Power efficiency estimation and simulation of different control methods for the rotary screw compressor

Nowadays the energy efficiency has become one of the most concerned topics. Compressors are the equipment, which is very common in industry. Moreover, they tend to operate during long cycles and therefore even small decrease in power consumption can significantly reduce electricity costs during the year. And therefore it is important to investigate ways of increasing the energy efficiency of the compressors. In the thesis rotary screw compressor alongside with different control approaches is described. Simulation models for various control types of rotary screw compressor are developed. Analysis of laboratory equipment is conducted and results are compared with simulation. Suggestions of the real laboratory equipment improvement are given.

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.

A computationally efficient shear deformable beam element for large deformation multibody applications

In this paper, a new two-dimensional shear deformable beam element based on the absolute nodal coordinate formulation is proposed. The nonlinear elastic forces of the beam element are obtained using a continuum mechanics approach without employing a local element coordinate system. In this study, linear polynomials are used to interpolate both the transverse and longitudinal components of the displacement. This is different from other absolute nodal-coordinate-based beam elements where cubic polynomials are used in the longitudinal direction. The accompanying defects of the phenomenon known as shear locking are avoided through the adoption of selective integration within the numerical integration method. The proposed element is verified using several numerical examples, and the results are compared to analytical solutions and the results for an existing shear deformable beam element. It is shown that by using the proposed element, accurate linear and nonlinear static deformations, as well as realistic dynamic behavior, can be achieved with a smaller computational effort than by using existing shear deformable two-dimensional beam elements.

Ilmatorjuntaohjuksen laukaisualustan vaaitusjärjestelmän kehittäminen

Työn tavoitteena oli vaaitusjärjestelmän kehittäminen ITO 2005 Asrad-R –ohjusjärjestelmän laukaisualustalle. Järjestelmäkontin jokaiseen kulmaan suunniteltiin nostojalat, joita voitiin kääntää sekä nostaa ja laskea hydraulisesti. Järjestelmään kuului myös hydraulikäyttöinen asetaso, jonka ylä- ja ala-asennoilla oli erillinen lukitus. Tärkein vaadittu toiminto oli järjestelmäkontin vaaitus maan vetovoiman suhteen epätasaisella alustalla sekä maastossa että kuorma-auton päällä. Lisäksi tarvittiin nostojalkojen nostoliikkeelle toiminto, jolla konttia nostetaan ja lasketaan siten, että se säilyttää lähtökulmansa. Kaikkia nostojalkojen sylintereitä oli mahdollista käyttää myös yksittäin. Järjestelmällä oli kovat ympäristövaatimukset, koska se oli suunniteltu sotalaitteeksi rauhan ja kriisin aikaista toimintaa varten. Riittävät vapausasteet järjestelmän toimimiseksi ajoneuvon apurungon päällä saatiin nostojalkojen rotaatioliikkeen joustosta ja tassujen liukumisesta poikittain apurungon kiinnikkeissä. Maastossa nostojalat olivat täysin jäykkiä ja liukuminen tapahtui tassujen ja maalevyjen välillä. Hydraulijärjestelmässä käytettiin on/off-magneettiventtiilejä, koska liikkeet olivat hitaita ja vaadittuun tarkkuuteen ja nopeuteen päästiin helposti. Keskeisiä suunnittelun lähtökohtia olivat rakenteiden keveys, järjestelmän yksinkertaisuus, hinta ja toimintavarmuus. Yksinkertaisella ja edullisella järjestelmällä saatiin aikaan hyvin toimiva ratkaisu.

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.

Oviympäristön hallinnan kehittäminen ovitoimittajan ja turvaurakoitsijan yhteistyönä

Työn tavoitteena oli selvittää yhteistyön ja verkostoitumisen mahdollisuuksia ovitoimittajan ja turvaurakoitsijan yhteistyönä pyrkien minimoimaan (uudis)rakennuksen oviympäristöön tapahtuvissa toimituksessa eri suunnittelijoiden suunnittelueriäväisyyksistä johtuvia lisätöitä, kustannuksia ja sähläystä eri toimijoiden kesken. Keskeisenä tavoitteena oli saada malli toimivan ovi-turvallisuusympäristön perustaksi. Lisäksi haettiin turvaurakoitsijalle, ovitoimittajalle ja rakennusliikkeelle suosituksia yhteistyön ja yhteistoiminnan edistämiseksi. Eri osapuolten näkemyksiä ja ongelmakohtia haettiin haastattelujen avulla. Tutkimuksesta kävi selkeästi ilmi ettei kukaan varsinaisesti koordinoi oviympäristön suunnittelua kokonaisuutena. Samanaikaisesti rakennusliike on hakenut halvinta hintaa joka nippelille, mikä taas on johtanut urakoiden pirstoutumiseen ja vaikeuttanut tilannetta entisestään. Toimenpide-ehdotuksena esitetään uutta liiketoimintamallia oviympäristön hallintaan. Mallin avulla on mahdollista saada aikaan säästöjä ja vähentää eri toimijoiden sähläyksestä aiheutuvia lisätöitä kuitenkin loppukäyttäjän tarpeet huomioiden. Lisäksi esitetään toimenpide-suosituksia yllä mainittujen toimittajien yhteistyölle.

Sähkömoottorin rakenteen analysointi tärisevässä käytössä

Tämän työn tavoitteena oli suunnitella esimerkkirakenne vaikeisiin olosuhteisiin tarkoitetusta sähkömoottorista. Ensisijaisesti tarkasteltavia osia sähkömoottorin rakenteessa olivat roottoriakseli, laakerointi sekä laakerikilvet. Laakeroinnista tarkasteltiin laakerivaurioiden syntymistä, tarvittavaa esijännitysvoimaa sekä jälkivoitelua. Lisäksi momenttiakselista tarkasteltiin sen vääntövärähtelyominaisuuksia sekä rungosta ja laakerikilvistä niiden jännityksiä B5-kiinnitysasennossa, eli laippakiinnityksessä. Työstä pyrittiin tekemään suunnitteluohje vastaavanlaisiin suunnittelutehtäviin. Tämän työn kirjallisessa osassa tarkasteltiin oikosulkumoottorin rakennetta ja laakerointia, josta perehdyttiin erityisesti erilaisiin kuormitustilanteisiin, voiteluun sekä kestoiänlaskentaan. Lisäksi tarkasteltiin roottoridynamiikkaa ja ominaismuotojen laskentaa. Kokonaisen roottorin, sisältäen roottoriakselin, –levypaketin, laakeroinnin ja ylikuormitussuojan, pienimmäksi ominaistaajuudeksi saatiin 62,1 Hz:ä, joka oli kuitenkin lähes kaksinkertainen verrattaessa roottorin käyntinopeuteen (33,3 Hz:ä). On siis varmaa, että roottorin kestoikä ei heikkene sen ominaistaajuuksien aiheuttamasta resonanssista. Pelkän roottoriakselin pienimmäksi ominaistaajuudeksi saatiin 448,0 Hz:ä. Verrattaessa tätä taajuutta roottorin käyntinopeuteen nähtiin, että roottoriakselin ominaistaajuuksien puolesta rakenne oli selvästi alikriittinen. Tarkasteltaessa roottoriakselin vääntövärähtelyn ominaistaajuutta 12,6 Hz:ä nähtiin, että se oli pienempi kuin moottorin pyörimisnopeus. Tämä ei kuitenkaan ollut moottorin kestoiän kannalta vakavaa. Koska todellisista sähkömoottorin käyttöolosuhteista ei ollut tarkkaa tietoa, tutkittiin laakeroinnin kestoikää kahdessa ääriolosuhteessa, joko moottoriin kohdistuva tärinä oli kokoajan suurin mahdollinen tunnettu tai tärinää ei ollut ollenkaan. Todellinen tilanne on jossakin näiden kahden ääriolosuhteen välissä. Oli kuitenkin varmaa, että tarkasteltava rakenne kestää halutun kestoiän eli 10000 tuntia laakeroinnin puolesta. Laakerikilpien ominaistaajuudet olivat korkeita eikä niillä ollut vaikutusta rakenteen kestoikään. Laakerikilpien korkeat ominaistaajuudet johtuivat niiden jäykästä rakenteesta ja suuresta materiaalipaksuudesta. Tarkasteltaessa momenttiakselin vääntövärähtelyn ominaistaajuutta 7,2 Hz:ä nähtiin, että se oli pienempi kuin moottorin pyörimisnopeus. Tämä ei kuitenkaan ollut moottorin kestoiän kannalta vakavaa, jos ominaistaajuus ja sen kerrannaiset ohitettaisiin sähkömoottorin käytössä hetkellisesti eikä moottoria käytettäisi vääntövärähtelyn taajuudella. Tarkasteltaessa B5-asennon jännityksiä nähdään, että ne kasvoivat rungon ja laakerikilven välisissä kiinnitysruuveissa yllättävän suuriksi. Normaalin ruuvin murtoraja on 640 MPa:a, kun jännitys rungon ja laakerikilven välisissä kiinnitysruuveissa oli suurimmillaan 400 MPa:a. Rakenne oli kuitenkin varmalla puolella kestävyyden suhteen, koska keskimääräinen vetojännitys ruuveissa oli noin 200 MPa:a. Ruuvien jännityksiä voidaan pienentää lisäämällä kiinnitys-ruuvien lukumäärää tai kasvattamalla niiden kokoa. Koko moottorin kiinnitysruuveissa jännitys oli vain 4 MPa:a, koska osan kuormituksesta kantoi laakerikilven olakkeet.

Laskennallisen läpimenoajan lyhentäminen

Työn tavoitteena oli selvittää yrityksen käytössä olevaa läpimenoajan laskentakaavaa, sekä löytää keinoja ja toimintamalleja läpimenoajan lyhentämiseen lähinnä puolivalmisteiden osalta. Taustalla on konsernin tavoitteet lyhentää läpimenoaikoja. Työ keskittyi kahteen liiketoimintayksikköön, jotka ovat rakennuslukitus ja laitelukitus. Näillä liiketoimintayksiköillä läpimenoajat ovat selvästi konsernin keskiarvoa korkeammat. Ensin selvitettiin nykytilannetta nimikeanalyysien ja haastattelujen avulla. Läpimenoajan laskentakaavan osatekijät esiteltiin. Seuraavaksi tutkittiin vaikutusmahdollisuuksia laskentakaavan osatekijöihin. Lisäksi laadittiin eräkokojen keskinäisten valmistuserien laskentaan LIMIT-tekniikalla toteutettu laskentataulukko, jota hyödyntämällä varastoissa oleviin nimikkeisiin sitoutunutta pääomaa pystytään minimoimaan. Toimenpide-ehdotuksena esitetään vuosia varastoissa seisseiden nimikkeiden hävittämistä, sekä nimikekohtaisten asetusaikojen selvittämistä ja niiden systemaattista lyhentämistä. Lisäksi ehdotetaan siirtymistä omakustannehinnoittelusta keskivarastohinnoitteluun myös puolivalmisteiden kohdalla. Tällöin laskentakaavaan syntyvät vääristymät saadaan poistettua.

Kerrosleijukattilan polttoaineensyötön ja ilmasäätöjen tutkiminen

Tässä tutkimuksessa käsitellään kerrosleijukattilan kiinteän polttoaineen syöttöjärjestelmän toimintaa ja ilmanjaon vaikutusta kattilan toimintaan. Polttoainejärjestelmän tutkimisessa arvioidaan eri tekijöiden merkitystä höyrynkehityksen huojunnan aiheuttajana. Työllä pyritään tuomaan selvyyttä polttoainejärjestelmän toiminnallisiin peruskysymyksiin kuten turpeen ja kuoren väliseen lajittumiseen, ruuvipurkaukseen ja määrämittauksiin. Työssä esitetään parannusehdotus polttoaineensyötön toiminnan tasoittamiseksi. Ilmasäätöjen osalta on keskitytty tutkimaan erityisesti ilmakanavarakenteiden vaikutusta ilman jakautumiseen. Kattilan ongelmana olivat vasemman ja oikean puolen väliset erot savukaasujen O2-pitoisuuksissa, tulistuslämpötiloissa ja lieriön pinnan korkeudessa. Ilmanjakoon tehtyjen muutosten vaikutuksesta kyseiset erot tasoittuivat huomattavasti. Työssä on lisäksi tarkasteltu mahdollisuuksia kattilan ilmapäästöarvojen parantamiseen erityisesti NOx- ja CO- päästöjen osalta.

Lietteenkäsittelyn toimintaan vaikuttavien muutosten hallinta

Object of the Master’s thesis was to obtain clarification to problems related to sludge treatment at the waste water treatment plant at Stora Enso Varkaus Mill. From time to time these problems have caused emissions to exceed given limits. Case was studied by examining existing data, fiber length fractions and experimental methods. Changes at the Mill have reduced total solids emissions. At the same time the requirement for tertiary treatment has grown. Treatment of tertiary sludge is hard. In the future emission limits shall tighten and the urge for tertiary treatment will grow. The significance of thesis’s results may have a great impact to Stora Enso Varkaus Mill in the future. The results give valuable information to follow-up research and guidelines to sludge treatment. The results encourage observing researched matters at longer period of time. Future recommendations emphasize the meaning of maintenance and systematic, appropriate experiments.

Lineaarisen hammashihnaservokäytön tilasäätö

Tuotantotehokkuus näyttelee yhä suurempaa roolia teollisuudessa, minkä vuoksi myös pakkauslinjas­toille joudutaan asettamaan suuria vaatimuksia. Usein leik­kaus- ja kappaleensiirtosovelluksissa käyte­tään lineaarisia ruuvikäyttöjä, jotka voitaisiin tietyin edellytyksin korvata halvemmilla ja osittain suori­tuskykyisimmillä hammashihnavetoisilla johteilla. Yleensä paikkasäädetty työsolu muodostuu kahden tai kolmen eri koordinaatisto­akselin suuntaan asen­netuista johteista. Tällaisen työsolun paikoitustarkkuuteen vaikuttavat muun muassa käytetty säätöra­kenne, moottorisäätöketjun viiveet, sekä laitteiston eri epälineaarisuudet, kuten kitka. Tässä työssä esitetään lineaarisen hammashihnaservokäytön dynaamista käytöstä kuvaava matemaatti­nen malli ja laaditaan mallin pohjalta laitteen simulointimalli. Mallin toimivuus varmistetaan käytän­nön identifiointitesteillä. Lisäksi työssä tut­kitaan, kuinka hyvään suorituskykyyn lineaarinen hammas­hihnaservokäyttö kyke­nee, jos teollisuudessa paikoitussäätörakenteena tyypillisesti käytetty kaskadira­kenne tai PID-rakenne korvataan kehittyneemmällä mallipohjaisella tilasäädinra­kenteella. Säädön toi­mintaa arvioidaan simulointien ja koelaitteistolla suoritetta­vien mittaus­ten perusteella.

Laitepuhdistamon ylijäämäliete ja sen kuiva-ainepitoisuuden nostaminen

Työssä tutkittiin pienpuhdistamon ylijäämälietteen ominaisuuksia ja käyttäytymistä pienpuhdistamon ylijäämälietteen tiivistys- tai kuivausmenetelmän kehittämisen teoriapohjaksi. Työ sisältää myös lietteiden tiivistysmenetelmien kustannustarkastelua. Kokeellisessa osuudessa käytettiin työn teettäjän Oy KWH Pipe Ab:n valmistamien pienpuhdistamojen ylijäämälietettä. Tutkittava ylijäämäliete oli peräisin asukasvastineluvultaan 5–95 pienistä aktiivilietelaitepuhdistamoista. Tiivistys- tai kuivausmenetelmän kehittämisen tarkoituksena on saavuttaa kustannussäästöjä pienpuhdistamon ylijäämälietteen kuljetusmatkojen vähentämisen kautta. Soveltuvia vertailtavia sovelluksia ovat staattiseen laskeuttamiseen perustuvat menetelmät, mekaaniset ruuvi- ja linkokuivaimet, kuivauslava ja flotaatio. Tarkasteltavien menetelmien tuli olla käytöltä ja huollolta sekä käyttökuluiltaan edullisia ja yksinkertaisia. Ylijäämälietteiden ominaisuuksia ja käyttäytymistä tutkittiin kirjallisuuslähteistä ja käytännön kokein. Kokeissa tarkasteltiin ylijäämälietteen laskeutumis- ja nousuominaisuuksia, redox-potentiaalin vaihtelua seisovassa näytteessä ja flotaation onnistumista testattavalle lietteelle. Kokeet tehtiin kullakin kerralla eri ajankohtana otetuille lietenäytteille, käytettyjä puhdistamoja oli useita ja mitoitus, kuormitus sekä jäteveden laatu vaihteli paljon.

Korroosionesto polymeerin ekstruusiolinjalla

Tämä diplomityö tutkii korroosionestoa polymeerin ekstruusiolinjalla. Kirjallisuusosassa käsitellään ekstruusiolinjaa, linjalla valmistettavia tuotteita ja niiden jatkojalostusta. Lisäksi kirjallisuusosassa käydään läpi linjalla ilmeneviä korroosiotyyppejä, korroosiota eri prosessilaitteissa, korroosionestossa käytettäviä inhibiittoreita ja eri materiaalien korroosiokestävyyden kartoitusta. Kokeellisessa osassa tutkittiin perushartsin kuivauksen vaikutusta ekstruuderin kaasutilan metanoli-, happi- ja kosteuspitoisuuksiin. Kokeellisessa osassa tutkittiin myös korroosioinhibiittorien I1 ja I2 vaikutusta korroosionestoon, seuraamalla korrodoivalla alueella olleiden ruuvielementtien painohäviöitä. Kaapelitestauksessa selvitettiin inhibiittorien käytön vaikutukset matalajännitekaapelin laatuun. Kuivauksella ei todettu olevan vaikutusta korroosionestoon. Metanolipitoisuus pysyi korkeana ja happipitoisuuden aleneminen ei ollut merkittävää. Kosteuspitoisuuden suuruusluokka selvitettiin. Kuivauksesta huolimatta se pysyi korkeana. Inhibiittorien käytöstä huolimatta ruuvielementit korrodoituivat, mutta inhibiittoria I2 käytettäessä tutkittujen ruuvielementtien painohäviöt olivat pienempiä referenssiajoon verrattuna. Inhibiittori I2:lla ei todettu olevan negatiivisia vaikutuksia matalajännitekaapelin laatuun suoritetuissa ikääntymis- sähköominaisuus- ja ristisilloittumisnopeustesteissä.

Ruuvipurkaimen DFMA

Tämän työn tarkoituksena oli soveltaa valmistusystävällisen ja kokoonpanon huomioivan suunnittelun(DFMA) periaatteita ajavalle ruuvipurkaimelle valmistuskustannusten alentamiseksi. Työn teoriaosassa esitellään valmistusystävällisen suunnittelun periaatteita. Yhtä tarkemmin noudatettua DFMA-menetelmää esitellään hieman enemmän. Teoriassa käsitellään myös valmistuskustannusten laskentaa, lähinnä hitsauksen ja koneistuksen osalta. Ruuvipurkaimen rakenteeseen perehdyttiin tekemällä siitä 3D-malli. Purkaimen valmistuskustannukset selvitettiin ja kustannusten painopisteet määritettiin. Niiden pohjalta valittiin kohteet joihin paneuduttiin ja joihin sovellettiin DFMA:n periaatteita. Ruuvipurkaimen valmistettavuuden parantamisessa saavutettiin tavoite, 10 % kustannussäästö valmistuskustannuksissa. Valmistettavuutta saatiin paremmaksi DFMA-menetelmiä soveltaen ja sitä kautta tuli kustannussäästöjä. Ostokomponenttien toimittajakartoituksella saatiin myös kustannuksia karsittua. Käytetty DFMA-menetelmä hieman sovellettuna oli tälle tuotteelle toimiva vaihtoehto. Jatkamalla valmistusystävällistä suunnittelua kalleimmille osille, saataisiin enemmän kustannussäästöjä mihin tässä työssä päästiin.

Slurry flows in progressive cavity and in hose pumps

The aim of this thesis was to research how slurry’s viscosity and rheology affect to pumping in peristaltic hose pump and in eccentric progressive cavity pump. In addition, it was researched the formed pressure pulsation in hose pump. Pressure pulsation was studied by pumping different slurries and by using different pipe materials. Pressure and power curves were determined for both used pumps. It was also determined NPSHR curve for the progressive cavity pump. Literature part of the thesis considered to distribute fluids to different rheology types, as well as theories and models to identify different rheology types. Special attention was paid to non-Newtonian fluids, which were also used in experimental part of this thesis. In addition, the literature part discusses about pumps, parameters for pump sizing, and pressure pulsation in hose pump. Starch, bentonite, and carboxymethyl cellulose slurries were used in the experimental part of this thesis. The slurries were pumped with Flowrox peristaltic hose pump (LPP-T32) and eccentric progressive cavity pump (C10/10). From the each slurry was taken a sample, and the samples were analyzed for concentration, viscosity and rheology type. The used pipe materials in pressure pulsation experiments were steel and elastic, and it was also used a prototype of pulsation dampener. The pulsation experiments indicated that the elastic pipe and the prototype of pulsation dampener attenuated pressure pulsation better than the steel pipe at low pressure levels. The differences between different materials disappeared when pressure level and pump rotation speed increased. In slurry experiments, pulsation was different depending on rheology and viscosity of the slurry. According to experiments, the rheology did not significantly affect to pump power consumption or efficiency.