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.  

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.

Puunkäsittelykoneen simulointi ja mekaaniset häviöt

Diplomityö on osa Savonia-amk:n koneosaston TOVI-projektia, jossa metsä-konevalmistaja Ponsse Oyj on mukana. Työssä tutkittiin Ponsse Oyj:n metsäkoneen harvesteripäätä. Tavoitteena oli harvesteripään puun syöttöliikkeessä syntyvien mekaanisten häviöiden selvittäminen. Mekaanisilla häviöillä tarkoitamme karsintaterien kitkavoimia ja syöttörullien vierintävastusta.Edellisten lisäksi tavoitteena oli tutkia puun syöttöliikkeen simuloitavuutta monikappaledynamiikkaan perustuvalla simu-lointiohjelmistolla. Työ toteutettiin mittaamalla harvesteripään hydraulisten toimilaitteiden paineita, puun syötön aikana. Mittasimme myös puun ja harvesteripään välistä liikematkaa, nopeutta, kiihtyvyyttä, sekä puun paksuutta. Mittausten lisäksi harvesteripäästä rakennettiin simulointimalli. Mitattujen paineiden avulla laskettiin vastaavien toimilaitteiden synnyttämät voimat ja momentit. Simulointimallilla toistettiin mittaustapahtumat, käyttäen mittausten avulla laskettuja voimia ja momentteja. Mallin kitkakertoimien ja vierintävastusten avulla simuloidut ja mitatut liikematkat haettiin yhteneviksi. Toisin sanoen, simulointimalli verifioitiin todellisuutta vastaavaksi, jolloin simulointimallista voitiin lukea syntyneet häviöt.

Metsäklusterin tutkimusverkosto: Metsäteollisuuden prosessien automaation, diagnostiikan ja kunnossapidon tutkimus

Tämä selvitys on osaEtelä-Suomen lääninhallituksen, ESR:n (Euroopan sosiaalirahasto) ja Lappeenrannan kaupungin rahoittamaa 'Metsäklusterin tutkimusverkostO'-hanketta, joka toteutettiin 1.10.2006-31.10.2007 välisenä aikana Lappeenrannan teknilliselläyliopistolla. Hankkeessa tehtiin selvitys metsäklusterin tutkimustoiminnasta jatutkimustarpeista rajattuna prosessianalytiikan, automaation ja käynnissäpidon alueille. LTY:n yhtenä vahvana strategisena painopistealueena on metsäklusteri ja -Metsäklusterin tutkimusverkostO'-hanke liittyy keskeisenä osana edellä mainittujen painopistealueiden selvitystyöhön LTY:ssä. Selvitykseen kuuluivat kirjallisuus- ja internethaut sekä haastattelututkimus. Internet- ja kirjallisuushauissa hyödynnettiin mm. yritysten ja toimijoiden kotisivuja, erilaisten tutkimushankkeiden raportteja, konferenssien ja seminaarien materiaaleja. Haastattelututkimuksessa haastateltiin metsäklusterissa toimivia automaatiosta, kunnossapidosta ja tuotannosta vastaavaa henkilöitä sekä alan tutkimuksesta vastaavia asiantuntijoita. Hankkeessa pidettiin loppuseminaari 27.9.2007 Lappeenrannan teknillisellä yliopistolla. Loppuseminaarissa esiteltiin hankkeen tulokset sekä kuultiin eri tahojen esityksiä prosessianalytiikkaan, -automaatioon ja käynnissäpitoon liittyen. Selvitys vahvisti olettamuksen, että metsäteollisuuden prosessiautomaation ja kunnossapidon toimialakenttä on erittäin monitahoinen ja parhaillaan muuttuva alue. Selvitystyön tuloksena tuli esille useita konkreettisia tutkimusaiheita, jotka vaihtelivat teknologisista teemoista: mittaustekniikka, prosessien tai laitteiden suorituskyky ja ylläpito talouteen liittyviin teemoihin: liiketoiminnan organisoituminen, verkottuneen liiketoiminnan strategiat sekä henkilöstön johtaminen muuttuvissa tilanteissa. Tutkimustoiminnan organisoitumista eri verkostoihin on tapahtunut ja tapahtumassa. Useita alueellisia ja kansallisia metsäteollisuuteen liittyviä verkostoja on jo olemassa, ja jatkossa automaatioon ja kunnossapitoon liittyvien aihepiirien vahvistaminen jo olemassa olevissa metsäklusteriin liittyvissä verkostoissa on tärkeää. Tämän lisäksi Kaakkois-Suomen alueellisten toimijoiden ja LTY:n liittyminen automaatioalan kansalliseen verkostoon on välttämätöntä.

Measurement Problems and Problem-Solving in Kraft Pulping

Tämän työn tarkoituksena on koota yhteen selluprosessin mittausongelmat ja mahdolliset mittaustekniikat ongelmien ratkaisemiseksi. Pääpaino on online-mittaustekniikoissa. Työ koostuu kolmesta osasta. Ensimmäinen osa on kirjallisuustyö, jossa esitellään nykyaikaisen selluprosessin perusmittaukset ja säätötarpeet. Mukana on koko kuitulinja puunkäsittelystä valkaisuun ja kemikaalikierto: haihduttamo, soodakattila, kaustistamo ja meesauuni. Toisessa osassa mittausongelmat ja mahdolliset mittaustekniikat on koottu yhteen ”tiekartaksi”. Tiedot on koottu vierailemalla kolmella suomalaisella sellutehtaalla ja haastattelemalla laitetekniikka- ja mittaustekniikka-asiantuntijoita. Prosessikemian paremmalle ymmärtämiselle näyttää haastattelun perusteella olevan tarvetta, minkä vuoksi konsentraatiomittaukset on valittu jatkotutkimuskohteeksi. Viimeisessä osassa esitellään mahdollisia mittaustekniikoita konsentraatiomittausten ratkaisemiseksi. Valitut tekniikat ovat lähi-infrapunatekniikka (NIR), fourier-muunnosinfrapunatekniikka (FTIR), online-kapillaarielektroforeesi (CE) ja laserindusoitu plasmaemissiospektroskopia (LIPS). Kaikkia tekniikoita voi käyttää online-kytkettyinä prosessikehitystyökaluina. Kehityskustannukset on arvioitu säätöön kytketylle online-laitteelle. Kehityskustannukset vaihtelevat nollasta miestyövuodesta FTIR-tekniikalle viiteen miestyövuoteen CE-laitteelle; kehityskustannukset riippuvat tekniikan kehitysasteesta ja valmiusasteesta tietyn ongelman ratkaisuun. Työn viimeisessä osassa arvioidaan myös yhden mittausongelman – pesuhäviömittauksen – ratkaisemisen teknis-taloudellista kannattavuutta. Ligniinipitoisuus kuvaisi nykyisiä mittauksia paremmin todellista pesuhäviötä. Nykyään mitataan joko natrium- tai COD-pesuhäviötä. Ligniinipitoisuutta voidaan mitata UV-absorptiotekniikalla. Myös CE-laitetta voitaisiin käyttää pesuhäviön mittauksessa ainakin prosessikehitysvaiheessa. Taloudellinen tarkastelu pohjautuu moniin yksinkertaistuksiin ja se ei sovellu suoraan investointipäätösten tueksi. Parempi mittaus- ja säätöjärjestelmä voisi vakauttaa pesemön ajoa. Investointi ajoa vakauttavaan järjestelmään on kannattavaa, jos todellinen ajotilanne on tarpeeksi kaukana kustannusminimistä tai jos pesurin ajo heilahtelee eli pesuhäviön keskihajonta on suuri. 50 000 € maksavalle mittaus- ja säätöjärjestelmälle saadaan alle 0,5 vuoden takaisinmaksuaika epävakaassa ajossa, jos COD-pesuhäviön vaihteluväli on 5,2 – 11,6 kg/odt asetusarvon ollessa 8,4 kg/odt. Laimennuskerroin vaihtelee tällöin välillä 1,7 – 3,6 m3/odt asetusarvon ollessa 2,5 m3/odt.

Utilization of Particle Image velocimetry in PPOOLEX condensation experiments

Particle Image Velocimetry, PIV, is an optical measuring technique to obtain velocity information of a flow in interest. With PIV it is possible to achieve two or three dimensional velocity vector fields from a measurement area instead of a single point in a flow. Measured flow can be either in liquid or in gas form. PIV is nowadays widely applied to flow field studies. The need for PIV is to obtain validation data for Computational Fluid Dynamics calculation programs that has been used to model blow down experiments in PPOOLEX test facility in the Lappeenranta University of Technology. In this thesis PIV and its theoretical background are presented. All the subsystems that can be considered to be part of a PIV system are presented as well with detail. Emphasis is also put to the mathematics behind the image evaluation. The work also included selection and successful testing of a PIV system, as well as the planning of the installation to the PPOOLEX facility. Already in the preliminary testing PIV was found to be good addition to the measuring equipment for Nuclear Safety Research Unit of LUT. The installation to PPOOLEX facility was successful even though there were many restrictions considering it. All parts of the PIV system worked and they were found out to be appropriate for the planned use. Results and observations presented in this thesis are a good background to further PIV use.

Selvitys kapasitiivisten paikanmittausanturien ominaisuuksista ja suunnitteluvaatimuksista

Kapasitiivinen mittaustekniikka perustuu anturin ja kohteen välisen kapasitanssin muutok-seen: kun kapasitanssi muuttuu, muuttuu myös anturin impedanssi. Tätä yhteyttä hyödyn-tämällä voidaan tuottaa mittaussignaali muuttuvasta parametrista. Tässä työssä esitellään lyhyesti pienen välimatkan tarkkaan paikanmittaukseen käytettäviä tekniikoita ja selvitetään kapasitiivisten paikanmittausanturien perusominaisuuksia sekä käytännön toteutukseen vaadittavia asioita lähdemateriaalin ja simuloinnin avulla. Lisäksi tämän hetken kaupallisia eri tekniikoihin perustuvia mittausjärjestelmiä vertaillaan keskenään. Vertailun perusteella kapasitiiviset mittausjärjestelmät tarjoavat korkeimman mittaustark-kuuden lyhyellä mittausalueella, kun mittausympäristö ja kohde on kapasitiiviselle anturille soveltuva. Induktiiviset anturit tarjoavat suuremman mittauskaistanleveyden ja soveltuvat kapasitiivisia antureita paremmin likaisiin ympäristöihin. Optiset järjestelmät mahdollistavat puolestaan suuremman mittausalueen.