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.

Maastotyökoneen ajomoottorin hybridisointiin soveltuvan napavaihteiston dynamiikan mallinnus.

Työn tavoitteena oli mallintaa maastotyökoneen ajomoottorin hybridisointiin soveltuvan napavaihteiston dynamiikka. Työ tehtiin osana Saimaan ammattikorkeakoulun tutkimusprojektia, jonka tarkoituksena oli ajomoottorin ja integroidun napavaihteiston kaupallistaminen maastotyökoneisiin. Maastotyökoneena simulointimallissa käytettiin tyypillistä maataloustraktoria, johon kytkettiin vielä peräkärry. Traktorin renkaiden napaan oli kytketty ajomoottorina toimiva sähkömoottori, jonka sisään simuloitu napavaihteisto oli integroitu. Napavaihteiston dynamiikan mallintamiseen käytettiin monikappaledynamiikan simulointiohjelmistoa (Adams). Ohjelmalle määritettiin napavaihteiston komponenttien parametrit, joista voitiin simuloida vaihteiston dynaaminen käyttäytyminen. Simuloidusta mallista saatiin kytkimiin kohdistuvat voimat kytkentätilanteessa sekä sähkömoottorin väännön suunnanvaihtotilanteessa eri akselin pituuksilla, eri kytkinten nopeuseroilla, eri traktorin painoilla ja eri kuormilla ajettaessa. Mallissa simuloitiin myös sähkömoottorin käyttäytyminen vaihteenvaihtotilanteessa eri pyörimisnopeuden säätimen kertoimilla. Työssä huomattiin, että akselin mitoituksella voitiin vaikuttaa vaihteistossa ilmeneviin voimiin kytkimen kytkentähetkellä. Myös kytkimen hammastuksessa olevalla hammasvälyksellä voitiin vaikuttaa kytkimiin kohdistuviin voimiin suunnanvaihtotilanteissa. Vaihteistoon kohdistuvista voimista voidaan jatkossa suunnitella kytkimen ja akselin profiili, jotta vaihteisto kestää siihen kohdistuvat voimat.

Työstövärähtelyt metallin sorvauksessa ja jyrsinnässä: perusteet, ehkäiseminen ja matemaattinen mallintaminen

Tämä kandidaatintyö on tarkoitettu suomenkieliseksi selvitykseksi lastuavissa työstöprosesseissa esiintyvien työstövärähtelyjen luonteesta, syntymekanismeista ja välttämismenetelmistä. Erityisesti työssä keskitytään matemaattiseen mallintamiseen pohjautuviin välttämismenetelmiin.

Uraaniheksafluoridin faasimuutoksen CFD-mallinnus

Diplomityön tarkoituksena on luoda uraaniheksafluoridista käyttäjän määrittelemä aine kaupallisen virtauslaskentaohjelmiston (FLUENT) ainekirjastoon ja simuloida aineen käyttäytymistä sulaessa ja kiinteyttäessä. Työn kirjallisuusosassa on esitelty aiempia tutkimuksia uraaniheksafluoridin termodynaamisista ominaisuuksista, joita käytetään aineen määrittelyssä. Kokeellisessa osassa on käytetty virtauslaskentaohjelmiston Eulerilaista monifaasimallia sulamisen ja kiinteytymisen tarkasteluun kaksidimensionaalisessa sylinterissä.

Sähköverkon säävarmuuden kehittäminen verkkoliiketoiminnan valvontamallin näkökulmasta

Sähkömarkkinalain uudistuminen syksyllä 2013 aiheutti sähköverkkoyhtiöille velvoitteen parantaa sähköverkkoja siten, että ne täyttävät uuden lain mukaiset keskeytysaikavaatimukset. Laissa asemakaava-alueilla sallitaan enintään 6 tunnin mittainen sähkönjakelunkeskeytys ja haja-asutusalueella 36 tunnin keskeytys. Diplomityössä kehitetään ElMil Oy:lle palvelumalli, jonka avulla pyritään parantamaan sähköverkkojen säävarmuutta ja arvioimaan parannuksien aiheuttamia taloudellisia vaikutuksia verkkoyhtiön kannattavuuteen verkkoliiketoiminnan valvontamallin kautta. Työn teoriaosiossa käydään läpi uuden sähkömarkkinalain muutoksia toimitusvarmuuden kannalta sekä avataan verkkoliiketoiminnan valvontamallin komponentteja ja sitä kuinka niitä on hyödynnetty tässä työssä. Kyseisiä tietoja hyödynnetään case-tarkastelussa, jossa testataan kehitetyn palvelumallin toimivuutta Järvi-Suomen Energia Oy:n sähkönjakeluverkon kahden sähköaseman jakeluverkkojen kokoisella alueella. Tarkastelualueen sähkönjakeluverkolle tehdään suurhäiriömalli, jonka perusteella arvioidaan vaadittavaa säävarman verkon osuutta, jotta sähkömarkkinalain vaatimukset täyttyvät. Alueen investointikohteet optimoidaan kannattavuuden perusteella, jolloin saadaan kustannustehokas investointiohjelma tiettyjen reunaehtojen puitteissa. Lisäksi suurhäiriömallin parametreja varioidaan herkkyystarkasteluissa. Työn lopputuloksena saadaan ElMil Oy:lle kehitettyä palvelumalli. Case-tarkasteluissa havaitaan, että investointikustannukset nousevat merkittävästi. Verkkoliiketoiminnan valvontamallin kannustinvaikutuksista ja sallitusta tuotosta saadaan hyvä näkemys. Herkkyystarkasteluista nähdään, että suurhäiriömalli on hyvin riippuvainen valituista parametreista, jolloin niiden valintaan tulee kiinnittää huomiota

Paimionjoen säännöstelyn kehittäminen : Paimionjoen vesistön yläosan hydraulinen mallinnus HEC-RAS ohjelmistolla

Paimionjoen järviketjulla vedenpinnan ja virtaaman vaihteluiden on koettu aiheuttavan haittaa vesistön käytölle ja tilalle. Kevätkuopan alhaisuus ja takaisinvirtaus Painiojärveen ovat suurimmat ongelmat. Turun kaupungin vesiliikelaitoksen Halisten vesilaitoksen tuotantotoiminnan loppuminen antaa uusia mahdollisuuksia Paimionjoen järviketjun säännöstelyyn, koska järvien rooli Turun seudun raakaveden varastona muuttuu. Tässä raportissa tarkastellaan Paimionjoen yläosasta tehtyä hydraulista mallinnusta, jossa on testattu erilaisia pato- ja juoksutusvaihtoehtoja Paimionjoen järviketjulla sekä niiden vaikutuksia vedenkorkeuksiin ja virtaamiin. Myös ruoppausta Karjakosken ja Hovirinnankosken väliselle osuudelle on käsitelty lyhyesti. Erilaisista skenaarioista on tehty alustavat vaikutusarviot. Mallinnusten perusteella suurempi tai aikaistettu juoksutus pienentää takai-sin-virtausta, muttei estä sitä kokonaan. Juoksutusta ei kuitenkaan välttämättä pysty lisäämään miten haluaa, koska juoksutuksen suuruus riippuu Hovirinnankoskenpadon alapuolisesta vedenpinnankorkeudesta. Ruoppaamalla Hovirinnankosken ja Karjakosken välistä osuutta Hovirinnankosken alapuolista vedenpintaa voisi saada alennettua ja osuuden vetokykyä parannettua sekä tulvimisherkkyyttä pienennettyä. Kevätkuopan pienennys vähentää takaisinvirtausta ja on myös järvien ekosysteemeille hyväksi. Tulvariskin kasvu tulee kuitenkin ottaa huomioon. Painionjärvi toimii tulvatilanteissa paisumisaltaana. Kaikenlainen takaisinvirtaaman estäminen tai pienentäminen johtaa suurempiin juoksutuksiin Hovirinnankoskella tai/ja järviketjun kasvaneisiin vedenkorkeuksiin ja mahdollisesti tulviin. Erilaisten tulvakorkeuksien mahdolliset riskirajat ja vahingot tulee selvittää, jos tulvariskiä kasvatetaan.

Yliopiston sähköverkon mallintaminen

Lappeenrannan teknillinen yliopisto tutkii älykkäiden sähköverkkojen kehittämistä. Yliopisto on hankkinut sähköverkkoonsa tuuliturbiinin ja aurinkopaneeleita, joilla pystytään tuottamaan sähköenergiaa sähköverkkoon. Näitä tuotantoja voidaan käyttää myös tutkimuksessa. Tässä työssä luodaan simulaatiomalli yliopiston sähköverkosta Matlab® Simulink® -ohjelmalla. Simulaatiomalliin mallinnetaan yliopiston sisäinen keskijänniteverkko ja osa pienjänniteverkosta. Simulaatiomalli toteutetaan ohjelman valmiilla komponenteilla, joihin lasketaan tarvittavat parametrit. Tuuliturbiinin ja aurinkopaneelien sähköntuotantotehot määritetään säätiladatojen avulla. Verkon komponenteille lasketaan arvot komponenttien tyyppitietojen perusteella ja asetetaan simulaatiomallin parametreiksi. Simulaatiomalli luodaan yliopiston sisäisen verkon tehonjaon tarkastelemiseksi. Työssä selvitetään myös mahdollisuuksia luodun simulaatiomallin käyttämiseen vikatilanteiden tarkastelussa.

Pienen mittakaavan reaktiivisuuskoelaitteen mallinnus

Tässä kandidaatintyössä tavoitteena on selvittää, ymmärretäänkö heterogeenisen reakti-on ominaisuuksia paremmin mallinnuksen avulla. Työssä tarkastellaan heterogeenisia reaktioita ja niiden makrotason ilmiöitä. Työn kirjallisuusosassa käsitellään, mikä on heterogeeninen reaktio ja missä tilanteissa heterogeenisiä reaktioita esiintyy. Hetero-geenisiä reaktioita voidaan tutkia Lappeenrannan teknillisen yliopiston energiatekniikan osaston rakentamalla koelaitteistolla. Tässä kandidaatintyössä esitellään pintapuolisesti tämä laitteisto. Työn pääpaino on mallinnuksessa. Työssä selvitetään, miksi mallinnusta tehdään ja miten malli rakennetaan kuvaamaan koelaitteistolla saatuja mittaustuloksia. Lopuksi tehdään johtopäätökset ja arvioidaan edellä kuvatun prosessin toimivuutta. Tämä kandidaatintyö antaa perusteet sille, miksi ja miten mallinnuksen avulla voidaan ymmärtää reaktioiden ominaisuuksia paremmin ja yksityiskohtaisemmin.

Merellisen taistelutilan mallinnus

Diplomityön tarkoituksena on tuottaa tutkittua tietoa Merivoimien mallinnuspalveluiden kehittämiseksi. Tutkimuksen päämääränä oli laatia mallikuvaus Merellisen taistelutilan mallista. Merellisen taistelutilan malli on tietokoneella suoritettava mallisovellus, jota käytetään simuloimaan taistelua merellisissä olosuhteissa. Merellisen taistelutilan malli laadittiin Merivoimien operatiivisen suunnittelun tarpeisiin. Diplomityö on jatkoa Esiupseerikurssi 65:lla tehdylle Merellisen taistelutilan mallin käyttäjävaatimukset -tutkimustyölle. Tutkimus on luonteeltaan kvalitatiivinen ja perustuu empiiriseen tutkimukseen. Tutkimuksen lähestymistapa on deskriptiivinen. Tutkimusmenetelminä käytettiin kirjallisuustutkimusta, käsiteanalyysia, kyselytutkimusta, perehtymistä sekä suunnittelua. Diplomityössä tutkittiin mallintamisen ja simuloinnin teoriaa, erilaisia menetelmiä asioiden ja ilmiöiden mallintamiseksi, taistelutilaa käsitteenä sekä perehdyttiin UML-mallinnuskielen (Unified Modeling Language) käyttöön mallikuvauksen laadinnassa. Tutkimuksessa selvitettiin kyselytutkimuksella Merivoimien operatiivisen suunnittelun asiantuntijoilta, minkälaisia mallinnuskysymyksiä mallin avulla tulisi ratkaista. Kysymysten perusteella määritettiin asioita ja ilmiöitä, joita kysymysten ratkaisemiseksi on mallinnettava. Asioiden ja ilmiöiden määrittelyn jälkeen tutkittiin erilaisia menetelmiä niiden mallintamiseksi. Tutkimuksen perusteella laadittiin mallikuvaus Merellisen taistelutilan mallista, joka on samalla myös tärkein tutkimustulos.

Dynamic Modelling of Circulating Fluidized Bed Plant with Gas Turbine Repowering

Increasing amount of renewable energy source based electricity production has set high load control requirements for power grid balance markets. The essential grid balance between electricity consumption and generation is currently hard to achieve economically with new-generation solutions. Therefore conventional combustion power generation will be examined in this thesis as a solution to the foregoing issue. Circulating fluidized bed (CFB) technology is known to have sufficient scale to acts as a large grid balancing unit. Although the load change rate of the CFB unit is known to be moderately high, supplementary repowering solution will be evaluated in this thesis for load change maximization. The repowering heat duty is delivered to the CFB feed water preheating section by smaller gas turbine (GT) unit. Consequently, steam extraction preheating may be decreased and large amount of the gas turbine exhaust heat may be utilized in the CFB process to reach maximum plant electrical efficiency. Earlier study of the repowering has focused on the efficiency improvements and retrofitting to maximize plant electrical output. This study however presents the CFB load change improvement possibilities achieved with supplementary GT heat. The repowering study is prefaced with literature and theory review for both of the processes to maximize accuracy of the research. Both dynamic and steady-state simulations accomplished with APROS simulation tool will be used to evaluate repowering effects to the CFB unit operation. Eventually, a conceptual level analysis is completed to compare repowered plant performance to the state-of-the-art CFB performance. Based on the performed simulations, considerably good improvements to the CFB process parameters are achieved with repowering. Consequently, the results show possibilities to higher ramp rate values achieved with repowered CFB technology. This enables better plant suitability to the grid balance markets.