Suurnopeus-turbokoneroottoreiden termodynaaminen ja mekaaninen mallinnus sekä rakenneanalyysi

Tässä väitöskirjassa tarkastellaan suurnopeustekniikan eri sovelluksissa ilmeneviä roottoreihin liittyviä rakenteellisia vaatimuksia ja haasteita. Tässä yhteydessä suurnopeustekniikalla tarkoitetaan järjestelyä, jossa sähkökone (moottori, generaattori) ja toimilaite (turbiini, kompressori, puhallin) on kytketty ilman vaihdetta suoraan mekaanisesti yhteen ja jossa yhteisen roottorin pyörimisnopeus on selvästi suurempi kuin 50/60 hertsin verkosta syötetyn kaksinapaisen vaihtovirtasähkökoneen tahtinopeus. Tyypillistä suurnopeuskoneen roottorille on suuri tehotiheys ja suuri mekaaninen kuormitus. Siksi esimerkiksi sähkökoneen jäähdytys on entistä haasteellisempaa kasvavien rautahäviöiden ja pienempien lämmönsiirtopinta-alojen vuoksi. Tämän työn tavoitteet voidaan jakaa kolmeen osaan:  Yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin mekaanisen rakenteen tarkastelu, jonka tavoitteena on pienentää lämmönkehitystä ja tehostaa kriittisten kohtien jäähdytystä. Tähän liittyy sähkömagneettisten häviöiden keskittäminen jäähdytyksen kannalta edullisiin kohtiin  Yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin mekaanisen rakenteen tarkastelu kriittisten ominaistaajuuksien kannalta  Yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin mekaanisen rakenteen analysointi lujuustekniseltä kannalta. Tähän liittyvät mm. erilaiset ahdistussovitteet ja niiden säilyminen korkeilla pyörimisnopeuksilla sekä niiden roottoria jäykistävä vaikutus ja lämmön johtuminen kyseisissä liitospinnoissa. Tämän työn tieteellinen uutuusarvo on nimenomaan yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin rakenteen analysointi ottamalla samanaikaisesti huomioon kaikki edellä mainitut näkökohdat: jäähtyminen erityisen kuumissa kohdissa, sähköisten häviöiden alentaminen ja niiden jakautuman huomioon ottaminen, roottorin jäykkyyden maksimointi, lujuusrasitusten hallinta ja rakenteen mekaaninen stabiliteetti sekä lämpöteknisten ylimenovastusten tarkastelu.

Serodiagnosis of Babesia equi in horses submitted to exercise stress

A complement fixation test (CFT), performed in microtitre plates, based upon the use of crude antigenic preparation of Babesia equi was adapted for the detection of antibodies in serum of infected horses. The indirect fluorescent antibody test (IFAT) and enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) were also used for the immunodiagnosis of B. equi. Serum samples from 15 apparently healthy horses, previously conditioned to a high-speed equine treadmill, were taken before and after exercise. All the samples analyzed were positive for B. equi infection. There were no significant differences (P<0.01) between these 3 tests, or the condition of rest or stress. The combined use of CFT and IFAT or ELISA should be recommended in order to enable veterinary services to more efficiently prevent introduction of infected horses into disease-free areas.

Verotus yksityisen osakeyhtiön sukupolvenvaihdoksessa

Tämän tutkielman tarkoituksena on selvittää verotusta yksityisen osakeyhtiön sukupolvenvaihdoksessa. Tutkielman on rajattu siten, että se koskee vain yrittäjän elinaikana tapahtuvia luovutuksia. Käytettävissä olevista sukupolvenvaihdostavoista on käsitelty osakekauppa, lahja ja lahjaluonteinen kauppa. Näiden lisäksi tutkielmassa on tutkittu yksityisen osakeyhtiön käyvän arvon määrittämistä lahjaverotuksessa sekä verosuunnittelun mahdollisuuksia ja sääntelyä. Tutkielma on toteutettu lainopillisesti. Tutkielma osoittaa, että osapuolten tulee valmistautua sukupolvenvaihdokseen huolellisesti, koska osakekaupan, lahjan ja lahjaluonteisen kaupan verottamiseen liittyy paljon sääntelyä ja osapuolet haluavat hyödyntää kaikki lain tarjoamat huojennusmahdollisuudet, täytyy ne tuntea etukäteen. Lisäksi tutkielmassa käsiteltyjen case –yritysten pohjata ilmeni, että toteutustapojen kokonaisverorasituksessa syntyy eroja eri kokoisissa yrityksissä.

Numerical study of wedge supported oblique shock wave-oblique detonation wave transitions

The results of a numerical study of premixed Hydrogen-air flows ignition by an oblique shock wave (OSW) stabilized by a wedge are presented, in situations when initial and boundary conditions are such that transition between the initial OSW and an oblique detonation wave (ODW) is observed. More precisely, the objectives of the paper are: (i) to identify the different possible structures of the transition region that exist between the initial OSW and the resulting ODW and (ii) to evidence the effect on the ODW of an abrupt decrease of the wedge angle in such a way that the final part of the wedge surface becomes parallel to the initial flow. For such a geometrical configuration and for the initial and boundary conditions considered, the overdriven detonation supported by the initial wedge angle is found to relax towards a Chapman-Jouguet detonation in the region where the wedge surface is parallel to the initial flow. Computations are performed using an adaptive, unstructured grid, finite volume computer code previously developed for the sake of the computations of high speed, compressible flows of reactive gas mixtures. Physico-chemical properties are functions of the local mixture composition, temperature and pressure, and they are computed using the CHEMKIN-II subroutines.

Suurnopeuspumput

Suurnopeustekniikasta on tehty tutkimusta 1980-luvulta lähtien. On havaittu, että tiettyjen energiateknisten sovellusten hyötysuhde paranee, kun käytetään selkeästi tavanomaista suurempaa pyörimisnopeutta. Suurnopeuspumppuja on totuttu näkemään lähinnä erikoiskohteissa, kuten avaruustekniikassa. Tämän työn tarkoituksena on kartoittaa, voiko suurnopeuspumppuja käyttää tavallisissa teollisuussovelluksissa, joissa tarvitaan korkeapaineista vettä. Työssä selvitetään pumppujen laskentaan ja valintaan liittyvää käsitteistöä, sekä luodaan kirjallisuuskatsaus suurnopeuspumppujen kehitykseen. Työn tarkoituksena on myöskin luoda valmiuksia suurnopeuspumppujen tutkimukseen ja arviointiin.

Mechanical design and analysis of modular active magnetic bearing test rig

Tässä työssä on tutkittu modulaarisen aktiivimagneettilaakeroidun koelaitteen mekaanista suunnittelua ja analysointia. Suurnopeusroottorin suunnittelun teoria on esitelty. Lisäksi monia analyyttisiä mallinnusmenetelmiä mekaanisten kuormitusten mallintamiseksi on esitelty. Koska kyseessä on suurnopeussähkökone, roottoridynamiikka ja sen soveltuvuus suunnittelussa on esitelty. Magneettilaakerien rakenteeseen ja toimintaan on tutustuttu osana tätä työtä. Kirjallisuuskatsaus nykyisistä koelaitteista esimerkiksi komponenttien ominaisuuksien tunnistamiseen ja roottoridynamiikan tutkimuksiin on esitelty. Työn rajauksena on konseptisuunnittelu muunneltavalle magneettilaakeroidulle (AMB) koelaitteelle ja suunnitteluprosessin dokumentointi. Muunneltavuuteen päädyttiin, koska se mahdollistaa erilaisten komponenttiasetteluiden testaamisen erilaisille magneettilaakerikokoonpanoille ja roottoreille. Pääpaino tässä työssä on suurnopeus induktiokoneen roottorin suunnittelussa ja mallintamisessa. Modulaaristen toimilaitteiden kuten magneettilaakerien ja induktiosähkömoottorin rakenne on esitelty ja modulaarisen rakenteen käytettävyyden hyödyistä koelaitekäytössä on dokumentoitu. Analyyttisiä ja elementtimenetelmään perustuvia tutkimusmenetelmiä on käytetty tutkittaessa suunniteltua suurnopeusroottoria. Suunnittelun ja analysoinnin tulokset on esitelty ja verrattu keskenään eri mallinnusmenetelmien välillä. Lisäksi johtopäätökset sähkömagneettisten osien liittämisen monimutkaisuudesta ja vaatimuksista roottoriin ja toimilaitteisiin sekä mekaanisten että sähkömagneettisten ominaisuuksien optimoimiseksi on dokumentoitu.

Kestomagnetoidun roottorin mekaniikkasuunnittelu ja -analysointi

Työssä kehitettiin suurnopeuskäyttöön soveltuva kestomagnetoitu roottori olemassa olevan induktiokoneen staattorirunkoon. Kehitystyön tarkoituksena oli selvittää roottorin mekaaniset raja-arvot, kuten maksimi kehänopeus. Samalla otettiin kantaa myös tarvittaviin analysointi- ja mitoitusmenetelmiin. Maksimi kehänopeuden, laakeroinnin ja roottorin skaalattavuuden selvittäminen edellytti myös tarkkaa materiaaliselvitystä ja optimointia. Tästä syystä työn aikana tehtiin tiivistä yhteistyötä materiaalitoimittajien kanssa. Työn tuloksena syntyi uusi menetelmä toteuttaa radiaalisen magneettivuon luova kestomagneettiroottori 200 m/s kehänopeudelle. Suunniteltua roottoriratkaisua käytetään testausroottorina, jolla selvitetään valmistuksen, kokoonpanon ja sähkötehon rajoitteet käytännössä. Suunnittelutyö edellyttikin jatkuvaa iterointia sähkösuunnittelun ja roottorin osien valmistajien kanssa, jotta löydettiin paras kompromissiratkaisu roottorin prototyyppiin. Tämän seurauksena saatiin luotua varsin tarkat suunnittelu- ja analysointiraja-arvot kestomagneettiroottorin tuotteistettavia versioita varten.

Post-processing and analysis of tracked hand trajectories

In this thesis, the suitability of different trackers for finger tracking in high-speed videos was studied. Tracked finger trajectories from the videos were post-processed and analysed using various filtering and smoothing methods. Position derivatives of the trajectories, speed and acceleration were extracted for the purposes of hand motion analysis. Overall, two methods, Kernelized Correlation Filters and Spatio-Temporal Context Learning tracking, performed better than the others in the tests. Both achieved high accuracy for the selected high-speed videos and also allowed real-time processing, being able to process over 500 frames per second. In addition, the results showed that different filtering methods can be applied to produce more appropriate velocity and acceleration curves calculated from the tracking data. Local Regression filtering and Unscented Kalman Smoother gave the best results in the tests. Furthermore, the results show that tracking and filtering methods are suitable for high-speed hand-tracking and trajectory-data post-processing.

Local Binary Patterns in Focal-Plane Processing. Analysis and Applications

Feature extraction is the part of pattern recognition, where the sensor data is transformed into a more suitable form for the machine to interpret. The purpose of this step is also to reduce the amount of information passed to the next stages of the system, and to preserve the essential information in the view of discriminating the data into different classes. For instance, in the case of image analysis the actual image intensities are vulnerable to various environmental effects, such as lighting changes and the feature extraction can be used as means for detecting features, which are invariant to certain types of illumination changes. Finally, classification tries to make decisions based on the previously transformed data. The main focus of this thesis is on developing new methods for the embedded feature extraction based on local non-parametric image descriptors. Also, feature analysis is carried out for the selected image features. Low-level Local Binary Pattern (LBP) based features are in a main role in the analysis. In the embedded domain, the pattern recognition system must usually meet strict performance constraints, such as high speed, compact size and low power consumption. The characteristics of the final system can be seen as a trade-off between these metrics, which is largely affected by the decisions made during the implementation phase. The implementation alternatives of the LBP based feature extraction are explored in the embedded domain in the context of focal-plane vision processors. In particular, the thesis demonstrates the LBP extraction with MIPA4k massively parallel focal-plane processor IC. Also higher level processing is incorporated to this framework, by means of a framework for implementing a single chip face recognition system. Furthermore, a new method for determining optical flow based on LBPs, designed in particular to the embedded domain is presented. Inspired by some of the principles observed through the feature analysis of the Local Binary Patterns, an extension to the well known non-parametric rank transform is proposed, and its performance is evaluated in face recognition experiments with a standard dataset. Finally, an a priori model where the LBPs are seen as combinations of n-tuples is also presented

Comparison of methods by TLC and HPTLC for determination of aflatoxin M1 in milk and B1 in eggs

Milk and egg matrixes were assayed for aflatoxin M1 (AFM1) and B1 (AFB1) respectively, by AOAC official and modified methods with detection and quantification by thin layer chromatography (TLC) and high performance thin layer chromatography (HPTLC). The modified methods: Blanc followed by Romer, showed to be most appropriate for AFM1 analysis in milk. Both methods reduced emulsion formation, produced cleaner extracts, no streaking spots, precision and accuracy improved, especially when quantification was performed by HPTLC. The use of ternary mixture in the Blanc Method was advantageous as the solvent could extract AFM1 directly from the first stage (extraction), leaving other compounds in the binary mixture layer, avoiding emulsion formation, thus reducing toxin loss. The relative standard deviation (RSD%) values were low, 16 and 7% when TLC and HPTLC were used, with a mean recovery of 94 and 97%, respectively. As far as egg matrix and final extract are concerned, both methods evaluated for AFB1 need further studies. Although that matrix leads to emulsion with consequent loss of toxin, the Romer modified presented a reasonable clean extract (mean recovery of 92 and 96% for TLC and HPTLC, respectively). Most of the methods studied did not performed as expected mainly due to the matrixes high content of triglicerides (rich on saturated fatty acids), cholesterol, carotene and proteins. Although nowadays most methodology for AFM1 is based on HPLC, TLC determination (Blanc and Romer modified) for AFM1 and AFB1 is particularly recommended to those, inexperienced in food and feed mycotoxins analysis and especially who cannot afford to purchase sophisticated (HPLC,HPTLC) instrumentation.

Ball Bearing Model Performance on Various Sized Rotors with and without Centrifugal and Gyroscopic Forces

Bearing performance signi cantly a ects the dynamic behaviors and estimated working life of a rotating system. A common bearing type is the ball bearing, which has been under investigation in numerous published studies. The complexity of the ball bearing models described in the literature varies. Naturally, model complexity is related to computational burden. In particular, the inclusion of centrifugal forces and gyroscopic moments signi cantly increases the system degrees of freedom and lengthens solution time. On the other hand, for low or moderate rotating speeds, these e ects can be neglected without signi cant loss of accuracy. The objective of this paper is to present guidelines for the appropriate selection of a suitable bearing model for three case studies. To this end, two ball bearing models were implemented. One considers high-speed forces, and the other neglects them. Both models were used to study a three structures, and the simulation results were.

Comparison of volatile and polyphenolic compounds in Brazilian green propolis and its botanical origin Baccharis dracunculifolia

Ethanolic extracts and essential oils from Green Propolis from southeastern Brazil and leaf buds from its botanical origin Baccharis dracunculifolia were analyzed by Reversed Phase High Performance Liquid Chromatography (RP-HPLC), Reversed Phase High Performance Thin Layer Chromatography (RP-HPTLC) and Gas Chromatography - Mass Spectrometry (GC-MS). The essential oils were obtained by hydro-distillation. Both ethanolic extracts and essential oils showed similar chromatographic profiles. Thirteen flavonoids were identified by RP-HPLC and RP-HPTLC analyses in both samples. Twenty-three volatile compounds were identified by GC-MS analyses. Seventeen were present in both essential oils. The major flavonoid compound in both extracts was artepillin C. The major volatile compound in both essential oils was nerolidol. The major compounds identified in this work could be used as chemical markers in order to classify and identify botanical origins of propolis.

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.

Mikro-ORC-energianmuuntimen suorituskyvyn todentaminen ja kaupallistaminen

Tässä työssä esitellään yleisesti ORC-prosessi, sen toimintaperiaate ja käyttökohteet. Työn tavoitteena oli todentaa diesel-moottorin savukaasujen lämpöenergian sähköenergiaksi muuntavan mikro-ORC-energianmuuntimen suorituskyky. Suorituskyky pyrittiin toteamaan laskemalla laboratoriomittauksista saadusta datasta koelaitoksen sähköntuotannon hyötysuhde ja vertaamalla sitä mallinnuksessa laskettuun hyötysuhteeseen. Esitys käytännöstä suorituskyvyn todentamiseen kuuluu työn sisältöön. Koelaitoksen suorituskykyä ei pystytty toteamaan turbogeneraattoriin liittyvien ongelmien vuoksi. Tarkasteltavaksi tähän työhön jäi koelaitoksen suorituskykyyn olennaisesti liittyvien laitoskomponenttien toiminta niille tyypillisten mittausdatasta laskettujen tunnuslukujen kautta. Koelaitoksella käytettyjen lämmönsiirrinten todettiin olevan kykeneviä siirtämään tarpeeksi lämpöenergiaa 130 kW jarruteholla toimivan diesel-moottorin savukaasujen lämmöstä sähköenergian tuotantoon. Laitoksen kaupallistamista tarkasteltiin asiakkaan ja valmistajan näkökulmasta. Tarkasteluun sisältyi katsaus kaupalliseen versioon kuuluvista ominaisuuksista, alihankinnasta ja säädöksistä, jotka laitoksen on täytettävä markkinoille päästäkseen.

Thermal modelling of commercial lithium-ion batteries

The accelerating adoption of electrical technologies in vehicles over the recent years has led to an increase in the research on electrochemical energy storage systems, which are among the key elements in these technologies. The application of electrochemical energy storage systems for instance in hybrid electrical vehicles (HEVs) or hybrid mobile working machines allows tolerating high power peaks, leading to an opportunity to downsize the internal combustion engine and reduce fuel consumption, and therefore, CO2 and other emissions. Further, the application of electrochemical energy storage systems provides an option of kinetic and potential energy recuperation. Presently, the lithium-ion (Li-ion) battery is considered the most suitable electrochemical energy storage type in HEVs and hybrid mobile working machines. However, the intensive operating cycle produces high heat losses in the Li-ion battery, which increase its operating temperature. The Li-ion battery operation at high temperatures accelerates the ageing of the battery, and in the worst case, may lead to a thermal runaway and fire. Therefore, an appropriate Li-ion battery cooling system should be provided for the temperature control in applications such as HEVs and mobile working machines. In this doctoral dissertation, methods are presented to set up a thermal model of a single Li-ion cell and a more complex battery module, which can be used if full information about the battery chemistry is not available. In addition, a non-destructive method is developed for the cell thermal characterization, which allows to measure the thermal parameters at different states of charge and in different points of cell surface. The proposed models and the cell thermal characterization method have been verified by experimental measurements. The minimization of high thermal non-uniformity, which was detected in the pouch cell during its operation with a high C-rate current, was analysed by applying a simplified pouch cell 3D thermal model. In the analysis, heat pipes were incorporated into the pouch cell cooling system, and an optimization algorithm was generated for the estimation of the optimalplacement of heat pipes in the pouch cell cooling system. An analysis of the application of heat pipes to the pouch cell cooling system shows that heat pipes significantly decrease the temperature non-uniformity on the cell surface, and therefore, heat pipes were recommended for the enhancement of the pouch cell cooling system.