<p><p>The thesis project is accomplished during winter and spring 2008 at Karlstad University at the faculty of technology and science. The tutor at Karlstad University is Nils Hallbäck and the examiner is Hans Johansson. Rolls-Royce at Kristinehamn in Sweden is the initiator for the project. The thesis project title is design of the blade bolt joint on Kamewa CPP. CPP stands for controllable pitch propeller. The study include two main aspects which are to analyze if the blade bolt joint which is used today can be applied on a larger propeller and if there are better solutions or other possibilities to join the blade to the hub. First the classification rules of some institutes were studied to find out which limitations there are. Bolted joint has to exceed a minimum bending strength and the bolts have to be made out of steel and their strength has to be at least 10.9. Today Rolls-Royce use ten bolts per propeller, five on each side of the blade. To analyze the strength of the blade bolt joint connection a FEM and an analytic analyze were made and the results compared with each other. Two cases were examined, one for drift and two when hitting an iceberg. The results were similar to each other for FEM and the analytic analyze. At drift all bolts were under the tensile strength of 750 MPa but when using ice loads some bolts started to deform. A new concept for the bolt connection was tested. Again the stress in the bolts stayed under the tensile strength at drift but deformed when applying ice loads. A difference between analytical and FEM analysis was that the stress difference between the bolts were minor in the FEM method. Another concept was only studied with FEM and it had a geometric locking devise combined with the same blade bolt connection as Rolls-Royce use today. At drift the locking devise didn’t support the connection much but when applying ice loads less bolts started to deform and less material in the bolts reached the tensile limit. All three concepts showed stress concentrations at the first two or three threads. The differences between the three concepts weren’t that large and to get better results other possibilities have to be considered. It is important to know how much torque has to be applied on the screw to get the right amount of pretension. Three aspects to consider are to apply the torque without getting any torsion in the screw, to lower the moment with the right coating or lubricant and to avoid the stress concentrations at the threads. Superbolts and clampnuts are two possibilities to avoid torsion in the screws. By using screw thread inserts or tension optimized threads the stress in the thread gets optimized and a coating or lubricant with a low friction coefficient will lower the torque. Three possible solutions are suggested.</p></p> / <p><p>Examensarbetet har utförts på fakulteten för teknik och naturvetenskap under vintern och våren 2008 och är en kurs på 22,5 hp med kurskoden MSGC 17. Handledare på Karlstads universitet är Nils Hallbäck och examinator är Hans Johansson. Rolls-Royce i Kristinehamn är uppdragsgivaren till examensarbetet. Uppgiften är att dimensionera ett bladförband till en stor Kamewa Ulstein CP-propeller. Frågeställningen som ska besvaras är om det går att använda dagens förband och undersöka om det finns bättre alternativ eller andra lösningar på problemet. Det finns inga ritningar på den storleken av propellrar som förbandet ska göras till. Därför måste man skala upp mått från mindre propellrar. Propellerdiameter är 7,7 meter och bladet med fot väger 10 ton efter skalningen. Förbandet ska klara av DNVs (Det Norske Veritas) klassificeringskrav för böjmotstånd och förbandet dimensioneras därefter. För dagens förband behövs det mycket stora skruvar för att klara klassificeringskravet. En analytisk och en FEM-analys genomfördes för att det inte finns något material att jämföra med. Krafter som måste betraktas är centrifugalkraften, tyngdkraften, framdrivningskraften från vattnet samt en isbelastning vid kollision med ett isberg. Framdrivningskraften varierar med 20 % när propellern passerar skrovet. Resultaten från analyserna gav att dagens förband klarar belastningarna vid drift, dock att bultarna börjar deformeras vid belastning med iskraften. I den analytiska analysen antar man att alla delar (bladfot, fläns och nav) är stela och inte deformeras. Dessutom tar man inte hänsyn till böjpåkänningarna som uppstår i skruvarna. Detta tas med i FEM-analysen samt att man räknar med olinjära materialsamband. Därför uppstår det stora spänningsskillnader, upp till 210 MPa, i bultarna vid FEM-analysen vilket inte sker vid de analytiska beräkningarna. Ett antal koncept genererades och två av dessa analyserades närmare. Båda koncepten är optimerade för centrifugalkraften eftersom den utgör den största belastningen under drift om man bortser ifrån förspänningen. Koncept 1 är ett förband som består av 16 bultar per propeller med tre olika storlekar. Enligt FEM analysen fås en jämnare spänningsfördelning över skruvarna än med dagens förband, medan den analytiska metoden ger ungefär samma fördelning som vid dagens förband. Alla skruvar håller sig under sträckgränsen vid drift. Vid isbelastningen uppnås sträckgränsen i många av de mindre skruvarna och skruvarna börjar deformeras plastiskt. I detta avseende stämmer den analytiska lösningen och FEM-analysen överens. Skillnaden är att den analytiska beräkningen visar större spänningsvariation bland skruvarna dvs. att den största och minsta spänningen hos bultarna är högre än vid FEM-beräkningarna. Det andra konceptet som analyserades närmare består av en formlåsning som sitter under bladet tillsammans med samma skruvar som används vid dagens förband. Vid drift märks knappt någon skillnad. Vid isbelastningen så tar formlåsningen dock upp mer spänning och avlastar skruvarna. Färre skruvar deformeras plastiskt. Det finns möjligheter att använda sig av redan befintliga lösningar som Superbolts, clampnuts och andra verktyg. Det som är avgörande för förbandets funktion är ett korrekt åtdragningsmoment. Positivt är att samtidigt kunna förspänna skruvarna utan torsion. En lösning är att ytbehandla skruvarna med en beläggning med känd friktionskoefficient.</p><p>Tre lösningsförslag har tagits fram som ger ett bättre resultat än dagens förband.</p></p>

The thesis project is accomplished during winter and spring 2008 at Karlstad University at the faculty of technology and science. The tutor at Karlstad University is Nils Hallbäck and the examiner is Hans Johansson. Rolls-Royce at Kristinehamn in Sweden is the initiator for the project. The thesis project title is design of the blade bolt joint on Kamewa CPP. CPP stands for controllable pitch propeller. The study include two main aspects which are to analyze if the blade bolt joint which is used today can be applied on a larger propeller and if there are better solutions or other possibilities to join the blade to the hub. First the classification rules of some institutes were studied to find out which limitations there are. Bolted joint has to exceed a minimum bending strength and the bolts have to be made out of steel and their strength has to be at least 10.9. Today Rolls-Royce use ten bolts per propeller, five on each side of the blade. To analyze the strength of the blade bolt joint connection a FEM and an analytic analyze were made and the results compared with each other. Two cases were examined, one for drift and two when hitting an iceberg. The results were similar to each other for FEM and the analytic analyze. At drift all bolts were under the tensile strength of 750 MPa but when using ice loads some bolts started to deform. A new concept for the bolt connection was tested. Again the stress in the bolts stayed under the tensile strength at drift but deformed when applying ice loads. A difference between analytical and FEM analysis was that the stress difference between the bolts were minor in the FEM method. Another concept was only studied with FEM and it had a geometric locking devise combined with the same blade bolt connection as Rolls-Royce use today. At drift the locking devise didn’t support the connection much but when applying ice loads less bolts started to deform and less material in the bolts reached the tensile limit. All three concepts showed stress concentrations at the first two or three threads. The differences between the three concepts weren’t that large and to get better results other possibilities have to be considered. It is important to know how much torque has to be applied on the screw to get the right amount of pretension. Three aspects to consider are to apply the torque without getting any torsion in the screw, to lower the moment with the right coating or lubricant and to avoid the stress concentrations at the threads. Superbolts and clampnuts are two possibilities to avoid torsion in the screws. By using screw thread inserts or tension optimized threads the stress in the thread gets optimized and a coating or lubricant with a low friction coefficient will lower the torque. Three possible solutions are suggested. / Examensarbetet har utförts på fakulteten för teknik och naturvetenskap under vintern och våren 2008 och är en kurs på 22,5 hp med kurskoden MSGC 17. Handledare på Karlstads universitet är Nils Hallbäck och examinator är Hans Johansson. Rolls-Royce i Kristinehamn är uppdragsgivaren till examensarbetet. Uppgiften är att dimensionera ett bladförband till en stor Kamewa Ulstein CP-propeller. Frågeställningen som ska besvaras är om det går att använda dagens förband och undersöka om det finns bättre alternativ eller andra lösningar på problemet. Det finns inga ritningar på den storleken av propellrar som förbandet ska göras till. Därför måste man skala upp mått från mindre propellrar. Propellerdiameter är 7,7 meter och bladet med fot väger 10 ton efter skalningen. Förbandet ska klara av DNVs (Det Norske Veritas) klassificeringskrav för böjmotstånd och förbandet dimensioneras därefter. För dagens förband behövs det mycket stora skruvar för att klara klassificeringskravet. En analytisk och en FEM-analys genomfördes för att det inte finns något material att jämföra med. Krafter som måste betraktas är centrifugalkraften, tyngdkraften, framdrivningskraften från vattnet samt en isbelastning vid kollision med ett isberg. Framdrivningskraften varierar med 20 % när propellern passerar skrovet. Resultaten från analyserna gav att dagens förband klarar belastningarna vid drift, dock att bultarna börjar deformeras vid belastning med iskraften. I den analytiska analysen antar man att alla delar (bladfot, fläns och nav) är stela och inte deformeras. Dessutom tar man inte hänsyn till böjpåkänningarna som uppstår i skruvarna. Detta tas med i FEM-analysen samt att man räknar med olinjära materialsamband. Därför uppstår det stora spänningsskillnader, upp till 210 MPa, i bultarna vid FEM-analysen vilket inte sker vid de analytiska beräkningarna. Ett antal koncept genererades och två av dessa analyserades närmare. Båda koncepten är optimerade för centrifugalkraften eftersom den utgör den största belastningen under drift om man bortser ifrån förspänningen. Koncept 1 är ett förband som består av 16 bultar per propeller med tre olika storlekar. Enligt FEM analysen fås en jämnare spänningsfördelning över skruvarna än med dagens förband, medan den analytiska metoden ger ungefär samma fördelning som vid dagens förband. Alla skruvar håller sig under sträckgränsen vid drift. Vid isbelastningen uppnås sträckgränsen i många av de mindre skruvarna och skruvarna börjar deformeras plastiskt. I detta avseende stämmer den analytiska lösningen och FEM-analysen överens. Skillnaden är att den analytiska beräkningen visar större spänningsvariation bland skruvarna dvs. att den största och minsta spänningen hos bultarna är högre än vid FEM-beräkningarna. Det andra konceptet som analyserades närmare består av en formlåsning som sitter under bladet tillsammans med samma skruvar som används vid dagens förband. Vid drift märks knappt någon skillnad. Vid isbelastningen så tar formlåsningen dock upp mer spänning och avlastar skruvarna. Färre skruvar deformeras plastiskt. Det finns möjligheter att använda sig av redan befintliga lösningar som Superbolts, clampnuts och andra verktyg. Det som är avgörande för förbandets funktion är ett korrekt åtdragningsmoment. Positivt är att samtidigt kunna förspänna skruvarna utan torsion. En lösning är att ytbehandla skruvarna med en beläggning med känd friktionskoefficient. Tre lösningsförslag har tagits fram som ger ett bättre resultat än dagens förband.

Cellulosabaserade material är världens rikligast förekommande förnyelsebara råvara. Växters cellväggar är naturliga kompositmaterial där den kristallina cellulosan är inbäddad i en väv av hemicellulosa, strukturproteiner och lignin. Xyloglukaner är en viktig hemicellulosagrupp som omger och korslänkar den kristallina cellulosan i cellväggarna. I denna avhandling undersöks undersöks sambanden mellan struktur och funktion hos olika xyloglukan-aktiva enzymer. En modell för effektiv enzymatisk omvandling av biomassa ges av cellulosomen hos den anaeroba prokaryota organismen Clostridium thermocellum. Cellulosomen är ett proteinkomplex med hög molmassa och flera olika enzymaktiviteter, bl.a. det inverterande xyloglukan-endohydrolaset CtXGH74A. Proteinstrukturen för CtXGH74A har lösts i komplex med xyloglukanoligosackarider, som stabliliserar vissa loopar/slingor som är oordnade i apostrukturen. Ytterligare detaljerade kinetiska och produktananalyser har genomförts för att entydigt visa att CtXGH74A är ett endoxyloglukanas vars slutliga nedbrytningsprodukt är Glc4-baserade xyloglukanoligosackarider. Som jämförelse innehåller glykosidhydrolasfamilj 16 (GH16) såväl hydrolytiska endoxyloglukanaser som xyloglukantransglykosylaser (XETs) från växter. För att utreda vad som bestämmer förhållandet mellan transglykosylering och hydrolys i xyloglukanaktiva enzymer från familj GH 16 jämfördes struktur och kinetik hos ett strikt transglykosylas, PttXET16-34 från hybridasp, med ett nära besläktat hydrolytiskt enzym, NXG1 från krasse. I NXG1 identifierades en viktig förlängningsloop, som vid trunkering gav ett muterat enzym med högre transglykosyleringshastighet och minskad hydrolytisk aktivitet. Kinetikstudierna genomfördes med hjälp av nyutvecklade känsliga provmetoder med väldefinerade XGO:er och ett antal kromogena XGO-arylglykosider. En detaljerad förståelse av enzymologin inom GH16 möjliggjorde utvecklingen av en ny kemoenzymatisk metod för biomimetisk fiberytmodifiering med hjälp av PttXET16-34s translgykosyleringsaktivitet. Aminoalditolderivat av xyloglukanoligosackarider användes som nyckelintermediärer för att introducera ny kemisk funktionalitet hos xyloglukan, såsom kromoforer, reaktiva grupper, proteinligander och initiatorer för polymeriseringsreaktioner. Tekniken innebär ett nytt och mångsidigt verktyg för fiberytmodifiering. / Zellulosehaltige Materialien sind die häufigsten erneuerbaren Rohmaterialien auf der Welt. Pflanzenzellwände sind natürliche Kompositmaterialien, sie enthalten kristalline Zellulose, die in einer Matrix aus Hemizellulosen, Proteinen und Lignin eingebettet sind. Xyloglukane sind eine wichtige Gruppe der Hemizellulosen, sie ummanteln und verbinden Zellulose in der pflanzlichen Zellwand. In dieser Abhandlung werden Strukturen von drei Xyloglukanaktiven Enzymen in Beziehung zu ihrer Funktion untersucht. Ein Paradigma für effizienter Nutzung von Biomasse ist das Cellulosom des anaerob lebenden Bakteriums Clostridium thermocellum. Das Cellulosom ist ein hochmolekularer Komplex von Proteinen mit vielen verschiedenen Aktivitäten, darunter ist auch die invertierende Xyloglukan Endohydrolase CtXGH74A. Die Proteinstruktur von CtXGH74A wurde im Komplex mit Xyloglukanoligosacchariden (XGO) gelöst, welche ungeordnete Loops der apo-Struktur stabilisierten. Durch weitere detaillierte Analyse der Kinetik und Reaktionsprodukte konnte schlüssig gezeigt werden, daß CtXGH74A eine Endoglukanase ist, die Glc4-basierte XGO produziert. Im Vergleich dazu enthält die retentierende Glykosidhydrolasefamilie 16 (GH16) sowohl hydrolytische Endoxyloglukanasen als auch Transglykosidasen von Pflanzen. Um zu erklären welche Faktoren das Verhältnis zwischen Transglykosidase und Hydrolase Aktivität bei GH16 Xyloglukanaktiven Enzymen bestimmen wurde eine reine Transglykosidase PttXET16-34 von Hybridaspen mit einem nah verwandten hydrolytischen Enzym NXG1 von Kapuzinerkresse strukturell und kinetisch verglichen. Als Schlüsselstelle wurde eine Verlängerung eines Loops in NXG1 identifiziert, Verkürzung des Loops führte zu einer Mutante mit erhöhter Transglykosylierungsrate bei verminderter hydrolytischer Aktivität. Kinetische Studien wurden erleichtert durch neu entwickelte hochempfindliche Methoden für Aktivitätsmessung, die auf XGO oder chromogene Aryl-XGO als definierte Substrate zurückgreifen. Detailliertes Verständnis von GH16 Enzymologie hat den Weg für die Entwicklung für eine neuartige Methode für biomimetische Oberflächenmodifikation von Zellulosefibern geebnet, dafür wurde die transglykosylierende Aktivität von PttXET16-34 angewendet. Aminoalditol-derivate von XGO wurden als wichtigste Zwischenprodukte angewendet, um neue chemische Funktionalitäten in Xyloglukan einzuführen, darunter waren Chromophore, reaktive Gruppen, Proteinliganden und Initiatoren für Polymerisationsreaktionen. Die modifizierten Xyloglukane wurden an eine Reihe von verschiedenen Zellulosematerialien gebunden und veränderten die Oberflächeneigenschaften dramatisch. Diese Methode ist ein neues wertvolles Werkzeug für Oberflächenmodifikation von Zellulosen. / Cellulosic materials are the most abundant renewable resource in the world; plant cell walls are natural composite materials containing crystalline cellulose embedded in a matrix of hemicelluloses, structural proteins, and lignin. Xyloglucans are an important group of hemicelluloses, which coat and cross-link crystalline cellulose in the plant cell wall. In this thesis, structure-function relationships of a range of xyloglucan-active enzymes were examined. A paradigm for efficient enzymatic biomass utilization is the cellulosome of the anaerobic bacterium Clostridium thermocellum. The cellulosome is a high molecular weight complex of proteins with diverse enzyme activities, including the inverting xyloglucan endo-hydrolase CtXGH74A. The protein structure of CtXGH74A was solved in complex with xyloglucan oligosaccharides (XGOs) which stabilized disordered loops of the apo-structure. Further detailed kinetic and product analyses were used to conclusively demonstrate that CtXGH74A is an endo-xyloglucase that produces Glc4-based XGOs as limit digestion products. In comparison, the retaining glycoside hydrolase family 16 (GH16) contains hydrolytic endo-xyloglucanases as well as xyloglucan transglycosylases (XETs) from plants. To elucidate the determinants of the transglycosylase/hydrolysis ratio in GH16 xyloglucan-active enzymes, a strict transglycosylase, PttXET16-34 from hybrid aspen, was compared structurally and kinetically with the closely related hydrolytic enzyme NXG1 from nasturtium. A key loop extension was identified in NXG1, truncation of which yielded a mutant enzyme that exhibited an increased transglycosylase rate and reduced hydrolytic activity. Kinetic studies were facilitated by the development of new, sensitive assays using well-defined XGOs and a series of chromogenic XGO aryl-glycosides. A detailed understanding of GH16 xyloglucan enzymology has paved the way for the development of a novel chemo-enzymatic approach for biomimetic fiber surface modification, in which the transglycosylating activity of PttXET16-34 was employed. Aminoalditol derivates of XGOs were used as key intermediates to incorporate novel chemical functionality into xyloglucan, including chromophores, reactive groups, protein ligands, and initiators for polymerization reactions. The resulting modified xyloglucans were subsequently bound to a range of cellulose materials to radically alter surface properties. As such, the technology provides a novel, versatile toolkit for fiber surface modification. / QC 20100624