Radiaalikompressorin juoksupyörän virtauskanavan suunnittelu

Diplomityössä on tutkittu radiaalikompressorin juoksupyörän virtauskanavan suunnittelua ja esitelty yleisesti käytetyt suunnittelumenetelmät. Virtauskanavan muodon vaikutukset virtauskenttään on esitetty. Työssä on kehitetty uusi tietokoneohjelma juoksupyörän kolmiulotteisen geometrian luomiseen, yksiulotteisesta suunnittelusta saatujen päämittojen pohjalta. Ohjelmalla luotua juoksupyörän geometriaa voidaan käyttää virtaus- ja lujuusanalyyseissä. Ohjelmaan on myös liitetty kaksiulotteinen kokoonpuristuvan viskoosittoman virtauksen ratkaisija.

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.

Ydinvoimalaitoksen höyryturbiinin suorituskyvyn laskenta

Diplomityön tavoitteena on selvittää Loviisan ydinvoimalaitoksen höyryturbiinin hyötysuhteen parantamismahdollisuuksia. Työn kuvaan liittyvät oleellisesti höyryturbiinin siipivyöhykkeiden nopeuskolmioiden sekä hyötysuhteiden laskenta. Höyryturbiinien kehityskaarta sekä turbiinin häviökerrointen laskentayhtälöitä on esitetty useasta eri lähteestä ja vuosikymmeniltä. Työssä selvitettiin uusimpia ydinvoimalaitosten kostea höyryturbiinien suunnitteluperusteita lukuisista eri lähteistä. Kaikkien lähteiden mukaan kostean höyryn alueella tapahtuvaa paisuntaa on haasteellista mallintaa. Työssä on esitelty artikkeleissa tulleita eri näkökulmia höyryturbiinien suorituskyvyn parantamiseksi, sekä rakenteellisia että laskennallisia. Työssä esitellään monia turbiinin virtauksen ja suorituskyvyn laskentamenetelmiä. Esimerkiksi Baumannin säännön laskenta on yksinkertainen tapa käsitellä turbiinin suorituskykyä kostean höyryn alueella. Keskeisimpiä tehtyjä havaintoja oli se, että korkeapaineturbiinin ensimmäisestä vaiheesta löytyi mahdollista parannuspotentiaalia Loviisaan ydinvoimalaitoksen tehon lisäämiseksi. Ensimmäisessä vaiheessa on oletettu siipien olevan Laval –tyyppisiä, mutta käytännössä näin ei ole. Korkeapaineturbiinin nykyisen turbosuuttimen toimintaa voitaisiin tehostaa. Lisäksi Loviisan matalapaineturbiinin viimeisen siipivaiheen jälkeen aiheutuu suuret ulosvirtaushäviöt. Osa suurinopeuksisen virtauksen energiasta pystyttäisiin kuitenkin hyödyntämään vielä ulosvirtauskanavassa olevalla diffuusorilla.

New design of the frame for a permanent magnet generator

This thesis introduces a search for a new design of the frame for a permanent magnet generator mounted at a windmill. The objective of this work is to offer new design ideas for the stator frame - new concepts for connecting stator core to stator frame in a generator. Desired aims of new design concepts are: simplification of the structure production; decrease of material use; use of standard components; light weight of construction and etc. Thesis contains several new possible designs for the stator frame structure. Also, it has a list of possible connection concepts, which can be used to join the stator to the frame. All new ideas are described and compared according to its match to the desired purposes of the work. New design concepts are modeled using modern software. The main part of the Thesis contains several approximate computer models of the current and new offered constructions, description of loads and stress in the current stator frame. It has evaluation of the most important stress and load characteristics. The final design is a result of all previous research. It has a description of a new frame structure and joining concept for it. This structure matched main aims of work, but it does not have detailed design with dimensions and check calculations of the frame and welds. Thesis gives representation about design search, evaluation and comparison of new concepts of generator structure. Also, it gives general representation of renewable energy technology, knowledge about windmill turbines and its contents.

Study of a vapor-compression air-conditioning system for jetliners

Most modern passenger aeroplanes use air cycle cooling. A high-speed air cycle is a reliable and light option, but not very efficient. This thesis presents research work done to design a novel vapour cooling cycle for aeroplanes. Due to advancements in high-speed permanent magnet motors, the vapour cycle is seen as a competitive option for the air cycle in aeroplanes. The aerospace industry places tighter demands on the weight, reliability and environmental effects of the machinery than those met by conventional chillers, and thus modifications to conventional design are needed. The thesis is divided into four parts: the initial screening of the working fluid, 1-D design and performance values of the compressor, 1-D off-design value predictions of the compressor and the 3-D design of the compressor. The R245fa was selected as the working fluid based the study. The off-design range of the compressor was predicted to be wide and suitable for the application. The air-conditioning system developed is considerably smaller than previous designs using centrifugal compressors.

Tuulivoimalan generaattorin roottorin valmistuksen ja valmistuskustannusten arviointi

Diplomityössä on käsitelty tuulivoimalan generaattorin roottorin valmistusta ja magneettien kiinnitystä. Työ on osa projektia, jonka tarkoituksena on ollut tuottaa kohdeyritykselle vaihtoehtoinen tuulivoimalan generaattorin roottorirakenne. Työhön on koottu projektissa käsitellyt asiat roottorin valmistustekniikan osalta. Työssä on selvitetty kustannuksien kannalta paras vaihtoehto roottorin valmistamiseksi sisältäen kuljetukset ja magneettien kokoonpanon. Valmistusmenetelminä on vertailtu hitsausta ja valamista. Magneettien osalta tarkasteltiin uuden vaihtoehtoisen kiinnitysmenetelmän tuomia säästöjä nykyiseen ratkaisuun verrattuna. Uusien roottorien kustannuksia on verrattu nykyiseen rakenteeseen. Tutkimusmenetelminä on käytetty projektiryhmän palavereja, haastatteluja ja kirjallisuusselvityksiä. Lopputuloksena kohdeyritykselle luotiin uusi roottorikonsepti, jossa yhdistyvät edullisempi roottorin valmistus ja magneettien kiinnitys. Roottorin valmistaminen valamalla osoittautui selvästi edullisemmaksi kuin hitsaaminen levyistä. Magneettien kiinnitystä yksinkertaistettiin käyttämällä seostettuja magneetteja ja magneettikehyksiä. Roottorin konstruktiomuutoksien avulla mahdollistettiin suurempi magneettien määrä, joka mahdollistaa suuremman tehontuoton.

Kostean höyryn paisunnan erityispiirteet ydinvoimalaitosten turbiineissa

Diplomityössä käsitellään ydinvoimalaitoksen kostean höyryn alueella toimivien höyryturbiinien toiminnan erityispiirteitä. Tarkemmin työssä keskitytään Loviisan ydinvoimalaitoksen turbiiniprosessiin. Tavoitteena on selvittää veden tiivistymistä höyryvirrassa, sen erotusta höyrystä turbiineissa sekä määrittää laitokselle todellinen paisuntakäyrä. Työssä selvitettiin veden tiivistymistä höyryvirtaan kirjallisuuden ja prosessista saatujen tietojen perusteella. Lisäksi työssä tutustuttiin suurien nykyaikaisten kostean höyryn alueella toimivien turbiinien vedenerotukseen ja sen pohjalta arvioitiin Loviisan ydinvoimalaitoksen turbiinin kosteudenerotusta. Näiden tietojen avulla saatiin mallinnettua kostean höyryn paisuntakäyrä Loviisan ydinvoimalaitoksen turbiineille. Työssä perehdyttiin lisäksi ulosvirtauskanavan toimintaan. Diplomityön puitteissa ei perehdytty yksityiskohtaisesti veden tiivistymiseen höyryvirrassa, vaan aihe ansaitsee tarkempaa tutkimusta. Kosteuden erotustehokkuuden arviointi todellisessa prosessissa ilman mittauksista saatavaa tietoa on vaikeata, mutta toimenpiteisiin lisäinformaation saamiseksi Loviisan ydinvoimalaitoksen turbiiniprosessista on ryhdytty. Työssä tehtyjen selvitysten avulla saatiin arvokasta tietoa turbiinikoneikon toiminnasta ja sen tehokkuuden parantamisesta.

Keskitetyn lämmöntuotannon kehittämismahdollisuudet Lahden seudulla ilmastonmuutoksen näkökulmasta

Tämä diplomityö on tehty Aalto yliopiston Teknillisen korkeakoulun Lahden keskuksen IMMU-hankkeeseen. Teoriaosassa tarkastellaan kaukolämmityksen nykytilannetta ja sen tulevai-suuteen vaikuttavia tekijöitä. Työssä on tarkasteltu Lahti Energia Oy:n Kymijärven voimalaitosalueen kehittämismahdollisuuksia vuosina 2012 ja 2016. Vertailukohtana käytetään nykytilannetta vuoden 2009 tiedoilla. Työssä on selvitetty voimalaitosalueen elinkaaren aikaisia kasvihuonekaasupäästöjä ja niiden muutoksia mahdollisten uusien voimalaitosinvestointien myötä. Vuonna 2012 alueelle rakennetaan kiinteää polttoainetta käyttävä kaasutusvoimalaitos jolloin nykyisen laitoksen käyttö ja samalla kivihiilen käyttö vähenee huomattavasti. Tässä työssä vuoden 2016 skenaariossa alueelle ajatellaan rakennettavan kolmas voimalaitos, maakaasukäyttöinen kaasukombiturbiini. Tarkasteluissa energiantuotantomäärien oletetaan pysyvän nykytilanteen suuruisina. Työssä tarkasteltujen skenaarioiden perusteella alueen yhdistetyn kaukolämmön- ja sähköntuotannon (CHP) päästöjä voitaisiin vähentää vuonna 2012 noin 20 % ja vuonna 2016 noin 30 % nykytilanteesta. Esitettyjen investointien riskinä on sopivan polttoaineen saatavuus ja riittävyys. Lisäksi työssä tarkasteltiin kaasutusvoimalaitoksen ja kaasukombiturbiinin takaisinmaksuaikoja. Kierrätyspolttoaineen hinnan kallistuminen hinnasta 5 €/MWh hintaan 15 €/MWh vaikutti kaasutusvoimalaitoksen takaisinmaksuaikaan yhdeksällä vuodella. Kaasukombiturbiinin takaisinmaksuaika piteni tämän hetkiseen maakaasun hintaan 27 €/MWh verrattuna päästöoikeuden lisäkustannus 6 €/MWh huomioiden kahdeksan vuotta. Takaisinmaksuaikaan vaikuttaa muun muassa polttoaineen hinta ja laitoksen huipunkäyttöaika.

Optimization of wind blade design including its energetic characteristics

The goal of the Master’s thesis is to develop and to analyze the optimization method for finding a geometry shape of classical horizontal wind turbine blades based on set of criteria. The thesis develops a technique that allows the designer to determine the weight of such factors as power coefficient, sound pressure level and the cost function in the overall process of blade shape optimization. The optimization technique applies the Desirability function. It was never used before in that kind of technical problems, and in this sense it can claim to originality of research. To do the analysis and the optimization processes more convenient the software application was developed.

Siirrettävän kompressorin käyttö maakaasuputkiston huoltotöissä

Maakaasuputkiston huolto- ja muutostöiden yhteydessä joudutaan tyhjentämään putkisto kaasusta, jotta voidaan taata turvalliset työskentelyolosuhteet. Nykyisin putkisto tyhjennetään johtamalla kaasu ilmakehään, avaamalla putkiston ulospuhallusventtiilit. Koska maakaasu (metaani) on merkittävä kasvihuonekaasu, on ympäristövaatimusten tiukentuessa etsittävä vaihtoehtoisia keinoja vähentää päästöjä. Lisäksi, talteen otettu kaasu voidaan myydä edelleen, ja näin ollen saavuttaa säästöjä. Tässä työssä on tutkittu mahdollisuuksia komprimoida kaasu siirrettävän kompressorin avulla putkisto-osuudesta toiseen ilman, että kaasua jouduttaisiin puhaltamaan ilmakehään. Työssä päädyttiin johtopäätökseen, että siirrettävän kompressorin hankinta ei ole tällä hetkellä kannattavaa, sen korkeiden investointikustannusten vuoksi. Kuitenkin mahdollinen päästömaksu metaanille, kaasun arvon nousu, sekä tekniikan parantuminen voivat nostaa menetelmän varteenotettavaksi vaihtoehdoksi hyvinkin nopeasti. Tämän vuoksi jatkotutkimuksen tekeminen aiheesta on perusteltua.

Automaatiolaitteiden elinkaaren hallinta ydinvoimalaitoksessa

Diplomityön tavoitteena on selvittää automaatiolaitteiden elinkaaren hallintaa ottaen huomioon ydinvoimalaitoksessa toimimisen erityispiirteet. Elinkaaren hallinnan tavoitteena on laitoksen korkean turvallisuuden ja käyttökertoimen varmistaminen. Työssä käydään läpi elinkaaren vaiheita käyttäen esimerkkinä turbiinilaitoksen automaation modernisointiprojektia. Diplomityö alkaa katsauksella ydinenergia-alan viranomaisiin, säännöksiin sekä menetelmiin, joilla ydinturvallisuus varmistetaan. Työssä otetaan selvää, millaisissa tehtävissä automaatiolaitteet ja –järjestelmät ydinvoimalaitoksissa toimivat ja millä perusteilla ne kelpoistetaan käyttötarkoitukseensa. Työssä pyritään lisäksi kartoittamaan ydinvoimala-alan tarpeita erilaisilleautomaatiotekniikkaan liittyville palveluille. Esiin nousivat etenkin haasteet ohjelmistoversioiden hallinnassa.

Numerical modelling of small supersonic axial flow turbines

Supersonic axial turbine stages typically exhibit lower efficiencies than subsonic axial turbine stages. One reason for the lower efficiency is the occurrence of shock waves. With higher pressure ratios the flow inside the turbine becomes relatively easily supersonic if there is only one turbine stage. Supersonic axial turbines can be designed in smaller physical size compared to subsonic axial turbines of same power. This makes them good candidates for turbochargers in large diesel engines, where space can be a limiting factor. Also the production costs are lower for a supersonic axial turbine stage than for two subsonic stages. Since supersonic axial turbines are typically low reaction turbines, they also create lower axial forces to be compensated with bearings compared to high reaction turbines. The effect of changing the stator-rotor axial gap in a small high (rotational) speed supersonic axial flow turbine is studied in design and off-design conditions. Also the effect of using pulsatile mass flow at the supersonic stator inlet is studied. Five axial gaps (axial space between stator and rotor) are modeled using threedimensional computational fluid dynamics at the design and three axial gaps at the off-design conditions. Numerical reliability is studied in three independent studies. An additional measurement is made with the design turbine geometry at intermediate off-design conditions and is used to increase the reliability of the modelling. All numerical modelling is made with the Navier-Stokes solver Finflo employing Chien’s k ¡ ² turbulence model. The modelling of the turbine at the design and off-design conditions shows that the total-to-static efficiency of the turbine decreases when the axial gap is increased in both design and off-design conditions. The efficiency drops almost linearily at the off-design conditions, whereas the efficiency drop accelerates with increasing axial gap at the design conditions. The modelling of the turbine stator with pulsatile inlet flow reveals that the mass flow pulsation amplitude is decreased at the stator throat. The stator efficiency and pressure ratio have sinusoidal shapes as a function of time. A hysteresis-like behaviour is detected for stator efficiency and pressure ratio as a function of inlet mass flow, over one pulse period. This behaviour arises from the pulsatile inlet flow. It is important to have the smallest possible axial gap in the studied turbine type in order to maximize the efficiency. The results for the whole turbine can also be applied to some extent in similar turbines operating for example in space rocket engines. The use of a supersonic stator in a pulsatile inlet flow is shown to be possible.

Doubly fed induction generator versus direct drive permanent magnet synchronous generator in wind power applications

The objective of this master's thesis is to compare two different generator systems for wind turbines. It is the doubly fed induction generator system with three stage gearbox and the direct drive permanent magnet generator system. The comparison of generator systems is based on annual energy production for a given wind climate. For comparison a 3 MW, 15 rpm wind turbine is used. Modelling of a turbine rotor, gearbox and converters were done. Design of two generators was done and their performance was examined.

2000-luvun höyryturbiiinit

Kandidaatintyössä esitetään nykyaikaisen höyryturbiinin toimintaperiaate ja tärkeimmät komponentit. Lisäksi esitetään tietoa turbiinien kehityksestä, eri turbiinityypeistä ja valmistajista.