Informaation hallinta prosessiteollisuuden investointiprojektissa

Diplomityössä on tutkittu kohdeyrityksen, UPM-Kymmene Oyj Kymin tuotantoyksikön nykyisiä investointiprojektin tiedonhallinnan käytäntöjä. Nykytilan selvityksen ja haastatteluissa ilmenneiden tarpeiden perusteella on työssä esitelty uusi toimintamalli tulevia investointiprojekteja varten. Diplomityö perustuu aihepiirin kirjalliseen tarkasteluun ja yhteistyökumppaneiden haastatteluihin. Kirjallisuuden avulla on selvitetty dokumenttienhallinnan teoriaa ja tulevaisuuden näkymiä. Haastatteluilla on selvitetty Kymin tiedonhallinnan nykytilaa ja tulevia tarpeita. Haastatteluita on tehty Kymillä sisäisesti ja Kymin konsultti- ja laitetoimittajaosapuolten kanssa. Työssä käsitellään informaationhallintaa dokumenttienhallinnan ja erilaisten investointiprojektissa käsiteltävien dokumenttien pohjalta. Investointiprojektissa syntyvän talletettavan ja arkistoitavan dokumenttiaineiston lisäksi huomioidaan laitetietojen hallinta, mutta vain periaatteellisella tasolla. Investointiprojektin tiedonhallinnassa ehdotetaan siirryttävän perinteisestä eri projektiosapuolten keskinäisestä tiedonvaihdosta verkottuneeseen tiedonhallinnan malliin. Verkottuneessa tiedonhallinnassa toimitaan investointiprojektin osapuolten yhteisen tietovaraston avulla. Työn tuloksena syntynyt kohdeyrityksen toimintamalli koostuu useista eri osa-alueista, mikä mahdollistaa toimintamallin hyödyntämisen yksittäisiä osa-alueita kokonaisuudesta irrottamalla. Toimintamallia on mahdollista hyödyntää vastaavanlaisten tuotanto-laitosten investointiprojektien yhteydessä. Työssä toimintamallin käytännön sovellutus kohdeyrityksessä on esitetty käyttöönottoprojektina.

Virtauslaskentaa ja energia-analyysiä hyödyntävä huoneilman lämpöolosuhteiden simulointimalli

Huonetilojen lämpöolosuhteiden hallinta on tärkeä osa talotekniikan suunnittelua. Tavallisesti huonetilan lämpöolosuhteita mallinnetaan menetelmillä, joissa lämpödynamiikkaa lasketaan huoneilmassa yhdessä laskentapisteessä ja rakenteissa seinäkohtaisesti. Tarkastelun kohteena on yleensä vain huoneilman lämpötila. Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää huoneilman lämpöolosuhteiden simulointimalli, jossa rakenteiden lämpödynamiikka lasketaan epästationaarisesti energia-analyysilaskennalla ja huoneilman virtauskenttä mallinnetaan valittuna ajanhetkenä stationaarisesti virtauslaskennalla. Tällöin virtauskentälle saadaan jakaumat suunnittelun kannalta olennaisista suureista, joita tyypillisesti ovat esimerkiksi ilman lämpötila ja nopeus. Simulointimallin laskentatuloksia verrattiin testihuonetiloissa tehtyihin mittauksiin. Tulokset osoittautuivat riittävän tarkoiksi talotekniikan suunnitteluun. Mallilla simuloitiin kaksi huonetilaa, joissa tarvittiin tavallista tarkempaa mallinnusta. Vertailulaskelmia tehtiin eri turbulenssimalleilla, diskretointitarkkuuksilla ja hilatiheyksillä. Simulointitulosten havainnollistamiseksi suunniteltiin asiakastuloste, jossa on esitetty suunnittelun kannalta olennaiset asiat. Simulointimallilla saatiin lisätietoa varsinkin lämpötilakerrostumista, joita tyypillisesti on arvioitu kokemukseen perustuen. Simulointimallin kehityksen taustana käsiteltiin rakennusten sisäilmastoa, lämpöolosuhteita ja laskentamenetelmiä sekä mallinnukseen soveltuvia kaupallisia ohjelmia. Simulointimallilla saadaan entistä tarkempaa ja yksityiskohtaisempaa tietoa lämpöolosuhteiden hallinnan suunnitteluun. Mallin käytön ongelmia ovat vielä virtauslaskennan suuri laskenta-aika, turbulenssin mallinnus, tuloilmalaitteiden reunaehtojen tarkka määritys ja laskennan konvergointi. Kehitetty simulointimalli tarjoaa hyvän perustan virtauslaskenta- ja energia-analyysiohjelmien kehittämiseksi ja yhdistämiseksi käyttäjäystävälliseksi talotekniikan suunnittelutyökaluksi.

Päällystyskoneiden runkojen värähtelyiden FE-analysoinnin kehittäminen

Työssä kehitettiin päällystyskoneen runkojen FE-analysointia erityisesti vastelaskennan kannalta, joskin myös ominaistaajuuslaskennan tarkentamiseksi esitettiin parannuksia. Työssä rajoitutaan harmonisten telaherätteiden aiheuttamien vasteiden analysointiin. . Työssä käsitellään värähtelyjen teoriaa ja tarkastellaan Abaqus-ohjelmiston (versio 5.8) laskentamenetelmiä vakiotilan värähtelyvasteen laskemiseksi. FEM-mallin rakenteeseen liittyen käsitellään perustuksien ja maaperän, konepalkin ja telaherätteiden mallintamista ja mallinnuksen laajuutta. Telaherätteitä käsitellään yksittäisen telan ja telojen samanvaiheisuuden kannalta. Samanvaiheisuutta tutkitaan työssä kehitetyllä summafunktiolla. Värähtelyjen mittaukseen FEM-mallien verifioimiseksi esitetään parannuksia. Nykyinen mallinnustapa käsitellään lyhyesti. Parannusehdotuksia kokeiltiin mallintamalla Rauma 400-päällystyskone ja vertaamalla tuloksia mitattuihin. Laskennan tulokset vastasivat vaihtelevasti mittaustuloksia, mittaustulosten puutteellisuus vaikeutti vertailua. Tulosten perusteella herätetiedon parantaminen on perusteltua ja mallin laajennus lisää todenmukaisuutta. Maaperän huomiointi vaikuttaa ennen kaikkea ominaistaajuuksiin ja muotoihin ja suora ratkaisutapa on käyttökelpoinen vasteen laskentamenetelmä otettaessa maaperä huomioon.

Classification and inventory management of abnormal demand items

The main objective of the study is to form a framework that provides tools to recognise and classify items whose demand is not smooth but varies highly on size and/or frequency. The framework will then be combined with two other classification methods in order to form a three-dimensional classification model. Forecasting and inventory control of these abnormal demand items is difficult. Therefore another object of this study is to find out which statistical forecasting method is most suitable for forecasting of abnormal demand items. The accuracy of different methods is measured by comparing the forecast to the actual demand. Moreover, the study also aims at finding proper alternatives to the inventory control of abnormal demand items. The study is quantitative and the methodology is a case study. The research methods consist of theory, numerical data, current state analysis and testing of the framework in case company. The results of the study show that the framework makes it possible to recognise and classify the abnormal demand items. It is also noticed that the inventory performance of abnormal demand items differs significantly from the performance of smoothly demanded items. This makes the recognition of abnormal demand items very important.

Varavoimalaitosten pimeäkäynnistysmahdollisuudet

Nyky yhteiskunta tulee päivä päivältä riippuvaisemmaksi sähköstä ja sen luotettavasta siirrosta ja jakelusta. Suurhäiriö kantaverkossa on erittäin epätodennäköinen, mutta sen mahdollisuutta ei koskaan voida kokonaan rajata pois. Suurhäiriön seuraukset ovat erittäin vakavat ja yhteiskäytön palautus häiriön jälkeen voi pitkittyä. Diplomityössä käsitellään kantaverkkoyhtiö Fingrid Oyj:n kaasuturpiinivaravoimalaitoksia ja niiden ominaisuuksia kantaverkon suurhäiriössä. Varavoimalaitosten pimeäkäynnistysvalmiudet tarkastettiin ja niissä suoritettiin koeajoja, jotka sisälsivät jatkuvan ja dynaamisen tilan koeajo osuudet. Yhdessä laitosyksikössä tehtiin myös pimeäkäynnistys ja saarekekoeajo. Koeajojen perusteella saatiin arvokasta perustietoa kaasuturpiinilaitosten ominaisuuksista ja mahdollisuuksista toimia pimeäkäynnistystilanteissa. Varavoimalaitosten matemaattista mallintamista yksinkertaisella teollisuuskaasuturpiinilaitoksen mallilla kokeiltiin siinä kuitenkaan onnistumatta. Kokemusten perusteella esitetään keskeisimmät havainnot ja ehdotukset kevyen, moniakselisen kaasuturpiinilaitoksen mallintamiseksi.

Magnetic Resonance Experiments with Atomic Hydrogen

In this thesis three experiments with atomic hydrogen (H) at low temperatures T<1 K are presented. Experiments were carried out with two- (2D) and three-dimensional (3D) H gas, and with H atoms trapped in solid H2 matrix. The main focus of this work is on interatomic interactions, which have certain specific features in these three systems considered. A common feature is the very high density of atomic hydrogen, the systems are close to quantum degeneracy. Short range interactions in collisions between atoms are important in gaseous H. The system of H in H₂ differ dramatically because atoms remain fixed in the H₂ lattice and properties are governed by long-range interactions with the solid matrix and with H atoms. The main tools in our studies were the methods of magnetic resonance, with electron spin resonance (ESR) at 128 GHz being used as the principal detection method. For the first time in experiments with H in high magnetic fields and at low temperatures we combined ESR and NMR to perform electron-nuclear double resonance (ENDOR) as well as coherent two-photon spectroscopy. This allowed to distinguish between different types of interactions in the magnetic resonance spectra. Experiments with 2D H gas utilized the thermal compression method in homogeneous magnetic field, developed in our laboratory. In this work methods were developed for direct studies of 3D H at high density, and for creating high density samples of H in H₂. We measured magnetic resonance line shifts due to collisions in the 2D and 3D H gases. First we observed that the cold collision shift in 2D H gas composed of atoms in a single hyperfine state is much smaller than predicted by the mean-field theory. This motivated us to carry out similar experiments with 3D H. In 3D H the cold collision shift was found to be an order of magnitude smaller for atoms in a single hyperfine state than that for a mixture of atoms in two different hyperfine states. The collisional shifts were found to be in fair agreement with the theory, which takes into account symmetrization of the wave functions of the colliding atoms. The origin of the small shift in the 2D H composed of single hyperfine state atoms is not yet understood. The measurement of the shift in 3D H provides experimental determination for the difference of the scattering lengths of ground state atoms. The experiment with H atoms captured in H2 matrix at temperatures below 1 K originated from our work with H gas. We found out that samples of H in H2 were formed during recombination of gas phase H, enabling sample preparation at temperatures below 0.5 K. Alternatively, we created the samples by electron impact dissociation of H₂ molecules in situ in the solid. By the latter method we reached highest densities of H atoms reported so far, 3.5(5)x10¹⁹ cm^-3. The H atoms were found to be stable for weeks at temperatures below 0.5 K. The observation of dipolar interaction effects provides a verification for the density measurement. Our results point to two different sites for H atoms in H2 lattice. The steady-state nuclear polarizations of the atoms were found to be non-thermal. The possibility for further increase of the impurity H density is considered. At higher densities and lower temperatures it might be possible to observe phenomena related to quantum degeneracy in solid.

Kunnossapitomittariston määrittäminen ja kunnossapidon kehittäminen

Diplomityössä pyritään määrittämään Kaukaan sahan kunnossapidon vallitsevaan tilanteeseen sopiva mittaristo. Tavoitteena on kunnossapitoprosessien tehostaminen sekä sahan kokonaistehokkuuden nostaminen. Diplomityön kirjallisessa osassa tutkimusongelmaa käsitellään kunnossapidon sekä mittaristojen ja tunnuslukujen näkökulmasta. Teoriaosa on rakennettu tukemaan työn tutkimusosaa. Tutkimuksen empiirisessä osassa tehdään nykytila-analyysi Kaukaan sahan kunnossapidosta. Nykytila-analyysi koostuu kyselytutkimuksesta, mitattavista tunnusluvuista sekä top-analyysista. Kyselytutkimus tehtiin lisäksi kaikilla UPM-Kymmene Oyj:n sahoilla. Kyselytutkimuksen pohjalta tehdään benchmarking-analyysia Kaukaan sahan ja suomen teollisuuden sekä UPM:n sahojen välillä. Lopuksi eroanalyysilla analysoidaan kyselytutkimuksessa syntynyttä eroa Kaukaan sahan ja UPM:n sahateollisuuden parhaan kunnossapidon välillä. Tutkimustulokset paljastivat useita kehityskohteita. Työssä annetaan suositus kyseisten kehityskohteiden mittaamisesta. Mittareiden ohella annetaan suosituksia uusista toimintamalleista.

Laitosmittaukset turbiinilaitoksen suorituskyvyn seurantaan ydinvoimalaitoksen vuosihuoltojen yhteydessä

Työssä kehitettiin höyryvoimalaitosprosessin tilan seurantaan laitosmittausrutiini, jolla tarkastellaan erityisesti turbiinilaitoksen suorituskykyä ennen ja jälkeen vuosihuoltojen. Laitosmittaukset on kehitetty Teollisuuden Voima Oyj:n Olkiluodon ydinvoimalaitosyksikköjen OL1 ja OL2 tarpeisiin. Mittauksilla saadaan tietoa vuosihuollon kokonaisvaikutuksista prosessiin eli muuttuiko mikään vuosihuollon aikana ja mitkä syyt johtivat muutokseen. Lisäksi säännöllisillä mittauksilla tavoitellaan pitkän aikavälin referenssitietoa prosessin tilasta. Esimerkkimittaukset tehtiin kevään 2008 vuosihuolloissa, R108 ja R208. Työssä on esitetty mittausten suorittaminen, tulosten laskenta ja tarkastelu sekä raportointi. Luotu mittausrutiini pohjautuu höyryturbiinien ja lämmönsiirtimien vastaanottokokeita käsitteleviin standardeihin sekä laitosten viimeisimpiin prosessimuutosten yhteydessä toteutettuihin suorituskykymittauksiin. Laitosmittauksista tehtiin vastaanottokokeita kevyemmät ja yksinkertaisemmat mittaustapahtumat, joilla saadaan kuitenkin riittävän luotettavaa tietoa. Tunnuslukuja, joita ei käytettävissä olevien mittatietojen avulla saatu suoraan selville tai laskettua massa- ja energiataseilla, määritettiin stationaarisen tilan mallinnusohjelmalla TEMPO:lla. Esimerkkimittaukset sujuivat hyvin ja saadut tulokset antoivat kaivattua lisätietoa vuosihuollon vaikutuksesta prosessiin. Generaattorin bruttoteho aleni OL1:llä ja pysyi ennallaan OL2:lla. OL1:n tehon aleneminen selittyi syöttöveden virtausmäärän vähenemisellä, johon vaikutti virtausmittalaitteen lähettimen vaihto. OL2:lla ei havaittu turbiiniprosessissa muutoksia, mutta lauhduttimien suorituskyky parani. Lauhduttimien suorituskyvyn paraneminen ilmeni asteisuuksien pienentymisenä, johon vaikuttivat puhdistaminen ja ilmavuotojen väheneminen.

Modelling of combustion and sorbent reactions in three-dimensional flow environment of a circulating fluidized bed furnace

This thesis presents a three-dimensional, semi-empirical, steady state model for simulating the combustion, gasification, and formation of emissions in circulating fluidized bed (CFB) processes. In a large-scale CFB furnace, the local feeding of fuel, air, and other input materials, as well as the limited mixing rate of different reactants produce inhomogeneous process conditions. To simulate the real conditions, the furnace should be modelled three-dimensionally or the three-dimensional effects should be taken into account. The only available methods for simulating the large CFB furnaces three-dimensionally are semi-empirical models, which apply a relatively coarse calculation mesh and a combination of fundamental conservation equations, theoretical models and empirical correlations. The number of such models is extremely small. The main objective of this work was to achieve a model which can be applied to calculating industrial scale CFB boilers and which can simulate all the essential sub-phenomena: fluid dynamics, reactions, the attrition of particles, and heat transfer. The core of the work was to develop the model frame and the required sub-models for determining the combustion and sorbent reactions. The objective was reached, and the developed model was successfully used for studying various industrial scale CFB boilers combusting different types of fuel. The model for sorbent reactions, which includes the main reactions for calcitic limestones, was applied for studying the new possible phenomena occurring in the oxygen-fired combustion. The presented combustion and sorbent models and principles can be utilized in other model approaches as well, including other empirical and semi-empirical model approaches, and CFD based simulations. The main achievement is the overall model frame which can be utilized for the further development and testing of new sub-models and theories, and for concentrating the knowledge gathered from the experimental work carried out at bench scale, pilot scale and industrial scale apparatus, and from the computational work performed by other modelling methods.

Oil Transportation in the Gulf of Finland in 2020 and 2030

This study is part of the Minimizing risks of maritime oil transport by holistic safety strategies (MIMIC) project. The purpose of this study is to provide a current state analysis of oil transportation volumes in the Baltic Sea and to create scenarios for oil transportation in the Gulf of Finland for the years 2020 and 2030. Future scenarios and information about oil transportation will be utilized in the modelling of oil transportation risks, which will be carried out as part of the MIMIC project. Approximately 290 million tons of oil and oil products were transported in the Baltic Sea in 2009, of which 55% (160 million tons) via the Gulf of Finland. Oil transportation volumes in the Gulf of Finland have increased from 40 million to almost 160 million tonnes over the last ten years. In Russia and Estonia, oil transportation mainly consists of export transports of the Russian oil industry. In Finnish ports in the Gulf of Finland, the majority of oil traffic is concentrated to the port of Sköldvik, while the remainder mainly consists of different oil products for domestic use. Transit transports to/from Russia make up small volumes of oil transportation. The largest oil ports in the Gulf of Finland are Primorsk, Tallinn, St. Petersburg and Sköldvik. The basis for the scenarios for the years 2020 and 2030 is formed by national energy strategies, the EU`s climate and energy strategies as well other energy and transportation forecasts for the years 2020 and 2030. Three alternative scenarios were produced for both 2020 and 2030. The oil volumes are based on the expert estimates of nine specialists. The specialists gave three volumes for each scenario: the expected oil transport volumes, and the minimum and maximum volumes. Variations in the volumes between the scenarios are not large, but each scenario tends to have rather a large difference between the figures for minimum and maximum volumes. This variation between the minimum and maximum volumes ranges around 30 to 40 million tonnes depending on the scenario. On the basis of this study, no a dramatic increase in oil transportation volumes in the Gulf of Finland is to be expected. Most of the scenarios only forecasted a moderate growth in maritime oil transportation compared to the current levels. The effects of the European energy policy favouring renewable energy sources can be seen in the 2030 scenarios, in which the transported oil volumes are smaller than in the 2020 scenarios. In the Slow development 2020 scenario, oil transport volumes for 2020 are expected to be 170.6 Mt (million tonnes), in the Average development 2020 187.1 Mt and in the Strong development 2020 201.5 Mt. The corresponding oil volumes for the 2030 scenarios were 165 Mt for the Stagnating development 2030 scenario, 177.5 Mt for the Towards a greener society 2030 scenario and 169.5 Mt in the Decarbonising society 2030 scenario.

0-visio - teoriasta käytännöksi : Varsinais-Suomen ja Satakunnan maakuntien liikenneturvallisuussuunnitelma 2012-2016

Liikenneturvallisuus syntyy eri osapuolten toiminnan ja yhteistyön tuloksena. Poliitikot päättävät yhteiskunnan suunnittelusta ja liikennejärjestelmästä, suunnittelijat toteuttavat poliitikkojen tekemiä päätöksiä, virkamiehet laativat lakiehdotuksia ja sääntöjä, ELY-keskus ja kunnat vastaavat teistä ja niiden kunnosta, poliisi valvoo liikennesääntöjen noudattamista, Liikenneturva tiedottaa ja kouluttaa, yritykset, yhteisöt ja yksityiset ihmiset tilaavat ja käyttävät kuljetuspalveluja ja kaikki kuntalaiset osallistuvat liikenteeseen. Liikenneturvallisuussuunnitelma toimii työkaluna Varsinais-Suomen ja Satakunnan liikenneturvallisuustyössä. Alueellisen liikenneturvallisuustyön nollavisio ja tavoitteet asetettiin valtakunnallisen liikenneturvallisuussuunnitelman, alueen nykytila-analyysin sekä suunnitelman laadinnan aikana sidosryhmien kanssa käydyn keskustelun pohjalta. Nollavision mukaan kenenkään ei tarvitse kuolla tai loukkaantua vakavasti liikenteessä. Lisäksi visiona on vastuullinen liikkuminen, joka myös koetaan turvalliseksi. Seitsemän kohdan ohjelmaan nollavision toteuttamiseksi on tiivistetty tärkeimmät toimet. Yksilöityihin toimenpiteisiin on kirjattu maankäytön suunnitteluun, kestävään liikkumiseen, liikenneympäristöön ja liikennekäyttäytymiseen liittyviä toimenpiteitä. Lisäksi liikenneturvallisuusyhteistyöhön kohdistuvia toimenpiteitä sisältyy suunnitelmaan. Toimenpiteiden toteuttamisen vastuu- ja yhteistyötahoja on useita. Toimenpiteet kohdistuvat alueen tielläliikkujiin, organisaatioihin ja päätöksentekijöihin. Pitkän aikavälin ja valtakunnallisen tason toimenpiteet edesauttavat liikenneturvallisuuden kehittymistä toivottuun suuntaan. Vaikutustarkastelu osoittaa, että asetettujen tavoitteiden saavuttaminen vaatii laajaa keinovalikoimaa, usean toimijan välistä yhteistyötä sekä resursseja liikenneturvallisuustyöhön. Tämä liikenneturvallisuussuunnitelma haastaa eri hallinnonalat, viranomaiset, järjestöt ja yritykset omalta osaltaan toteuttamaan toimia, jotka vievät kohti nollavisiota. Suunnitelman toteutuminen edellyttää, että sillä on kuntien ja päättäjien tuki. Varsinais-Suomen ja Satakunnan liikenteen tulevaisuus kehittyy suunnitelman mukaisesti, jos liikenteen vastuunkantajat sitoutuvat suunnitelman vision periaatteisiin ja pitävät elämää suojelevia arvoja toimintansa perustana.

Fundamentals of heat transfer

Following over 170+ pages and additional appendixes are formed based on content of Course: Fundamentals of Heat Transfer. Mainly this summarizes relevant parts on Book of Fundamentals of Heat and Mass Transfer (Incropera), but also other references introducing the same concepts are included. Student’s point of view has been consideredwith following highlights: (1) Relevant topics are presented in a nutshell to provide fast digestion of principles of heat transfer. (2) Appendixes include terminology dictionary. (3) Totally 22 illustrating examples are connecting theory to practical applications and quantifying heat transfer to understandable forms as: temperatures, heat transfer rates, heat fluxes, resistances and etc. (4) Most important Learning outcomes are presented for each topic separately. The Book, Fundamentals of Heat and Mass Transfer (Incropera), is certainly recommended for those going beyond basic knowledge of heat transfer. Lecture Notes consists of four primary content-wise objectives: (1) Give understanding to physical mechanisms of heat transfer, (2)Present basic concepts and terminology relevant for conduction, convection and radiation (3) Introduce thermal performance analysis methods for steady state and transient conduction systems. (4) Provide fast-to-digest phenomenological understanding required for basic design of thermal models

Turbulenssimallien soveltuminen syklonien numeeriseen virtauslaskentaan

Tässä työssä tutkittiin miten totuudenmukaisia tuloksia syklonierottimen virtauskentästä saadaan numeerisella laskennalla, kun käytetään eri turbulenssimalleja. Tarkoitus oli myös selvittää yleisesti syklonin toimintaperiaatteita, haasteita sen käytössä sekä syklonin numeerisen virtauslaskennan perusteita. Numeerisen virtauslaskennan teoria selitetään pääpiirteittäin, samoin turbulenssin mallinnus. Työn laskentaosiossa simuloitiin Fluent-ohjelmalla syklonin virtauskenttää kuumalla ilmalla sekä kahdella eri turbulenssimallilla ja verrattiin tuloksia kirjallisuudesta löytyviin mittaustuloksiin. Simuloinnit suoritettiin sekä ajasta riippuvana että ajasta riippumattomana ja kahdella eri laskentahilalla. Simulointien tulokset osoittivat, että RNG k-ε turbulenssimalli ei kykene tuottamaan totuu-denmukaista virtauskenttää. Toisen käytetyn turbulenssimallin, Reynolds-jännitysmallin tulokset vastasivat enemmän mittaustuloksia. Reynolds-jännitysmallia voidaan pitää käyttökelpoisena syklonin simuloinnissa tämän työn ja kirjallisuuden perusteella. Mallissa oli yksinkertaistuksia, esimerkiksi kiinteää ainetta ei otettu huomioon lainkaan.

Lightweight, liquid-cooled, direct-drive generator for highpower wind turbines: motivation, concept, and performance

Thesis: A liquid-cooled, direct-drive, permanent-magnet, synchronous generator with helical, double-layer, non-overlapping windings formed from a copper conductor with a coaxial internal coolant conduit offers an excellent combination of attributes to reliably provide economic wind power for the coming generation of wind turbines with power ratings between 5 and 20MW. A generator based on the liquid-cooled architecture proposed here will be reliable and cost effective. Its smaller size and mass will reduce build, transport, and installation costs. Summary: Converting wind energy into electricity and transmitting it to an electrical power grid to supply consumers is a relatively new and rapidly developing method of electricity generation. In the most recent decade, the increase in wind energy’s share of overall energy production has been remarkable. Thousands of land-based and offshore wind turbines have been commissioned around the globe, and thousands more are being planned. The technologies have evolved rapidly and are continuing to evolve, and wind turbine sizes and power ratings are continually increasing. Many of the newer wind turbine designs feature drivetrains based on Direct-Drive, Permanent-Magnet, Synchronous Generators (DD-PMSGs). Being low-speed high-torque machines, the diameters of air-cooled DD-PMSGs become very large to generate higher levels of power. The largest direct-drive wind turbine generator in operation today, rated just below 8MW, is 12m in diameter and approximately 220 tonne. To generate higher powers, traditional DD-PMSGs would need to become extraordinarily large. A 15MW air-cooled direct-drive generator would be of colossal size and tremendous mass and no longer economically viable. One alternative to increasing diameter is instead to increase torque density. In a permanent magnet machine, this is best done by increasing the linear current density of the stator windings. However, greater linear current density results in more Joule heating, and the additional heat cannot be removed practically using a traditional air-cooling approach. Direct liquid cooling is more effective, and when applied directly to the stator windings, higher linear current densities can be sustained leading to substantial increases in torque density. The higher torque density, in turn, makes possible significant reductions in DD-PMSG size. Over the past five years, a multidisciplinary team of researchers has applied a holistic approach to explore the application of liquid cooling to permanent-magnet wind turbine generator design. The approach has considered wind energy markets and the economics of wind power, system reliability, electromagnetic behaviors and design, thermal design and performance, mechanical architecture and behaviors, and the performance modeling of installed wind turbines. This dissertation is based on seven publications that chronicle the work. The primary outcomes are the proposal of a novel generator architecture, a multidisciplinary set of analyses to predict the behaviors, and experimentation to demonstrate some of the key principles and validate the analyses. The proposed generator concept is a direct-drive, surface-magnet, synchronous generator with fractional-slot, duplex-helical, double-layer, non-overlapping windings formed from a copper conductor with a coaxial internal coolant conduit to accommodate liquid coolant flow. The novel liquid-cooling architecture is referred to as LC DD-PMSG. The first of the seven publications summarized in this dissertation discusses the technological and economic benefits and limitations of DD-PMSGs as applied to wind energy. The second publication addresses the long-term reliability of the proposed LC DD-PMSG design. Publication 3 examines the machine’s electromagnetic design, and Publication 4 introduces an optimization tool developed to quickly define basic machine parameters. The static and harmonic behaviors of the stator and rotor wheel structures are the subject of Publication 5. And finally, Publications 6 and 7 examine steady-state and transient thermal behaviors. There have been a number of ancillary concrete outcomes associated with the work including the following. X Intellectual Property (IP) for direct liquid cooling of stator windings via an embedded coaxial coolant conduit, IP for a lightweight wheel structure for lowspeed, high-torque electrical machinery, and IP for numerous other details of the LC DD-PMSG design X Analytical demonstrations of the equivalent reliability of the LC DD-PMSG; validated electromagnetic, thermal, structural, and dynamic prediction models; and an analytical demonstration of the superior partial load efficiency and annual energy output of an LC DD-PMSG design X A set of LC DD-PMSG design guidelines and an analytical tool to establish optimal geometries quickly and early on X Proposed 8 MW LC DD-PMSG concepts for both inner and outer rotor configurations Furthermore, three technologies introduced could be relevant across a broader spectrum of applications. 1) The cost optimization methodology developed as part of this work could be further improved to produce a simple tool to establish base geometries for various electromagnetic machine types. 2) The layered sheet-steel element construction technology used for the LC DD-PMSG stator and rotor wheel structures has potential for a wide range of applications. And finally, 3) the direct liquid-cooling technology could be beneficial in higher speed electromotive applications such as vehicular electric drives.

Korkeapainevesisumusuuttimen virtaustekninen laadunhallinta

Tämä työ vastaa tarpeeseen hallita korkeapainevesisumusuuttimen laatua virtausmekaniikan työkalujen avulla. Työssä tutkitaan suutinten testidatan lisäksi virtauksen käyttäytymistä suuttimen sisällä CFD-laskennan avulla. Virtausmallinnus tehdään Navier-Stokes –pohjaisella laskentamenetelmällä. Työn teoriaosassa käsitellään virtaustekniikkaa ja sen kehitystä yleisesti. Lisäksi esitetään suuttimen laskennassa käytettävää perusteoriaa sekä teknisiä ratkaisuja. Teoriaosassa käydään myös läpi laskennalliseen virtausmekaniikkaan (CFD-laskenta) liittyvää perusteoriaa. Tutkimusosiossa esitetään käsitellyt suutintestitulokset sekä mallinnetaan suutinvirtausta ajasta riippumattomaan virtauslaskentaan perustuvalla laskentamenetelmällä. Virtauslaskennassa käytetään OpenFOAM-laskentaohjelmiston SIMPLE-virtausratkaisijaa sekä k-omega SST –turbulenssimallia. Tehtiin virtausmallinnus kaikilla paineilla, joita suuttimen testauksessa myös todellisuudessa käytetään. Lisäksi selvitettiin mahdolliset kavitaatiokohdat suuttimessa ja suunniteltiin kavitaatiota ehkäisevä suutingeometria. Todettiin myös lämpötilan ja epäpuhtauksien vaikuttavan kavitaatioon sekä mallinnettiin lämpötilan vaikutusta. Luotiin malli, jolla suuttimen suunnitteluun liittyviin haasteisiin voidaan vastata numeerisella laskennalla.