Ultralujasta teräksestä valmistetun liitoksen pienahitsin staattinen kestävyys

Ultralujat teräkset ovat teräksiä, joiden lujuus on reilusti suurempi verrattuna perinteisiin rakenneteräksiin. Niiden ominaisuuksia hyödynnetään eniten nosto- ja kuljetusvälinete¬ollisuudessa. Ultralujien terästen käyttö avaa suunnittelijalle uusia mahdollisuuksia suun¬nitella ulottuvampia ja kevyempiä rakenteita, jolloin voidaan saavuttaa säästöjä niin val¬mistus- kuin polttoainekustannuksissakin. Ultralujille teräksille ei kuitenkaan ole ole¬massa niitä vastaavia suunnitteluohjeita tai standardeja. Teräsrakenteiden liitosten suun¬nitteluun mitoitusohjeita antava standardi SFS-EN 1993-1-8 ei huomioi teräksiä, joiden myötölujuus on yli 460 MPa. SFS-EN 1993-1-12 on 1993-1-8:n laajennus, joka on voi¬massa myötölujuuteen 700 MPa asti. Tässä diplomityössä tutkittiin ultralujista teräksistä valmistettujen pienahitsiliitosten käyttäytymistä vetokokeiden ja elementtimenetelmän avulla. Tulosten avulla voitiin mää¬rittää matalalujuuksisten terästen mitoitusohjeiden soveltuvuutta ultralujille teräksille. Kokeissa käytetty teräs oli Ruukin valmistama Optim 960 QC.

Elintarviketehtaan sähköverkon selvitys ja kehittämissuunnitelma

Työssä selvitetään elintarviketehtaan sähköverkon kunto sen suurimpien sähkönsyöttöjen osalta ja lasketaan oikosulkuvirtojen suuruus, kaapeleiden kuormitettavuus ja jännitteenalenemat verkon eri osissa. Laskentatulosten analysoinnin jälkeen esitetään korjaavat toimenpiteet löydettyjen epäkohtien osalta. Lisäksi tarkastellaan tehtaan energiankulutusta ja suunniteltujen energiansäästöehdotuksien vaikutuksia sähköverkon toimintaan. Työssä arvioidaan myös verkon eri osienvikaantumisen vaikutusta tehtaan tuotantoon ja esitetään parannuskeinoja verkon luotettavuuden parantamiseksi. Lopuksi on esitelty suunnitelma sähköverkon laajentamiselle ja käyty läpi tulevien investointien sähköteknistä mitoitusta ja vaikutusta verkon tulevaan tilaan.

Lattiajäähdytyksen mitoitus ja säätö

Mitoitukseen on olemassa standardoitu laskentamenetelmä, mutta se ei yksistään ole riittävä jäähdytettävän lattiarakenteen suunnitteluun. Rakenteen lämpötilajakaumaa jäähdytystilanteessa tutkittiin lisäksi FDM-ohjelmistolla tehdyillä simuloinneilla. Lattiajäähdytyksessä kosteuden tiivistymisen riski ja mukavuustekijät rajoittavat käytettävissä olevaa lämpötilaa. Saavutettavissa olevan teho on puolestaan suoraan riippuvainen jäähdytettävän tilan ja jäähdyttävän pinnan välisestä lämpötilaerosta. Kirjallisuudesta, standardeista ja aiemmasta tutkimuksesta etsittiin tietoa jäähdytetyn lattian vaikutuksesta asumismukavuuteen sekä kosteusteknisessä mielessä käytettävissä oleva lämpötila-alue. Asuintiloissa lattiapinnan minimilämpötila on 19 °C, millä lattiarakenteesta ja materiaaleista riippuen päästään 20 - 30 W/m2 jäähdytystehoihin. Järjestelmän säätömahdollisuuksia selvitettiin kirjallisuudesta ja vaihtoehtoisia toteutustapoja, sekä niihin tarvittavia komponentteja on esitelty työn loppuosassa.  

Design and analysis of a transversal-flux switched-reluctance-linear-machine pole-pair

The Switched Reluctance technology is probably best suited for industrial low-speed or zerospeed applications where the power can be small but the torque or the force in linear movement cases might be relatively high. Because of its simple structure the SR-motor is an interesting alternative for low power applications where pneumatic or hydraulic linear drives are to be avoided. This study analyses the basic parts of an LSR-motor which are the two mover poles and one stator pole and which form the “basic pole pair” in linear-movement transversal-flux switchedreluctance motors. The static properties of the basic pole pair are modelled and the basic design rules are derived. The models developed are validated with experiments. A one-sided one-polepair transversal-flux switched-reluctance-linear-motor prototype is demonstrated and its static properties are measured. The modelling of the static properties is performed with FEM-calculations. Two-dimensional models are accurate enough to model the static key features for the basic dimensioning of LSRmotors. Three-dimensional models must be used in order to get the most accurate calculation results of the static traction force production. The developed dimensioning and modelling methods, which could be systematically validated by laboratory measurements, are the most significant contributions of this thesis.

The Plastic Capacity of Boiler Supporting Headers

The goal of this thesis was to make a dimensioning tool to determine the plastic capacity of the boiler supporting header. The capacity of the header is traditionally determined by using FE-method during the project phase. By using the dimensioning tool the goal is to ensure the capacity already in the proposal phase. The study began by analyzing the headers of the ongoing projects by using FE-method. For the analytical solution a plain header was analyzed without the effects of branches or lug. The calibration of parameters in the analytical solution was made using these results. In the analytical solution the plastic capacity of the plastic hinges in the header was defined. The stresses caused by the internal pressure as well as the normal and shear forces caused by the external loading reduced the plastic moment. The final capacity was determined by using the principle of virtual work. The weakening effect of the branches was taken into account by using pressure areas. Also the capacity of the punching shear was defined. The results from the FE-analyses and the analytical solution correlate with each other. The results from the analytical solution are conservative but give correct enough results when considering the accuracy of the used method.

Monitoring of centrifugal pump operation by a frequency converter

Centrifugal pumps are widely used in industrial and municipal applications, and they are an important end-use application of electric energy. However, in many cases centrifugal pumps operate with a significantly lower energy efficiency than they actually could, which typically has an increasing effect on the pump energy consumption and the resulting energy costs. Typical reasons for this are the incorrect dimensioning of the pumping system components and inefficiency of the applied pump control method. Besides the increase in energy costs, an inefficient operation may increase the risk of a pump failure and thereby the maintenance costs. In the worst case, a pump failure may lead to a process shutdown accruing additional costs. Nowadays, centrifugal pumps are often controlled by adjusting their rotational speed, which affects the resulting flow rate and output pressure of the pumped fluid. Typically, the speed control is realised with a frequency converter that allows the control of the rotational speed of an induction motor. Since a frequency converter can estimate the motor rotational speed and shaft torque without external measurement sensors on the motor shaft, it also allows the development and use of sensorless methods for the estimation of the pump operation. Still today, the monitoring of pump operation is based on additional measurements and visual check-ups, which may not be applicable to determine the energy efficiency of the pump operation. This doctoral thesis concentrates on the methods that allow the use of a frequency converter as a monitoring and analysis device for a centrifugal pump. Firstly, the determination of energy-efficiency- and reliability-based limits for the recommendable operating region of a variable-speed-driven centrifugal pump is discussed with a case study for the laboratory pumping system. Then, three model-based estimation methods for the pump operating location are studied, and their accuracy is determined by laboratory tests. In addition, a novel method to detect the occurrence of cavitation or flow recirculation in a centrifugal pump by a frequency converter is introduced. Its sensitivity compared with known cavitation detection methods is evaluated, and its applicability is verified by laboratory measurements for three different pumps and by using two different frequency converters. The main focus of this thesis is on the radial flow end-suction centrifugal pumps, but the studied methods can also be feasible with mixed and axial flow centrifugal pumps, if allowed by their characteristics.

Energiavarastojen mitoitus laivasähköjärjestelmään

Jatkuvasti kiristyvät päästörajoitukset ajavat eri alojen energiatuottajia kehittämään uusia ratkaisuja päästöjen pienentämiseksi. Viime aikoina myös laivojen päästörajoituksia on tiukennettu ja tulevaisuudessa niitä tullaan tiukentamaan lisää. Nämä tiukentuvat päästörajoitukset asettavat myös laivan dieselmoottoreiden valmistajat uusien haasteiden eteen. Yhtenä vaihtoehtona on lisätä dieselmoottorin rinnalle energiavarasto, joka vähentää dieselmoottorin päästöjä varsinkin nopeissa kuormituksen muutoksissa. Tässä diplomityössä tarkastellaan sähköisten energiavarastojen mitoitusta laivan sähköjärjestelmään. Energiavarastot mitoitetaan useaan eri toimintatilanteeseen. Mitoituksen lisäksi pohditaan energiavarastoilla saatavaa mahdollista rahallista hyötyä sekä päästöjen vähenemistä.

Monimoottorikäyttöjen suojaukset, mitoitus ja ohjeistus

Työssä tutkitaan pienitehoisen monimoottoritaajuusmuuttajakäytön yhteismuotovirtojen aiheuttamia ongelmia. Työn tavoitteena on muodostaa monimoottorikäyttöjen toteuttajille opastus, jonka avulla sähkökäytön suunnittelun alkuvaiheessa voidaan ottaa huomioon monimoottorikäytön erikoistarpeita. Työn teoriaosuudessa esitellään taajuusmuuttajan vaihtosuuntaustekniikan aiheuttamia ongelmia, moottorikaapelin mallintamista ja vertaillaan ongelmien ratkaisukeinoja pienitehoisten taajuusmuuttajien näkökulmasta. Yhteismuotoista virtaa tutkitaan mittaamalla rakennetulla monimoottorikäytöllä sekä simuloimalla vaihdellen kaapelin pituutta ja moottorien lukumäärää. Mittaamalla vertaillaan myös virran suodatusratkaisuja. Muodostettu simulointimalli on hyvin yksinkertainen ja luotettavammat virta-arvot saadaankin mittauksella. Kuitenkin työn perusteella voidaan antaa ohjeita monimoottorikäytön suunnittelulle. Esimerkiksi jokaiselle moottorille täytyy suunnitella erillinen suojaus ja taajuusmuuttaja on syytä mitoittaa todellisen kuormavirran mukaan. Yhteismuotoisen virran aiheuttamat ongelmat ovat sitä pienempiä, mitä vähemmän moottoreita on rinnakkain ja mitä lyhyempi moottorikaapelien yhteispituus on.

Operointialueen huomioiminen risteilylaivan sähkötaseessa

Kiristyvät päästörajoitukset ja muuttuvat säädökset ovat muokanneet laivanrakennusalaa energiatehokkaampaan ja ympäristöystävällisempään suuntaan. Energiatehokkuutta tutkitaan yksittäisistä laiteratkaisuista laivan operointitasolle asti. Tämä työ on tehty osana STX Finland Oy:n laivojen energiatehokkuuden tutkimusta. Työn tarkoituksena oli uudistaa laivojen sähkötaseen laskennassa käytettyjä kuormitustaulukoita ja kehittää operointialueen vaikutuksia huomioiva laskentamenetelmä. Uudistuksen taustalla oli tieto operointialueiden ympäristöolosuhteiden vaikutuksista sähkönkulutukseen ja työn tarkoituksena oli mahdollistaa suunnittelun myöhäisemmässä vaiheessa tehtävä operointialuekohtainen sähkönkulutustarkastelu. Sähkötaseen laskenta haluttiin vastaamaan enemmän todellista sähkönkulutusta. Aikaisemmin käytetystä mitoitusperusteisesta laskennasta haluttiin siirtyä todellisempien kuormien arviointiin laitteiden ja muuntajien turhan ylimitoituksen poistamiseksi. Kuormitustaulukoiden toimintaa yksinkertaistettiin ja taulukoista tehtiin helpommin mukautuvia, jotta erilaisten operointitilanteiden vertailu olisi mahdollista. Perinteisen taselaskennan rinnalle kehitettiin operointialueiden vaikutuksia huomioivat laskentataulukot. Uudet taulukot huomioivat komponenttien sähkönkulutuksen prosentuaalisen muutoksen operointialueittain sekä yksilöllisesti että kulutusryhmittäin. Laskentataulukoiden yhteyteen tehtiin kuvaajat havainnollistamaan alueittaisia kulutuseroja.

Soodakattiloiden ilmakanavien hyödyntäminen jäykistävänä rakenteena

Työssä tutkittiin soodakattiloiden ilmakanavien hyödyntämistä jäykistävänä rakenteena. Työssä käsiteltiin yksittäisiä jäykistämättömiä ja jäykistettyjä levykenttiä ja niiden lommahduskestävyyttä Eurokoodi standardin mukaisesti ja elementtimenetelmän avulla. Lisäksi käsiteltiin lommahduksen teoriaa ja levykenttien käyttäytymistä yleisellä tasolla erilaisilla kuormituksilla ja reunaehdoilla. Työn tavoitteena oli selvittää kuinka lommahdus tutkitaan Eurokoodin mukaisesti ja elementtimenetelmää hyödyntäen, kun levykentän kuormituksena on poikittainen kuormitus tason suuntaisen kuormituksen lisäksi. Työssä tutkittiin kahden eri elementtimenetelmään pohjautuvan ratkaisuvaihtoehdon käyttöä lommahduslaskennassa. Työssä kehitettiin Eurokoodin sovellettu yhteisvaikutuskaavan käyttö lineaarisen ominaisarvotehtävän ratkaisun lisänä, jossa otetaan huomioon painekuorman vaikutus levykentän lommahduksessa. Kehitettyä menetelmää sovellettiin ilmakanavan esimerkkirakenteen mitoituksessa.

Patoturvallisuusopas

Uusi patoturvallisuuslaki (494/2009) tuli voimaan 1.10.2009 ja valtioneuvoston asetus patoturvallisuudesta (319/2010) 5.5.2010. Tämä patoturvallisuusopas korvaa patoturvallisuusohjeet (MMM:n julkaisuja 7/1997), jotka poistuivat käytöstä 1.10.2009. Patoturvallisuusoppaassa esitetty ei ole padon omistajaa sitovaa, vaan oppaan tarkoitus on täydentää ja selventää esimerkein ja selostuksin laissa ja asetuksessa esitettyä. Oppaassa käsitellään padon suunnittelua kuten hydrologista mitoitusta ja padon teknisiä turvallisuusvaatimuksia, padon rakentamista ja käyttöönottoa sekä vahingonvaaraselvitystä, padon omistajan turvallisuussuunnitelmaa sekä padon kunnossapitoa, käyttöä, tarkkailua, vuosi- ja määräaikaistarkastuksia. Padot luokitellaan vahingonvaaran perusteella luokkiin 1, 2 ja 3. Luokittelua ei tarvitse kuitenkaan tehdä, jos patoturvallisuusviranomainen katsoo, että padosta ei aiheudu vaaraa. Jokaiselle luokitellulle padolle on padon omistajan laadittava tarkkailuohjelma, jonka patoturvallisuusviranomainen hyväksyy päätöksellään. Padosta aiheutuvan vahingonvaaran selvittämiseksi 1-luokan padon omistajan on laadittava vahingonvaaraselvitys padosta ihmisille, omaisuudelle ja ympäristölle aihetuvasta vahingonvaarasta. Myös muusta kuin 1-luokan padosta voi patoturvallisuusviranomainen määrätä tehtäväksi vahingonvaaraselvityksen luokittelua varten. Padon omistajan on laadittava 1-luokan padolle turvallisuussuunnitelma onnettomuus- ja häiriötilanteiden varalle. Suunnitelmassa esitetään padon omistajan omatoiminen varautuminen em. tilanteiden varalle. Pelastusviranomainen arvioi tapauskohtaisesti pelastuslain mukaisen suunnitelman laatimistarpeen. Padon omistajan on toimitettava patoturvallisuusviranomaiselle tietojärjestelmään vietäväksi patoturvallisuusasetuksessa mainitut tiedot. Patoturvallisuusviranomaisen ja padon omistajan on säilytettävä kustakin luokitellusta padosta ajantasaiset tulosteet tietojärjestelmästä sekä muut padon turvallisuuden kannalta tärkeät asiakirjat patoturvallisuuskansiossa siten, että ne ovat mahdollisissa häiriötilanteissa nopeasti saatavilla.

Ultralujien terästen pienahitsien staattinen lujuus

Kandidaatintyön tarkoituksena oli selvittää hitsausliitosten mitoitusohjeita ultralujille teräksille. Työhön kuului laboratoriotestauksia, joiden avulla tarkasteltiin laskujen soveltuvuutta ultralujille teräksille. Laskuissa verrattiin erityisesti kimmoteorian ja plastisuusteorian toimivuutta. Työn tuloksena tuotettiin mitoitusohjeet otsapienahitseille, eli mitoitusvoimaan nähden poikittaisille hitseille. Myös kylkipienahitseille, eli mitoitusvoimaan nähden yhdensuuntaisille hitseille saatiin alustavia tuloksia.

Pumping system optimization tool

Pumping systems account for over 20 % of all electricity consumption in European industry. Optimization and correct design of such systems is important and there is a reasonable amount of unrealized energy saving potential in old pumping systems. The energy efficiency and therefore also the energy consumption of a pumping system heavily depends on the correct dimensioning and selection of devices. In this work, a graphical optimization tool for pumping systems is developed in Matlab programming language. The tool selects optimal pump, electrical motor and frequency converter for existing pumping process and calculates the life cycle costs of the whole system. The tool could be used as an aid when choosing the machinery and to analyze the energy consumption of existing systems. Results given by the tool are compared to the results of laboratory tests. The selection of pump and motor works reasonably well, but the frequency converter selection still needs development

Energy Efficiency of a Diesel-Electric MobileWorking Machine

The power demand of many mobile working machines such as mine loaders, straddle carriers and harvesters varies significantly during operation, and typically, the average power demand of a working machine is considerably lower than the demand for maximum power. Consequently, for most of the time, the diesel engine of a working machine operates at a poor efficiency far from its optimum efficiency range. However, the energy efficiency of dieseldriven working machines can be improved by electric hybridization. This way, the diesel engine can be dimensioned to operate within its optimum efficiency range, and the electric drive with its energy storages responds to changes in machine loading. A hybrid working machine can be implemented in many ways either as a parallel hybrid, a series hybrid or a combination of these two. The energy efficiency of hybrid working machines can be further enhanced by energy recovery and reuse. This doctoral thesis introduces the component models required in the simulation model of a working machine. Component efficiency maps are applied to the modelling; the efficiency maps for electrical machines are determined analytically in the whole torque–rotational speed plane based on the electricalmachine parameters. Furthermore, the thesis provides simulation models for parallel, series and parallel-series hybrid working machines. With these simulation models, the energy consumption of the working machine can be analysed. In addition, the hybridization process is introduced and described. The thesis provides a case example of the hybridization and dimensioning process of a working machine, starting from the work cycle of the machine. The selection and dimensioning of the hybrid system have a significant impact on the energy consumption of a hybrid working machine. The thesis compares the energy consumption of a working machine implemented by three different hybrid systems (parallel, series and parallel-series) and with different component dimensions. The payback time of a hybrid working machine and the energy storage lifetime are also estimated in the study.

Ristikkorakenteisen hihnakuljetinsillan mitoitustyökalun kehittäminen

Hihnakuljettimia käytetään muun muassa voimalaitos- ja sellutehdasympäristöissä kuljettamaan kiinteää polttoainetta tai haketta pitkiä matkoja. Pitkät hihnakuljettimet asennetaan yleensä teräsristikoista rakennettujen kuljetinsiltojen sisään. Kuljetinsilta toimii siis hihnakuljettimen ja hoitokäytävän runkona sekä suojaa kuljetinta ja kuljetettavaa materiaalia säältä. Tässä diplomityössä on laadittu mitoitustyökalu, jolla voidaan nopeasti mitoittaa ristikkorakenteisen hihnakuljetinsillan sauvat sekä määrittää rakenteen massa. Laskentaohjelma on toteutettu Microsoft Excel -taulukkolaskentana. Sillan poikkileikkaus voi olla suljettu symmetrinen umpirakenne tai avorakenne, jossa on ulokkeellinen hoitotaso. Ristikon sauvat ovat RHS-putkia. Rakenteeseen voi vaikuttaa jatkuvia kuormia, pistekuormia sekä näistä johdetut, ekvivalenttiin staattiseen voimaan perustuvat maanjäristyskuormat. Diplomityössä on perehdytty mitoitustyökalussa sovellettuihin teorioihin. Voimasuureiden laskenta perustuu 2-tukisina palkkeina käsiteltävien siltalohkojen ratkaisuun ja palkkianalogiaan, jossa ristikon sauvavoimat ratkaistaan käsittelemällä ristikkoa palkkina. Sauvojen kestävyyden laskenta perustuu SFS-EN 1993-1-1 -normiin, joka on osa Eurocode -rakennesuunnittelunormistoa. Lisäksi työssä on käsitelty ristikkoliitosten mitoitusta SFS-EN 1993-1-8 mukaan. Mitoitusohjelman toimivuutta on testattu tarkastelemalla esimerkkisiltaa laaditulla mitoituspohjalla ja Autodesk Robot Professional 2013 -FE-analyysiohjelmisuolla. Tulosten perusteella mitoitustyökalua voidaan käyttää ainakin tarjousvaiheen nopeisiin tarkasteluihin ja omamassan määritykseen, mutta myös lopulliseen mitoitukseen, mikäli hyväksytään konservatiivinen mitoitus.