Vibrations in Rotating Machinery Arising from Minor Imperfections in Component Geometries

Vibrations in machines can cause noise, decrease the performance, or even damage the machine. Vibrations appear if there is a source of vibration that excites the system. In the worst case scenario, the excitation frequency coincides with the natural frequency of the machine causing resonance. Rotating machines are a machine type, where the excitation arises from the machine itself. The excitation originates from the mass imbalance in the rotating shaft, which always exists in machines that are manufactured using conventional methods. The excitation has a frequency that is dependent on the rotational speed of the machine. The rotating machines in industrial use are usually designed to rotate at a constant rotational speed, the case where the resonances can be easily avoided. However, the machines that have a varying operational speed are more problematic due to a wider range of frequencies that have to be avoided. Vibrations, which frequencies equal to rotational speed frequency of the machine are widely studied and considered in the typical machine design process. This study concentrates on vibrations, which arise from the excitations having frequencies that are multiples of the rotational speed frequency. These vibrations take place when there are two or more excitation components in a revolution of a rotating shaft. The dissertation introduces four studies where three kinds of machines are experiencing vibrations caused by different excitations. The first studied case is a directly driven permanent magnet generator used in a wind power plant. The electromagnetic properties of the generator cause harmonic excitations in the system. The dynamic responses of the generator are studied using the multibody dynamics formulation. In another study, the finite element method is used to study the vibrations of a magnetic gear due to excitations, which frequencies equal to the rotational speed frequency. The objective is to study the effects of manufacturing and assembling inaccuracies. Particularly, the eccentricity of the rotating part with respect to non-rotating part is studied since the eccentric operation causes a force component in the direction of the shortest air gap. The third machine type is a tube roll of a paper machine, which is studied while the tube roll is supported using two different structures. These cases are studied using different formulations. In the first case, the tube roll is supported by spherical roller bearings, which have some wavinesses on the rolling surfaces. Wavinesses cause excitations to the tube roll, which starts to resonate at the frequency that is a half of the first natural frequency. The frequency is in the range where the machine normally operates. The tube roll is modeled using the finite element method and the bearings are modeled as nonlinear forces between the tube roll and the pedestals. In the second case studied, the tube roll is supported by freely rotating discs, which wavinesses are also measured. The above described phenomenon is captured as well in this case, but the simulation methodology is based on the flexible multibody dynamics formulation. The simulation models that are used in both of the last two cases studied are verified by measuring the actual devices and comparing the simulated and measured results. The results show good agreement.

Koneet

Jyskyttävä raamisaha.

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.

Mekanismien dynamiikan simuloinnissa sovellettavia numeerisia- ja mallinnusmenetelmiä

Koneet voidaan usein jakaa osajärjestelmiin, joita ovat ohjaus- ja säätöjärjestelmät, voimaa tuottavat toimilaitteet ja voiman välittävät mekanismit. Eri osajärjestelmiä on simuloitu tietokoneavusteisesti jo usean vuosikymmenen ajan. Osajärjestelmien yhdistäminen on kuitenkin uudempi ilmiö. Usein esimerkiksi mekanismien mallinnuksessa toimilaitteen tuottama voimaon kuvattu vakiona, tai ajan funktiona muuttuvana voimana. Vastaavasti toimilaitteiden analysoinnissa mekanismin toimilaitteeseen välittämä kuormitus on kuvattu vakiovoimana, tai ajan funktiona työkiertoa kuvaavana kuormituksena. Kun osajärjestelmät on erotettu toisistaan, on niiden välistenvuorovaikutuksien tarkastelu erittäin epätarkkaa. Samoin osajärjestelmän vaikutuksen huomioiminen koko järjestelmän käyttäytymissä on hankalaa. Mekanismien dynamiikan mallinnukseen on kehitetty erityisesti tietokoneille soveltuvia numeerisia mallinnusmenetelmiä. Useimmat menetelmistä perustuvat Lagrangen menetelmään, joka mahdollistaa vapaasti valittaviin koordinaattimuuttujiin perustuvan mallinnuksen. Numeerista ratkaisun mahdollistamiseksi menetelmän avulla muodostettua differentiaali-algebraaliyhtälöryhmää joudutaan muokkaamaan esim. derivoimalla rajoiteyhtälöitä kahteen kertaan. Menetelmän alkuperäisessä numeerisissa ratkaisuissa kaikki mekanismia kuvaavat yleistetyt koordinaatit integroidaan jokaisella aika-askeleella. Tästä perusmenetelmästä johdetuissa menetelmissä riippumattomat yleistetyt koordinaatit joko integroidaan ja riippuvat koordinaatit ratkaistaan rajoiteyhtälöiden perusteella tai yhtälöryhmän kokoa pienennetään esim. käyttämällä nopeus- ja kiihtyvyysanalyyseissä eri kiertymäkoordinaatteja kuin asema-analyysissä. Useimmat integrointimenetelmät on alun perin tarkoitettu differentiaaliyhtälöiden (ODE) ratkaisuunjolloin yhtälöryhmään liitetyt niveliä kuvaavat algebraaliset rajoiteyhtälöt saattavat aiheuttaa ongelmia. Nivelrajoitteiden virheiden korjaus, stabilointi, on erittäin tärkeää mekanismien dynamiikan simuloinnin onnistumisen ja tulosten oikeellisuuden kannalta. Mallinnusmenetelmien johtamisessa käytetyn virtuaalisen työn periaatteen oletuksena nimittäin on, etteivät rajoitevoimat tee työtä, eli rajoitteiden vastaista siirtymää ei tapahdu. Varsinkaan monimutkaisten järjestelmien pidemmissä analyyseissä nivelrajoitteet eivät toteudu tarkasti. Tällöin järjestelmän energiatasapainoei toteudu ja järjestelmään muodostuu virtuaalista energiaa, joka rikkoo virtuaalisen työn periaatetta, Tästä syystä tulokset eivät enää pidäpaikkaansa. Tässä raportissa tarkastellaan erityyppisiä mallinnus- ja ratkaisumenetelmiä, ja vertaillaan niiden toimivuutta yksinkertaisten mekanismien numeerisessa ratkaisussa. Menetelmien toimivuutta tarkastellaan ratkaisun tehokkuuden, nivelrajoitteiden toteutumisen ja energiatasapainon säilymisen kannalta.

Subsoil compaction due to wheel traffic

Selostus: Raskaan peltoliikenteen aiheuttama pitkäaikainen maan tiivistyminen

Pöllinkeskityksen optimointi

Diplomityössä käsiteltiin viilun valmistusprosessin yhtä tärkeintä vaihetta, eli pöllinkeskitystä. Työssä esiteltiin erilaiset pöllinkeskityslaitteistot, sekä selvitettiin pöllinkeskityksen ja sorvauksen matemaattista teoriaa. Diplomityö tehtiin vaneriteollisuuden koneita suunnittelevaan ja toimittavaan yritykseen. Diplomityössä vertailtiin kyseisen yrityksen mekaanista 12-piste XY- pöllinkeskittäjää kilpailijan elektroniseen XY- pöllinkeskittäjään. Vertailu suoritettiin sorvauksessa saatavan viilun saannon perusteella. Mekaanisen ja elektronisen XY- pöllinkeskittäjän välillä ei vertailussa havaittu viilun kokonaissaannossa merkittävää eroa. Mekaanisen 12-piste XY pöllinkeskittäjän kokonaissaanto oli kuitenkin hieman suurempi. Kokonaissaannosta oli kuitenkin mekaanisella XY- pöllinkeskittäjällä enemmän ns. jontikka saantoa eli viilumatosta leikattuja kapeita saumauskappaleita. Kuitenkin jontikka osuuden määrä kokonaissaannosta oli aikaisempiin tutkimuksiin verrattaessa laskenut huomattavasti. Tarkasteltaessa huoltokustannuksia ennakoivan kunnossapidon osalta havaittiin mekaaninen XY – pöllinkeskittäjä edullisemmaksi kuin elektroninen XY- pöllinkeskittäjä yksinkertaisemman rakenteensa ansiosta. Mekaanisen 12-piste XY- pöllinkeskittäjän hankintahinta on noin 1/3 elektronista XY- pöllinkeskittäjästä. Mekaanisen 12-piste XY- pöllinkeskittäjän investoinnin takaisinmaksuaika on myös noin 2,5 kertaa lyhyempi. Takaisinmaksuajat ovat molemmilla laitteistoilla kuitenkin hyvin lyhyitä, joten vanhan 3-pistepöllinkeskittäjän uusiminen kummalla pöllinkeskityslaitteistolla tahansa voidaan katsoa olevan hyvin kannattavaa.

Tehtaan sisäisten materiaalivirtojen kehittäminen layoutsuunnittelun avulla

Työn tavoitteena oli kehittää tehtaan sisäisiä materiaalivirtoja layoutia muuttamalla ja materiaalinkäsittelyä parantamalla. Kehityksen seurauksena tulisi materiaalinkäsittelyn henkilökuntaa pystyä siirtämään tuotannon tehtäviin. Aluksi selvitettiin tehtaan toiminta, tuotteet ja prosessit, jonka jälkeen tehtiin layoutsuunnitteluun liittyvien teorioiden avulla kvantitatiivisia ja kvalitatiivisia arviointeja materiaalivirroista. Arvioinneissa havaittiin layoutsuunnittelun kannalta tärkeät asiat sekä yhteydet osastojen/työpisteiden välillä, mikä oli lähtökohtana uudelle layoutsuunnitelmalle. Työ oli kaksivaiheinen. Ensimmäisessä vaiheessa kehitettiin tehtaan nykyisiä materiaalivirtoja muuttamalla nykyistä layoutia ja parantamalla materiaalinkäsittelyä. Muutos pyrittiin pitämään hyvin kevyenä ja nykyiseen layoutiin tehtiin kaksi perusratkaisua. Kummassakin perusratkaisussa saadaan koneiden siirroilla materiaalivirtojen kannalta tärkeät koneet etusijalle sekä lisää tarvittavaa varastotilaa. Lisätilan saaminen varastoille vähentää myös tarpeetonta materiaalinkäsittelyä. Toisessa vaiheessa suunniteltiin layout laajennettuun tehdastilaan. Ensisijaisena tavoitteena oli logistinen toimivuus. Laajennuksen layoutsuunnitelmassa määritettiin kvantitatiivisten ja kvalitatiivisten arviointien avulla osastojen paikat ja koot sekä mietittiin kunkin osaston yksityiskohtaisessa suunnittelussa huomioon otettavia asioita. Suunnitelma on lähtökohtana yksityiskohtaisille suunnitelmille. Tärkeää layoutin suunnittelussa ja toteuttamisessa on huomioida layoutin käyttäjien eli työntekijöiden mielipiteet.