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.

Sähkön tuotantokustannusvertailu

Työssä vertaillaan eri sähköntuotantovaihtoehtojen taloudellista kannattavuutta. Kannattavuusvertailu suoritetaan pelkkää sähköä tuottaville voimalaitoksille. Raportti on jatkoa aikaisemmille tutkimuksille, joista viimeisin julkaistiin 2008. Tutkittavat voimalaitostyypit ovat: ydinvoimalaitos, maakaasukombilauhdevoimalaitos, kivihiililauhdevoimalaitos, turvelauhdevoimalaitos, puulauhdevoimalaitos, tuulivoimala ja uutena aurinkovoimala. Kannattavuustarkastelu suoritetaan annuiteettimenetelmällä käyttäen 5 % reaalikorkoa ja maaliskuun 2012 hintatasoa. Laskelmien perusteella 8000 tunnin huipunkäyttöajalla ydinsähkön tuotantokustannus, kun laitos rakennetaan olemassaolevalle tontille olisi 43,7 €/MWh, täysin uuden ydinvoimalaitoksen 57,9 €/MWh, kaasusähkön 75,4 €/MWh, turvelauhteen 75,4 €/MWh ja hiilisähkön hiilidioksidin talteenotolla 64,4 €/MWh, kun hiilidioksidipäästöoikeuden hintana käytetään 23 €/t. Vastaavasti uusiutuvista puupolttoainelauhdesähkön tuotantokustannus olisi 70,2 €/MWh kun taas 2200 tunnin huipunkäyttöajalla maalla sijaitsevan tuulivoimalaitoksen sähkön tuotantokustannus 52,7 €/MWh ja merellä sijaitsevan tuulivoimalaitoksen 76,8 €/MWh. Erillistarkastelussa arvioitiin suurien keskittävää teknologiaa käyttävän aurinko-voimalaitoksen tuotantokustannuksen ylittävän 100 €/MWh ollen todennäköisesti lähempänä 150 €/MWh. Arvio piensähkön tuotantokustannuksista aurinkosähköisillä paneeleilla vaihtelee 90 – 130 €/MWh. Merkittävin kustannussäästö syntyy, jos aurinkosähköpaketteja voidaan tarjota kuluttajalle kokonaistoimituksena avaimet käteen. Aurinkosähkön tuottaminen kotikeräimillä näyttääkin olevan vaiheessa, jossa se on selkeästi pienkäyttäjälle edullista mikäli sijoitettava pääoma 6000 – 18000 € ei vaadi ulkopuolista rahoitusta.

Power cycling lifetime estimation of IGBT power modules based on chip temperature modeling

In this doctoral thesis, methods to estimate the expected power cycling life of power semiconductor modules based on chip temperature modeling are developed. Frequency converters operate under dynamic loads in most electric drives. The varying loads cause thermal expansion and contraction, which stresses the internal boundaries between the material layers in the power module. Eventually, the stress wears out the semiconductor modules. The wear-out cannot be detected by traditional temperature or current measurements inside the frequency converter. Therefore, it is important to develop a method to predict the end of the converter lifetime. The thesis concentrates on power-cycling-related failures of insulated gate bipolar transistors. Two types of power modules are discussed: a direct bonded copper (DBC) sandwich structure with and without a baseplate. Most common failure mechanisms are reviewed, and methods to improve the power cycling lifetime of the power modules are presented. Power cycling curves are determined for a module with a lead-free solder by accelerated power cycling tests. A lifetime model is selected and the parameters are updated based on the power cycling test results. According to the measurements, the factor of improvement in the power cycling lifetime of modern IGBT power modules is greater than 10 during the last decade. Also, it is noticed that a 10 C increase in the chip temperature cycle amplitude decreases the lifetime by 40%. A thermal model for the chip temperature estimation is developed. The model is based on power loss estimation of the chip from the output current of the frequency converter. The model is verified with a purpose-built test equipment, which allows simultaneous measurement and simulation of the chip temperature with an arbitrary load waveform. The measurement system is shown to be convenient for studying the thermal behavior of the chip. It is found that the thermal model has a 5 C accuracy in the temperature estimation. The temperature cycles that the power semiconductor chip has experienced are counted by the rainflow algorithm. The counted cycles are compared with the experimentally verified power cycling curves to estimate the life consumption based on the mission profile of the drive. The methods are validated by the lifetime estimation of a power module in a direct-driven wind turbine. The estimated lifetime of the IGBT power module in a direct-driven wind turbine is 15 000 years, if the turbine is located in south-eastern Finland.

Alterações histopatológicas em placentas humanas relacionadas às síndromes hipertensivas

OBJETIVO: determinar a prevalência de alterações histopatológicas em placentas humanas, relacionadas às síndromes hipertensivas. MÉTODOS: estudo de corte transversal, que comparou as alterações histopatológicas identificadas em 43 placentas oriundas de gestantes do grupo de hipertensas (GrHip) com as de 33 placentas de gestantes do grupo de normotensas (GrNor). Foram analisados o peso, volume e ocorrência macro e microscópica de infartos, coágulos, hematomas, aterose (obliteração parcial, espessamento de camadas e presença de vasos hialinizados) e alterações de Tenney-Parker (ausentes, discretas e proeminentes), bem como a localização de infartos e coágulos (central, periférico ou associação de ambos). Para a análise estatística foram usados os testes do χ2 e t de Student, bem como médias, desvios padrões e percentuais. Considerou-se como significante um p<0,05. RESULTADOS: o estudo macroscópico revelou que as placentas do GrHip, se comparadas às do GrNor, apresentaram menor peso (461,1 versus 572,1 g) e volume (437,4 versus 542,0 cm³) e percentuais aumentados de infartos (51,2 versus 45,5%; p<0,05; OR=1,15) e de coágulos (51,2 versus 15,1%; p<0,05; OR=5,4). Nos GrHip e GrNor, os infartos microscópicos ocorreram em 83,7 e 45,5%; p<0,05; OR=4,3, respectivamente. A aterose e as alterações de Tenney-Parker associaram-se estatisticamente às síndromes hipertensivas (p<0,05). CONCLUSÕES: os dados obtidos permitem associar menor peso e volume placentário, maior percentual de infartos macro e microscópicos, coágulos, aterose e alterações de Tenney-Parker às placentas relacionadas com gestações que cursaram com síndromes hipertensivas.

Tuulivoima; kehitys, investoinnit ja työllisyys Suomessa

Tuulivoimalla on pitkä historia. Tuulivoima soveltuu nykyajan energiantuotantoon. Suunniteltaessa ja rakennettaessa uusia tuulivoimaloita on tunnettava tuulisuuteen vaikuttavat tekijät samoin kuin tuulivoimalan sijoituspaikalla on tehtävä perusteelliset tuu-liolosuhdemittaukset. Nykyisellä sähkön hinnalla tuulivoimalat eivät ole täysin kilpailukykyisiä, joten niitä on tuettava. Tukimuotoja on monia. Suomessa pääasiallinen tukimuoto on syöttötariffi. Vallitseva politiikka on ratkaisevassa asemassa luotaessa tukijärjestelmiä tuulivoimalle. Suomessa tehtävät tuulivoimainvestoinnit ovat kasvussa. Tuulivoimaan liittyy niin hyviä kuin huonoja puolia. Huonot puolet ovat ratkaistavissa. Päästökaupan kannalta on tuulivoima yksi keino alentaa kasvihuonekaasuja ilmakehässä. Tuulivoiman osuuden kasvattaminen sähköntuotannossa luo työpaikkoja Suomeen ja luo vientimahdollisuuksia ulkomaille. Tuulivoimalla on valoisa tulevaisuus.

Arc fusion of self-fluxed nickel alloys

Self-fluxed nickel alloys are usually flame fused after thermal spraying. However, due to the practical aspects of high temperatures reached during flame fusing, large structures such as the hydraulic turbines for power generation, can not be efficiently coated. An alternative is to fuse the sprayed coating with a gas tungsten electric arc. In this case, heating is much more intensive and substrate temperature during and after the fusing operation is much lower, thus reducing the possibility that any problem will occur. In this work, coatings of self-fluxed nickel alloy fused by flame and gas tungsten arc were evaluated as protection of hydraulic turbines against cavitational damage. Several tests were performed, including the ASTM ultrasonically vibration-induced cavitation, optical and scanning electronic microscopic metallography, and hardness tests. The results showed that the arc-fused coating presented better cavitation damage resistance, probably due to its finer microstructure. A field application of this new technique is also described. A self-fluxed Ni alloy was flame sprayed in critical regions of Francis-type hydraulic turbine blades and fused by a gas tungsten arc after spraying. The blades will be inspected during the next two years.

Turbiinin testilaitteen alustava suunnittelu

Tässä työssä esitellään aluksi aksiaaliturbiinia ja sen ominaisuuksia. Turbiinista kerrotaan yleisesti sen käyttökohteista, rakenteesta ja eri toteutustavoista. Ominaisuuksissa on keskitytty aksiaaliturbiinin häviöihin ja hyötysuhteen laskentaan. Työssä kerrotaan myös lineaarikaskadeista, kuvaillaan niiden rakennetta ja käyttökohteita ja esitellään muutamia eri yliopistojen kaskadeja. Kaskadien yhteydessä esitellään myös Schlierenin kuvausmenetelmä. Työn lopussa suunnitellaan alustavasti Lappeenrannan yliopistolle tuleva lineaarikaskadi. Suunnittelussa lähtökohtana ovat annetut lähtöarvot ja muiden yliopistojen kaskadit. Suunnittelussa mitoitetaan kaskadin kanavan koko, siihen tuleva siivekemalli ja mittalaitteiden paikat.

Soodakattilalaitosten energiantuotannon lisääminen

The aim of this thesis is to study different methods to increase the energy production of recovery boilers. This improvement is encouraged by the current energy policy and the rapid rise in energy prices, especially in electricity. In addition, the energy efficiency of the power plants is intended to be improved. There are several methods to increase the energy production. The methods taken into more accurate study are lower pressure steam for soot blowing and flue gas coolers. Energy balances are made for these two cases to check a plausible addition of power generation of turbo-generator of the steam turbine. Also, the viability issues are studied. Solvo Power Plant Simulation program is used for the energy balance research. Two case power plants are simulated to solve the balances. To solve the addition of power generation with the flue gas coolers, basic balance calculation is performed. The viabilities are also taken into account, especially the payback times of these alternatives. On the basis of the results, installing the system to the process is viable in both cases. By installing the lowest possible pressure steam system for the soot blowing, the advantages are the most significant. The investment costs are the highest but the payback time is less than 1,5 years and the profit in the next 20 years is the greatest. In the case of flue gas coolers, the results did not entirely agree with past studies. Nevertheless, installing the flue gas coolers into the process also seems to be significant and profitable.

Hitsaustuotannon kehittäminen tuulivoimalan tornin valmistuksessa

Tuulivoima on Euroopassa nopeimmin kasvava energian tuotantomuoto. Tuulivoimateollisuuden arvioidaan kasvavan Suomessa huomattavasti lähivuosien aikana ennakoidun syöttötariffipäätöksen myötä, jolloin kilpailu alalla tulee kasvamaan. Tavoitteena oli kehittää tuulivoimalan tornin valmistusta Levator Oy:ssä hitsaustuotantoa tehostamalla ja tuotannon ohjattavuutta parantamalla. Kehitystyöhön kuului toisen hitsauslinjan käyttöönoton suunnittelu ja ohjeiston laatiminen työnjohdolle. Toisen hitsauslinjan käyttöönoton suunnittelun tarkoituksena oli suunnitella muutokset nykyiseen tuotantoon uuden linjan käyttöönoton mahdollistamiseksi. Suunnittelu aloitettiin valitsemalla hitsausprosessit, jonka jälkeen suunniteltiin laitetarpeet työvaihe-analyysien pohjalta. Tuotantolayout muutettiin nykyisestä funktionaalisesta tuotannosta tuotantosoluista koostuvaksi tuotantolinjaksi, jolloin materiaalien virtautus parani huomattavasti. Tuotannon ohjaustavaksi valittiin kapeikko-ohjaus. Ohjeiston laatimisen tarkoituksena oli kerätä ja dokumentoida kaikki tuotannossa tarvittava tieto. Ohjeiston sisältää laadunohjaus, materiaalivirtojen ohjaus ja työnohjaus osiot, joiden tarkoituksena on helpottaa työnjohtamista. Ohjeisto määrittelee yhtenäiset tuotannon toimintatavat, jolloin tuotannon ohjattavuus helpottuu. Tavoitteet täyttyivät, kun toisen tuotantolinjan käyttöönoton vaatimat muutokset aloitettiin suunnitelmien mukaisesti syyskuussa 2009. Ohjeiston sisältö saatiin määriteltyä ja eri osioiden pilotit saatiin valmiiksi joulukuun aikana. Tuotannon ohjattavuus kehittyi huomattavasti ja samalla tuottavuus parani merkittävästi.

Tuulivoimalan lapojen huolto ja tarkastukset

Uusiutuva energia elää voimakasta kasvukautta ja hallituksen tekemien tukipäätösten vuoksi tuulivoimaa tullaan rakentamaan huomattavasti lisää tulevien vuosien aikana. Tuuligeneraattorin siipien huolto- ja tarkastustoiminta on uusi ja kehittyvä toimiala. Tämä diplomityö onkin tehty oppaaksi helpottamaan tuulivoimaa omistavien, rakentavien, tai tuulivoimapuiston perustamista harkitsevien tahojen huoltosuunnitelmien tekemistä varten. Diplomityössä käydään läpi yleisimmät tuulivoimaloiden lapojen vikaantu-miset, sekä työskentelytavat ja käytettävät laitteistot voimaloiden lapojen huoltoja ja tarkastuksia tehtäessä.

Häiriöanalyysejä tehonkorotetun kiehutusvesivoimalaitoksen käytettävyyden varmistamiseksi

TVO suunnittelee reaktoritehon 10 %:n korotusta Olkiluoto 1 ja 2 -voimalaitoksille. Reaktoriteho nostetaan 2500 MW:sta 2750 MW:iin polttoaineen rikastusastetta nostamalla ja pääkiertovirtausta kasvattamalla. Samalla syöttövesivirtaus reaktoriin ja tuorehöyryvirtaus turpiineille kasvaa. Lauhteenpuhdistusjärjestelmän kapasiteettia ei voida kuitenkaan kasvattaa, joten massavirran lisäys toteutetaan ottamalla käyttöön korkeapainesivulauhteen eteenpäinpumppaus. Lauhteen esilämmityslinjojen, lauhteenpuhdistuksen ja syöttövesipumppujen massavirta säilyy siten nykyisellään. Muita merkittäviä tehonkorotukseen liittyviä laitosmuutoksia ovat pääkiertopumppujen uusinta ja korkeapaineturpiinin muutokset. Tehonkorotetun prosessin käytettävyyden varmistamiseksi tehdään häiriöanalyysejä Apros-prosessisimulointiohjelmistoa käyttäen. OL1 ja OL2 -laitoksista on olemassa validoitu 2500 MW:n laitosmalli, josta muokatulla 2750 MW:n laitosmallilla simuloinnit tehdään. Häiriöanalyysien avulla selvitetään säätöjärjestelmien kyky pitää prosessin tila hallinnassa ilman suojausautomaation laukeamista. Simuloituihin tapauksiin kuuluu pumppujen ja venttiilien vikaantumistapauksia sekä turpiini- ja reaktoripuolen pikasulku- ja osittaispikasulkutapauksia. Myös meriveden lämpötilan vaikutusta häiriötilanteisiin tarkastellaan. Analyysien perusteella voimalaitosten ohjaus- ja suojausautomaatio toimivat hyvin myös korotetulla teholla. Tehonkorotuksen jälkeiset suuremmat massavirrat aiheuttavat kuitenkin voimakkaampia reaktoripaineen ja -tehon vaihteluita varsinkin venttiilien sulkeutumistapauksissa. Simuloinnit osoittivat, että tehonkorotus 2500 MW:sta 2750 MW:iin on mahdollinen, mutta aiheuttaa pieniä muutoksia laitoksen suojausjärjestelmien laukaisurajoihin.

Pienvesivoimalan uusinta

Diplomityön tavoitteena on tutkia eri vaihtoehtojen kannattavuutta pienvesivoimalan uusinnassa. Sähkönhinnan muodostus ja tulokseen vaikuttavat tekijät käsitellään kokonaisuuksinaan. Työssä tehdään kustannuslaskenta valmistajien tarjouksien perusteella ja suoritetaan esittely eri tarjouksista. Valmisteluosassa tutustutaan mitoitusarvoihin ja jos niitä ei ole miten ne selvitetään. Mittauksen kautta saadut arvot käsitellään ja sovelletaan siten, että valmistajat pystyvät käyttämään niitä. Lisäksi tutustutaan turbiinin laskentaan ja mitoitetaan Kaplan-turbiini työssä käytettyyn pienvesivoimalaan.

Ison tuuligeneraattorin roottorin ja staattorin rakennetarkastelu

Maailmanlaajuinen ilmastopolitiikka asettaa vaativia tavoitteita hiilidioksidipäästöjen vähentämiselle. Suurin haaste on tuottaa energiaa mahdollisimman alhaisin kustannuksin käyttäen uusiutuvia ja ympäristöä säästäviä energiamuotoja. Tuulivoimasta on tullut nopeimmin kehittyvä sähköntuotantotapa, ja tuuliturbiinien koon kasvun myötä on myös generaattorien koko kasvanut merkittävästi 1990-luvulta lähtien. Generaattorin massiivisuus suoravetoisessa tuuliturbiinin voimansiirrossa vaatii tarkkoja kuormitustarkasteluja, jotta rakenne kestäisi tuuliturbiinin eliniän. Tuuliturbiinin kuormitukset ovat stokastisia ja toisinaan erittäin suuria, mikä vaikeuttaa kuormitusten määrittämistä. Tuulen kuormitusten lisäksi generaattori altistuu eri toimintojen kautta muillekin kuormituksille, ja tästä syystä on otettava huomioon jarrutuksen, dynaamisen tasapainon ja ohjauksen sekä verkkovikojen aiheuttamat rasitukset tuuliturbiinin voimansiirrolle. Edellisten lisäksi työssä on tarkasteltu erilaisia rakenneratkaisuja sekä pyritty kiinnittämään huomio niiden kuormankantokykyyn ja jäykkyyteen sekä generaattorin keventämismahdollisuuksiin verrattuna perinteisiin radiaalivuogeneraattoreihin. Työssä on pyritty selvittämään rakenteen kuormitukset siten, että pystyttäisiin optimoimaan mahdollisimman kevyt rakenne. Optimoinnin kohteena on pinnarakenteisen generaattorin rakenteen massa puolien, puolan kulmien sekä tukirenkaan ja niistä aiheutuvien erilaisten rakenneyhdistelmien suhteen tarkasteltuna.

Mikro ORC-voimalan potentiaaliset sovelluskohteet

Tavoitteet energiatehokkuuden parantamisesta ja energiantuotannon ympäristövaikutusten vähentämisestä ovat nostaneet kiinnostusta hajautettua energiantuotantoa kohtaan. Pienissä kokoluokissa ei kuitenkaan sähköntuottaminen ole kannattavaa perinteisillä menetelmillä kuten vesihöyryprosessilla. Mikrokokoluokassa (alle 50 kWe) yksi varteenotettavimmista keinoista sähköntuotantoon on mikro ORC-prosessi. Tässä kandidaatintyössä on tavoitteena löytää mikro ORC-voimaloiden potentiaalisimpia sovelluskohteita ja ratkaisuja niiden hyödyntämiseen. Selvitystyön perusteella mikro ORC-voimaloiden potentiaalisimpia sovelluskohteita ovat hukkalämpöjen hyödyntäminen teollisuus- ja energiantuotantoprosesseissa, pienet CHP-laitokset, pienet lämpölaitokset, ajoneuvojen polttomoottorit, syrjäisten kohteiden sähköntuotanto sekä aurinkokeräimien ja kaukolämpöverkon hyödyntäminen rakennusten energiaomavaraisuuden parantamisessa.

3 kW:n mikrokaasuturbiinin periaatesuunnittelu

Tässä työssä esitellään ensiksi yleisesti kaasuturbiini, sen toimintaperiaate ja sovelluskohteet. Lisäksi kaasuturbiinin yleinen suunnittelu käydään läpi mitoituksen kannalta. Mikrokaasuturbiini on kaasuturbiini pienemmässä mittakaavassa. Pienen kokonsa vuoksi mikrokaasuturbiinien suunnittelussa täytyy huomioida eri asioita kuin suurempien kaasuturbiinien suunnittelussa. Tämän työn tarkoituksena on selvittää mikrokaasuturbiinin periaatteellinen suunnittelu ja tarkastella, mitä eroa on mikrokaasuturbiinin ja kaasuturbiinin välisessä suunnittelussa. Lisäksi työssä esitellään mahdollisia sovelluskohteita 3 kilowatin mikrokaasuturbiinille. Mikrokaasuturbiineja tultaneen käyttämään tulevaisuudessa hajautetun energian tuotannossa kasvavissa määrin. Mikrokaasuturbiini voidaan helposti muokata käyttötarpeen mukaiseksi, mikä tekee mikrokaasuturbiinista vahvan kilpailijan perinteisten pienen teholuokan mäntäkoneiden rinnalle. Lopuksi työhön on laskettu suunnitteluesimerkki 3 kilowatin mikrokaasuturbiinille. Suunnitteluun on valittu lähtöarvot kirjallisuudessa tavallisesti esiintyvien arvojen mukaan.