Design and Simulation of High-Speed Rotating Electrical Machinery

Global energy consumption has been increasing yearly and a big portion of it is used in rotating electrical machineries. It is clear that in these machines energy should be used efficiently. In this dissertation the aim is to improve the design process of high-speed electrical machines especially from the mechanical engineering perspective in order to achieve more reliable and efficient machines. The design process of high-speed machines is challenging due to high demands and several interactions between different engineering disciplines such as mechanical, electrical and energy engineering. A multidisciplinary design flow chart for a specific type of high-speed machine in which computer simulation is utilized is proposed. In addition to utilizing simulation parallel with the design process, two simulation studies are presented. The first is used to find the limits of two ball bearing models. The second is used to study the improvement of machine load capacity in a compressor application to exceed the limits of current machinery. The proposed flow chart and simulation studies show clearly that improvements in the high-speed machinery design process can be achieved. Engineers designing in high-speed machines can utilize the flow chart and simulation results as a guideline during the design phase to achieve more reliable and efficient machines that use energy efficiently in required different operation conditions.

ETO-Tuotekehitysprojektin suorituskyvyn mittaaminen

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, mitä suorituskyvyn osa-alueita ETO (Engineer To Order) – tyyppinen tuotekehitysprojekti pitää sisällään, ja mitkä niistä ovat projektin onnistumisen kannalta tärkeimpiä, eli niin sanottuja menestystekijöitä. Edelleen näiden tunnistettujen menestystekijöiden pohjalta oli tavoitteena kehittää suorituskyvyn mittausmalli, jonka avulla voisi arvioida ja ohjata projektin ja projektinhallinnan suorituskykyä. Tärkeimmät suorituskyvyn näkökulmat tässä mallissa olivat projektin kannattavuuden -, asiakastyytyväisyyden - ja projektinhallinnan näkökulmat. Malli tehtiin rautatieliikenne toimialalla toimivalle yritykselle, joka asetti omat vaatimuksensa mallille. Tutkimus tehtiin kolmivaiheisesti. Ensimmäisessä vaiheessa tutustuttiin aiempiin tutkimuksiin, joiden pohjalta pyrittiin löytämään projektin menestystekijät, sekä näiden suorituskyvyn analysointiin toimiviksi todetut mittausmenetelmät. Ensimmäisessä vaiheessa tutustuttiin myös alaa ohjaaviin standardeihin, ja niiden asettamiin erityisvaatimuksiin projektien suorituskyvyn mittaukselle. Tutkimuksen toinen vaihe oli tapaustutkimus kohdeyrityksen sisäiselle projektiorganisaatiolle, joka toteutettiin survey-kyselynä. Kyselyn avulla pyrittiin löytämään ne menestystekijät, jotka projektiorganisaation itsensä mielestä olivat kaikkein tärkeimpiä projektin onnistumisen kannalta. Kyselyllä pyrittiin myös selvittämään sidosryhmien välisiä näkemyseroja projektin menestystekijöistä. Kysymykset muodostettiin synteesinä tutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa löydetyistä menestystekijöistä ja standardien vaatimista pakollisista mitattavista tekijöistä. Tärkeimmäksi menestystekijäksi kyselyssä nousi projektipäällikön kompetenssi. Kyselyssä vastaajilta kysyttiin myös sitä, minkä menestystekijöiden suorituskykyä heidän mielestään tulisi mitata. Tärkeimmäksi mitattavaksi osa-alueeksi nousi aikataulun tarkka seuranta. Kolmannessa vaiheessa näiden kohdeyrityksen menestystekijöiden pohjalta luotiin mittausmalli, joka pyrkii mittaamaan projektin ja projektinhallinnan suorituskykyä tasapainoisesti valituista näkökulmista. Malli ottaa huomioon erityisesti projektinhallinnan suorituskyvyn vaikutuksen projektin lopputuotteena syntyvien hyödykkeiden laatuun. Kohdeyrityksen kokonaissuorituskyvyn kannalta on erittäin tärkeää parantaa projektien suorituskykyä, johon projektien suorituskyvyn mittaaminen on ratkaisu. Standardien asettamat vaatimukset antavat hyvät lähtökohdat kokonaisvaltaisen mittausjärjestelmän luomiselle.

Valssien käytettävyys ja kunnossapito terästehtaassa

Valssi on valssauslaitteiston keskeinen komponentti. Valssauksessa aihiota muokataan kuljettamalla sitä kahden valssin muodostaman raon välistä. Valssit altistuvat valssausprosessissa korkealle lämpötilalle ja pintapaineelle. Valsseille asetettavat vaatimukset tiukkenevat tuottavuuden vaatimusten kiristyessä. Valssit, yhtenä valssauslaitteiston komponenteista, muodostavat suuren osan valssauksen kustannuksista, joten valssien käyttöiän pidentämisen avulla voidaan parantaa valssauksen tuottavuutta ja kustannustehokkuutta. Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin valssien käytettävyyttä ja kunnossapitoa, sillä näitä asioita kehittämällä on mahdollista saavuttaa valsseille pidempi kestoikä. Tutkimus toteutettiin kirjallisuusselvityksenä, jota täydennettiin valssausta tekevien yritysten haastatteluilla. Tavoitteena oli kerätä saatavissa oleva kirjallinen ja hiljainen tieto yksiin kansiin ja tutkia mahdollisia syy-seuraussuhteita valssien käytettävyyteen vaikuttavien ilmiöiden sekä valssien kulumisen ja vaurioitumisen välillä. Tutkimuksessa havaittiin, että vauriotyypit ovat riippuvaisia valssausprosessista, jolla tarkoitetaan, että kuuma- ja kylmävalssauksessa esiintyy erilaisia vauriotyyppejä. Kuuma- ja kylmävalssauksessa myös valssien kulumiseen vaikuttavat erilaiset ilmiöt. Valssien kulumista ja vaurioita on mahdollista ehkäistä erilaisilla pintakäsittely- ja pinnoitusmenetelmillä. Valssien kunnossapidon toteutusta tutkittaessa havaittiin, että kuluneiden valssien vaihto kunnostettuihin pyritään suorittamaan mahdollisimman nopeasti ja tätä varten on saatavilla kyseiseen tarkoitukseen kehitettyjä laitteistoja. Kuluneet valssit sorvataan ja hiotaan, jotta niiden pinnasta saadaan tasainen ja saavutetaan haluttu halkaisija. Tämän jälkeen pinnoitusmenetelmiä on mahdollista suorittaa uudelleen. Kunnossapitotoimenpiteet tehdään joko yrityksen omalla korjaamolla tai alihankintana toisen yrityksen tiloissa.

Grass-endophyte coevolution and ploidy levels in fescues

ABSTRACT Fescues consist of wild and cultivated grasses that have adapted to a wide range of environmental conditions. They are an excellent model species for evolutionary ecology studies that investigate symbiosis and polyploidization and their effects on plant performance. First, they are frequently infected with symbiotic endophytic fungi known to affect a plant’s ability to cope with biotic and abiotic environmental factors. Second, fescue species have been reported to have substantial intraspecific variation in their ploidy level and morphology. In my thesis, I examined large-scale generalizations for frequency of polyploidy and endophyte infections and their effects on plant morphology. As a model species, I selected red (Festuca rubra) and viviparous sheep’s (F. vivipara) fescues. They are closely related, but they differ in terms of distribution and endophyte infection frequency. I investigated the biogeographic pattern and population biology of 29 red and 12 viviparous sheep’s fescue populations across ≈300 latitudes in Europe (400-690 N). To examine plant ploidy levels, I implemented time- and cost-efficient plate-based high throughput flow cytometric analysis. This efficient procedure enabled me to analyze over 1000 red fescue individuals. I found three ploidy levels among them: overall 84 %, 9 % and 7 % of the red fescue plants were hexaploid, tetraploid and octoploid, respectively. However, all viviparous sheep’s fescue plants were tetraploid. Ploidy level of red fescue appeared to some extent follow gradients in latitude and primary production as suggested by previous studies, but these results could be explained better by taking the sampling design and local adaptation into account. Three Spanish populations were mostly tetraploids and one high elevation population in northernmost Finland (Halti) was octoploid, while most other populations (25 sites) were dominated by hexaploids. Endophyte infection frequencies of wild fescue populations varied from 0 to 81 % in red fescue populations and from 0 to 30 % in viviparous sheep’s fescue populations. No gradients with latitude or primary production of the sites were detected. As taxonomy of red fescues is somewhat unclear, I also studied morphology, ploidy variation and endophyte status of proposed subspecies of European red fescues. Contrary to previous literature, different ploidy levels occurred in the same subspecies. In addition to wild fescues, I also used two agronomically important cultivars of meadow and tall fescue (Schedonorus phoenix and S. pratensis). As grass-legume mixtures have an agronomic advantage over monocultures in meadows, I carried out a mixture/competition experiment with fescues and red clover to find that species composition, nutrient availability and endophyte status together determined the total biomass yield that was higher in mixtures compared to monocultures. The results of this thesis demonstrate the importance of local biotic and abiotic factors such as grazing gradients and habitat types, rather than suggested general global geographical or environmental factors on grass polyploidization or its association with symbiotic endophytic fungi. I conclude that variation in endophyte infection frequencies and ploidy levels of wild fescues support the geographic mosaic theory of coevolution. Historical incidents, e.g., glaciation and present local factors, rather than ploidy or endophyte status, determine fescue morphology.