Studies of rotor dynamics using a multibody simulation approach

The non-idealities in a rotor-bearing system may cause undesirable subcritical superharmonic resonances that occur when the rotating speed of the rotor is a fraction of the natural frequency of the system. These resonances arise partly from the non-idealities of the bearings. This study introduces a novel simulation approach that can be used to study the superharmonic vibrations of rotor-bearing systems. The superharmonic vibrations of complex rotor-bearing systems can be studied in an accurate manner by combining a detailed rotor and bearing model in a multibody simulation approach. The research looks at the theoretical background of multibody formulations that can be used in the dynamic analysis of flexible rotors. The multibody formulations currently in use are suitable for linear deformation analysis only. However, nonlinear formulation may arise in high-speed rotor dynamics applications due to the cenrrifugal stiffening effect. For this reason, finite element formulations that can describe nonlinear deformation are also introduced in this work. The description of the elastic forces in the absolute nodal coordinate formulation is studied and improved. A ball bearing model that includes localized and distributed defects is developed in this study. This bearing model could be used in rotor dynamics or multibody code as an interface elements between the rotor and the supporting structure. The model includes descriptions of the nonlinear Hertzian contact deformation and the elastohydrodynamic fluid film. The simulation approaches and models developed here are applied in the analysis of two example rotor-bearing systems. The first example is an electric motor supported by two ball bearings and the second is a roller test rig that consists of the tube roll of a paper machine supported by a hard-bearing-type balanceing machine. The simulation results are compared to the results available in literature as well as to those obtained by measuring the existing structure. In both practical examples, the comparison shows that the simulation model is capable of predicting the realistic responses of a rotor system. The simulation approaches developed in this work can be used in the analysis of the superharmonic vibrations of general rotor-bearing systems.

Characterization of amine-based CO2 adsorbent for Direct Air Capture

Direct air capture technologies extract CO2 from air at a concentration of as low as 400ppm. The captured CO2 can be used for the production of synthetic methane or liquid fuels. In the literature survey of this thesis, results related to direct air capture by using solid sorbents are presented and critically discussed. In the experimental part, a proprietary amine functionalized resin is characterized for direct air capture. Structural comparison is also made to a commercial resin of similar type. Based on the literature survey, the most important parameters in direct air capture process are low adsorption and desorption temperatures, good cyclic stability in dry and humid conditions, high CO2 outlet purity and a high working capacity. Primary amine functionalized solid sorbents are found to often have good qualities for direct air capture, but overall process performance is rarely studied exhaustively. Based on FTIR spectra, both resin adsorbents are found to be consisted of polystyrene functionalized with primary amine, and capture CO2 by forming carbamate. The commercial resin is more porous, has a slightly higher particle size and contains fewer impurities. Important physical parameters are gained of the proprietary resin, such as internal porosity and median particle size. The resin’s amine group is found to endure thermal treatment reasonably well. CO2 adsorption capacity gained by thermal gravimetry from 400ppm CO2 is highest at 25oC, and is found to be reasonable compared to values presented in literature. Thus, the resin is stated to exhibit promising qualities for direct air capture.

Orbitaali-TIG-hitsauksen kehittäminen compoundputkien hitsaamisessa

Tässä työssä tutkittiin orbitaali-TIG-hitsauksen hyödyntämistä paineenalaisten compoundputkien jatkohitsien hitsaamiseen. Tutkimus tehtiin Warkaus Works Oy:n omistamalle konepajalle. Tutkimuksen tavoitteena oli laatia standardin SFS-EN ISO 15613 mukaan hyväksytty hitsausmenetelmä. Työn kirjallisuuskatsauksessa esiteltiin orbitaalihitsauksessa käytettävät hitsausprosessit ja laitteistot eri liitosmuodoille. Työssä esiteltiin myös kuumavedettyjen compoundputkien valmistusprosessia ja rakennetta. Tämän lisäksi kerrottiin putkien hitsattavuudesta ja hitsauksen esivalmisteluista, sekä käyttökohteista voimalaitoskattilassa. Ennen menetelmäkokeen hitsausta suoritettiin suuri määrä koehitsauksia yrityksen orbitaali-TIG-laitteistolla. Onnistuneiden koehitsausten perusteella laadittiin hitsausohjelma, jolla hitsattiin testiputket menetelmäkokeeseen. Hitsausmenetelmää varten valittiin Sandvikin valmistama compoundputki. Testihitseille suoritettiin rikkomattomia ja rikkovia tarkastuksia. Hyväksyttyjen tarkastusten pohjalta laadittiin hitsausmenetelmän hyväksymispöytäkirjan. Lisäksi diplomityössä verrattiin mekanisoidun hitsauksen hitsausaikaa käsinhitsauksen hitsausaikaa. Orbitaali-TIG-hitsauksen käyttäminen edellyttää hitsattavalta railolta aina mahdollisimman samanlaisen lähtötilanteen, jotta sen suoritusvarmuus saadaan mahdollisimman korkeaksi. Railon valmistamisen tarkkuudella on mahdollista saada riittävän tarkkoja railoja hitsien laadukkaaseen hitsaukseen. Hitsaus edellyttää laitteiston langansyötön ja elektrodin tarkkoja asetuksia, jotta hitsaus on laadukasta. Lisäaineen jähmeä sula ja hitsin tunkeumavaatimus hankaloittavat orbitaalihitsausta.

Neopentyyliglykolin ja propionihapon välisen esteröintireaktion kinetiikka

Glykolien esterit ovat haluttuja pintareaktiivisia aineita. Niitä voidaan valmistaa esteröintireaktiolla karboksyylihappojen kanssa katalyytin läsnä ollessa, jolloin toivottu reaktiotuote on yleensä muodostuva monoesteri. Monoesterin saannon lisäämiseksi reaktiossa muodostuvaa vettä voidaan poistaa jatkuvasti reaktiosta. Reaktion tasapainotilan tutkiminen on kuitenkin tärkeää, jotta reaktion kinetiikka tunnettaisiin mahdollisimman hyvin. Tällöin reaktiotuotteita ei poisteta reaktioseoksesta reaktion aikana. Glykolit esteröityvät happojen kanssa kahdessa vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheessa muodostuu monoesteriä ja vettä ja toisessa vaiheessa diesteriä ja vettä. Kokeiden perusteella ensimmäinen vaihe on selvästi toista vaihetta nopeampi reaktio. Kirjallisuudessa on esitetty myös kaksi sivureaktiota, transesteröityminen ja disproportionaatio. Reaktion kinetiikka voidaan kuvata ilman näitä pieniä sivureaktiota, mutta täydellisen kuvaamisen vuoksi on ne myös otettava huomioon. Reaktion kinetiikan tutkimiseksi suoritettiin viisi laboratoriokoetta eri lämpötiloissa neopentyyliglykolilla ja propionihapolla homogeenisen para-tolueenisulfonihapon toimiessa katalyyttina. Lähtöaineiden ja tuotteiden konsentraatioita seurattiin ajan funktiona ja saatujen tulosten perusteella sovitettiin reaktiomekanismin differentiaaliyhtälöiden reaktionopeusvakiot. Nopeusvakioiden lämpötilariippuvuutta tutkittiin Arrheniuksen yhtälön avulla. Lisäksi määritettiin tasapainovakiot kullekin osareaktiolle.

Natural freeze crystallization : purification of aqueous Na2SO4 solutions with cold air

The aim of this thesis was to examine efficiency of freeze crystallization and eutectic freeze crystallization in purification of wastewater by imitating natural freezing. In addition, a mathematic model based on heat transfer to determine ice thickness and ice growth rate was examined. Also, the amount of sodium sulfate crystallized at the eutectic point was under investigation. In literature part, advantages and applications of the freeze crystallization are discussed, and possibility to apply it in Northern hemisphere winter weather conditions is under study. Furthermore, main sources of sodium sulfate from Finnish industries are described. The experiments were carried out in modified chest freezer, where a fan was placed in order to obtain laminar air flow inside. Picolog PT-104 data logger was used to monitor temperature changes in the salt-water solution, and constant temperature was maintained in the crystallizer with Lauda RP 850 thermostat. The impurity of formed ice layer was determined by weighing ice samples after experiment and again after 24 hours drying to full dryness in oven. Volume of salt-water solution was also measured after experiment. The highest purity of formed ice layer was obtained with small temperature difference and with long freezing time. On the other hand, the amount of crystallized sodium sulfate was its greatest with long freezing time and higher temperature difference. The results obtained by the mathematic model and empirical results did not differ significantly in most of the experiments. However, the difference increased when salt-water mixture reached its eutectic point, leading to simultaneous ice and salt crystallization. Eutectic point was reached only with the highest salt concentration with one exception. In these cases, calculated values were in many cases greater than the experimental ones. In winter weather conditions freeze crystallization is cost-effective wastewater treatment method and rather simple. Nonetheless, the efficiency and separation rate are strongly depended on ambient temperature and its changes

Hemiselluloosien talteenotto paineistetulla kuumavesiuutolla tuotetuista puu-uutteista

Puunjalostusteollisuus keskittyy tällä hetkellä lähinnä sellun ja paperin tuotantoon. Sellun tuotannossa käytetään puun komponenteista vain selluloosa. Puun muita pääkomponentteja ovat hemiselluloosa ja ligniini. Nämä yhdisteet ovat mahdollisia tulevaisuuden biomateriaalien lähtöaineita, mutta tähän mennessä ne on jätetty käyttämättä hyödyksi. Paineistettu kuumavesiuutto on menetelmä, jolla hemiselluloosat ja ligniinit olisi mahdollista erottaa puumateriaalista ennen sellunkeittoa, ja sen jälkeen fraktioida uutteesta erilleen jatkojalostusta varten. Fraktioinnista on tehty tutkimusta monella erilaisella menetelmällä ja eri menetelmiä yhdistelemällä. Tämä kandidaatin työ on kirjallinen työ, jossa käsitellään paineistettua kuumavesiuuttoa, sekä eri yksikköoperaatioita ja niiden mahdollisuuksia hemiselluloosan erotukseen puu-uutteista. Membraanisuodatus on menetelmä, jolla puu-uutteesta saadaan erotettua konsentroitu hemiselluloosafraktio. Membraanisuodatuksessa on kuitenkin puu-uutteiden tapauksessa havaittu ongelmia muun muassa kalvon likaantumisen kanssa. Yhdistämällä muutamia eri yksikköoperaatioita, saadaan parannettua membraanisuodatuksen tehoa, sekä hemiselluloosan puhtautta ja saantoa. Näitä mahdollisia yksikköoperaatioita ovat adsorptio, hapetus, saostus, kromatografiset menetelmät ja neste-nesteuutto.

Evaluation of the Efficiency of Line-Start Permanent-Magnet Machines as a Function of the Operating Temperature

The standard squirrel-cage induction machine has nearly reached its maximum efficiency. In order to further increase the energy efficiency of electrical machines, the use of permanent magnets in combination with the robust design and the line start capability of the induction machine is extensively investigated. Many experimental designs have been suggested in literature, but recently, these line-start permanent-magnet machines (LSPMMs) have become off-the-shelf products available in a power range up to 7.5 kW. The permanent magnet flux density is a function of the operating temperature. Consequently, the temperature will affect almost every electrical quantity of the machine, including current, torque, and efficiency. In this paper, the efficiency of an off-the-shelf 4-kW three-phase LSPMM is evaluated as a function of the temperature by both finite-element modeling and by practical measurements. In order to obtain stator, rotor, and permanent magnet temperatures, lumped thermal modeling is used.

Characterization of design of a product for additive manufacturing

The purpose of conducting this thesis is to gather around information about additive manufacturing and to design a product to be additively manufactured. The specific manufacturing method dealt with in this thesis, is powder bed fusion of metals. Therefore when mentioning additive manufacturing in this thesis, it is referred to powder bed fusion of metals. The literature review focuses on the principle of powder bed fusion, the general process chain in additive manufacturing, design rules for additive manufacturing. Examples of success stories in additive manufacturing and reasons for selecting parts to be manufactured with additive manufacturing are also explained in literature review. This knowledge is demanded to understand the experimental part of the thesis. The experimental part of the thesis is divided into two parts. Part A concentrates on finding proper geometry for building self-supporting pipes and proper parameters for support structures of them. Part B of the experimental part concentrates on a case study of designing a product for additive manufacturing. As a result of experimental part A, the design process of self-supporting pipes, results of visual analysis and results of 3D scanning are presented. As a result of experimental part B the design process of the product is presented and compared to the original model.

Virtuaalisen oppimisympäristön funktionaalisen käyttöliittymätestauksen automatisointi

Tämän tutkimuksen kohteena on Turun yliopistossa kehitetyn www-pohjaisen ViLLE-oppimisjärjestelmän funktionaalisen käyttöliittymätestauksen automatisointityö. Tutkimusta varten olen kerännyt kattavasti aineistoa aihetta käsittelevästä yleisestä kirjallisuudesta ja artikkeleista sekä toteutuksen kannalta spesifistä tietoa tarjoavista Internet-lähteistä. Tutkimuksessa olen tehnyt myös pienehkön määrän testausalan asiantuntijahaastatteluja. Tutkimuksen empiirisessä osuudessa olen valinnut testaukseen käytettävän testaustyökalun sekä toteuttanut valitulla testaustyökalulla ViLLE-oppimisjärjestelmän testauksen automatisointityön soveltamalla käytäntöön tutkimuksen teoriaosuudessa esitettyä tietoa hyvistä käytänteistä funktionaalisen käyttöliittymätestauksen automatisoinnissa. Tutkimuksen toteutuksessa olen käyttänyt kvalitatiivista tutkimusmenetelmää. Tutkimuksen empiirisen osuuden pohjalta kerätyn havaintoaineiston perusteella olen selvittänyt vastaukset seuraaviin tutkimuksessa esitettyihin tutkimuskysymyksiin: • Miten käytetty testaustyökalu on valittu ja mitkä olivat valintaan vaikuttaneet tärkeimmät kriteerit? • Miten käytetty testaustyökalu soveltuu ViLLE-oppimisjärjestelmän funktionaalisen käyttöliittymätestauksen automatisointiin? • Millä eri tavoin käytäntöön viety hyvien testiautomaation laatimistapojen mukainen toteutus vaikuttaa nyt laadittuun testiautomaatioon? • Esiintyikö toteutetussa testiautomaatiossa tutkimuksen teoreettisessa viitekehyksessä kuvattuja funktionaalisen käyttöliittymätestauksen automatisoinnille tyypillisiä ongelmia ja miten ongelmat saatiin ratkaistua? Tutkimuksen tulokset osoittavat melko selvästi, että ViLLE-oppimisympäristön funktionaalisen käyttöliittymätestauksen automatisointityön toteutukseen valittu Vaadin TestBench -testaustyökalu, joka on valittu tutkimuksen alkuvaiheessa suoritetun evaluoinnin perusteella, soveltuu käyttötarkoitukseensa hyvin. Lisäksi pystyin luotettavasti havainnoimaan, että testiautomaation ylläpidon tarve sekä testien laatimiseen kuluva aika vähenevät merkittävästi, kun testit laaditaan heti alusta lähtien rakenteeltaan modulaariseksi sekä tietyin teknisin keinoin mahdollisimman vähän käyttöliittymän rakennetta huomioonottavaksi. Ongelmia testiautomaation laatimisessa voivat aiheuttaa käytetty työkalu itsessään, testattavan järjestelmän toteutus sekä testien suoritusympäristö. Huolimatta kirjallisuuskatsauksen perusteella tehdystä varautumisesta tyypillisiin testiautomaation laatimisessa esiintyviin ongelmiin, myös joitakin sellaisia ongelmia esiintyi, joihin en ollut osannut varautua. Mahdollisiin ongelmiin etukäteen varautuminen kuitenkin selvästi auttoi suurimpaan osaan testiautomaation laatimisessa esiintyneistä ongelmista.