d'inerzia. I motori di azionamento possono essere controllati in velocità e coppia durante la procedura di misura, utili per svolgere l'analisi della sensibilità. La frequenza della forza agente e la velocità di rotazione dell'albero sono riprodotte nello stesso intervallo di frequenza, comunemente sperimentato nelle macchine a turbina a gas per la produzione di energia. Di conseguenza, l'apparecchiatura di misura è pronta per le misure in situ di macchine reali. Inoltre, viene misurata e analizzata la risposta dinamica del banco di prova rotante. Infine, i dati sperimentali dei vibrometri laser sono confrontati direttamente con i risultati numerici di un modello a elementi finiti 1D del banco prova e con i dati sperimentali di un encoder ottico per un confronto incrociato. È stata riscontrata una buona corrispondenza tra i dati numerici e quelli sperimentali.