Use of field measurements in fatigue analysis of forestry cranes

Tässä työssä on esitetty väsyttävän kuormituksen mittaamiseen ja mittausdatan jälkikäsittelyyn sekä väsymismitoitukseen liittyviä menetelmiä. Menetelmien sovelluskohteena oli metsäkoneen kuormain, joka on väsyttävästi kuormitettu hitsattu rakenne. Teoriaosassa on kuvattu väsymisilmiötä ja väsymismitoitusmenetelmiä sekä kuormitusten tunnistamiseen ja mittausten jälkikäsittelyyn liittyviä menetelmiä. Yleisimmin käytettyjen väsymismitoitusmenetelmien rinnalle on esitetty luotettavuuteen perustuvaa väsymismitoitusmenetelmää. Kuormainten suunnittelussa on keveys- j a kestoikävaatimusten takia erityisen suuri merkitys väsymisen huomioimisella. Rakenteille on ominaista tietyt toiminnan kannalta välttämättömät hitsatut yksityiskohdat, jotka usein määräävät koko rakenteen kestoiän. Koska nämä ongelmakohdat pystytään useimmiten tunnistamaan jo suunnitteluvaiheessa, voidaan yksityiskohtien muotoilulla usein parantaa huomattavasti koko rakenteen kestoikää. Näiden yksityiskohtien optimointi on osittain mahdollista toteuttaa ilman kuormituskertymätietoa, mutta useimmiten kuormitusten tunnistaminen on edellytys parhaan ratkaisun löytymiselle. Tällöin toistaiseksi paras keino todellisen väsyttävän kuormituksen tunnistamiseksi on pitkäaikaiset kenttämittaukset. Kenttämittauksilla selvitetään rakenteeseen kohdistuvat kuormitukset venymäliuskojen avulla. Kuormitusten tunnistamisella on erityisen suuri merkitys kun halutaan määrittää rakenteen kestoikä. Väsyminen ja väsyttävä kuormitus ovat kuitenkin tilastollisia muuttujia j a yksittäiselle rakenteelle ei ole mahdollista määrittää tarkkaa k estoikää. Tilastollisia menetelmiä käyttäen on kuitenkin mahdollista määrittää rakenteen vaurioitumisriski. Laskettaessa vaurioitumisriskiä suurelle määrälle yksittäisiä rakenteita voidaan muodostaa tarkkojakin ennusteita mahdollisten vaurioiden lukumäärästä. Tällöin kuormituskertymätiedosta voi olla tavanomaisen suunnittelun lisäksi laajempaa hyötyä esimerkiksi takuukäsittelyssä. Tässä työssä on sovellettu esitettyjä teorioita käytännössä metsäkoneen harvesterin puomiston väsymistarkasteluun. Kyseisen rakenteen kuormituksia mitattiin kahden viikon aikana yhteensä 35 tuntia, jonka perusteella laskettiin väsyttävän kuormituksen tilastollinen jakauma esimerkkitapaukselle. Mittauksen perusteella ei voitu tehdä kuitenkaan johtopäätöksiä tuotteen koko elinkaaren kuormituksista eikä muiden samanlaisten tuotteiden kuormituksista, koska mitattu otos oli suhteellisen lyhyt ja rajoittui vain yhteen käyttäjään ja muutamaan käyttökohteeseen. Menetelmien testaamiseksi kyseinen otos oli kuitenkin riittävä. Kuormituskertymätietoa käytettiin hyväksi myös laatumääritysten muodostamisessaesimerkkitapaukselle. Murtumismekaniikkaan perustuvalla menetelmällä arvioitiinharvesteripilarin valun mahdollisten valuvirheiden suurin sallittu koko. Luotettavuuteen pohjautuvan mitoitusmenettelyn tarve näyttää olevanlisääntymässä, joten pitkäaikaisten kenttämittausten tehokas hyödyntäminen tulee olemaan keskeinen osa väsymismitoitusta lähitulevaisuudessa. Menetelmiä olisi mahdollista tehostaa yhdistämällä kuormituskertymään erilaisia kuormitusten suhteen riippuvia tunnettuja suureita kuten käsiteltävän puun halkaisija. Todellisettuotekohtaiset tilastolliset jakaumat kuormituksista voitaisiin muodostaa mahdollisesti tehokkaammin, jos esimerkiksi kuormitusten riippuvuus metsätyypistä pystyttäisiin ensin määrittämään.

Electromagnetic Design of a Solid Steel Rotor Motor for Demanding Operation Environments

The solid-rotor induction motor provides a mechanically and thermally reliable solution for demanding environments where other rotor solutions are prohibited or questionable. Solid rotors, which are manufactured of single pieces of ferromagnetic material, are commonly used in motors in which the rotationspeeds exceed substantially the conventional speeds of laminated rotors with squirrel-cage. During the operation of a solid-rotor electrical machine, the rotor core forms a conductor for both the magnetic flux and the electrical current. This causes an increase in the rotor resistance and rotor leakage inductance, which essentially decreases the power factor and the efficiency of the machine. The electromagnetic problems related to the solid-rotor induction motor are mostly associated with the low performance of the rotor. Therefore, the main emphasis in this thesis is put on the solid steel rotor designs. The rotor designs studied in thisthesis are based on the fact that the rotor construction should be extremely robust and reliable to withstand the high mechanical stresses caused by the rotational velocity of the rotor. In addition, the demanding operation environment sets requirements for the applied materials because of the high temperatures and oxidizing acids, which may be present in the cooling fluid. Therefore, the solid rotors analyzed in this thesis are made of a single piece of ferromagnetic material without any additional parts, such as copper end-rings or a squirrel-cage. A pure solid rotor construction is rigid and able to keep its balance over a large speed range. It also may tolerate other environmental stresses such as corroding substances or abrasive particles. In this thesis, the main target is to improve the performance of an induction motor equipped with a solid steel rotor by traditional methods: by axial slitting of the rotor, by selecting a proper rotor core material and by coating the rotor with a high-resistive stainless ferromagnetic material. In the solid steel rotor calculation, the rotor end-effects have a significant effect on the rotor characteristics. Thus, the emphasis is also put on the comparison of different rotor endfactors. In addition, a corrective slip-dependent end-factor is proposed. The rotor designs covered in this thesis are the smooth solid rotor, the axially slitted solid rotor and the slitted rotor having a uniform ferromagnetic coating cylinder. The thesis aims at design rules for multi-megawatt machines. Typically, mega-watt-size solidrotor machines find their applications mainly in the field of electric-motor-gas-compression systems, in steam-turbine applications, and in various types of largepower pump applications, where high operational speeds are required. In this thesis, a 120 kW, 10 000 rpm solid-rotor induction motor is usedas a small-scale model for such megawatt-range solid-rotor machines. The performance of the 120 kW solid-rotor induction motors is determined by experimental measurements and finite element calculations.

Isentropic Exergy and Pressure of the Shock Wave Caused by the Explosion of a Pressure Vessel

An accidental burst of a pressure vessel is an uncontrollable and explosion-like batch process. In this study it is called an explosion. The destructive effectof a pressure vessel explosion is relative to the amount of energy released in it. However, in the field of pressure vessel safety, a mutual understanding concerning the definition of explosion energy has not yet been achieved. In this study the definition of isentropic exergy is presented. Isentropic exergy is the greatest possible destructive energy which can be obtained from a pressure vessel explosion when its state changes in an isentropic way from the initial to the final state. Finally, after the change process, the gas has similar pressure and flow velocity as the environment. Isentropic exergy differs from common exergy inthat the process is assumed to be isentropic and the final gas temperature usually differs from the ambient temperature. The explosion process is so fast that there is no time for the significant heat exchange needed for the common exergy.Therefore an explosion is better characterized by isentropic exergy. Isentropicexergy is a characteristic of a pressure vessel and it is simple to calculate. Isentropic exergy can be defined also for any thermodynamic system, such as the shock wave system developing around an exploding pressure vessel. At the beginning of the explosion process the shock wave system has the same isentropic exergyas the pressure vessel. When the system expands to the environment, its isentropic exergy decreases because of the increase of entropy in the shock wave. The shock wave system contains the pressure vessel gas and a growing amount of ambient gas. The destructive effect of the shock wave on the ambient structures decreases when its distance from the starting point increases. This arises firstly from the fact that the shock wave system is distributed to a larger space. Secondly, the increase of entropy in the shock waves reduces the amount of isentropic exergy. Equations concerning the change of isentropic exergy in shock waves are derived. By means of isentropic exergy and the known flow theories, equations illustrating the pressure of the shock wave as a function of distance are derived. Amethod is proposed as an application of the equations. The method is applicablefor all shapes of pressure vessels in general use, such as spheres, cylinders and tubes. The results of this method are compared to measurements made by various researchers and to accident reports on pressure vessel explosions. The test measurements are found to be analogous with the proposed method and the findings in the accident reports are not controversial to it.

Numerical and ExperimentalModelling of Gas Flow and Heat Transfer in the Air Gap of An Electric Machine

This work deals with the cooling of high-speed electric machines, such as motors and generators, through an air gap. It consists of numerical and experimental modelling of gas flow and heat transfer in an annular channel. Velocity and temperature profiles are modelled in the air gap of a high-speed testmachine. Local and mean heat transfer coefficients and total friction coefficients are attained for a smooth rotor-stator combination at a large velocity range. The aim is to solve the heat transfer numerically and experimentally. The FINFLO software, developed at Helsinki University of Technology, has been used in the flow solution, and the commercial IGG and Field view programs for the grid generation and post processing. The annular channel is discretized as a sector mesh. Calculation is performed with constant mass flow rate on six rotational speeds. The effect of turbulence is calculated using three turbulence models. The friction coefficient and velocity factor are attained via total friction power. The first part of experimental section consists of finding the proper sensors and calibrating them in a straight pipe. After preliminary tests, a RdF-sensor is glued on the walls of stator and rotor surfaces. Telemetry is needed to be able to measure the heat transfer coefficients at the rotor. The mean heat transfer coefficients are measured in a test machine on four cooling air mass flow rates at a wide Couette Reynolds number range. The calculated values concerning the friction and heat transfer coefficients are compared with measured and semi-empirical data. Heat is transferred from the hotter stator and rotor surfaces to the coolerair flow in the air gap, not from the rotor to the stator via the air gap, althought the stator temperature is lower than the rotor temperature. The calculatedfriction coefficients fits well with the semi-empirical equations and precedingmeasurements. On constant mass flow rate the rotor heat transfer coefficient attains a saturation point at a higher rotational speed, while the heat transfer coefficient of the stator grows uniformly. The magnitudes of the heat transfer coefficients are almost constant with different turbulence models. The calibrationof sensors in a straight pipe is only an advisory step in the selection process. Telemetry is tested in the pipe conditions and compared to the same measurements with a plain sensor. The magnitudes of the measured data and the data from the semi-empirical equation are higher for the heat transfer coefficients than thenumerical data considered on the velocity range. Friction and heat transfer coefficients are presented in a large velocity range in the report. The goals are reached acceptably using numerical and experimental research. The next challenge is to achieve results for grooved stator-rotor combinations. The work contains also results for an air gap with a grooved stator with 36 slots. The velocity field by the numerical method does not match in every respect the estimated flow mode. The absence of secondary Taylor vortices is evident when using time averagednumerical simulation.

Theoretical Analysis and Simulations of Vertically Vibrated Granular Materials

The dynamical properties ofshaken granular materials are important in many industrial applications where the shaking is used to mix, segregate and transport them. In this work asystematic, large scale simulation study has been performed to investigate the rheology of dense granular media, in the presence of gas, in a three dimensional vertical cylinder filled with glass balls. The base wall of the cylinder is subjected to sinusoidal oscillation in the vertical direction. The viscoelastic behavior of glass balls during a collision, have been studied experimentally using a modified Newton's Cradle device. By analyzing the results of the measurements, using numerical model based on finite element method, the viscous damping coefficient was determinedfor the glass balls. To obtain detailed information about the interparticle interactions in a shaker, a simplified model for collision between particles of a granular material was proposed. In order to simulate the flow of surrounding gas, a formulation of the equations for fluid flow in a porous medium including particle forces was proposed. These equations are solved with Large Eddy Simulation (LES) technique using a subgrid-model originally proposed for compressible turbulent flows. For a pentagonal prism-shaped container under vertical vibrations, the results show that oscillon type structures were formed. Oscillons are highly localized particle-like excitations of the granular layer. This self-sustaining state was named by analogy with its closest large-scale analogy, the soliton, which was first documented by J.S. Russell in 1834. The results which has been reportedbyBordbar and Zamankhan(2005b)also show that slightly revised fluctuation-dissipation theorem might apply to shaken sand, which appears to be asystem far from equilibrium and could exhibit strong spatial and temporal variations in quantities such as density and local particle velocity. In this light, hydrodynamic type continuum equations were presented for describing the deformation and flow of dense gas-particle mixtures. The constitutive equation used for the stress tensor provides an effective viscosity with a liquid-like character at low shear rates and a gaseous-like behavior at high shear rates. The numerical solutions were obtained for the aforementioned hydrodynamic equations for predicting the flow dynamics ofdense mixture of gas and particles in vertical cylindrical containers. For a heptagonal prism shaped container under vertical vibrations, the model results were found to predict bubbling behavior analogous to those observed experimentally. This bubbling behavior may be explained by the unusual gas pressure distribution found in the bed. In addition, oscillon type structures were found to be formed using a vertically vibrated, pentagonal prism shaped container in agreement with computer simulation results. These observations suggest that the pressure distribution plays a key rolein deformation and flow of dense mixtures of gas and particles under vertical vibrations. The present models provide greater insight toward the explanation of poorly understood hydrodynamic phenomena in the field of granular flows and dense gas-particle mixtures. The models can be generalized to investigate the granular material-container wall interactions which would be an issue of high interests in the industrial applications. By following this approach ideal processing conditions and powder transport can be created in industrial systems.

Ash Particle Erosion on Steam Boiler Convective Section

In this study, equations for the calculation of erosion wear caused by ash particles on convective heat exchanger tubes of steam boilers are presented. Anew, three-dimensional test arrangement was used in the testing of the erosion wear of convective heat exchanger tubes of steam boilers. When using the sleeve-method, three different tube materials and three tube constructions could be tested. New results were obtained from the analyses. The main mechanisms of erosionwear phenomena and erosion wear as a function of collision conditions and material properties have been studied. Properties of fossil fuels have also been presented. When burning solid fuels, such as pulverized coal and peat in steam boilers, most of the ash is entrained by the flue gas in the furnace. In bubbling andcirculating fluidized bed boilers, particle concentration in the flue gas is high because of bed material entrained in the flue gas. Hard particles, such as sharp edged quartz crystals, cause erosion wear when colliding on convective heat exchanger tubes and on the rear wall of the steam boiler. The most important ways to reduce erosion wear in steam boilers is to keep the velocity of the flue gas moderate and prevent channelling of the ash flow in a certain part of the cross section of the flue gas channel, especially near the back wall. One can do this by constructing the boiler with the following components. Screen plates can beused to make the velocity and ash flow distributions more even at the cross-section of the channel. Shield plates and plate type constructions in superheaters can also be used. Erosion testing was conducted with three types of tube constructions: a one tube row, an inline tube bank with six tube rows, and a staggered tube bank with six tube rows. Three flow velocities and two particle concentrations were used in the tests, which were carried out at room temperature. Three particle materials were used: quartz, coal ash and peat ash particles. Mass loss, diameter loss and wall thickness loss measurements of the test sleeves were taken. Erosion wear as a function of flow conditions, tube material and tube construction was analyzed by single-variable linear regression analysis. In developing the erosion wear calculation equations, multi-variable linear regression analysis was used. In the staggered tube bank, erosion wear had a maximum value in a tube row 2 and a local maximum in row 5. In rows 3, 4 and 6, the erosion rate was low. On the other hand, in the in-line tube bank the minimum erosion rate occurred in tube row 2 and in further rows the erosion had an increasing value, so that in a six row tube bank, the maximum value occurred in row 6.

Critical flux and fouling in ultrafiltration of proteins

In this thesis different parameters influencing critical flux in protein ultrafiltration and membrane foul-ing were studied. Short reviews of proteins, cross-flow ultrafiltration, flux decline and criticalflux and the basic theory of Partial Least Square analysis (PLS) are given at the beginning. The experiments were mainly performed using dilute solutions of globular proteins, commercial polymeric membranes and laboratory scale apparatuses. Fouling was studied by flux, streaming potential and FTIR-ATR measurements. Critical flux was evaluated by different kinds of stepwise procedures and by both con-stant pressure and constant flux methods. The critical flux was affected by transmembrane pressure, flow velocity, protein concentration, mem-brane hydrophobicity and protein and membrane charges. Generally, the lowest critical fluxes were obtained at the isoelectric points of the protein and the highest in the presence of electrostatic repulsion between the membrane surface and the protein molecules. In the laminar flow regime the critical flux increased with flow velocity, but not any more above this region. An increase in concentration de-creased the critical flux. Hydrophobic membranes showed fouling in all charge conditionsand, furthermore, especially at the beginning of the experiment even at very low transmembrane pressures. Fouling of these membranes was thought to be due to protein adsorption by hydrophobic interactions. The hydrophilic membranes used suffered more from reversible fouling and concentration polarisation than from irreversible foul-ing. They became fouled at higher transmembrane pressures becauseof pore blocking. In this thesis some new aspects on critical flux are presented that are important for ultrafiltration and fractionation of proteins.

Selluradan leijutus ja hallinta ilmakuivaimessa

Diplomityön tavoitteena oli tutkia selluradan leijutusta sekä hallintaa kapealla ja täysleveällä selluradalla ilmakuivaimessa. Työn sisältö on jaettu neljään osaan teoriaan, numeeriseen virtauslaskentaan, kokeelliseen osuuteen ja johtopäätöksiin. Työn alussa kiinnitettiin huomiota ilmakuivaimen ja selluradan rakenteeseen, selluradan lujuusominaisuuksiin ja niiden testaamiseen laboratorio-oloissa. Teoria osuudessa tarkasteltiin selluradan leijutusteoriaa ja siihen liittyvää virtaustekniikkaa. Leijutusta kuvattiin mekaniikasta tutun vapaakappalekuvan muodossa. Vapaakappalekuva auttaa ymmärtämään sellurataan vaikuttavia voimia ja niiden aiheuttajia. Numeerisessa virtauslaskennassa rakennettiin Fluent -virtauslaskentamalli. Malli kuvaa leijutussuuttimen alusta 0,2 metrin pituista pätkää. Laskennassa simuloitiin selluradan lei-jutusta 2, 5 ja 7 mm etäisyyksillä. Tuloksia tarkasteltiin paine- ja nopeusjakaumien muodossa. Kokeellisessa osuudessa tehtiin mittauksia yksittäisellä ylä- ja alasuuttimella sekä suutinpaketilla. Yksittäisistä suuttimista mitattiin ilmasuihkujen ulostulokulmaa, suuttimensisäistä painejakaumaa ja selluradan pintaan vaikuttavaa staattista painetta suuttimen pituuden funktiona. Suutinpaketilla tutkittiin ilmasuihkujen ja tasomaisen levyn välistä vuorovaikutusta. Ylä- ja alasuuttimen välissä leijutettiin levyä, josta mitattiin ilmasuihkujen aiheuttama z-suuntainen voima ja leijutuskorkeus. Työn lopussa arvioitiin teorian, numeerisen virtauslaskennan ja kokeellisen osuuden tuloksia. Näiden pohjalta tehtiin teknisiä parannusehdotuksia ilmakuivaimen toiminnan tehostamiseksi ja selluradan hallinnan parantamiseksi kapealla ja täysleveällä selluradalla.

Kuumalanka-anemometri virtausmittauksissa

Tässä työssä selostetaan kuumalanka-anemometrin käyttö virtausmittauksissa. Kuumalanka-anemometrilla saadaan mitattua virtausnopeuden ja -suunnan lisäksi nopeusheilahteluja. Mittaustaajuus on tyypillisesti useita kymmeniä tuhansia mittauksia sekunnissa ja signaali on jatkuva. Nykytekniikalla pystytään helposti tallentamaan mittauslaitteistolta saatu viesti tietokoneelle ja muuntamaan se nopeudeksi. Hetkellisten nopeuksien avulla voidaan laskea turbulenttisen virtauksen ominaisuuksia, kuten turbulenssin intensiteetti ja spektri. Kuumalanka-anemometrissa lämmitetään sähköisesti ohutta lankaa, joka on mitattavassa virtauksessa. Langan sähköteho on suunnilleen yhtäsuuri kuin langasta konvektiolla siirtyvä lämpöteho. Tällöin on teoreettisesti mahdollista laskea virtausnopeus lämpötehosta lämmönsiirtokorrelaatioilla. Käytännössä laitteisto joudutaan kuitenkin erikseen kalibroimaan, mutta sähkötehon teoreettista riippuvuutta konvektiosta käytetään hyväksi. Kuumalangan lämmitettävä osuus on tyypillisesti halkaisijaltaan 5 µm ja pituudeltaan noin 1 mm. Sitä käytetään pääasiassa kaasuvirtausten mittaamiseen ja valtaosassa mittauksissa virtausaineena on ilma. Kuumalanka voi olla toteutettu kuumakalvotekniikalla, jossa halkaisijaltaan noin 50 - 70 µm paksuinen kuitu on päällystetty ohuella sähköä johtavalla kalvolla. Kuumakalvoanturin ei tarvitse olla muodoltaan sylinterimäinen, se voi olla mm. kartiomainen tai kiilamainen. Erikoispäällystetyllä kuumakalvoanturilla on mahdollista mitata myös nestevirtauksia. Mitattaessa kaasuvirtauksia kuumakalvon etuna on selvästi parempi kestävyys verrattuna kuumalankaan. Nimitystä kuumalanka-anemometri käytetään yleisesti molemmista anturityypeistä Tämän työn alussa käsitellään sylinterin yli tapahtuvaan virtaukseen liittyvää virtausmekaniikkaa ja lämmönsiirtoa. Anemometrin sähköinen osa, laitteisto ja sen kalibrointi käydään läpi. Langan suuntariippuvuuden laskentaan esitetään tarvittavat yhtälöt. Työssä esitellään kolme laitteistolla tehtyä perusmittausta: anturin kohtauskulman muuttaminen, pyörähdyssymmerisen suihkun nopeuskenttä ja tuulitunnelin rajakerros. Lisäksi esitellään yksi käytännöllinen ja vaativampi mittaus, jossa on mitattu nopeusprofiili radiaalikompressorin diffuusorin loppuosassa.

Unification of Emission Measurements in Paper and Pulp Mills

Tässä diplomityössä tavoitteena on selvittää käytännöt ja menetelmät, joilla UPM-Kymmenen sellu-, paperi- ja vaneritehtaat ympäri maailman mittaavat ja laskevat ilmapäästönsä. Tämä tehdään kyselylomakkeella, joka lähetetään tehtaiden ympäristöpäälliköille. Kaikki tärkeimmät seikat ilmapäästöihin liittyen, kuten vaaditut jatkuvatoimiset mittaukset, jaksottaiset mittaukset, raportointikäytäntö, kalibrointi jne. kysytään lomakkeessa. Kyselylomakkeessa painotetaan mittauskäytäntöä sellutehtaissa sekä energiantuotannossa. Saatujen tulosten perusteella annetaan ehdotuksia sekä ohjeita tulevaisuutta varten, jotta mittaustulosten kokoaminen helpottuisi ja vertailukelpoisuus paranisi. Työn kirjallisuusosuudessa selvitetään yleisimmät päästölähteet sekä päästökomponentit paperi –ja selluteollisuudessa. Näiden ei toivottujen yhdisteiden syntymekanismit sekä menetelmät niiden poistamiseksi savukaasuista on myös lyhyesti kuvailtu. Myös erilaiset analysointi- ja näytteenottomenetelmät on kerrottu. Erot tehtaiden ympäristöluvissa käydään läpi, jakaen tehtaat kolmeen maantieteelliseen ryhmään. Lupakäytäntöjen osalta Suomen osuutta on painotettu, sillä UPM-Kymmene on varsin Suomikeskeinen yhtiö tehtaiden lukumääriin ja sijainteihin katsottuna. Viranomaismääräykset sekä päästörajat muutamista tehtaista on esitetty havainnollistaakseen alueellisia eroja.

A Large-Sized Multiwire Proportional Counter for Radiological Survey of Large Areas and Surfaces

Työn tavoitteena oli selvittää, miten eri parametrit vaikuttavat monilankaisen verrannollisuuslaskurin laskennallisiin ominaisuuksiin sekä voidaanko suurikokoista monilankaverrannollisuuslaskuria käyttää tehokkaasti suurien pintojen ? - ja ?- kontaminaation mittaamiseen. Ensin selvitettiin EU:n nykyistä clearing-käytäntöä sekä hahmoteltiin tulevia materiaalivirtoja, esiteltiin verrannollisuuslaskurin ja sen monilankamallin toimintaperiaate sekä käytettävien materiaalien ominaisuudet. Kootun teorian pohjalta selvitettiin tärkeimpien parametrien vaikutus ilmaisimen laskennallisiin ominaisuuksiin. Lopuksi suoritettiin rakenteilla olevan monilankaverrannollisuuslaskurin alustava testaus. Tulevien vuosien aikana eri puolilla maailmaa suljettavat erityyppiset ydinlaitokset luovat suuren tarpeen tehokkaiden kontaminaatiomittauslaitteistojen kehittämiselle. Tällä hetkellä mittaukset suoritetaan lähinnä noin 1 dm2 käsi-instrumentein, joten suurikokoinen, automatisoitu mittauslaitteisto sekä tehostaisi mittausprosessia suuresti sekä säästäisi runsaasti miestyötunteja. Jatkotoimenpiteiksi ehdotetaan laitteiston jatkotestausta, liikkeen ja nopeuden testausta sekä lopulta paikkaherkkyystoiminnon toteuttamisperiaatteen valintaa ja testausta.

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.

The Optimisation of the Draft Tube of a Hydro Power Plant at Off-Design Conditions

Several possible methods of increasing the efficiency and power of hydro power plants by improving the flow passages are investigated in this stydy. The theoretical background of diffuser design and its application to the optimisation of hydraulic turbine draft tubes is presented in the first part of this study. Several draft tube modernisation projects that have been carried out recently are discussed. Also, a method of increasing the efficiency of the draft tube by injecting a high velocity jet into the boundary layer is presented. Methods of increasing the head of a hydro power plant by using an ejector or a jet pump are discussed in the second part of this work. The theoretical principles of various ejector and jet pump types are presented and four different methods of calculating them are examined in more detail. A self-made computer code is used to calculate the gain in the head for two example power plants. Suitable ejector installations for the example plants are also discussed. The efficiency of the ejector power was found to be in the range 6 - 15 % for conventional head increasers, and 30 % for the jet pump at its optimum operating point. In practice, it is impossible to install an optimised jet pump with a 30 % efficiency into the draft tube as this would considerabely reduce the efficiency of the draft tube at normal operating conditions. This demonstrates, however, the potential for improvement which lies in conventional head increaser technology. This study is based on previous publications and on published test results. No actual laboratory measurements were made for this study. Certain aspects of modelling the flow in the draft tube using computational fluid dynamics are discussed in the final part of this work. The draft tube inlet velocity field is a vital boundary condition for such a calculation. Several previously measured velocity fields that have successfully been utilised in such flow calculations are presented herein.

On the Analysis and Control of a Linear Synchronous Servomotor with a Flexible Load

Industry's growing need for higher productivity is placing new demands on mechanisms connected with electrical motors, because these can easily lead to vibration problems due to fast dynamics. Furthermore, the nonlinear effects caused by a motor frequently reduce servo stability, which diminishes the controller's ability to predict and maintain speed. Hence, the flexibility of a mechanism and its control has become an important area of research. The basic approach in control system engineering is to assume that the mechanism connected to a motor is rigid, so that vibrations in the tool mechanism, reel, gripper or any apparatus connected to the motor are not taken into account. This might reduce the ability of the machine system to carry out its assignment and shorten the lifetime of the equipment. Nonetheless, it is usually more important to know how the mechanism, or in other words the load on the motor, behaves. A nonlinear load control method for a permanent magnet linear synchronous motor is developed and implemented in the thesis. The purpose of the controller is to track a flexible load to the desired velocity reference as fast as possible and without awkward oscillations. The control method is based on an adaptive backstepping algorithm with its stability ensured by the Lyapunov stability theorem. As a reference controller for the backstepping method, a hybrid neural controller is introduced in which the linear motor itself is controlled by a conventional PI velocity controller and the vibration of the associated flexible mechanism is suppressed from an outer control loop using a compensation signal from a multilayer perceptron network. To avoid the local minimum problem entailed in neural networks, the initial weights are searched for offline by means of a differential evolution algorithm. The states of a mechanical system for controllers are estimated using the Kalman filter. The theoretical results obtained from the control design are validated with the lumped mass model for a mechanism. Generalization of the mechanism allows the methods derived here to be widely implemented in machine automation. The control algorithms are first designed in a specially introduced nonlinear simulation model and then implemented in the physical linear motor using a DSP (Digital Signal Processor) application. The measurements prove that both controllers are capable of suppressing vibration, but that the backstepping method is superior to others due to its accuracy of response and stability properties.

Lajittumisen dynamiikka epäpuhtauksien ja kuitujen painelajittelussa

Viimevuosina kuvantamistekniikat ovat kehittyneet huomattavasti. Näiden uusien tekniikoiden avulla voidaan tarkastella erilaisia prosesseja aiempaa tarkemmin. Painelajittelun teoriat perustuvat pääasiassa makrotason mittauksien pohjalta tehtyihin matemaattisiin malleihin, ja itse lajittumistapahtumaa ei ole aiemmin päästy kovinkaan tarkasti havainnoimaan. Tämän työn tavoitteena olikin selvittää lajittumistapahtumaa uuden kuvantamistekniikan avulla. Työn kirjallisuusosassa esiteltiin lyhyesti painelajitin ja sen toiminta. Myös painelajittelun perusteoriat käytiin lyhyesti läpi. Teoriaosan pääpaino oli lajittumistapahtumassa ja siihen vaikuttavissa tekijöissä. Lisäksi teoriaosassa esiteltiin teollisen painelajittelun nykytilannetta, työtä varten tehdyn esiselvityksen pohjalta. Lajitinsimulaattorikoeajoissa selvitettiin kuitujen ja roskapartikkelien käyttäyty-mistä painelajittimessa kuvantamisen avulla. Kuvauksissa keskityttiin rakosihdin raon tapahtumiin, sekä sihtipinnan tapahtumiin. Kuvamateriaalista laskettiin kuitujen ja roskien liikenopeuksia lankasihtiprofiilin raossa, sekä sihdin pinnalla. Lisäksi tutkittiin kehänopeuden, tuotannon ja sakeuden vaikutusta liike-nopeuksiin. Kuvamateriaalista pyrittiin myös havainnoimaan mahdollista kuitujen takaisinvirtausta. Kuvantamisella saatiin uutta tietoa kuitujen ja roskapartikkelien liikkeestä painelajittimessa. Tuloksista kävi muun muassa ilmi, että roottorin elementin pienimmän välyksen kohdalla akseptoituu huomattava määrä massaa. Tämä selittyy sillä, että pienimmän välyksen kohta tuottaa huomattavan positiivisen painepulssin. Kuitujen ja roskapartikkelien nopeudet raossa noudattelivat muutenkin hyvin selkeästi elementin tuottamaa painepulssia. Lisäksi kuvamateriaalista havaittiin, että sihdin raon suulle kertyy profiilin korkuinen kuituflokki. Koko sihdin peittävää kuitumattoa ei havaittu.