Thermodynamical and mechanical modelling analysis of high-speed turbomachine rotors

摘要

Tässä väitöskirjassa tarkastellaan suurnopeustekniikan eri sovelluksissa ilmeneviäroottoreihin liittyviä rakenteellisia vaatimuksia ja haasteita. Tässä yhteydessä suurnopeustekniikallatarkoitetaan järjestelyä, jossa sähkökone (moottori, generaattori) jatoimilaite (turbiini, kompressori, puhallin) on kytketty ilman vaihdetta suoraan mekaanisestiyhteen ja jossa yhteisen roottorin pyörimisnopeus on selvästi suurempi kuin50/60 hertsin verkosta syötetyn kaksinapaisen vaihtovirtasähkökoneen tahtinopeus.Tyypillistä suurnopeuskoneen roottorille on suuri tehotiheys ja suuri mekaaninen kuormitus.Siksi esimerkiksi sähkökoneen jäähdytys on entistä haasteellisempaa kasvavienrautahäviöiden 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 kohtienjäähdytystä. Tähän liittyy sähkömagneettisten häviöiden keskittäminen jäähdytyksenkannalta edullisiin kohtiin Yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin mekaanisen rakenteen tarkastelukriittisten ominaistaajuuksien kannalta Yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin mekaanisen rakenteen analysointi lujuustekniseltäkannalta. Tähän liittyvät mm. erilaiset ahdistussovitteet ja niidensäilyminen korkeilla pyörimisnopeuksilla sekä niiden roottoria jäykistävä vaikutusja lämmön johtuminen kyseisissä liitospinnoissa.Tämän työn tieteellinen uutuusarvo on nimenomaan yhdistetyn sähkö- ja turbokoneenroottorin rakenteen analysointi ottamalla samanaikaisesti huomioon kaikki edellä mainitutnäkökohdat: jäähtyminen erityisen kuumissa kohdissa, sähköisten häviöiden alentaminenja niiden jakautuman huomioon ottaminen, roottorin jäykkyyden maksimointi,lujuusrasitusten hallinta ja rakenteen mekaaninen stabiliteetti sekä lämpöteknisten ylimenovastustentarkastelu.