Mekaanisen potkurilaitteen sisäisten tehohäviöiden analysointi
Valkeisenmäki, Otto (2016)
2016
Konetekniikan koulutusohjelma
Teknisten tieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2016-11-09
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201610124591
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201610124591
Tiivistelmä
Työn tavoitteena oli löytää kaavat ja laskentatapa, joiden pohjalta on mahdollista tehdä mekaanisia azimuth-potkurilaitteita valmistavalle Steerprop Oy:lle heidän nykyistä tehohäviölaskentatapaansa tarkempi ja luotettavampi laskentapohja. Lisäksi työssä tutkittiin potkurilaitteiden hyötysuhteen parantamista voitelun avulla. Suurin osa työstä on laskentamallin tekoa ja sen luotettavuuden tarkastelua.
Uusi laskenta tehtiin Mathcadillä. Sen teossa hyödynnettiin myös olemassa olevia Excel-tuloksia. Laskenta pyrittiin tekemään niin, että sillä pystytään laskemaan erityyppisten laitteiden häviöt niin kuormattomassa koeajossa kuin kuormanalaisenakin. Kirjallisuuden ja olemassa olevien julkaisujen pohjalta selvitettiin laskennan kannalta merkitsevät häviölähteet. Koeajossa vallitsevat häviöt syntyvät laakereissa ja hammaspyörien vatkatessa voiteluainetta. Kuormanalaisena myös hammaspyörien kosketuksen häviö on merkityksellisen suuri.
Laakereiden tehohäviö laskettiin SKF:n tekemällä laskentamallilla. Olemassa olevat ja työn aikana tehdyt tehohäviömittaukset olivat merkittävässä osassa laskentapohjan teossa ja sen toimivuuden tarkastelussa. Laakerilaskennan toimivuutta tarkasteltiin painevoidellun laitteen mittaustuloksien avulla. Osittain uppovoideltujen laitteiden tehohäviömittauksista saatiin vatkaushäviölle vertailuarvo, kun mitatusta tehosta vähennettiin potkurin ottoteho ilmassa ja SKF:n mallilla laskettu laakerihäviö. Vatkaushäviön vertailuarvolle pystyttiin muodostamaan kaava.
Laskennan toimintaa tarkasteltiin pääasiassa neljällä uppovoidellulla laitteella. Mittaustuloksia ja laskennasta saatuja arvoja vertaamalla havaittiin, että laskenta toimii hyvin nimelliskierrosnopeudella ja mitoituslämpötilassa. Laskennan käyttäytymistä kierrosnopeuden ja lämpötilan suhteen voidaan pitää onnistuneena, etenkin kun huomioi vatkaushäviön haasteellisen ennustamisen. Tehdyn vatkaushäviökaavan hyvänä puolena voidaan pitää sen päivitettävyyttä tulevaisuudessa mittausdatan kertyessä.
Tehdyn laskennan avulla pystyttiin tutkimaan, miten tehohäviöt käyttäytyvät, kun osittain uppovoidellun laitteen voiteluaineen pinnankorkeutta lasketaan kohti painevoidellun laitteen pinnankorkeutta. Laskenta mahdollistaa nykyisten osittain uppovoideltujen laitteiden painevoidelluksi muuttamisen hyödyn tarkastelemisen. Lisäksi suunnitteilla olevan laitteen häviöt voidaan laskea kohtalaisella tarkkuudella, vaikkei laitteelle olisikaan referenssilaitetta. Monet ilmiöt ja asiat huomioiva laakerihäviömalli mahdollistaa myös häviöiden tarkastelun eri laakeriratkaisujen välillä.
Uusi laskenta tehtiin Mathcadillä. Sen teossa hyödynnettiin myös olemassa olevia Excel-tuloksia. Laskenta pyrittiin tekemään niin, että sillä pystytään laskemaan erityyppisten laitteiden häviöt niin kuormattomassa koeajossa kuin kuormanalaisenakin. Kirjallisuuden ja olemassa olevien julkaisujen pohjalta selvitettiin laskennan kannalta merkitsevät häviölähteet. Koeajossa vallitsevat häviöt syntyvät laakereissa ja hammaspyörien vatkatessa voiteluainetta. Kuormanalaisena myös hammaspyörien kosketuksen häviö on merkityksellisen suuri.
Laakereiden tehohäviö laskettiin SKF:n tekemällä laskentamallilla. Olemassa olevat ja työn aikana tehdyt tehohäviömittaukset olivat merkittävässä osassa laskentapohjan teossa ja sen toimivuuden tarkastelussa. Laakerilaskennan toimivuutta tarkasteltiin painevoidellun laitteen mittaustuloksien avulla. Osittain uppovoideltujen laitteiden tehohäviömittauksista saatiin vatkaushäviölle vertailuarvo, kun mitatusta tehosta vähennettiin potkurin ottoteho ilmassa ja SKF:n mallilla laskettu laakerihäviö. Vatkaushäviön vertailuarvolle pystyttiin muodostamaan kaava.
Laskennan toimintaa tarkasteltiin pääasiassa neljällä uppovoidellulla laitteella. Mittaustuloksia ja laskennasta saatuja arvoja vertaamalla havaittiin, että laskenta toimii hyvin nimelliskierrosnopeudella ja mitoituslämpötilassa. Laskennan käyttäytymistä kierrosnopeuden ja lämpötilan suhteen voidaan pitää onnistuneena, etenkin kun huomioi vatkaushäviön haasteellisen ennustamisen. Tehdyn vatkaushäviökaavan hyvänä puolena voidaan pitää sen päivitettävyyttä tulevaisuudessa mittausdatan kertyessä.
Tehdyn laskennan avulla pystyttiin tutkimaan, miten tehohäviöt käyttäytyvät, kun osittain uppovoidellun laitteen voiteluaineen pinnankorkeutta lasketaan kohti painevoidellun laitteen pinnankorkeutta. Laskenta mahdollistaa nykyisten osittain uppovoideltujen laitteiden painevoidelluksi muuttamisen hyödyn tarkastelemisen. Lisäksi suunnitteilla olevan laitteen häviöt voidaan laskea kohtalaisella tarkkuudella, vaikkei laitteelle olisikaan referenssilaitetta. Monet ilmiöt ja asiat huomioiva laakerihäviömalli mahdollistaa myös häviöiden tarkastelun eri laakeriratkaisujen välillä.