Turbokoneen rakenneoptimointi ja mittausjärjestelyt

Tässä diplomityössä käsitellään erään tuotekehitysprojektissa tehdyn turbokoneen prototyypin takuumittauksia. Takuumittauksilla on tarkoitus varmistaa alustavasti valmistetun prototyypin toimivuus. Mittauksista saatuja arvoja on lopuksi tarkoitus verrata suunnitteluarvoihin, jolloin nähdäänkuinka hyvin suunnitelmat ja alustavat suunnittelulaskelmat ovat onnistuneet koskien tätä turbokonetta. Työssä esitellään pääpiirteissään laitteen toiminta. Takuumittauksia varten tarpeelli-set mitattavat suureet ja vaihtoehtoiset mittausmenetelmät on esitelty. Lisäksi on suunniteltu mittausjärjestelmä PI-kaavioineen, jolla pystytään saamaan riittävän kat-tava mittaustulos laajuus. Työssä on myös esitelty miten mittaustuloksista saadaan tarvittavat vertailuarvot verrattavaksi alustaviin suunnittelulaskelmiin. Tämä diplomityö on tehty, että alustavat mittaussuunnitelmat olisi valmiina olemassa jotta varsinainen takuumittauslaitteisto pystytään rakentamaan nopeasti turbokoneen prototyypin valmistuttua. Lopuksi saadun mittausotannan käsitteleminen on myös selvempää, koska riittävät teoreettiset perusteet mittausaineiston käsittelemiseen on myös kerätty tähän työhön. Työssä käsiteltävän mittausjärjestelmän pääpaino on virtaus ja lämpöteknisillä mitta-uksilla. Myös sähköteknisiä mittauksia ja turbokoneen rakenteellisen toimivuuden mittauksia on käsitelty tässä työssä. Tässä diplomityö antaa kattavat perustiedot tarvittaviin mittausmenetelmiin ja miten varsinainen mittaustieto saadaan jalostettua vertailtavaan muotoon. Siinä käsitellään myös vaikeuksia joita toimivanmittausjärjestelmän kehittämisessä on otettava huo-mioon.  

Turbokonetekniikan seminaari, kevätlukukausi 2003

Tämä opetusmoniste koostuu turbokonetekniikan seminaarin lukuvuonna 2002-2003 suorittaneiden perus- ja jatko-opiskelijoiden laatimista seminaariesitelmistä. Opetusmoniste koostuu seuraavista osista: Jani Ikonen: Materiaalin valinta kaasuturbiinin turbiiniin huomioiden uusimmat materiaalit. 20 sivua. Ikonen esittää työssään katsauksen materiaalien valintaan kaasuturbiinissa, korkean lämpötilan materiaalien tulevaisuudennäkymiin,korroosiolta ja korkeilta lämpötiloilta suojaaviin pinnoitteisiin sekä joihinkin teollisuuskaasuturbiinien komponenttien valmistusmenetelmiin. Jouni Ritvanen: Värähtelymittaukset ja niiden tulkinta. 19 sivua. Kaikki laitteet värähtelevät käydessään. Värähtelyä aiheutuu yleensä epätasapainosta, valmistus- tai asennusvirheistä sekä kuluneista tai muuten vaurioituneista osista. Ritvanen tarkastelee työssään värähtelyä, värähtelyn mittausta ja tuloksien tarkastelua. Jarkko Vanhanen: Vaaka-akselisen 3 MW:n tuuliturbiinin siipien perussuunnittelu Utön olosuhteisiin, 18 sivua Vanhanen mitoittaa työssään 3 MW:n tuulivoimalan Utön ulkosaariston olosuhteisiin. Tuuliturbiini on vaaka-akselinen ja 3 siipinen. Mitoituksessa käytetään Schmitzin menetelmää joka on tarkempi kuin Betzin kriteeri. Weibull-jakauman avulla lasketaan mitoituksella saadun turbiinin teho eri kuukausina. Lisäksi tarkastellaan huipun käyttöaikaa ja tuotettua energiamäärää. Jani Keränen:Kolmidimesionaalinen siipisolavirtaus aksiaaliturbiinissa. 12 sivua. Keränen käsittelee työssään kolmidimensionaalista virtausta aksiaalisessa turbokoneessa. Työssä luodaan kuva toisiovirtauksen pääkomponentteihin: hevosenkenkäpyörteeseen,kanavapyörteeseen, kulmapyörteisiin ja jättöreunapyörteisin. Työssä selitetään kyseisten pyörteiden aiheuttamien häviöiden alkuperää ja tuodaan esille joitain keinoja, joilla pyörteilyä hallitaan. Lisäksi aihetta on käsitelty suppeasti myös numeerisen virtauslaskennan (CFD:n) kannalta. Teemu Turunen-Saaresti: Radiaalikompressorin ajansuhteen tarkka CFD-laskenta. 15 sivua. Turunen-Saaresti on seminaarityössään laskenut ajansuhteen tarkalla CFD-laskennalla radiaalikompressorinkahdessa eri toimintapisteessä. Lasketut toimintapisteet ovat suunnittelupiste ja toimintapiste lähellä tukkeumaa. Ajansuhteen tarkassa laskennassa mallinnetaan koko kompressori ja kytketään pyörivät ja paikallaan olevat osat toisiinsa liukuhilatekniikan avulla. Laskettuja arvoja verrataan Virtaustekniikan laboratoriossa kyseisestä kompressorista tehtyihin mittaustuloksiin.

Uudet DCHP-prosessit

Diplomityön tavoitteena on selvittää viiden uuden yhdistetyn sähkön- ja lämmöntuotantoprosessin taloudellisuus Suomessa ja Keski-Euroopassa. Polttoaineena käytetään maakaasua. Tehoalue on 1 kW – 1 MW. Työn alkuosassa on kerrottu kyseisten prosessien tekniset ominaisuudet ja käyttö tällä hetkellä. Työn loppuosassa on laskettu jokaisen prosessin taloudellisuus viidessä eri maassa (Suomessa, Alankomaassa, Belgiassa, Iso-Britanniassa ja Saksassa) viidessä eri skenaariossa (omakotitalot, rivitalot, kerrostalot, pienteollisuus ja keskisuuri teollisuus). Toisena aihepiirinä diplomityössä on verrattu kompressori- ja absorptiojäähdyttimiä keskenään ja kerrottu kaukokylmän tekemisestä. Työn tuloksena saatiin arvio siitä, miten taloudellisesti kannattavia kyseiset prosessit ovat tällä hetkellä verrattuna perinteisiin sähkön- ja lämmöntuotantotapoihin.

Teollisuuskylmälaitoksen tekniikka ja kustannukset

Työssä on tarkasteltu kompressori- ja absorptiokylmälaitoksien teknisiä ratkaisuja ja laitoksien investointi- ja käyttökustannuksia. Työssä on keskitytty laitoksiin, jotka tuottavat alle nolla Celsiusasteen lämpötiloja. Esimerkkitapauksessa on selvitetty panimon ja meijerin kylmälaitoksen tekniikka ja kustannukset. Tutkimus perustuu kirjallisuuteen, haastatteluihin ja mittaustuloksiin. Kirjallisuuden avulla on selvitetty kylmälaitoksien tekniikkaa ja kustannusten muodostumista. Haastattelujen avulla on kerätty tietoa esimerkkikohteen nykyisistä laitteista, tulevaisuuden kylmätarpeesta ja kohteeseen sopivista laiteratkaisuista. Mittaustietojen avulla on arvioitu kylmäenergian tarve. Työn avulla on saatu näkemys esimerkkikohteeseen sopivasta kylmälaitoksesta ja sen aiheuttamista kustannuksista. Näiden tietojen avulla voidaan selvittää mahdollisten kylmäasiakkaiden kiinnostus kylmäenergian ostamiseen. Hankkeen toteutuessa työtä voidaan käyttää pohjana laitoksen ja kylmätoiminnan suunnittelussa.

Maalämpöpumpun mitoitusjärjestelmän kehittäminen

Työn tavoitteena oli kehittää maalämpöpumppujärjestelmään kuuluvien komponenttien mitoitusta. Työ tehtiin Alufer Oy nimiselle yritykselle, joka on työskennellyt jo kolme vuotta maalämpöpumppujärjestelmän tuotekehityksen parissa. Maalämpöpumppujärjestelmä tullaan suunnittelemaan mahdollisimman suorituskykyiseksi ja joustavaksi. Suunnittelun lähtökohtana on, että lämmitysjärjestelmä on ns. matalalämpö-järjestelmä, joka käytännössä usein toteutetaan lattialämmityksenä. Ensimmäiseksi työssä on selvitetty mitä maalämpö on ja mitkä ovat yleisimmät maalämpöpumppujärjestelmän lämmönkeruuputkistojen asennustavat. Tällä hetkellä käytössä on joko vaakaan (maa, vesi) tai pystyyn asennettava lämmönkeruuputkisto (porakaivo). Seuraavaksi työssä on lähdetty selvittämään maalämpöpumppumarkkinoita Suomessa sekä selvitetty kolmen suurimman valmistajan Geopro Systemsin, Suomen Lämpöpumpputekniikan ja Ekowellin tuotteita sekä tekniikkaa. Työssä selvitetään myös muutamien Eurooppalaisten maiden markkinat. Mitoitusjärjestelmässä tarkastelu on aloitettu uudisrakennuksen lämmitystehon tarpeesta ja käyttöveden lämmityksen tarvitsemasta tehosta. Tarvittavan lämmitysenergian perusteella määriteltiin lämpöpumppujärjestelmään kuuluvat komponentit. Maalämpöpumppujärjestelmä koostuu seuraavista pääkomponenteista: höyrystin, kompressori, lauhdutin ja paisuntaventtiili. Höyrystimen tehon mitoituksessa on huomioitu lämmönkeruuputkistossa kulkevan nesteen aineominaisuudet, massavirta ja lämpötilaero höyrystimen nesteen ulostulon sekä sisään menon välillä. Kompressorin teho on määritetty valitun kylmäaineen (R407C) lg p-h piirroksesta tai määritetty teoreettisesti kompressorivalmistajien omista valintaohjelmista. Lauhduttimen teho on määritelty höyrystimen sekä kompressorin tehon summasta. Samalla määräytyy myös uudisrakennuksen lämmitystehontarve. Lopuksi työssä on käsitelty maalämpöpumppujärjestelmän kehitysmahdollisuuksia. Vaihtoehtoina on huomioitu tulistin, alijäähdytin ja varaaja, joilla voidaan huomattavasti parantaa maalämpöpumpun lämpökerrointa.

Suurnopeuskompressorin tekninen markkinoilletuonti

Diplomityössä tarkastellaan suurnopeuskompressorin kehityspolkua suurnopeusteknologian lähtökohdista prototyypiksi ja edelleen teolliseksi tuotteeksi. Työssä tarkastelun kohteena on sähköteholtaan 20….250 kW oleva, suurnopeussähkökoneella ja öljyttömillä magneettilaakereilla varustettu keskipainekompressori. Tyypillisesti kompressorin painesuhde on 1,2 … 2,4. Ko. kompressorin käyttökohteina on tarkasteltu mm. pienen kunnallisen jätevedenpuhdistamon käsittelyaltaiden ilmastusta, suuren kaupungin vastaavan puhdistuslaitoksen ilmastuskäyttöä ja teollista käyttöä lasivillatehtaan ns. linkokompressorina. Suurnopeuskompressori soveltuu hyvin rinnankytkentään ns. ryhmäohjaimen avulla, jolloin rinnan voi olla kytkettynä jopa 16 kompressoria, joiden päällä oloa optimoidaan säätöteknisesti niin, että koko laitos on kuin yksi kompressori. Työssä tarkastellaan myös kompressorin em. sovellutuksista yli kahdeksan vuoden ajalta kaupallista kohteista saatuja käyttökokemuksia. Pääsäätöisesti voi sanoa, että jokaisessa uudessa sovellutuksessa ilmenee uusia reunaehtoja ja järjestelmäkohtaisia vaatimuksia, jotka täytyy huomioida kompressorin säädössä ja ominaisparametreissa.

Siirrettävän kompressorin käyttö maakaasuputkiston huoltotöissä

Maakaasuputkiston huolto- ja muutostöiden yhteydessä joudutaan tyhjentämään putkisto kaasusta, jotta voidaan taata turvalliset työskentelyolosuhteet. Nykyisin putkisto tyhjennetään johtamalla kaasu ilmakehään, avaamalla putkiston ulospuhallusventtiilit. Koska maakaasu (metaani) on merkittävä kasvihuonekaasu, on ympäristövaatimusten tiukentuessa etsittävä vaihtoehtoisia keinoja vähentää päästöjä. Lisäksi, talteen otettu kaasu voidaan myydä edelleen, ja näin ollen saavuttaa säästöjä. Tässä työssä on tutkittu mahdollisuuksia komprimoida kaasu siirrettävän kompressorin avulla putkisto-osuudesta toiseen ilman, että kaasua jouduttaisiin puhaltamaan ilmakehään. Työssä päädyttiin johtopäätökseen, että siirrettävän kompressorin hankinta ei ole tällä hetkellä kannattavaa, sen korkeiden investointikustannusten vuoksi. Kuitenkin mahdollinen päästömaksu metaanille, kaasun arvon nousu, sekä tekniikan parantuminen voivat nostaa menetelmän varteenotettavaksi vaihtoehdoksi hyvinkin nopeasti. Tämän vuoksi jatkotutkimuksen tekeminen aiheesta on perusteltua.

New computer software for defining the three-dimensional geometry for a centrifu- gal compressor impeller

In this thesis, a computer software for defining the geometry for a centrifugal compressor impeller is designed and implemented. The project is done under the supervision of Laboratory of Fluid Dynamics in Lappeenranta University of Technology. This thesis is similar to the thesis written by Tomi Putus (2009) in which a centrifugal compressor impeller flow channel is researched and commonly used design practices are reviewed. Putus wrote a computer software which can be used to define impeller’s three-dimensional geometry based on the basic geometrical dimensions given by a preliminary design. The software designed in this thesis is almost similar but it uses a different programming language (C++) and a different way to define the shape of the impeller meridional projection.

Taajuusmuuttajan hyödyntämismahdollisuudet kompressorijärjestelmien elinkaarikustannusten optimoimisessa

Paineilmaa on kutsuttu neljänneksi perushyödykkeeksi veden, sähkön ja kaasun lisäksi. Paineilman kuluttaja on usein myös sen tuottaja. EU:n alueen teollisuudessa keskimää-rin 16 % kulutetusta kokonaissähkötehosta kuluu ilmakompressoreiden käyttöön. Taa-juusmuuttajan käyttö on viime vuosikymmeninä lisääntynyt merkittävästi, kun on pyrit-ty energiatehokkaisiin ratkaisuihin esimerkiksi pumppaus- ja puhallinjärjestelmissä. Kompressorijärjestelmissä taajuusmuuttajien käyttö ei ole vielä yhtä yleistä kuin esi-merkiksi pumppukäytöissä, vaikka taajuusmuuttajan käytöllä saavutetaan useimmissa tapauksissa huomattavia etuja. Tässä työssä tutkitaan taajuusmuuttajan hyödyntämismahdollisuuksia kompressorijär-jestelmien käytönaikaisten elinkaarikustannusten optimoimisessa. Työssä selvitetään säästöpotentiaalia, ja pohditaan pyörimisnopeussäädöllä saavutettavia etuja eri komp-ressorityypeillä. Lopuksi muodostetaan elinkaarikustannusanalyysit kahdelle todelliselle teollisuuden kompressorikohteelle. Tutkimusmenetelminä ovat kirjallisuustyö sekä asi-antuntijahaastattelut teollisuudesta. Työn tavoitteena on kartoittaa taajuusmuuttajan hyödyntämispotentiaalia kompressorijärjestelmissä ja luoda pohjaa mahdolliselle jatko-tutkimukselle.

Lämpöpumppujärjestelmät integroidussa kylmä- ja lämpötehon tuotossa

Tässä työssä tutkittiin lämpöpumppujärjestelmiä, joilla tuotetaan samaan aikaan kylmä- ja lämpötehoa. Höyryn puristus lämpöpumppu on yleisimmin käytetty lämpöpumpputyyppi ja sen pääkomponentit ovat kompressori, lauhdutin, paisuntaventtiili ja höyrystin. Lämpöpumppu tuottaa samaan aikaan kylmätehoa höyrystimellä ja lämpötehoa lauhduttimella. Lämpöpumpun toiminta-arvoihin vaikuttaa valittujen lämpötilatasojen lisäksi voimakkaasti valitun kiertoaineen termodynaamiset ominaisuudet sekä kompressorin painesuhteeseen verrannollinen isentrooppihyötysuhde. Uusissa lämpöpumpuissa käytetään HFC yhdisteitä sekä sekoituksia kiertoaineina, mutta myös luonnolliset aineet, kuten ammoniakki, ovat lupaavia korvikkeita CFC yhdisteille. Sopivia sovelluskohteita kylmä- ja lämpötehon yhteistuotannolle ovat kauppa- ja asuinrakennukset, hotellit, toimistot, elintarviketeollisuus ja -myymälät sekä vierekkäiset jää- ja uimahallit ja hiihtoputket. Kylmä- ja lämpötehon yhteistuotannolla voitaisiin saavuttaa merkittäviä säästöjä ja päästövähennyksiä. Esimerkiksi jäähallien kylmäkoneiden lauhdelämmön hyödyntämisessä olisi Suomessa potentiaalia 6-10 miljoonan euron vuotuisiin säästöihin. Kylmä- ja lämpötehon yhteistuotanto voidaan toteuttaa hyödyntämällä kylmäkoneen lauhdelämpöä toisella lämpöpumpulla. Toinen vaihtoehto on käyttää eri tilojen samanaikaiseen lämmittämiseen ja jäähdyttämiseen HPS lämpöpumppua tai moniyksikköistä lämpöpumppua.

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.

Variable-speed-drive-based detection methods for problems in fluid handling systems

Fluid handling systems account for a significant share of the global consumption of electrical energy. They also suffer from problems, which reduce their energy efficiency and increase life-cycle costs. Detecting or predicting these problems in time can make fluid handling systems more environmentally and economically sustainable to operate. In this Master’s Thesis, significant problems in fluid systems were studied and possibilities to develop variable-speed-drive-based detection methods for them was discussed. A literature review was conducted to find significant problems occurring in fluid handling systems containing pumps, fans and compressors. To find case examples for evaluating the feasibility of variable-speed-drive-based methods, queries were sent to industrial companies. As a result of this, the possibility to detect heat exchanger fouling with a variable-speed drive was analysed with data from three industrial cases. It was found that a mass flow rate estimate, which can be generated with a variable speed drive, can be used together with temperature measurements to monitor a heat exchanger’s thermal performance. Secondly, it was found that the fouling-related increase in the pressure drop of a heat exchanger can be monitored with a variable speed drive. Lastly, for systems where the flow device is speed controlled with by a pressure measurement, it was concluded that increasing rotational speed can be interpreted as progressing fouling in the heat exchanger.