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.

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.

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.

In this thesis a method for determining optimal dead space in an axial-type expander is developed. The axial-type expander in question is for use in a steam engine, a environmental friendly and fuel-agnostic alternative to the ICE-engine. Optimal dead space is of importance as an increase in the dead space lowers the efficiency of the engine, however, is needed to ensure operation of expander as the piston could otherwise collide with the expander chamber top surface. The model for determining the optimal dead space in this thesis is based on vectorial tolerance models used for kinematic assemblies, and include the effect of thermal expansion, clearances at joints, manufacturing tolerances and deformations. With resulting tolerances and safety factors, a safe position of the expansion chamber top surface can then be established by Monte Carlo analysis. With input of design variables and the effect from factors mentioned and their effect on the minimal safe distance is calculated using the model in this thesis. From numerical analysis, the factors having the most contribution on the dead space are concluded to be thermal expansion of piston and piston rod, dimensional manufacturing tolerances of piston and piston rod, clearance at ball joints, axial clearance at shaft and bending of Z-shaft. / I detta examensarbete har en metod för att bestämma det optimala avståndet mellan kolv och expansionskammarens högsta yta tagits fram. Axial-kolvmotorn avses för bruk i en ångmotor, ett miljövänligt alternativ till bensin och dieselmotorer som kan drivas med många drivmedel, t.ex. biomassa. Att bestämma detta optimala avstånd är viktigt eftersom en ökning i detta avstånd minskar motorns effektivitet. Dock behövs ett visst avstånd för att säkerställa att ingen kontakt mellan de två ytorna sker under drift. Modellen framtagen i detta examensarbete baserar sig på tolerans analys-modeller med vektorer som används för mekanismer under rörelse. I denna modell inkluderas effekten av termisk expansion, glapp i kontakt mellan komponenter, tillverkningstoleranser och deformationer på kolvens rörelse. Med hjälp av resulterande toleranser och säkerhetsfaktorer kan genom Monte Carlo simulationer ett optimalt avstånd mellan kolv och expansionkammaren bestämmas. Genom inmatning av designvariabler och undersökta effekter kunde genom numerisk analys konstateras att de viktigaste parametrarna att undersöka med störst effekt på axial-kolvmotorn var termisk expansion av kolv och kolvstång, dimensionella toleranser av kolv och kolvstång, glapp i kul-kontakter, axial rörelsefrihet vid kulled och böjning av Z-axel.

The topic of this thesis is the designing of two load bearing surfaces in a modern high-speed steam expander. One of the surfaces is a synchronizing gear structure and the other a conical surface. The goal besides the design is to calculate the contact pressure these surfaces experience during operation. This is achieved by using a machine element design software called KISSsoft for the gear’s more complex geometry. The design process for the conical surfaces is based on analytical calculations that utilizes Hertzian contact theory and the contact pressures the designs amount to is investigated by the use of FEA. The designing process used for the surfaces with regards to placement and geometry resulted in two different concepts. The main difference between the two resulting concepts were how the surfaces were located relative to each other. The gear structure for both concepts were so-called spiral bevel gears, which are conical gears with spiral teeth. The conical surfaces of each concept utilizes crowing of one of the surfaces. The crowing was deemed as a necessary design detail and the magnitude of the crowning radius was used to control the resulting contact pressure. / Ämnet för denna avhandling är utformningen av två lastbärande ytor i en högvarvig modern ångmotor. En av ytorna är en synkroniserande kuggkonstruktion och den andra en konisk yta. Målet förutom utformningen är att beräkna det kontakttryck som dessa ytor upplever under drift. Detta uppnås genom att använda en mjukvara som är specialiserat på design av maskinelement som heter KISSsoft för kuggkonstruktionens mer komplexa geometri. Designprocessen för de koniska ytorna är baserad på analytiska beräkningar som använder Hertz kontaktteori och kontakttrycken i dessa ytor undersöks närmare med hjälp av FEA. Designprocessen som användes for placeringen av ytorna men också deras geometri resulterade i två vinnande koncept. Den största skillnaden mellan dessa koncept var hur ytorna är placerade relativt till varandra. Kuggkonstruktionen var för båda koncepten koniska kuggväxlar med spiralformade tänder. De koniska ytorna for båda koncepten använde bombering av en av ytorna. Bomberingen ansågs som ett nödvändigt detalj i utformningen and dess krökningsradie kunde användas för att kontrollera kontakttrycket mellan ytorna.

This thesis aims to investigate the coefficient of friction between steel on steel contacts with the addition of solid lubricants such as h-BN, WS2, MoS2 in powder form, in dry conditions and wet conditions. More specifically, the purpose is to enhance the sliding between the piston rings and cylinder block in a modern high temperature steam engine developed by RANOTOR. The friction test was carried out as a linear sliding test with determined loads and sliding speed. Hertzian contact theory was deployed to calculate contact pressure and shear stresses to make sure the contact was elastic, alternatively plastic. It was found that WS2 and  MoS2 lowered the coefficient of friction quite heavily in dry conditions, acting as a thin protective-lubricating film. h-BN performed rather poorly, increasing the coefficient of friction. In a water slurry, none of the powders managed to decrease the COF due to the particles not interacting with the surfaces.The solid lubricants tested should be further tested as coatings since they acted like it in dry conditions. / Denna rapport syftar till att undersöka friktionskoefficienten i stålkontakter med tillsats av fasta smörjmedel som  h-BN, WS2, MoS2 i pulverform, under torra och våta förhållanden. Mer specifikt är syftet att förbättra glidningen mellan kolvringarna och insidan av cylindern i en modern högtemperatur-ångmotor utvecklad av RANOTOR. Friktionstestet genomfördes som ett linjärt glidtest med bestämda belastningar och glidhastighet. Hertzian-kontaktteorin användes för att beräkna kontakttryck och skjuvspänningar för att säkerställa att kontakten var elastisk alternativt plastisk. Det visade sig att WS2och MoS2 kraftigt sänkte friktionskoefficienten under torra förhållanden genom att agera som en tunn skyddande-smörjfilm. h-BN presterade dåligt och ökade friktionskoefficienten. I vattenblandning lyckades inget av pulverna minska friktionskoefficienten eftersom partiklarna inte interagerade med ytorna. De testade fasta smörjmedlen bör vidare testas som beläggningar eftersom de fungerade som dessa under torra förhållanden.

In this thesis, the aim is to study possible tribo-materials for a rotating inlet valve and to find a suitable material combination for the contact. The valve is part of a modern oil-free and high temperature steam engine. Systematic material selection together with tribological tests and wear analyses are performed. The metals Nitronic 60 and Stellite 6B are tested as self-mated metals, and run against graphite. None of these combinations are found suitable. However, the tests show carbon-based materials to be promising. After further study another carbon-based material, antimony impregnated mechanical carbon is selected as valve seat. For the mating part valve distributor, the material ZrO2-MgO is selected. This tribo-pair has shown friction and wear in the same interval as oil-lubrication. The friction and wear are 50% respectively 10% of the second best tribo-pair found in this thesis. The valve seat material is realizable if supported by a valve block of a Ni-resist cast iron with thermal expansion similar to the valve seat. Lastly a redesign of the valve distributor is suggested to comply with ceramic design guidelines. / Målet med denna rapport är att studera möjliga tribo-material för en roterande inloppsventil och att hitta en lämplig materialkombination för kontakten. Ventilen är en del av en modern oljefri och högtempererad ångmotor. Ett systematiskt materialval tillsammans med tribologiska tester och nötningsanalyser utförs. Metallerna Nitronic 60 och Stellite 6B testas dels mot sig själva, och dels mot grafit. Ingen av dessa kombinationer finns lämplig. Testerna visar dock att kolbaserade material är lovande och eftervidare studier är ett annat kolbaserat material, antimonimpregnerat mekaniskt kol, väljs till ventilsätet. Till motytan till ventilsätet, ventilfördelaren, väljs materialet ZrO2-MgO. Detta tribo-par har visat friktion och nötning i samma intervall som oljesmörjning. Friktionen och nötningen är 50 % respektive 10 % av det näst bästa tribo-paret som hittats i denna avhandling. Ventilsätets material är realiserbart om det stöttas i ett ventilblock av ett ”Ni-resist” gjutjärn med en värmeexpansion som liknar ventilsätets. Slutligen föreslås en omkonstruktion av ventilfördelaren för att uppfylla riktlinjerna för keramisk konstruktion.