Pumppukäyttöjen energiankulutuksen määrittäminen prosessimittauksia käyttäen

Pumppukäytöt vastaavat noin neljännestä Euroopan alueen sähkömoottoreissa kuluvasta energiasta. Energian hinnan nousun vuoksi energian säästäminen ja energiatehokkuus ovat nousseet tärkeään asemaan paljon energiaa kuluttavassa teollisuudessa. Pumppukäyttöjen hyötysuhteen parantaminen on noussut olennaiseen osaan paperi- ja kartonkiteollisuuden energiatehokkuustarkasteluissa. Tässä työssä tarkastellaan kartonkikoneen pumppukäyttöjen toiminnan energiatehokkuutta moottorin virtamittausten perusteella. Analyysi perustuu moottorin akselitehon määrittämiseen ja sen perusteella tehtävään pumpun toimintapisteen laskentaan. Työssä esitellään käytetyt estimointimenetelmät ja niillä saadut tulokset kartonkikoneen pumppukäytöille. Lisäksi työssä arvioidaan kolmen yksittäisen pumppukäytön energiankulutuksen säästöpotentiaalia. Työssä käytettyä menetelmää voidaan käyttää sekä vakio- että vaihtonopeuspumppukäyttöjen toiminnan ja hyötysuhteen analysointiin.

Keskipakopumpun suorituskyvyn mittaus

Tässä kandidaatintyössä mitataan Sulzer APP 22-80 – keskipakopumpun suoritusarvoja pyörimisnopeusalueella 750 … 1500 rpm. Työn tavoitteena on laatia mittaustulosten perusteella eri pyörimisnopeuksia vastaava pumppauksen hyötysuhdekäyrä nostokorkeuden ja tilavuusvirran funktiona ja selvittää hyötysuhteen määrityksen epävarmuus käytetyssä mittausmenetelmässä. Lisäksi tutkitaan affiniteettisääntöjen paikkansapitävyyttä pumpun suorituskyvyn arvioinnissa ja pohditaan kehitysehdotuksia mittausmenetelmään. Mittaus suoritettiin Lappeenrannan teknillisellä yliopistolla 2.11.2012. Mittaustulosten perusteella laaditaan mitattuja pyörimisnopeuksia vastaavat pumpun ominais- ja hyötysuhdekäyrät. Työssä esitetään mittauksen suoritus ja käytetyt mittalaitteet, pumpun toiminta-arvojen laskentaan tarvittavat yhtälöt ja saadut tulokset. Hyötysuhteen määri-tyksen tarkkuutta arvioidaan epävarmuuslaskennalla ja eri parametrien vaikutusta hyötysuhteeseen herkkyysanalyysilla. Mittaustulosten perusteella pumpun suorituskyky vastasi sallitun mittausepävarmuuden rajoissa valmistajan ilmoittamia arvoja. Affiniteettisääntöjä voidaan käyttää hyvällä tarkkuudella, kun pyörimisnopeuden muutos nimellispyörimisnopeuteen verrattuna on alle 30 % tai verrattava pyörimisnopeus voidaan valita mahdollisimman läheltä laskettavaa toimintapistettä. Käytettyä mittausmenetelmää voitaisiin kehittää automatisoidulla mittausohjelmalla, sijoittamalla pumpun imuputkeen virtaustasaimet oikaisemaan virtausta paineenmittaukselle ja asentamalla painemittarit samaan mittatasoon.

Virtauslaskennankäyttö keskipakopumpun eroosiokulumisen mallintamisessa

Diplomityössä kehitetään malli tiheän kaksifaasivirtauksen aiheuttaman eroosiokulumi-sen mallintamiseksi, ratkaistaan virtauskenttä kahdessa erilaisessa keskipakopumpussa, sovelletaan kehitettyä mallia, sekävertaillaan mallin antamia tuloksia käytännön kokeissa saavutettuihin tuloksiin. Työssä on erityisenä mielenkiinnon kohteena savukaasupesurin pumppu. Työn alkuosa sisältää tarkemman kuvauksen savukaasupesurin toi-minnasta. Numeerinen ratkaisu ja laskentahilan generointi suoritetaan ANSYS CFX- ja Turbo-Grid-ohjelmistoilla. Laskennassa virtauksen Navier-Stokesin yhtälöt on aikakeskiarvo-tettu ja ratkaistu käyttäen kontrollitilavuusmenetelmää. Tiheiden kaksifaasivirtausten eroosiokulumista on mallinnettu tekijän kehittämällä mallilla, jonka käytännön toteutus-ta ei kuitenkaan saateta julkiseksi, koodin kehittämisessä käytetty teoria on kuitenkin esitetty työssä. Työn piirissä tehtiin myös kulumiskokeita Sulzer Pumps Finlandin Karhulan tehtailla, sekä vertailtiin simuloinnin tuloksia aikaisemmissa kokeissa saavutettuihin. Koejärjestelyt kuvataan työssä.

Keskipakopumpun prosessitekninen mitoitus, määrittely ja valinta

Tässä tekniikankandidaatin työssä käsitellään keskipakopumpun prosessiteknistä mitoittamista, pumppumäärittelyjä ja valintaa. Työssä esitetään kaksi mitoitustapausta ja kolmen pumpun määrittelyt sekä valinta todellisissa prosesseissa.

Täystehokonvertterin tehohäviöt ja hyötysuhde

Diplomityössä perehdytään tuuliturbineissa käytettyjen täystehokonvertterien tehohäviöihin ja hyötysuhteeseen. Täystehokonvertterissa generaattorin tuottama sähköteho tasasuunnataan hyvällä hyötysuhteella aktiivisella geenraattorisillalla konvertterin välipiiriin ja edelleen vaihtosuunnataan aktiivisella verkkovaihtosuuntaajasillalla siirtoverkkoon. Työn tarkoituksena on antaa yleiskuva tehohäviöiden jakautumisesta ja yksinkertaistaa niiden laskentaa. Häviömekanismit ja häviöiden määräytyminen esitellään pääkomponenttitasolla. Tehohäviöiden osalta keskitytään erityisesti muuntajateräksestä valmistettujen sinisuotimien ja du/dt-suotimien rautahäviöihin. Ongelmana rautahäviöiden määrittämisessä on korkeilla taajuuksilla tapahtuvat häviöt, joiden laskentaan ei ole yleensä saatavilla tarvittavia materiaaliparametrejä. Tehohäviöiden laskentaa varten toteutettu laskentasovellus on esitelty periaatteellisina vuokaavioina ja sovelluksella saatavia tuloksia on esitetty ja vertailtu mitattuihin tuloksiin.

Ruokohelven käytön lisääminen Joensuun voimalaitoksen kattilassa – käytettävyys, hyötysuhde ja taloudellisuus

Ruokohelpi soveltuu ympäristöystävällisyyden ja korkean lämpöarvon vuoksi hyvin energiantuotantoon. Fortumin Joensuun voimalaitoksella ruokohelpi on syötetty kattilaan tähän asti pääasiassa pääpolttoaineisiin, turpeeseen tai hakkeeseen seostettuna pieninä energiaosuuksina. Pääpolttoaineisiin verrattuna ruokohelvellä on alhaisempi irto- ja energiatiheys, korkeampi klooripitoisuus ja kattilaa likaavampi tuhka, mikä asettaa rajoitteita sen käytön lisäämiselle voimalaitoksella. Alhaisesta irto- ja energiatiheydestä johtuvan holvautumisen sekä tukoksien lisääntymisen ja Joensuun voimalaitoksen nykyisten kuljettimien kapasiteettiongelmien vuoksi ruokohelven osuuden lisääminen suuremmaksi kuin 5 % polttoaine-energiasisällöstä on riskialtista ja edellyttää täten investointia erilliseen ruokohelven käsittely- ja syöttöjärjestelmään. Yksi vaihtoehto on murskata ruokohelpipaalit joko sähkökäyttöisellä, puolikiinteällä ja nopeakäyntisellä Haybuster H1130 tilt -murskaimella tai kiinteällä ja hidaskäyntisellä Raumaster-murskaimella ja ohjata ruokohelpisilppu joko pitkän mekaanisen kuljettimen ja sen perässä olevien lyhyiden pneumalinjojen tai pelkkien pitkien pneumalinjojen kautta suoraan kattilapesään. Työssä tutkitut investoinnit ovat taloudellisesti sitä kannattavampia mitä enemmän ruokohelpeä voidaan vuositasolla polttaa voimalaitoksella. Ruokohelven käyttömäärää voimalaitoksella kannattanee lisätä kuljetusmatkaa pidentämällä. Investointien valinta ei ole itsestäänselvyys. Nopeakäyntinen murskain on hidaskäyntistä murskainta edullisempi investointi, tosin hidaskäyntisen murskaimen käyttövarmuus on parempi kuin nopeakäyntisen murskaimen. Kattilan käytettävyyden kannalta ruokohelven käytön lisääminen edellyttää kattilan palamistekniikan analysointia laskennallisesti virtausmallinnuksella ennen kuin lopullisia päätöksiä investointien suhteen voidaan tehdä.

Hiiliteräspalkin kuitulaserhitsaus

Hitsaavassa teollisuudessa kilpailukyvyn säilyttäminen ja mahdollinen parantaminen edellyttää hitsauksen tehokkuuden nostoa. Laserhitsauksen nopeus, tarkkuus, tasainen laatu ja aikaansaatava syvä tunkeuma ovatkin vakiinnuttaneet menetelmän vankan aseman tehokkaana valmistusmenetelmänä. Sähkön ja heliumin hinnan nousu ovat pakottaneet teollisuuden miettimään entistä tehokkaampien ja ympäristöystävällisempien laserlähteiden hankkimista. Kuitulaserin korkea hyötysuhde, hyvä säteenlaatu, suuri teho ja matalat käyttökustannukset ovat herättäneet kiinnostusta laserhitsaavassa teollisuudessa. Diplomityössä keskityttiin kuitulaserhitsauksen soveltamiseen. Työn tavoitteena oli parantaa kuitulaserhitsausmenetelmän ymmärrystä ja saada käsitys siitä, miten valitaan hitsausparametrien arvot, ja soveltuuko kuitulaser teolliseen tuotantoon. Tutkimuksessa pyrittiin löytämään peruskokeilla optimaaliset hitsausparametrit, joilla syntyy hyvin tunkeutunut, vähän huokosia sisältävä, ja ulkoisesti laadukas hitsi, sekä optimaalinen hitsin tunkeumaprofiili. Lopuksi hitsausparametreja testattiin tuotteen hitsauksessa. Kuitulaser soveltuu erinomaisesti hiiliteräksen hitsaukseen ja hyvin erikoislujien terästen hitsaukseen, kun teräksen hiili- ja rikkipitoisuudet ovat matalia. Sillä on laaja parametrialue. Yleisimmät hitsausvirheet ovat vajaa hitsautumissyvyys ja huokoset. Tässä diplomityössä keskityttiin etsimään yhdelle valmistettavalle tuotteelle optimaaliset kuitulaserhitsausparametrit. Kuitulaserin laser- ja prosessiparametrien vaikutusta hitsiin ei ole juurikaan tutkittu. Diplomityön kokeiden perusteella olisi hyvä tehdä eri materiaalien jatkotutkimusta railonvalmistuksen, kuten liitoksen oksidikerroksen ja ilmaraon sekä suojakaasun, vaikutuksesta hitsiin. Kuitulaserin hyvä säteenlaatu ja muut laser-parametrit ovat tuoneet mukanaan prosessiin uusia ilmiöitä, joita on syytä tutkia lisää.

Optimointijärjestelmän kehittäminen sähköä ja lämpöä tuottavaan voimalaitokseen

Työn tavoitteena oli kehittää automaattinen optimointijärjestelmä energiayhtiön omistamaan pieneen sähkön- ja lämmöntuotantolaitokseen (CHP-laitos). Optimointitarve perustuu energiayhtiön sähkön hankintaan sähköpörssistä, kaasun hankintahintaan, kohteen paikallisiin sähkö- ja lämpökuormituksiin ja muihin laitoksen talouteen vaikuttaviin tekijöihin. Kehitettävällä optimointijärjestelmällä ontarkoitus tulevaisuudessa hallita useita hajautetun energiantuotannon yksiköitäkeskitetysti. Työssä kehitettiin algoritmi, joka optimoi voimalaitoksen taloutta sähkötehoa säätävillä ajomalleilla ja suoralla sähköteho-ohjeella. Työssä kehitetyn algoritmin tuottamia hyötyjä selvitettiin Harjun oppimiskeskuksen CHP-laitoksen mittaushistoriatiedoilla. CHP-laitosten käytön optimointiin luotiin keskitettyyn laskentaan ja hajautettuun ohjaukseen perustuva järjestelmä. Se ohjaa CHP-laitoksia reaaliaikaisesti ja ennustaa historiatietoihin perustuvalla aikasarjamallilla laitoksen tulevaa käyttöä. Optimointijärjestelmän toimivuus ja saatu hyöty selvitettiin Harjun oppimiskeskuksen CHP-laitoksella vertaamalla mittauksista laskettua toteutunutta hyötyä optimointijärjestelmän laskemaan ennustettuun hyötyyn.

Induktiomoottorin hyötysuhdemittaukset verkko- ja taajuusmuuttajasyötössä

Hyötysuhde on tärkeätekijä moottorimarkkinoilla, sillä moottorin ostajan kannalta moottorin hyvä hyötysuhde merkitsee taloudellisuutta pitkällä aikavälillä. Tästä johtuen hyötysuhde on merkittävä kriteeri moottorisuunnittelussa. Moottorin hyötysuhteen määrittämisen mittausmenetelmät on määritelty IEC- ja IEEE-standardeissa. Diplomityössäkäydään läpi eri standardimenetelmillä tehtäviä mittauksia ja vertaillaan niitäkeskenään, koska hyötysuhteen määrityksen tarkkuus riippuu käytettävästä mittausmenetelmästä. Työssä keskitytään sinimuotoisella jännitteellä syötetyn induktiomoottoriin hyötysuhteen määritysmenetelmiin perehtyen erityisesti IEEE 112-standardin B-menetelmään, ja mitataan erään induktiomoottorin hyötysuhde B-menetelmällä. Työssä tehdään selkoa sinisyötölle tarkoitettujen hyötysuhdemittausmenetelmien soveltamisesta epäsinimuotoiseen taajuusmuuttajasyöttöön sekä tutkitaan taajuusmuuttajalla syötetyn moottorin sähköisten suureiden mittaamiseen liittyvää mittausepävarmuutta. Lisäksi selvitetään kokeellisesti taajuusmuuttajasyötöllä tehdyistä mittauksista saatujen tulosten riippuvuutta käytetystä virranmittaustavasta.

Paalinmuodostajien hydraulijärjestelmissä esiintyvien dynaamisten ongelmien ratkaiseminen

Diplomityön tehtävänä oli tutkia paalinmuodostajassa esiintyvien vikojen aiheuttajia ja antaa mahdollinen korjausehdotus vian aiheuttajan poistamiseksi. Tämä työ jakaantuu kolmeen osa-alueeseen: 1. hydraulisen toiminnan selvittäminen, 2. mittausten tekeminen, tulosten tulkinta ja vikahistoriatietojen tarkasteleminen, 3. ongelmakohtien selvittäminen ja parannusehdotuksien esittäminen ongelmien ratkaisemiseksi. Diplomityön pohjana käytettiinpiirustuksia sekä CMT-Solutionin ja Metson tekemiä kunnonvalvontamittauksia. Patruunatekniikalla toteutetun hydraulijärjestelmän vian perussyytä etsittäessä onselvitettävä komponenttien ja järjestelmän toiminta kunnonvalvontamittausten avulla. Paalinmuodostajien hydraulijärjestelmien tulisi olla toimivia, luotettaviaja taloudellisia. Hydraulijärjestelmässa käytettävien komponenttien tulisi ollamyös keskenään yhteensopivia, turvallisia ja luotettavia toiminnaltaan, helposti huollettavia sekä vaivattomasti saatavilla olevia. Komponenttien, joita mahdollisesti vaihdetaan on oltava yhteensopivia M-realin jo varastossa olevien komponenttien kanssa. Näin vältetään varastoon muodostumasta useita erilaisia komponenttiyhdistelmiä, jotka turhaan kuormittavat varastomääriä ja lisäävät sitoutuneenpääoman määrää. Työssäni pyrin myös parannusehdotuksia antaessani mahdollisimman yksinkertaiseen ja taloudelliseen ratkaisuun M-realin kannalta. Diplomityön tulosten pohjalta kokeiltiin muutamia muutoksia eri kohtiin hydraulijärjestelmässä. Osa alustavista muutoksista toteutettiin Metson ja STH-Service/Simo Suppasen toimesta. Nähtäväksi jää onko näillä toimenpiteillä ollut vaikutusta hydraulijärjestelmän luotettavuuteen.

Vaneritehtaan hyötysuhteen parantaminen ja viilutuotannonohjauksen kehittäminen

Työn tavoitteena oli selvittää syitä vaneritehtaan raaka-aineen käytön hyötysuhteen heikkenemiseen sekä esittää ratkaisukeinoja hyötysuhteen parantamiseksi. Lisäksi tavoitteena oli tuotannonohjauksen kehittäminen viiluosastolla. Teoriaosassa tarkasteltiin kohdeyritystä ja tuotantoyksikköä, vanerin valmistusprosessia, vaneritehtaan hyötysuhteeseen vaikuttavia tekijöitä sekä hyötysuhteen laskemisen teoriaa. Lisäksi käsiteltiin asiakaslähtöisen toiminnan teoriaa, sekä tuotannonohjauksen teoriaa ja tuotannonohjaustapoja. Käytännönosa perustui haastattelututkimuksiin ja tuotannonraportointijärjestelmän tarkasteluun. Haastatteluiden avulla selvitettiin viiluosaston tuotannossa ja tuotannonohjauksessa ilmeneviä ongelmia. Tuotannonraportointijärjestelmän kautta tarkasteltiin tehtaan hyötysuhteen kehittymistä tuotantovaiheittain, sekä tutkittiin määrämittasahattavia mittoja ja määrämittasahauksen onnistumista. Tehtyjen tutkimusten perusteella etsittiin keinoja määrämittasahauksessa syntyvän hukan pienentämiseen, jolloin koko tehtaan hyötysuhde saataisiin paranemaan. Lisäksi esiteltiin keinoja tuotannonohjauksen selkeyttämiseen viiluosastolla. Työn lopuksi annettiin kehitysehdotuksia, joilla tehtaan hyötysuhdetta saataisiin edelleen paremmaksi ja tuotannonohjausta vastaamaan asiakaslähtöisen toiminnan periaatteita.

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.

ORC-voimalan soveltuvuus hyödyntämään dieselvoimalan hukkalämpöä, Tekes DrNo 1549/401/98. Loppuraportti

Tässä loppuraportissa esitetään projektin "Kannattavuusanalyysi ORC-voimalan soveltamisesta hyödyntämään dieselvoimalan hukkalämpöä, Tekes DrNo 1549/401/98" tulokset. ORC-prosessilla (Organic Rankine Cycle) tarkoitetaan Rankine-prosessia, jossakiertoaineena veden asemesta on sopiva orgaaninen neste, esimerkiksi tolueeni. ORC-prosessi soveltuu hyvin nimenomaan matalalla lämpötilatasolla vapautuvan hukkalämmön hyödyntämiseen. Tutkimus liittyy vuonna 1981 aloitettuun suurnopeustekniikan tutkimushankkeeseen. Tutkimuksen lähtökohtana oli tropiikin olosuhteissa peruskuormaa ajava raskasöljykäyttöinen Wärtsilä NSD 18V46 voimalaitosmoottori, jonka hukkalämmöistä tuli kyetä tuottamaan sähköä mahdollisimman alhaisilla investointikustannuksilla. Kaukolämmöntuotanto rajattiin tämän selvityksen ulkopuolelle. Edullisimmaksi perustapaukseksi valittiin seitsemän turbogeneraattorin ORC-laitos, joka hyödyntää ainoastaan moottorin pakokaasulämpöä. Kyseisen ORC-laitoksen nettosähköteho on 1142 kW, joten se lisäisi dieselmoottorin tehoa 6,8 %. ORC-laitoksen myyntihinta olisi noin 7,67 Mmk, mikäli lauhdutin voidaan rakentaa ruostumattomasta teräksestä ja noin 9,01 Mmk, mikäli olisi käytettävä titaanilauhdutinta. ORC-laitoksen ominaisinvestointikustannus olisi siten noin 6700 mk/kW - 7900 mk/kW materiaalivalinnoista riippuen. Mainittu hinta sisältää sekä komponenttien valmistajien että systeemi-integraattorin katteet. Koska höyrystimen hinta vaikuttaa olennaisesti ORC-laitoksen hintaan, voidaan puhtailla maakaasupolton savukaasuilla arvioida ominaisinvestoinnin olevan noin 1000 mk/kW alhaisempi. Olettaen 6000 h/a huipun käyttöaika saadaan ORC:llä tuotetun sähkön hinnaksi noin 0,11 mk/kWh. Suomeen rakennettavalle ORC-laitokselle on todennäköisesti lisäksi saatavissa 30 % investointituki ja sähköveron palautus. - Teoriassa voidaan osoittaa, että dieselmoottorin tehoa voidaan ORC:llä lisätä jopa 18 %, mutta ominaisinvestointi on tällöin merkittävästi korkeampi. ORC-laitoksen turbiinin 1D suunnittelua tarkennettiin sekä laitoksen turbiini mallinnettiin CFD-laskennan (numeerisen virtauslaskennan) avulla osana tätä tutkimusta. Näin kyettiin nostamaan turbiinin hyötysuhdetta, ja CFD-laskennan perusteella voidaan nyt aikaisempaa varmemmin ennustaa turbiinin todellinen hyötysuhde. ORC-laitoksen dynaaminen simulointiohjelma saatiin niin ikään valmiiksi tämän projektin puitteissa. Simulointiohjelman avulla voitiin asettaa laitoksen säädinparametrit sekä simuloida voimalan käynnistys-, ajo- sekä häiriötilanteita. Tehtyjen simulointien perusteella tehtiin johtopäätökset laitoksen säätöjärjestelmän toimivuudesta ja tuorehöyryn tilaarvojen valinnasta.

Aksiaaliturbiinin suunnittelu kokemusperäisillä häviökertoimilla

Tässä raportissa on esitettyaksiaalisen turbiinivaiheen suunnittelun perusperiaatteet perustuen ideaalikaasun paisuntaprosessin termodynamiikkaan yhdistettynä kokemusperäisiin häviökertoimiin. Häviökertoimien avulla voidaan arvioida turbiinin siivistössä syntyvien aerodynaamisten häviöiden suuruutta ja jakaantumista. Niiden määrittämiseksi on esitetty yhteenvetomaisesti kolme tunnettua ja kirjallisuudessa runsaasti siteerattua laskentamenetelmää. Esitettyjen laskentaperiaatteiden avulla voidaan arvioida annetuissa toimintaolosuhteissa tietyllä virtaus- ja siipigeometrialla rakennetun turbiinivaiheen teho, hyötysuhde ja paisuvan kaasun tila-arvot eri kohdissa turbiinia. Annetut yhtälöt ovat suhteellisen helposti ohjelmoitavissa tietokoneella ohjelmaksi, mikä käytännössä helpottaa huomattavasti esimerkiksi optimaalisen virtausgeometrian etsintää tai off-design analyysiä. Saadut tulokset eivät välttämättä ole absoluuttisen tarkkoja johtuen tehdyistä yksinkertaistuksista ja häviökertoimien epätarkkuuksista. Ne soveltuvat kuitenkin hyvin suuruusluokkatarkasteluun ja erilaisten ratkaisujen suhteellisten erojen arviointiin sekä lähtökohdaksi tarkempaan numeeriseen laskentaan (CFD). Työ liittyy LTKK:n Energiatekniikan osastolla tehtävään suurnopeustekniikan koelaitetutkimukseen. Työssä esitettyjä menetelmiä on hyödynnetty käänteisen Brayton-prosessin turbiinin rakenteellisessa esisuunnittelussa ja feasibility-selvityksessä. Lisäksi raportti on hyödyksi turbotekniikan opetusmateriaalina.

Comparison of Compound Lean Nozzles and Controlled Flow Nozzles at Off-Design

Turbokoneet ja etenkin höyryturbiinit ovat usein suunniteltu ja optimoitu toimimaan tietyssä toimintapisteessä jossa häviöt on minimoitu ja hyötysuhde maksimoitu. Joissakin tapauksissa on kuitenkin tarpeellista käyttää turbiinia toimintapisteen ulkopuolella. Tällöin turbiinin läpi virtaava massavirta muuttuu ja yleensä heikentää hyötysuhdetta. Turbokoneiden suorituskykyä voidaan parantaa käyttämällä kolmidimensionaalisesti muotoiltuja siipiä. Työssä on vertailtu laskennallisesti kahta kohtuullisesti muotoiltua suutinta (Compound lean ja Controlled flow) niiden suunnitellun toimintapisteen ulkopuolella. Kolmas suutin, ilman kolmidimensionaalista muotoilua on mukana vertailukohteena. Suutinten suorituskykyä tutkitaan laskennallisen virtausmekaniikan avulla olosuhteissa, jotka ovat toimintapisteen ulkopuolella. Virtauksen muutoksia tutkitaan kokonaispainehäviön, isentrooppisen hyötysuhteen ja virtauspinnan yhdenmukaisuuden avulla. Virtauspintoja verrataan ulosvirtauskulman, massavirran ja toisiovirtausvektoreiden jakauman avulla. Erot suutinten suorituskykyvyssä korostavat ylikuormalla. Kun massavirran arvoa on kohotettu eniten, Compound lean suuttimilla hyötysuhde laskee Controlled flow suuttimeen verrattuna vähemmän. Alikuormalla, kun massavirran arvoa lasketaan, erot suuttimien suorituskyvyssä pienenevät ja tutkittujen suuttimien ulosvirtaus on samankaltainen.