Academic literature on the topic 'Ångmotor'

Fördjupningsarbetet har inriktats på analyser av inloppsventilen som ingår i ettutvecklingsarbete av en modern högpresterande ångmotor som företaget RANOTOR driver.Hårda krav ställs då höga temperaturer, extrema tryck och korta öppningstider återfinns isystemet.En studie över befintliga ventilmanövreringstekniker har gjorts där vissa tekniker har varitmer passande för denna applikation, t.ex. den teknik som det svenska företaget CARGINE harutvecklat. Här styrs ventilrörelsen genom att ett pilotsystem reglerar tryckluft och har somfördel att variabla öppningstider lätt kan åstadkommas.Vidare har en utredning om piezoelement gjorts, vilka skulle kunna implementeras iventilmanövreringens pilotsystem. Fördelen med dessa är den extremt snabba rörelse som kanåstadkommas.Bestämning av ventilens egenfrekvenser gjordes och resultatet blev, tillsammans med enanalys av frekvensinnehållet i ventilens rörelsemönster, att man troligen endast kommer attexcitera ventilens första egenfrekvens. Denna egenfrekvens är en transversell svängningsformsom exciteras vid 1500-1600 Hz beroende på val av ventilmaterial.Då osymmetriskt flöde av arbetsmediet kring ventilen troligast kommer uppkomma, gjordesen analys av hur en tvärkraft som angriper ventilen påverkar hålkantstrycket i kontaktenmellan ventil och ventilstyrning. Resultatet blev att när denna kraft närmade sig 10 N börjademan få alltför höga kontakttryck, och detta då ventilskaftet hade en diameter på 2 mm.2CFD är förkortningen av Computational Fluid Dynamics, och används för att numeriskt lösafluiddynamikproblem. Här görs ett försök att få en uppfattning om hur flödet beter sig runtventilen när den har öppnat och luften strömmar in i expansionsrummet. Domänen somanalyserats ficks genom att göra en sammanställning av ventilen och omkringliggandegeometrier i Solid Edge. Denna exporterades sedan till Ansys där analysen utfördes.När det gäller resultatet av den transienta analysen har bedömningen gjorts att resultatet inteär helt tillförlitligt utan endast ger in bild av vilken information, i form av bilder och grafer,en CFD-analys ger. Dom resultaten som fåtts visar att trycket efter 2.5 ms uppgår till ca 220Bar, och att det blir en osymmetrisk tryckfördelning runt ventilen som skapar radiellbelastning, samt att det redan tidigt bildas kraftig turbulens.
This project has been specialized upon analysis of the intake valve that is a component in amodern high efficient steam engine that is developed by RANOTOR. A difficult environmentwas specified, such as high temperatures, extreme pressures and short open time.A study of the existing techniques for maneuvering a valve was done where very commonused techniques and more special applications was described and compared. The Swedishcompany CARGINE develops the best fitting technique for the steam engine application. Themovement of the valve is created and controlled by compressed air indirectly by a pilotsystem. Its advantage is in the easy controlled open time of the valve.The world of piezo crystals has also been investigated. Stacks of crystals can be used to createthe motions in the pilot system, from an electrical signal to a mechanical. The advantage inthe piezo technique lies in the extremely fast movements that could be created.The valves lowest eigenfrequencys was calculated and together with the frequency content ofthe valves motion pattern, has it been determined that only the first eigenfrequency is likely tobe set in motion. This eigenfrequency is set in motion at the frequency of 1500-1600 Hzdepending of the valve material.When there’s probably going to be unsymmetrical gas flow around the valve, there going tobe a force crossways the valve. An analysis was made to understand when this force wasgoing to create a problem in the contact between the valve and its surrounding component.The result was that when the magnitude of this force came close to 10 N, problems wasdetected in the contact. The calculations were made with a valveshaft diameter of 2 mm.To solve the fluid dynamic problem, CFD with Ansys has been used. CFD is a shortening ofComputational Fluid Dynamics and is a numerical solution of the flows, pressures and muchmore witch was less interesting for us. What we were after in this analysis was how the flows4and the pressure was acting around the valve when it was at it most open position. Thegeometry that was analyzed was created with Solid Edge and then imported into Ansys.Concerning the result from the CFD analysis did we come to the conclusion that those resultsweren’t completely accurate. However they do give us a hint of what can come as a result in adeeper and more accurate analysis. Our results show that after 2.5 ms has the pressure raisedto 220 Bar, and that an unsymmetrical pressure is affecting the valve, which creates a radialforce. Also has we shown that even early in the analysis there’s strong turbulence in the steamflows.

This report is a bachelor thesis at Karlstad University in collaboration with Invencon AB and Ranotor AB. The goal was to analyze a rotating valve leading water vapor through an inlet and five outlets. The quantifiable results that were addressed in this project are the mass flow through the outlets and the forces affecting the valve and its shaft (primarily radial forces). The tools used for this project are PTC Creo and ANSA for modelling and mesh as well as ANSYS-CFX and Matlab for computational help. The results show that the specified rotational speed of 4600 rpm doesn’t work for this model. The rotational speed was chosen because of an interest in this specific operating condition. A 3 mm radial gap between the rotating valve and the valve housing proved to cause a leakage in the form of pressure loss inside the valve. The boundary conditions that were laid out for this project are not valid for this operating condition. Since the difference in pressure is large (100 down to 1 bar) the flow is choked. A large difference in pressure also makes it important to adjust the total area of the outlets, since the pressure drop affects the density of the vapor. The forces on the rotating valve that were calculated (using ANSYS-CFX) create a foundation for choosing bearings for the valve. If the construction is modified, and/or the rotating valve will operate at a different rotational speed these forces will be subject to change.
Denna rapport är ett examensarbete på Karlstads Universitet i samband med Invencon AB och Ranotor AB. Målet var att analysera en roterande ventil som leder trycksatt vattenånga via ett inlopp och ut genom fem olika utlopp. De kvantifierbara resultaten som söktes var massflödet ut ur utloppen och krafterna som påverkar ventilen och axeln (främst radiellt). Verktyg som har använts för att analysera ventilen är PTC Creo och ANSA för modellering och mesh, samt ANSYS-CFX och Matlab för beräkningshjälp. Resultaten tyder på att det valda varvtalet, 4600 rpm, inte fungerar så bra. Varvtalet valdes pågrund av att man var intresserad av driftsfallet. Ett 3 mm radiellt avstånd mellan ventil ochventilhus visade sig även ge läckage i form av tryckfall inuti ventilen. Randvillkoren som är specificerade är inte giltiga vid detta driftsfall. Eftersom tryckförhållandet är så högt (100 till 1 bar) så är flödet chokat. Stor tryckskillnad gör det viktigt att anpassa arean på utloppen, då tryckfall påverkar densiteten. Krafterna på den roterande ventilen som beräknades (i ANSYS-CFX) är ett underlag vid val av lager för ventilen. Om konstruktionen modifieras, och/eller ventilen kommer att användas vid ett annat varvtal så kommer dessa krafter att ändras.

A novel compact steam engine design could be used to replace current combustion engines in the rapidly changing world of renewable energy. Especially with the increased research into alternative fuels such as hydrogen fuel cells and methane, which would vastly improve the efficiency of a steam engine. The thesis focuses on a rotating valve chamber, which is made up of an actuating mechanism, a sealing mechanism, a rotating valve, and its housing. The modern steam engine cannot operate on conventional oil lubrication because it would degrade and clog the steam engine’s micro tubes, making it even more complex due to the rise of tribological issues. As a result, the most difficult challenge is selecting compatible materials for the components in this chamber, which is also subjected to temperatures of 450 degrees Celsius and pressures of up to 25 MPa. In order for the shaft to translate and rotate at the same time, an actuating mechanism was required. Finally, a sealing solution that can withstand the harsh conditions. As a result, a material research followed by material testing using a test rig yielded comparable results across a laser microscope. Furthermore, the actuating mechanism was designed in Solid edge, and structural analysis was conducted in Ansys that was used to validate the optimizations. For ease of understanding, the final design was 3D printed.
En ny kompakt ångmotordesign kan användas för att ersätta nuvarande förbränningsmotorer i den föränderliga energins snabbt föränderliga värld. Särskilt med den ökade forskningen om alternativa bränslen som vätebränsleceller och metan, vilket skulle förbättra effektiviteten hos en ångmotor. Avhandlingen fokuserar på en roterande ventilkammare, som består av en manövreringsmekanism, en tätningsmekanism, en roterande ventil och dess hus. Den moderna ångmotorn kan inte fungera med konventionell oljesmörjning eftersom den skulle försämra och täppa till ångmaskinens mikrorör, vilket gör den ännu mer komplex på grund av uppkomsten av tribologiska problem. Som ett resultat är den svåraste utmaningen att välja kompatibla material för komponenterna i denna kammare, som också utsätts för temperaturer på 450 grader Celsius och tryck på upp till 25 MPa. För att axeln skulle översättas och rotera samtidigt krävdes en manövreringsmekanism. Slutligen en tätningslösning som tål de hårda förhållandena. Som ett resultat gav en materialforskning följt av materialtestning med en testrigg jämförbara resultat över ett lasermikroskop. Vidare utformades manövreringsmekanismen i Solidedge, och strukturanalys utfördes i Ansys som användes för att validera optimeringarna. För att underlätta förståelsen var den slutliga designen 3D ­tryckt.

Denna studie gick ut på att utveckla roterande komponenter i en modern högvarvig ångmotor. Den moderna ångmotorn utvecklas för att ta vara på outnyttjade resurser i form av varma avgaser från industrier och transporter. Vid användning av den moderna ångmotorn främjar det till en hållbar utveckling. Synkroniseringen av ångmotorn ske med hjälp av en kuggkonstruktion. Studien har utgått från Set-based concurrent engineering (SBCE). Syftet med studien är att ta fram en konstruktionslösning på de roterande komponenterna i ångmotorn med hjälp av konceptgenerering och koncepteliminering. Vid dimensionering på kuggkonstruktionen görs en undersökning med hjälp av ett program för beräkning på de kraven som ställs på ångmotorn. Studien resulterade i att olika delkoncept har tagits fram som är intressanta för de roterande komponenterna i ångmotorn för vidare utveckling. Dimensionering av kuggkonstruktionen gjordes med hjälp av programmet.

I detta projekt har en kolvstång i en axialkolvmotor utretts i ett hållfasthetstekniskt syfte. En modell har ställts upp och simulerats med hjälp av ett FEM-program. Problemet har även analyserats analytiskt för att kunna verifiera datormodellen. Uppgiften har varit att utreda hur kolvstångens beteende påverkas när man varierar givna designparametrar. Detta gjordes med en statistisk försöksplanering. Parametrarna somvarierades var: • Snedställningsvinkeln, φ, mellan 1 till 10 grader, Figur 2 • Längden på stången, L, mellan 0.1 till 0.3 m, Figur 2 • Materialets E-modul mellan 180 till 230 GPa • Radien på kulorna i varje ände av stången, R, mellan 16.5 till 33 mm, Figur 2 Responserna som undersöktes: • Kontakttryck • Spänning (von Mises) • Egenfrekvens • Knäcklast • Styvhet Slutsatserna som drogs: • För att minimera kontakttrycket öka radien på kulorna. • För att minimera böjspänningen minimera snedställningsvinkeln. • För att höja den lägsta egenfrekvensen korta ner stången och minska radien på kulorna. • För att öka knäcklasten korta ner stången. • För att öka stångens styvhet korta ner längden och öka radien på kulorna.
In this project the piston rod originating form an axial piston engine has been evaluated from a solid mechanical point of view. A model has been created and tested using an advanced FEM-programme. To verify its authenticity analytical expressions has also been calculated to cross-reference. The projects main purpose was to find out how the piston rod’s response depended on a set of different design parameters. This was done with design of experiment. The parameters that were tested were: • General offset angle, φ, for the rod during stress between 1 to 10 degrees, Figure 2 • Length of the rod, L, between 0.1 to 0.3 m, Figure 2 • The material’s young’s modulus between 180 to 230 GPa • Radius of the sphere at each end of the rod, R, between 16.5 to 33 mm, Figure 2 The responses that were examined were: • Contact pressure • Stress (von Mises) • Eigen frequency • Buckling load • Stiffness The conclusions from the results were: • To minimize the contact pressure increase the radius of the spheres. • To minimize the bending stress minimize the offset angle. • To elevate the lowest Eigen frequency shorten the length and decrease the radius of the spheres. • To increase the buckling load shorten the length of the rod. • To increase the rod’s stiffness shorten the length of the rod and increase the radius of the spheres.

Detta projekt har haft som mål att skapa en datormodell av en modern kompakt ångmotor avaxialkolvtyp. Ångmotorn är tänkt att sitta i anslutning till grenröret på t.ex. en dieselmotor i en lastbil. Värmen som dieselmotorn utvecklar då den körs tas till vara på och används för att värma upp vattenånga. Vattenångan leds in i ångmotorn och kan tillföra extra effekt till lastbilen. Detta kallas för BC-hybridteknik (Bottoming Cycle), att kombinera flera termodynamiska cykler. Arbetet startades med att en faktainsamling angående ångmotorns historia och dess bakgrund gjordes. Därefter analyserades axialkolvmotorns uppbyggnad och funktion för att få förståelse för relevanta relationer och dimensioner. Ångmotorn har först modellerats som en parametriserad modell i Solid Edge för att sedan exporteras som en parasolid-fil till MSC.ADAMS. ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) är ett så kallat dynamiskt MBS-program (Multibody System). Modellen är delvis parametriserad i ADAMS då massor och tröghetsmoment kan ändras enkelt, däremot måste längder och andra dimensioner ändras i Solid Edge för att ånyo importera modellen till ADAMS. För att validera modellens korrekthet har två test gjorts, dels har det kontrollerats att vevaxelns utgående moment är noll då vevaxeln roteras med konstant hastighet och inga krafter appliceras. Den andra verifieringen är att det utgående momentet som plockas ut på vevaxeln är oberoende av vilken rotationshastighet som vevaxeln har. Ur simuleringsmodellen har i första hand tre resultat jämförts med tidigare analytiskt gjorda beräkningar. Ett av de kontrollerade resultaten är vevaxelns utgående moment, dvs. arbetet som ångmotorn utför, ur modellen ficks ett värde på 348 Nm jämfört med det analytiska 310Nm. De andra resultaten redovisas i grafer vilka återfinns i rapportens resultatdel. Avslutningsvis diskuteras den valda metoden och resultaten.
The goal of this project has been to create a computer generated model of a compact steam engine. The steam engine is supposed to be fitted in close connection to the exhaust manifold on e.g. a diesel engine in a heavy duty truck. The large amount of heat that the combustion engine produces while it is in use will be used to heat water to hot steam. The steam will be used in the steam engine to add extra power to the truck. This type of hybrid technique is called BC, Bottoming Cycle, in other words, to combine more than one thermodynamic cycle. The work started with a process to learn about the history and background of the steam engine. Thereafter the engines technical build up and function was studied to get an understanding of relevant relations and dimensions. The steam engine has first been modelled as a parametric model in Solid Edge, to later on be imported in MSC.ADAMS as a parasolid-file. ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) is a so called dynamic MBS-program (Multibody System). The steam engine model is partly parameterised in ADAMS due to that masses and moments of inertia can be changed, but dimensions and lengths must be changed in Solid Edge to yet again be imported to ADAMS. To validate that the model is correct two tests have been made, firstly it has been checked that the engines shaft out take is zero when the shaft is rotating at constant velocity but no forces are applied. The second verification is that the torque is independent regarding to the rotational speed of the engine shaft. From the simulation model three results has been compared to previously analytic made calculations. One of the measured results is the torque of the engine shaft, in other words the usable work that the engine produces. The resulting torque in the model was 348 Nm compared to the analytic value of 310 Nm. The other results are displayed in plots under the result section. In the last part the method used and the results acquired is discussed.