Täryseulan dynamiikan simulointi

Työssä selvitetään voidaanko täryseulan dynamiikkaa simuloida monikappaledynamiikkaohjelmiston avulla. Seulan simulointimallilla tutkitaan toimintaparametrien vaikutusta koneen liikerataan. Lisäksi tutkitaan voidaanko Jeffcott roottorimallin avulla simuloida yhdestä täryakselista koostuvan täryseulan liikerata. The objective of this study is to simulate dynamics of the vibrating screen using multibody dynamics. The effect of the operating parameters is studied using the simulation model. In addition the principles of Jeffcott rotor are applied to find out the trajectories of the vibrating screen consisting of single axis.

Ylisoonisen yksivaiheisen aksiaaliturbiinin suunnittelu

Tässä diplomityössä suunnitellaan yksivaiheisen turbiinin ylisooninen staattori ja alisooninen roottori, tulo-osa ja diffuusori. Työn alussa tarkastellaan aksiaaliturbiinin käyttökohteita ja teoriaa, jonka jälkeen esitetään suunnittelun perustana olevat menetelmät ja periaatteet. Perussuunnittelu tehdään Traupelinmenetelmällä WinAxtu 1.1 suunnitteluohjelmalla ja hyötysuhde arvioidaan lisäksiExcel-pohjaisella laskennalla. Ylisooninen staattori suunnitellaan perussuunnittelun tuloksiin perustuen, soveltamalla karakteristikoiden menetelmää suuttimen laajenevaan osaan ja pinta-alasuhteita suppenevaan osaan. Roottorin keskiviiva piirretään Sahlbergin menetelmällä ja siiven muoto määritetään A3K7 paksuusjakauman sekä tiheän siipihilan muotoilun periaatteita yhdistämällä. Tulo-osa suunnitellaan mahdollisimman jouhevaksi geometriatietojen ja kirjallisuuden esimerkkien mukaisesti. Lopuksi tulo-osaa mallinnetaan CFD-laskennalla. Diffuusori suunnitellaan käyttämällä soveltuvin osin kirjallisuudessa esitettyjätietoja, tulo-osan geometriaa ja CFD-laskentaa. Suunnittelutuloksia verrataan lopuksi kirjallisuudessa esitettyihin tuloksiin ja arvioidaan suunnittelun onnistumista sekä mahdollisia ongelmakohtia.

Painelajittimen toimintasakeuden nostaminen havupuusellun lajittelussa

Painelajittimien kyky poistaa epäpuhtauksia on parantunut erityisesti roottorien ja sihtirumpujen kehityksen myötä. Painelajittimella pystytään nykyisin poistamaan yhä pienempiä roskapartikkeleja, minkä ansiosta painelajittimilla pystytään korvaamaan pyörrepuhdistimia hienolajittelussa. Nykyään ratkaisevaa on lajittimen mahdollinen toimintasakeus ja energiankulutus, joihin voidaan vaikuttaa roottori- ja sihtiratkaisuin sekä laitteen ajotavalla. Lajittimen toimintasakeutta nostamalla voitaisiin saavuttaa etuja tuotantoprosessissa pienempien virtauksien ja prosessin paremman ajettavuuden vuoksi. Työssä tarkasteltiin painelajittimen rakenneparametreista roottorin ja sihtirummun sekä ajoparametreista syöttösakeuden, massarejektisuhteen, tuotantomäärän ja roottorin kehänopeuden vaikutusta painelajittimen toimintaan. Erityisesti tutkittiin mahdollisuuksia nostaa lajittelusakeutta ja sakeuden nostonvaikutusta lajittimen energiankulutukseen. Sellutehtaaseen rakennetussa koelajitinlinjassa pystyttiin perusrakenteeltaan nykyisenlaisella painelajittimella muuttamalla roottorin ja sihdin rakennetta sekä nostamalla roottorin kehänopeutta lajittelemaan laitteen mitoitustuotannossa massaa korkeimmillaan 4,8 %:n sakeudessa. Suurin saavutettu sakeus, jossa energiankulutusta voidaanpitää hyväksyttävänä oli 4,4%. Nykyisellä ajotavalla ja roottori- ja sihtirakenteella pystyttiin lajittelemaan massaa 3,2 %:ssa. Tuloksista voidaan päätellä, että massan lajittelu yli 5 %:n sakeudessa on mahdollista roottorirakennetta edelleen kehittämällä.

Aktiivisten magneettilaakereiden tilasäädön mallinnus ja simulointi

Aktiivisten magneettilaakereiden avulla on mahdollista kannatella ferromagneettisia kappaleita, kuten sähkökoneiden roottoreita, ilman fyysistä kontaktia. Magneettilaakerit tarjoavat monia etuja, kuten esimerkiksi kitkattomuuden, verrattuina perinteisiin mekaanisiin laakereihin. Nämä edut vielä korostuvat suurnopeuskäytöissä, jotka ovat magneettilaakereiden pääasiallisia käyttökohteita. Tässä työssä esitellään magneettilaakereihin liittyvät erusteoriat ja niiden sovellustavat. Tämän jälkeen tarkastellaanmagneettilaakereiden kanssa käytettäviä säätöratkaisuja ja esitetään niille soveltuvat viritysmenetelmät. Teorioiden pohjalta rakennetaan täydellinen magneettilaakerijärjestelmän simulointimalli säätöratkaisuineen ja suoritetaan järjestelmän toimintaa kuvaavia simulointeja. Simuloinneissa saadut tulokset pyritään vielä varmentamaan suorittamalla mittauksia koelaitteistolla ja vertaamalla saatuja tuloksia keskenään.

LWC-SYVÄPAINOHIOKKEEN LAADUN OPTIMOINTI

Työn tavoitteena oli hiokkeen laatua optimoimalla löytää keinoja pohjapaperin opasiteetin parantamiseksi. Tehtaalla oli havaittu hiokkeen palstautumislujuuden pudonneen ja pian tämän jälkeen oli paperikoneella nostettu sellun jauhatustehoa mikä puolestaan vaikuttaa negatiivisesti pohjapaperin opasiteettiin. Päähuomio hiokkeen laadun optimoinnissa keskitettiin tästä syystä palstautumislujuuden tason nostamiseen. Kirjallisuuden mukaan tärkein hiokkeen palstautumislujuuteen ja myös opasiteettiin vaikuttava tekijä on massan hienoaines. Hiokkeen hienoainespitoisuuden lisäämistä tutkittiin tässä työssä seuraavalla kolmella tavalla: rejektijauhatuksen optimointi, kivenalusmassan CSF-tason alentaminen ja jälkijauhatustehon lisääminen. Työn toisena tavoitteena oli varmistaa rejektilinjan kapasiteetin riittävyys, erityisesti rejektilajitin 6:n osalta. Taustana tälle tarkastelulle oli mahdollisen lisälajittimen investointitarve RL 6:n rinnalle. Rejektijauhatuksen optimoinnissa tutkittiin jauhatustehon, eri terämallien ja kahden rinnakkaisen rejektijauhimen (yhden sijasta) vaikutusta jauhetun rejektimassan ominaisuuksiin. Pidättävillä rejektijauhimen terillä jauhetusta massasta tuli pitkäkuituisempaa kuin referenssiterillä, joissa staattori oli pumppaava ja roottori pidättävä. Mutta vaikka pidättävillä terillä jauhettu massa oli pitkäkuituisempaa ja sisälsi vähemmän hienoainetta oli sen palstautumislujuus samaa luokkaa kuin referenssiterillä jauhetun massan. Kahden rinnakkaisen jauhimen ajomallilla saatiin laadultaan kaikein heikointa massaa. Kaikissa koeajoissa saatiin rejektimassan palstautumislujuutta parannettua jauhatustehoa lisäämällä. Kivenalusmassan CSF-tasoa alentamalla ei valmiin annosteluhiokkeen palstautumislujuus alentunut vaikka hiokkeen hienoainespitoisuus kasvoi hieman. Mutta vaikka hiokkeen palstautumislujuus ei kasvanutkaan niin koejaksolla, joka oli pituudeltaan hieman yli kuukauden, pohjapaperin opasiteetti kuitenkin parani hieman ja sellun jauhatustehoa voitiin paperikoneella pudottaa hieman. Palstautumislujuuskartoituksen, jossa otettiin näytteitä hiomon eri prosessivaiheista, mukaan jälkijauhatus oli yksittäisenä prosessivaiheena eniten hiokkeen palstautumislujuuteen vaikuttava prosessivaihe. Jälkijauhatuskoeajosta saatiinkiin parhaimmat tulokset hienoainespitoisuuden ja palstautumislujuuden nousun suhteen. Rejektilajittelun massarejektisuhteiden määritysten ja rejektilajitin 6:n kapasiteettikokeen mukaan rejektilajittelu toimii nykyisellä tuotantomäärällä halutunlaisesti ja rejektilajitin 6:n osalta tuotantoa on vielä varaa nostaakin.

Oikosulkumoottorin roottorivaurioiden tunnistaminen staattorivirran avulla

Diplomityössä esitellään menetelmiä sauvarikon toteamiseksi. Työn tarkoituksena on tutkia roottorivaurioita staattorivirran avulla. Työ jaetaan karkeasti kolmeen osa-alueeseen: oikosulkumoottorin vikoihin, roottorivaurioiden tunnistamiseen ja signaalinkäsittelymenetelmiin, jonka avulla havaitaan sauvarikko. Oikosulkumoottorin vikoja ovat staattorikäämien vauriot ja roottorivauriot. Roottorikäämien vaurioita ovat roottori sauvojen murtuminen sekä roottorisauvan irtoaminen oikosulkujenkaan päästä. Roottorivaurioiden tunnistamismenetelmiä ovat parametrin arviointi ja virtaspektrianalyysi. Työn alkuosassa esitellään oikosulkumoottorien rakenne ja toiminta. Esitellään moottoriin kohdistuvia vikoja ja etsitään ratkaisumenetelmiä roottorivaurioiden tunnistamisessa. Lopuksi tutkitaan, kuinka staattorimittaustietojen perusteella saadut tulokset voidaan käsitellä FFT -algoritmilla ja kuinka FFT -algoritmi voidaan toteuttaa sulautettuna Sharc -prosessorin avulla. Työssä käytetään ADSP 21062 EZ -LAB kehitysympäristöä, jonka avulla voidaan ajaa ohjelmia RAM-sirusta, joka on vuorovaikutuksessa SHARC -laudassa oleviin laitteisiin.

Virtuaaliprototyypin käyttö roottorin dynamiikan analysoinnissa

Työn tavoitteena oli selvittää kaupallisen dynamiikansimulointiohjelmiston soveltuvuus roottoridynamiikan analysointiin. Työssä keskityttiin erityisesti roottorin dynamiikkaan vaikuttavien epäideaalisuuksien mallintamiseen. Simulointitulosten tarkkuutta selvitettiin mittauksilla. Lisäksi vertailtiin yleiskäyttöisen dynamiikan simulointiohjelmiston ja roottoridynamiikan erikoisohjelmiston teoriaa. Tutkittava roottori oli paperikoneen putkitela. Telan joustavuus kuvattiin elementtimenetelmällä ratkaistujen moodien avulla. Elementtimallissa huomioitiin telan vaipan seinämänpaksuusvaihtelu, joka vaikuttaa telan massa- ja jäykkyysjakaumaan. Dynamiikkaohjelmistossa mallinnettiin telan tuennasta tulevat herätteet. Dynamiikkaohjelmistona käytettiin ADAMS:ia ja FEM-ohjelmana ANSYS:stä. Tuloksista havaittiin käytetyn menetelmän soveltuvan roottoridynamiikan analysointiin ja roottorin epäideaalisuuksien mallintamiseen. Simulointimallilla saatiin esille murtolukukriittiset pyörimisnopeudet ja telan kriittinen pyörimisnopeus vastasi hyvin mittaustuloksia.

Tuulivoimalan generaattorin roottorin valmistuksen ja valmistuskustannusten arviointi

Diplomityössä on käsitelty tuulivoimalan generaattorin roottorin valmistusta ja magneettien kiinnitystä. Työ on osa projektia, jonka tarkoituksena on ollut tuottaa kohdeyritykselle vaihtoehtoinen tuulivoimalan generaattorin roottorirakenne. Työhön on koottu projektissa käsitellyt asiat roottorin valmistustekniikan osalta. Työssä on selvitetty kustannuksien kannalta paras vaihtoehto roottorin valmistamiseksi sisältäen kuljetukset ja magneettien kokoonpanon. Valmistusmenetelminä on vertailtu hitsausta ja valamista. Magneettien osalta tarkasteltiin uuden vaihtoehtoisen kiinnitysmenetelmän tuomia säästöjä nykyiseen ratkaisuun verrattuna. Uusien roottorien kustannuksia on verrattu nykyiseen rakenteeseen. Tutkimusmenetelminä on käytetty projektiryhmän palavereja, haastatteluja ja kirjallisuusselvityksiä. Lopputuloksena kohdeyritykselle luotiin uusi roottorikonsepti, jossa yhdistyvät edullisempi roottorin valmistus ja magneettien kiinnitys. Roottorin valmistaminen valamalla osoittautui selvästi edullisemmaksi kuin hitsaaminen levyistä. Magneettien kiinnitystä yksinkertaistettiin käyttämällä seostettuja magneetteja ja magneettikehyksiä. Roottorin konstruktiomuutoksien avulla mahdollistettiin suurempi magneettien määrä, joka mahdollistaa suuremman tehontuoton.

Membrane emulsification in preparation of single site catalyst

In the theory part the membrane emulsification was studied. Emulsions are used in many industrial areas. Traditionally emulsions are prepared by using high shear in rotor-stator systems or in high pressure homogenizer systems. In membrane emulsification two immiscible liquids are mixed by pressuring one liquid through the membrane into the other liquid. With this technique energy could be saved, more homogeneous droplets could be formed and the amount of surfactant could be decreased. Ziegler-Natta and single-site catalysts are used in olefin polymerization processes. Nowadays, these catalysts are prepared according to traditional mixing emulsification. More homogeneous catalyst particles that have narrower particle size distribution might be prepared with membrane emulsification. The aim of the experimental part was to examine the possibility to prepare single site polypropylene catalyst using membrane emulsification technique. Different membrane materials and solidification techniques of the emulsion were examined. Also the toluene-PFC phase diagram was successfully measured during this thesis work. This phase diagram was used for process optimization. The polytetrafluoroethylene membranes had the largest contact angles with toluene and also the biggest difference between the contact angles measured with PFC and toluene. Despite of the contact angle measurement results no significant difference was noticed between particles prepared using PTFE membrane or metal sinter. The particle size distributions of catalyst prepared in these tests were quite wide. This would probably be fixed by using a membrane with a more homogeneous pore size distribution. It is also possible that the solidification rate has an effect on the particle sizes and particle morphology. When polymeric membranes are compared PTFE is probably still the best material for the process as it had the best chemical durability.

Painelajittelu

Kirjallisuustyössä tarkasteltiin lajittelun historiaa. Lisäksi esiteltiin lajittelun teoriaa ja parametreja. Lopuksi perehdyttiin painelajittimen rakenteeseen, toimintaperiaatteeseen ja käyttökohteisiin.

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.

Virtual Testing of Active Magnetic Bearing Systems based on Design Guidelines given by the Standards

Active Magnetic Bearings offer many advantages that have brought new applications to the industry. However, similarly to all new technology, active magnetic bearings also have downsides and one of those is the low standardization level. This thesis is studying mainly the ISO 14839 standard and more specifically the system verification methods. These verifying methods are conducted using a practical test with an existing active magnetic bearing system. The system is simulated with Matlab using rotor-bearing dynamics toolbox, but this study does not include the exact simulation code or a direct algebra calculation. However, this study provides the proof that standardized simulation methods can be applied in practical problems.

Simulation of wind powered hydraulic heating system

The objective of this master’s thesis was to design and simulate a wind powered hydraulic heating system that can operate independently in remote places where the use of electricity is not possible. Components for the system were to be selected in such a way that the conditions for manufacture, use and economic viability are the as good as possible. Savonius rotor was chosen for wind turbine, due to its low cut in speed and robust design. Savonius rotor produces kinetic energy in wide wind speed range and it can withstand high wind gusts. Radial piston pump was chosen for the flow source of the hydraulic heater. Pump type was selected due to its characteristics in low rotation speeds and high efficiency. Volume flow from the pump is passed through the throttle orifice. Pressure drop over the orifice causes the hydraulic oil to heat up and, thus, creating thermal energy. Thermal energy in the oil is led to radiator where it conducts heat to the environment. The hydraulic heating system was simulated. For this purpose a mathematical models of chosen components were created. In simulation wind data gathered by Finnish meteorological institute for 167 hours was used as input. The highest produced power was achieved by changing the orifice diameter so that the rotor tip speed ratio follows the power curve. This is not possible to achieve without using electricity. Thus, for the orifice diameter only one, the optimal value was defined. Results from the simulation were compared with investment calculations. Different parameters effecting the investment profitability were altered in sensitivity analyses in order to define the points of investment profitability. Investment was found to be profitable only with high average wind speeds.