Control of multi-actuator system by an electrically driven hydraulic pump-motor

The awareness and concern of our environment together with legislation have set more and more tightening demands for energy efficiency of non-road mobile machinery (NRMM). Integrated electro-hydraulic energy converter (IEHEC) has been developed in Lappeenranta University of Technology (LUT). The elimination of resistance flow, and the recuperation of energy makes it very efficient alternative. The difficulties of IEHEC machine to step to the market has been the requirement of one IEHEC machine per one actuator. The idea is to switch IEHEC between two actuators of log crane using fast on/off valves. The control system architecture is introduced. The system has been simulated in co-simulation using two different software. The simulated responses of pump-controlled system is compared to the responses of the conventional valve-controlled system.

Pumppuvaivaisten kertomuksia sairaudestaan ja terveydenhuollon järjestelmästä

Summary: "Ailment with my pump" - narratives about ailment and the health care system

Performance Characteristics of an Axial-Flux Solid-Rotor-Core Induction Motor

The integration of electric motors and industrial appliances such as pumps, fans, and compressors is rapidly increasing. For instance, the integration of an electric motor and a centrifugal pump provides cost savings and improved performance characteristics. Material cost savings are achieved when an electric motor is integrated into the shaft of a centrifugal pump, and the motor utilizes the bearings of the pump. This arrangement leads to a smaller configuration that occupies less floor space. The performance characteristics of a pump drive can be improved by using the variable-speed technology. This enables the full speed control of the drive and the absence of a mechanical gearbox and couplers. When using rotational speeds higher than those that can be directly achieved by the network frequency the structure of the rotor has to be mechanically durable. In this thesis the performance characteristics of an axial-flux solid-rotor-core induction motor are determined. The motor studied is a one-rotor-one-stator axial-flux induction motor, and thus, there is only one air-gap between the rotor and the stator. The motor was designed for higher rotational speeds, and therefore a good mechanical strength of the solid-rotor-core rotor is required to withstand the mechanical stresses. The construction of the rotor and the high rotational speeds together produce a feature, which is not typical of traditional induction motors: the dominating loss component of the motor is the rotor eddy current loss. In the case of a typical industrial induction motor instead the dominating loss component is the stator copper loss. In this thesis, several methods to decrease the rotor eddy current losses in the case of axial-flux induction motors are presented. A prototype motor with 45 kW output power at 6000 min-1 was designed and constructed for ascertaining the results obtained from the numerical FEM calculations. In general, this thesis concentrates on the methods for improving the electromagnetic properties of an axial-flux solid-rotor-core induction motor and examines the methods for decreasing the harmonic eddy currents of the rotor. The target is to improve the efficiency of the motor and to reach the efficiency standard of the present-day industrial induction motors equipped with laminated rotors.

Huoneistokohtaisen ilmanvaihtokoneen lämmöntalteenoton ja äänenvaimentimien kehitys

Tämän työn tavoitteena oli selvittää erään ilmanvaihtokoneen lämmöntalteenottokennon vuosihyötysuhde japohtia voitaisiinko ilmastointikoneen energiatehokkuutta parantaa käyttämällä nykyisen ristivirtalämmönsiirtimen tilalla vastavirtalämmönsiirrintä tai poistoilmalämpöpumppua. Lisäksi tavoitteena oli mitata kahden ilmanvaihtokoneeseen liitettävän äänenvaimentimen vaimennuskyky ja pyrkiä parantamaan näiden vaimennusta. Työn teoriaosassa käsitellään yleisellä tasolla eri ilmanvaihtotapojen ja lämmöntalteenottomenetelmien toimintaperiaatteita ja soveltuvuuksiaeri tilanteisiin. Työn kokeellisessa osassa mitataan ilmanvaihtokoneen lämmöntalteenoton toiminta eri sääolosuhteissa ja lasketaan tulosten perusteella laitteelle lämpötila- ja entalpiavuosihyötysuhteet. Äänenvaimentimesta rakennetaan kaksi kehitysversiota, joiden mittaustuloksia verrataan alkuperäisen vaimentimen vaimennuskykyyn. Lämmöntalteenottoja vertailtaessa havaittiin, että suositeltavin kehitysvaihtoehto olisi vastavirtalämmönsiirtimeen siirtyminen sen yksinkertaisen rakenteen ja hyvän hyötysuhteen ansiosta.Äänenvaimentimien rakenteessa kannattaa mittausten ja pohdinnan perusteella siirtyä seinämillä jaettuun vaimentimeen.

Virtauslaskennankäyttö keskipakopumpun eroosiokulumisen mallintamisessa

Diplomityössä kehitetään malli tiheän kaksifaasivirtauksen aiheuttaman eroosiokulumi-sen mallintamiseksi, ratkaistaan virtauskenttä kahdessa erilaisessa keskipakopumpussa, sovelletaan kehitettyä mallia, sekävertaillaan mallin antamia tuloksia käytännön kokeissa saavutettuihin tuloksiin. Työssä on erityisenä mielenkiinnon kohteena savukaasupesurin pumppu. Työn alkuosa sisältää tarkemman kuvauksen savukaasupesurin toi-minnasta. Numeerinen ratkaisu ja laskentahilan generointi suoritetaan ANSYS CFX- ja Turbo-Grid-ohjelmistoilla. Laskennassa virtauksen Navier-Stokesin yhtälöt on aikakeskiarvo-tettu ja ratkaistu käyttäen kontrollitilavuusmenetelmää. Tiheiden kaksifaasivirtausten eroosiokulumista on mallinnettu tekijän kehittämällä mallilla, jonka käytännön toteutus-ta ei kuitenkaan saateta julkiseksi, koodin kehittämisessä käytetty teoria on kuitenkin esitetty työssä. Työn piirissä tehtiin myös kulumiskokeita Sulzer Pumps Finlandin Karhulan tehtailla, sekä vertailtiin simuloinnin tuloksia aikaisemmissa kokeissa saavutettuihin. Koejärjestelyt kuvataan työssä.

Numerical Modelling of Combustion and Emission Formation in a Diesel Engine with Different Fuel Injection Characteristics

Päästöjen vähentäminen on ollut viime vuosina tärkeässä osassa polttomoottoreita kehitettäessä.Monet viralliset tahot asettavat uusia tiukempia päästörajoituksia. Päästörajatovat tyypillisesti olleet tiukimmat autoteollisuuden valmistamille pienille nopeakäyntisille diesel-moottoreille, mutta viime aikoina paineita on kohdistunut myös suurempiin keskinopeisiin ja hidaskäyntisiin diesel-moottoreihin. Päästörajat ovat erilaisia riippuen moottorin tyypistä, käytetystä polttoaineesta ja paikasta missä moottoria käytetään johtuen erilaisista paikallisista laeista ja asetuksista. Eniten huomiota diesel-moottorin päästöissä täytyy kohdistaa typen oksideihin, savun muodostukseen sekä partikkeleihin. Laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) avulla on hyvät mahdollisuudet tutkia diesel-moottorin sylinterissä tapahtuvia ilmiöitä palamisen aikana. CFD on hyödyllinen työkalu arvioitaessa moottorin suorituskykyä ja päästöjen muodostumista. CFD:llä on mahdollista testata erilaisten parametrien ja geometrioiden vaikutusta ilman kalliita moottorinkoeajoja. CFD:tä voidaan käyttää myös opetustarkoituksessa lisäämään paloprosessin tuntemusta. Tulevaisuudessa palamissimuloinnit CFD:llä tulevat epäilemättä olemaan tärkeä osa moottorin kehityksessä. Tässä diplomityössä on tehty palamissimuloinnit kahteen erilaisilla poittoaineenruiskutuslaitteistoilla varustettuun Wärtsilän keskinopeaan diesel-moottoriin. W46 moottorin ruiskutuslaitteisto on perinteinen mekaanisesti ohjattu pumppusuutin ja W46-CR moottorissa on elektronisesti ohjattu 'common rail' ruiskutuslaitteisto. Näiden moottorien ja käytössä olevien ruiskutusprofiilien lisäksi on simuloinneilla testattu erilaisia uusia ruiskutusprofiileja, jotta erityyppisten profiilien hyvät ja huonot ominaisuudet tulisivat selville. Matalalla kuormalla kiinnostuksen kohteena on nokipäästöjen muodostus ja täydellä kuormalla NOx-päästöjen muodostus ja polttoaineen kulutus. Simulointien tulokset osoittivat, että noen muodostusta matalalla kuormalla voidaan selvästi vähentää monivaiheisella ruiskutuksella, jossa yksi ruiskutusjakso jaetaan kahteen tai useampaan jaksoon. Erityisen tehokas noen vähentämisessä vaikuttaa olevan ns. jälkiruiskutus (post injection). Matalat NOx-päästöt ja hyvä polttoaineen kulutus täydellä kuormalla on mahdollista saavuttaaasteittain nostettavalla ruiskutusnopeudella.

Optimization of energy consumption in wastewater pumping

Pumppauksessa arvioidaan olevan niin teknisesti kuin taloudellisestikin huomattavia mahdollisuuksia säästää energiaa. Maailmanlaajuisesti pumppaus kuluttaa lähes 22 % sähkö-moottorien energiantarpeesta. Tietyillä teollisuudenaloilla jopa yli 50 % moottorien käyttämästä sähköenergiasta voi kulua pumppaukseen. Jäteveden pumppauksessa pumppujen toiminta perustuu tyypillisesti on-off käyntiin, jolloin pumpun ollessa päällä se käy täydellä teholla. Monissa tapauksissa pumput ovat myös ylimitoitettuja. Yhdessä nämä seikat johtavat kasvaneeseen energian kulutukseen. Työn teoriaosassa esitellään perusteet jätevesihuollosta ja jäteveden käsittelystä sekä pumppaussysteemin pääkomponentit: pumppu, putkisto, moottori ja taajuusmuuttaja. Työn empiirisessä osassa esitellään työn aikana kehitetty laskuri, jonka avulla voidaan arvioida energiansäästöpotentiaalia jäteveden pumppaussysteemeissä. Laskurilla on mandollista laskea energiansäästöpotentiaali käytettäessä pumpun tuoton ohjaustapana pyörimisnopeuden säätöä taajuusmuuttajalla on-off säädön sijasta. Laskuri ilmoittaa optimaalisimmanpumpun pyörimisnopeuden sekä ominaisenergiankulutuksen. Perustuen laskuriin, kolme kunnallista jätevedenpumppaamoa tutkittiin. Myös laboratorio-testitsuoritettiin laskurin simuloimiseksi sekä energiansäästöpotentiaalin arvioimiseksi. Tutkimukset osoittavat, että jätevedenpumppauksessa on huomattavia mandollisuuksia säästää energiaa pumpun pyörimisnopeutta pienentämällä. Geodeettisen nostokorkeuden ollessa pieni, voidaan energiaa säästää jopa 50 % ja pitkällä aikavälillä säästö voi olla merkittävä. Tulokset vahvistavat myös tarpeen jätevedenpumppaussysteemien toiminnan optimoimiseksi.

Lasermittauksen soveltaminen vesihydraulisessa sylinterissä

Työn tavoitteena on tutkia mahdollisuutta käyttää laser interferometripohjaista aseman mittausjärjestelmää vesihydraulisessa sylinterissä. Työ liittyy Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa kehitetyn rinnakkaisrakenteisen robotin PENTA WH muuttamiseen öljyhydraulisesta vesihydrauliseksi. Öljyhydraulisen prototyypin käyttämä vanha kuularuuviin ja inkrementaaliseen enkooderiin perustuvamittausjärjestelmä ei sovellu vesihydrauliseen robottiin. Työn tavoitteena on esittää vaihtoehtoinen ratkaisu.

Energiatehokkaiden tuotteiden myynti voimalaitoksiin

Tämän diplomityö käsittelee energiasäästömahdollisuuksia taajuusmuuttajien ja korkean hyötysuhteen moottoreiden avulla Suomen voimalaitoksissa. Energiatehokkuuden parantaminen voimalaitosten tuotantoprosessissa tarjoaa suuria myyntimahdollisuuksia ja on siten mielenkiintoinen tutkimuksen kohde. Työn tavoitteena on analysoida voimalaitostoimialaa Suomessa ja selvittäävoimalaitosten energiansäästöpotentiaalia suurimpien sähköä kuluttavien laitteiden osalta. Työn perusteella saadaan muodostettua kuva taajuusmuuttaja ja korkean hyötysuhteen moottorien markkinoista voimalaitoksiin. Työnalkuosassa keskitytään voimalaitostoimialan ja energiamarkkinoiden analyysiin. Analyysissä käydään läpi yleisimpien voimalaitosten toimintaperiaatteet ja energiatehokkaiden tuotteiden markkinakehitys sekä teollisuuden investointeihin liittyviä tekijöitä. Työn loppuosa käsittelee voimalaitosten suurimpien pumppujen ja puhaltimien energiansäästömahdollisuutta taajuusmuuttajien avulla. Työn tuloksena on muodostettu analyysi eri voimalaitostyyppien laittokannasta ja arvio energiasäästöstä sekä myyntipotentiaalista, jos laitteet muutetaan taajuusmuuttajakäytöiksi.

Levylämmönsiirtimen mitoitus ja optimointi erityisesti lämpöpumpuissa

Työn tavoitteena on laatia käsikirjamainen läpileikkaus levylämmönsiirtimen rakenteesta ja käytöstä lämpöpumppulaitteistoissa. Kylmäprosessin tarkastelun lisäksi on eri lähteistä haettu yhtälöitä lämmönsiirron ja painehäviönlaskentaan. Lähdeaineistona on käytetty lämmönsiirron oppikirjoja, joiden lisäksi on käyty läpi suuri joukko tieteellisen tutkimuksen julkaisemia tutkimusraportteja levylämmönsiirtimen mitoituksesta erilaisissa käyttökohteissa. Oppikirjoissa ei ole esitetty varsinaisesti levylämmönsiirtimen laskentamenetelmiä, vaan niissä esitetään lämmönsiirron perusyhtälöt. Varsinainen lämmönsiirtolevyprofiilin laskentaan perustuva lähdeaineisto on löytynyt lämmönsiirtoon erikoistuneista julkaisuista. Lämmönsiirto tapahtuu aina kuumemmasta kylmempään tilaan. Lämmönsiirto eri virtausaineiden välillä toteutetaan lämmönsiirtimien avulla. Lämmönsiirrintyyppejä on olemassa lukuisia, joista yksi yleisesti käytetty tyyppi on levylämmönsiirrin. Tässä konstruktiossa on mahdutettu paljon lämmönsiirtopintaa ulkomitoiltaan pieneen tilaan. Tämä siirrintyyppi on eduksi silloin, kun virtaavat aineet ovat puhtaita ja niillä ei ole likaavaa vaikutusta lämmönsiirtopinnoille. Lämpöpumpulla tarkoitetaan laitetta, jolla voidaan käyttää hyödyksi lämmönlähteen matalaa lämpötilatasoa nostamalla lämpötilatasoa kompressorin puristustyön avulla korkeampaan lämpötilatasoon. Lämpöpumppulaitteiston toiminta perustuu kylmäprosessin toimintaan. Kylmäprosessin läpikäynti auttaa lukijaa hahmottamaan, millainen prosessi on kysymyksessä ja mitä komponentteja liittyy kylmäprosessiin. Tässä diplomityössä esitetyt yhtälöt antavat suuntaa, millä tavalla levylämmönsiirtimien ominaisuuksia voidaan laskea ja mitkä tekijät vaikuttavat siirtimien mitoittamiseen. Tarkemmat vaihdinkohtaiset laskentakorrelaatiot muotoutuvat vasta sitten, kun valmis tuote on testattu laboratorio-olosuhteissa ja siitä on saatu lämpötila-, virtaus- ja painesuhteet selville. Tämän jälkeen voidaan mittaustuloksiin perustuen rakentaa matemaattinen malli, jolla laskennallisesti määritelläänvaihtimien ominaisuudet. Lisäksi on esitetty yleisiä tapoja, joilla voidaan määritellä lämmönsiirtimien lämpöpintoja.

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.

On the Reversed Brayton Cycle with High Speed Machinery

This work was carried out in the laboratory of Fluid Dynamics, at Lappeenranta University of Technology during the years 1991-1996. The research was a part of larger high speed technology development research. First, there was the idea of making high speed machinery applications with the Brayton cycle. There was a clear need to deepen theknowledge of the cycle itself and to make a new approach in the field of the research. Also, the removal of water from the humid air seemed very interesting. The goal of this work was to study methods of designing high speed machinery to the reversed Brayton cycle, from theoretical principles to practical applications. The reversed Brayton cycle can be employed as an air dryer, a heat pump or a refrigerating machine. In this research the use of humid air as a working fluid has an environmental advantage, as well. A new calculation method for the Braytoncycle is developed. In this method especially the expansion process in the turbine is important because of the condensation of the water vapour in the humid air. This physical phenomena can have significant effects on the level of performance of the application. Also, the influence of calculating the process with actual, achievable process equipment efficiencies is essential for the development of the future machinery. The above theoretical calculations are confirmed with two different laboratory prototypes. The high speed machinery concept allows one to build an application with only one rotating shaft including all the major parts: the high speed motor, the compressor and the turbine wheel. The use of oil free bearings and high rotational speed outlines give several advantages compared to conventional machineries: light weight, compact structure, safe operation andhigher efficiency at a large operational region. There are always problems whentheory is applied to practice. The calibrations of pressure, temperature and humidity probes were made with care but still measurable errors were not negligible. Several different separators were examined and in all cases the content of the separated water was not exact. Due to the compact sizes and structures of the prototypes, the process measurement was slightly difficult. The experimental results agree well with the theoretical calculations. These experiments prove the operation of the process and lay a ground for the further development. The results of this work give very promising possibilities for the design of new, commercially competitive applications that use high speed machinery and the reversed Brayton cycle.

Pumpunvalitsimet integroidussa simulointiympäristössä

Työssä on tutkittu pumpun valintaa integroidussa simulointiympäristössä. Tutkimuksen avulla on tarkoitus kehittää tieto- ja malligallerian (Galleria) infrastuktuuria ja käytössä olevia työvälineitä siihen suuntaan, että ulkoisten valitsinkomponenttien implementoiminen Gallerian tietokantaan olisi lähitulevaisuudessa helppoa ja nopeaa. Prosessi-integraation tieto- ja malligalleria on infrastruktuurimäärittely ja työvälineistö prosessikomponenttien ja osaprosessien simulointiin tarvittavien malli- ja parametritietojen kirjastoimiseksi internetpohjaiseen tietokantaan, josta ne ovat simulointiohjelmien käyttäjien ja muiden prosessisuunnittelijoiden helposti saatavilla. Tutkimuksen kirjallisessa osassa on keskitytty tutkimaan pumpun valinnan etenemistä ja valintaan vaikuttavia tekijöitä prosessisuunnittelijan näkökulmasta. Tutkimuksen soveltavassa osassa luotiin pumpunvalitsin ja sitä testattiiin Galleria- ympäristöä vastaavassa kehitysympäristössä. Pumpunvalitsimen kehittämisessä on käytetty apuna laitevalmistajalta saatua prosessikomponenttitietoa. Pumpunvalitsimen toteutus perustuu pumpun hydrauliseen valintaan ja esimerkkitapauksena käytettiin keskipakopumppua

Ruuvipurkaimen väsymistarkastelu

Ruuvipurkaimen väsymismitoituksen hankalin vaihe on oikeiden kuormien määrittäminen. Tässä työssä laskettiin ruuvipurkaimen väsymisikä kenttämittauksissa saatujen kuormien perusteella. Laskentaan käytettiin nimellisjännitysten menetelmää, Hot-Spot-menetelmää, murtumismekaniikkaa ja paikallisen venymän menetelmää. Purkaimen ruuviputken hitsit käsitellään koneviilaamalla. Kirjallisuudesta etsittiin koetuloksia koneviilatuille kappaleille ja niiden pohjalta laskettiin ehdotus suunnitteluväsymisrajaksi käytettäväksi koneviilatuille T-liitoksille ruuvipurkaimien suunnittelussa. Väsymisrajaksi saatiin 95MPa, kun huomioitiin koekappaleiden koko tilastollisin menetelmin.

Lämmöntalteenottokattilan kehittäminen kaasumoottoreille ja teollisuuskaasuturbiineille

Tässä diplomityössä on kehitetty kustannustehokas lämmöntalteenottokattila savukaasun virtaukselle alle 150 kg/s. Kehitettävä kattila on luonnonkiertoinen ja pystyrakenteinen. Valitun kattilatyypin etuja muihin kattilatyyppeihin nähden on tarkasteltu. Erityistä huomiota kattilassa on kiinnitetty vedenkäsittelyn yksinkertaistamiseen. Tämä on saavutettu tulistinratkaisulla, jonka säätötarve on vähäinen. Tuorehöyryn lämpötilan säätöön käytettyjä säätömenetelmiä on tarkasteltu ja eri tulistinratkaisuja käyttämällä saavutettavia tuorehöyrymääriä ja säätötarvetta on tutkittu simulointiohjelmaa hyväksi käyttäen. Tulistinratkaisun lisäksi työssä on tarkasteltu syöttöveden käyttöä ulkoiseen lämmitykseen sekä lämmönsiirrinpakettien tuentaa. Lisäpolton toteutusta sekä syöttövesiventtiilin sijoittamista ja syöttövesipumpun valintaa on myös tarkasteltu. Osana työtä on lisäksi tehty kehitettyä kattilaa varten mitoitusohjelma ja mitoitettu sitä käyttäen esimerkkilaitos.