Academic literature on the topic 'Low-cost technologies for manufacturing turbogenerators'

AbstractDevelopments originally targeted toward economical manufacturing of telecommunications products have planted the seeds for new opportunities such as low-cost, large-area electronics based on printing technologies. Organic-based materials systems for printed wiring board (PWB) construction have opened up unique opportunities for materials research in the fabrication of modular electronic systems.The realization of successful consumer products has been driven by materials developments that expand PWB functionality through embedded passive components, novel MEMS structures (e.g., meso-MEMS, in which the PWB-based structures are at the milliscale instead of the microscale), and microfluidics within the PWB. Furthermore, materials research is opening up a new world of printed electronics technology, where active devices are being realized through the convergence of printing technologies and microelectronics.

Due to their unique advantages over traditional manufacturing processes, metal additive manufacturing (AM) technologies have received a great deal of attention over the last few years. Using current powder-bed fusion AM technologies, metal components are very expensive to manufacture, and machines are complex to build and maintain. Wire arc additive manufacturing (WAAM) is a new method of producing metallic components with high efficiency at an affordable cost, which combines welding and 3D printing. In this work, gas tungsten arc welding (GTAW) is incorporated into a gantry system to create a new metal additive manufacturing platform. Design and build of a simple, affordable, and effective WAAM system is explained and the most frequently seen problems are discussed with their suggested solutions. Effect of process parameters on the quality of two additively manufactured alloys including plain carbon steel and Inconel 718 were studied. System design and troubleshooting for the wire arc AM system is presented and discussed.

Fingerprint sensor had a long history. With the mobile electronics security application being ushered in several years back, miniature and low-cost capacitive fingerprint sensors enjoyed an explosion growth. One technology to make such a low-cost, highly sensitive, high environment tolerating and reliable technology is to use organic substrate to construct sensing element. In this paper, several technologies are reviewed. They include Si based absolute capacitive sensors, film-based transcapacitive technology, organic substrate-based transcapacitive technology. To make highly sensitive substrate sensor, a newly invented architecture has been achieved with new photosensitive material in combination with traditional substrate manufacturing process, resulting the best performance at very low cost. Detailed manufacturing process and performance evaluation results will be presented.

Microscale optofluidic devices are a category of microscale devices combining fluidic and optical features. These devices typically enable in-situ fluid flow measurement for pharmaceutical, environmental or biomedical applications. In micro-optofluidic devices, in order to deliver, as close as possible, the input light to the sample or a specific chip section and, collect the output signal, it is necessary to miniaturize optical components. In this paper, two low-cost technologies, 3D Printing PDMS-based and laser cutting PMMA-based (PDMS stands for Poly-dimethyl-siloxane and PMMA for Poly-methyl-methacrylate), were investigated as novel methods to realize micro-optical waveguides (μWGs) comparing their performances. An ad-hoc master-slave protocol developed to realize PDMS components by 3D Printing has been fully optimized. The manufacturing technologies proposed require simple and low-cost equipment and no strictly controlled environment. Similar results are obtained for both the micro-optical waveguides realized. Their losses, disregarding the losses caused by the fibers’ alignment and the miss-match of the geometry with the waveguide, are of the order of 20%, almost equivalent for both approaches (PDMS-μWG and PMMA-μWG). The losses are of the order of 10% when the PDMS-μWG is shielded by a copper layer, with a significant improvement of the signal acquired. The results obtained show the possibility of using the two low-cost technologies presented for the realization of micro-optical waveguides suitable to be integrated in micro-optofluidic devices and the potential of creating micro-optical paths inside micro-embedded systems.

New manufacturing methods involving direct fabrication processes seem ideal for mass customization or “just-in-time” production. The use of tool-less means of production ensures reduced lead-time and lower cost. Besides, they provide flexibility in design and fabrication, which are essential for small lot sizes. However, part quality and production reliability are challenges that must be met. When adapted to the micro-factory paradigm, direct manufacturing can be made portable and capable of remote manufacturing. The benefits of miniaturization are savings in materials and energy consumption, but the increased surface area to volume ratio has implications for material behavior, especially mechanical strength. The newest incarnation of direct manufacturing is direct digital manufacturing or DDM, which involves localized deposition of material or energy and the creation of heterogeneous objects with digital means of control. DDM seeks spatial control of macrostructure, composition, texture and properties with the possibility of producing materials with unusual behavior, functionally gradient structures and integrated component devices. For DDM, multi-material design, precision in deposition, shaping and removal and understanding of heterogeneous material behavior are challenges.

3D microelectronics integration and wafer scale packaging promise improvements in functional density and cost compared to conventional 2D microelectronics and packaging technologies. The realization of these improvements will require further adoption of 3D volume manufacturing process technologies. These process technologies will likely include through silicon via (TSV) and die or wafer bonding with and without 3D interconnect. Low temperature direct bond technologies have a number of inherent performance and cost advantages compared to other bonding technologies. This paper describes low temperature direct oxide bond technologies with and without a scalable 3D interconnect developed by Ziptronix and cost savings, performance and applications that will be enabled by adoption of these technologies. Enabled cost savings and performance include system or network-on-chip, system in package, and TSVs. Enabled applications include backside illuminated image sensors, micron-scale pitch vertically integrated image sensor arrays, 3D system-on-chip and 3D network-on-chip.

Future Deep Space (DS) ground stations envisioned by running projects funded by major space agencies are based on arrays of reflector antennas operating in different frequency bands. Therefore, a multi-band feeding system is required for each antenna, and a possible solution foresees the use of dichroic mirrors to separate/combine different beams. This paper presents a low-cost and fast manufacturing process for the fabrication of dichroic mirrors, usually referred to as punching technique or metal stamping. In particular, the specific advantages and limits of this fabrication technique are outlined and discussed, showing both electrical performance and manufacturing accuracy measurements from a test prototype. In addition, a typical scenario for future DS ground stations is described, showing the impact of these low-cost dichroic mirrors on the final ground station performance and cost, compared to the standard approach for dichroic mirror manufacturing based on more expensive and time-consuming technologies (e.g. milling machining).

This study presents manufacturing cryogenic tanks for aerospace applications. Since most high strength aerospace alloys like titanium alloys and Al-Li alloys exhibit low formability due to low ductility and work hardening, superplastic forming technology is applied to manufacture hemispherical shapes. Superplasticity is the ability of materials to deform plastically to show very large amount of strains. Advantages of superplastic forming technology include its design flexibility, low tooling cost and short leading time to produce. In this study, various manufacturing processes, like superplastic forming, diffusion bonding, laser beam welding and friction stir welding, are applied to manufacture titanium and aluminum cryogenic tanks. Using these technologies in manufacturing process makes the aerospace components lighter and stiffer, with efficient energy and cost saving.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.01 "Електричні машини і апарати" – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2020. Дисертація присвячена науково-прикладній проблемі дослідження особливостей роботи турбогенераторів (ТГ), що довгий час знаходяться в експлуатації на блоках ТЕС і АЕС, підвищенню їхньої енергоефективності, забезпеченню стійкої роботи на сучасну енергосистему, вирішенню питань продовження терміну експлуатації і підвищенню науково-технічної конкурентоспроможності нових ТГ на світовому ринку. Актуальність дослідження визначається особливістю сучасного періоду: екологічні проблеми, зростання населення планети, підвищення його енергетичної активності потребують подальшого збільшення вироблення електроенергії. В загальній енергосистемі України появились нові джерела, які мають активну державну підтримку, в той час, як класична електроенергетика (ТЕС і АЕС) не отримує достатнього державного фінансування для проведення науково-технічних робіт по вдосконаленню і оновленню електрообладнання. Тому було проведене прогнозування перспективних напрямків розвитку електроенергетики для підтвердження перспективності і необхідності виконання робіт по дослідженню і вдосконаленню ТГ як основних джерел електроенергії, по встановленню їхньої ролі в забезпеченні країни електроенергією, по вибору напрямків проведення робіт по створенню нових ТГ та модернізації ТГ, що довгий строк знаходяться в експлуатації, і заміна яких на нові неможлива через загальносвітову (і відповідно, вітчизняну) економічну кризу. Прогнозування подальшого розвитку електроенергетики та турбогенераторобудування виконане з використанням теорії циклічного розвитку (теорії "довгих хвиль" Кондратьєва М.Д.), яка дозволяє більш точно прогнозувати напрямки розвитку електроенергетики, знижує помилковість прийняття рішень. Проведено порівняння можливих сценаріїв розвитку сучасної електроенергетики України, з використанням теорії циклічного розвитку вибране найбільш доцільний сценарій, згідно з яким встановлені перспективні напрямки створення нових та модернізації ТГ, що тривалий стан знаходяться в експлуатації. Запропоноване вважати, що перспективним для України є стабілізаційне-стагнаційний сценарій розвитку з вибором сприятливого (помірного) шляху розвитку. Доказано, що майбутнє української електроенергетики, як і електроенергетики інших країн, пов'язане з роботою ТЕС і АЕС, тобто з досконалістю роботи ТГ. При будь-якому сценарії розвитку роботи по вдосконаленню ТГ повинні вестися безперервно, тому що їх характеристики і якість визначають енергетичну безпеку країни та конкурентоспроможність вітчизняної продукції. Для цього вибирались рішення, які повинні забезпечить стійку роботу ТГ в широкому діапазоні зміни параметрів, при роботі в різних режимах; вказані напрямки підвищення енергоефективності ТГ шляхом вдосконалення якості виготовлення, монтажу, обслуговування і ремонтів. Запропоноване при виготовленні і проведенні модернізації ТГ використовувати нові технологій, матеріали, розрахункові і конструктивні рішення. При розробці нових ТГ орієнтувались на світові стандарти в галузі турбогенераторобудування, розглядали поліпшення параметрів ТГ при модернізації спираючись на ці стандарти. Для визначення можливості підтримки науково-технічної конкурентоспроможності вітчизняних ТГ на світовому ринку встановлені напрямки, в яких зазначено відставання від світових фірм: слід підвищувати потужність в одиниці виконання, знижувати масогабаритні показники (в першу чергу, питому масу), удосконалювати діагностику стану ТГ і систем охолодження, вирішувати питання переведення ТГ потужністю 200-300 МВт з водневого на повітряне охолодження і т.ін. Для цього були вирішені питання розширення діапазону надійної експлуатації ТГ в різному технічному стані та при роботі в неномінальних режимах шляхом вдосконалення виробництва і монтажу, підвищення якості обслуговування та ремонтів; створення комплексних програм діагностики. Запропонована методика комплексного системного контролю стану ТГ в період довгої експлуатації з урахуванням особливостей режимів роботи енергетичних мереж та при переході до проведення ремонтів по фактичному стану, а не по графіку планово-попереджувальних ремонтів (ППР). Розроблені практичні пропозицій щодо використання нових конструкцій, технологій і матеріалів. При цьому враховували економічну доцільність рішень, що пропонуються. В роботі встановлена можливість і доцільність підвищення потужності ТГ в одиниці виконання. Показане, що сумарні маса, вартість і втрати потужності декількох ТГ завжди більші маси, вартості та втрат потужності однієї машини тієї ж сумарної потужності: при застосуванні одного ТГ, замість m ТГ такий же в сумі потужності, маса, вартість і втрати зменшуються приблизно в 4 m. Отримані залежності дозволяють визначити загальну тенденцію зміни маси і втрат ТГ і можуть бути використані для практичних розрахунків. Запропоновані напрямки зниження масогабаритних показників (в першу чергу, питомої маси) ТГ, напрямки вдосконалення системи їх охолодження з урахуванням вимог одночасного підвищення потужності без зміни габаритів і за умови заміни водневої системи охолодження внутрішнього об’єму ТГ маневрового діапазону потужності (200-300 МВт) на повітряну. Встановлено, що вітчизняні ТГ поступаються за масогабаритними параметрами практично всім фірмам, що вони в середньому на 30 % важче зарубіжних аналогів. Особливо це стосується параметрів неактивній зони ТГ. Порівняння питомих витрат матеріалів на одиницю потужності ТГ показали, що вага неактивній зони вітчизняних ТГ з водневою і повітряною системами охолодження досягає 38 % від загальної ваги ТГ, тоді як у світовій практиці це значення не перевищує 30 %, що значно знижує конкурентоспроможність вітчизняних ТГ. До причин, що визначають відставання від зарубіжних фірм, слід віднести застарілі технологій, недостатню профільну кваліфікацію інженерних кадрів; відсутність фінансування досліджень і робіт з освоєння нової техніки. Розроблена методика розрахунку механічної надійності модернізованих елементів і вузлів ТГ зі зниженими масогабаритними показниками. Запропоновані і обґрунтовані напрями зниження масогабаритних показників ТГ за рахунок вдосконалення їх неактивної зони шляхом використання більш перспективних технологій, стандартних профілів і нових матеріалів. При проведенні робіт по зниженню масогабаритних показників ТГ запропоновано проводити розрахунок технологічної оснащеності виробництва шляхом розрахунку загального та часткових коефіцієнтів технологічної оснащеності (КТО) по різним видам технологічної оснастки, що дозволяє порівняти технологічну оснащеність процесу виготовлення ТГ на вітчизняних підприємствах з підприємствами світу. Загальний КТО дозволяє пов'язувати технологічні процеси з діючими на заводах класифікаторами. Запропоновано для виготовлення ТГ підбирати технологі-чне обладнання як для умовно-дрібносерійного виробництва, використовувати уніфіковані пристосування, штампи, допоміжний інструмент і нормалізоване оснащення, що дозволить підвищити коефіцієнт технологічної оснащеності (КТО) на 30-50%. Проаналізоване стан і шляхи підвищення надійності систем охолодження, напрямки створення і діагностики сучасних охолоджувачів, розроблена методика компонування теплообмінників ТГ з урахуванням типу охолодного середовища і величини втрат при роботі в різних режимах. Встановлено зв'язки між агентами охолодження і масогабаритними показниками ТГ. Для оцінки проектних, експлуатаційних і економічних рішень, обраних під час проектування ТГ з повним повітряним охолодженням за умовою зниження масогабаритних показників, розроблена класифікація за чотирма основними напрямками: технічне, управлінське-кадрове, матеріально-постачальницьке та технологічне. Виконано порівняння масогабаритних показників конструктивних елементів ТГ з водневим і повітряним охолодженням. Вказані переваги і конструктивні відмінності конструкцій ТГ з повітряним охолодженням. Запропоновано конкретні зміни в конструкціях ТГ з повітряним охолодженням, що дозволяють без зміни їх габаритів забезпечити надійність і навіть підвищити потужність. Проведено економічне порівняння цих варіантів. Зібрано дані, проведено аналіз і запропоновані способи діагностики дефектів систем охолодження ТГ та засоби їх усунення в станційних умовах, встановлено вплив компонування числа ходів охолоджуючого газу в теплообміннику ТГ на експлуатаційні теплові напруги, на розподіл максимальної температури і її перепад по поверхні трубок, що дозволяє своєчасно діагностувати і усувати причини несправності охолоджувачів, розробляти рекомендації щодо проведення їхнього ремонту. Розроблено пропозиції щодо усунення причин руйнування охолоджувачів, визначені можливі причини незадовільної роботи нових охолоджувачів. Проведене дослідження особливостей роботи, діагностики, обслуговування і ремонтів ТГ, які мають тривалий термін експлуатації. Запропоновані алгоритм розрахунку гранично допустимого спрацювання елементів ТГ та форма таблиць для реєстрації їх фактичного стану в режимі on-line. Оцінка технічного стану ТГ та його елементів проводилась з метою визначення можливості їх подальшої експлуатації, встановлення об’єму необхідного ремонту, можливості реабілітації або повної заміни. Встановлене вплив швидкості наростання навантаження на деформацію стрижнів обмоток, на стан ізоляції і шихтованих осердь; визначене вплив "старіння" металів на надійність ТГ і довговічність їх експлуатації; проаналізоване і вибране найбільш доцільну конструкцію кріплення лобових частин обмоток статора. Визначено вплив якості складання шихтованого осердя на надійність і довговічність експлуатації ТГ, запропоновані причини руйнування осердь статорів ТГ, які тривалий час знаходяться в експлуатації. При роботі ТГ в неномінальних режимах враховували дію додаткових електромагнітних сил (ЕМС), створених потоками розсіювання в елементах кріплення осердя до корпусу. Величина цієї додаткової ЕМС мало залежить від змін активної і реактивної потужності, але її залежність від зміни напруги значна, що пояснює посилення вібрації осердя. Тому, якщо ТГ часто працює в неномінальних режимах, це посилення вібрації слід враховувати при складанні графіків проведення ремонтних робіт і визначення їх об’ємів. У стані зносу з'являються додаткові причини появи підвищеної вібрації в елементах конструкцій ТГ. В результаті досліджень шихтованих осердь ТГ, з використанням теорії деформації багатошарових об'єктів, розроблена модель, що дозволяє розрахунковим шляхом оцінювати вплив склейки пакетів шихтованих осердь, схеми укладання і відносного ковзання листів активної стали на згинальну жорсткість і надійність осердя. Запропонована методика розрахунку взаємного переміщення шихтованих листів в пакетах з різними схемами укладання листів. Виконана оцінка впливу "старіння" на жорсткість і міцність осердь статора. Підтримка постійного тиску пресування в шихтованому осерді ТГ збільшує його надійність і тривалість експлуатації. Складено модель дії сил, що діють між листами шихтованого осердя статора ТГ. Встановлено, що дія цих сил значна для крайніх листів пакетів осердь статорів і що добавка цих сил може бути однією з причин руйнування зубцевої зони: після відгинання крайнього листа умовно крайнім стає наступний лист, на нього діють сили, як і на перший лист, і так далі – ефект «доміно». Руйнуючий дії цих сил сприяє їх висока частота (100 Гц) і фактор старіння. Вважаємо, що ці сили пояснюють "розпушування" не тільки торцевих, але і центральних пакетів, а також пакетів, розташованих безпосередньо після крайніх склеєних пакетів. Запропоноване вважати, що вібрація є найбільш результативним показником стану ТГ, що важливо при виборі типу додаткових датчиків, які слід встановлювати при можливій відмові від системи ППР і переході до ремонтів за фактичним станом. Обмеження числа каналів контролю необхідно для зниження навантаження на операторів блоків електростанцій. Проведено огляд конструкцій лобових частин обмоток статорів ТГ ("кошика"), сформульовані пропозиції щодо виконання цього вузла для забезпечення допустимого рівня вібрацій і температурних напружень, синхронізації вібрацій з'єднаних елементів, стабілізації властивостей при тривалій експлуатації, для забезпечення технологічності і ремонтопридатності. Встановлено, що необхідно виконувати пружну стяжку лобових частин; застосовувати для фіксації лобових дуг в "кошику" ізоляційну мастику холодного затвердіння; використовувати для з'єднання зовнішнього конічного кільця з натискним кільцем осердя пружинні елементи, що допускають рух в аксіальному напрямку і обмежують – в радіальному. Розглянуті проблеми і запропоновані шляхи поліпшення професійної підготовки робітників ТЕС і АЕС, визначені напрямки підвищення їх економічної зацікавленості для утримання в національній електроенергетиці. Запропоноване підтримувати на державному рівні наукові дослідження щодо створення нової техніки і модернізації діючого устаткування в електроенергетичній галузі, показана необхідність удосконалювати систему освіти.
The dissertation on competition of a scientific degree of the doctor of technical sciences on a specialty 05.09.01 "Electric cars and devices" – National technical university "Kharkiv polytechnic institute", Kharkiv, 2020. The dissertation is devoted to the applied scientifically-applied problem of studying the peculiarities of the operation of turbogenerators (TGs) that have been in operation for a long time at TPP and NPP units, increasing their energy efficiency, ensuring stable operation for a modern power system, solving issues of extending the service life and increasing the scientific and technical competitiveness of new TGs in the world market. The relevance of the study is determined by the peculiarity of the modern period: environmental problems, the growth of the planet's population, an increase in its energy activity, which requires a further increase in the generated electricity. New sources have appeared in the general energy system of Ukraine, which have active government support, while the classical electric power industry (TPP and NPP) does not receive sufficient government funding to carry out scientific and technical work to improve and update electrical equipment. Therefore, forecasting of promising directions for the development of the electric power industry was carried out to confirm the prospects and the need to carry out work on the study and improvement of TGs as the main sources of electricity, to establish their role in providing the country with electricity, to establish directions for work on the creation of new TGs and modernization of TGs, which are long term time are in operation and replacement of which with new ones is impossible due to the global (and, accordingly, national) economic crisis. Prediction of further development and improvement of the electric power TGs made using the theory of cyclic (theory of Kondrat'ev "long-wave"), which allows more accurately predict the direction of the electric power, reduces inaccuracy decision due to the limited machine park of TGs. Comparison of possible scenarios for the development of modern electric power industry in Ukraine is carried out; choose the most promising scenario using the cyclical development of the theory, according to which set prospective directions of creation of new and modernization of the turbogenerators, which for a long time are in operation. It is proposed to consider that the stabilization-stagnation scenario of development with the choice of a favorable (moderate) path of development is promising for Ukraine. It is proved that the future of the Ukrainian electric power industry, as well as the electric power industry of other countries, is connected with the work of TPPs and NPPs, that is with the perfection of TG operation. Work on the improvement of TGs should be carried out continuously under any development scenario, because they determine the country's energy security and are a possible export item for domestic products. For this purpose, solutions were selected that should ensure the stable operation of TG in a wide range of parameter changes, when working in different modes; the directions of increase of energy efficiency of TG by improvement of quality of manufacturing, installation, service and repairs are specified. It is offered to use new technologies, materials, calculation and constructive decisions at manufacturing and carrying out modernization of TGs. When developing new TGs, we were guided by world standards. To determine the possibility of the scientific and technical competitiveness of domestic TGs in the world market, directions have been established in which there is a lag behind world firms: the need to increase the power per unit of performance and reduce the weight and size indicators (primarily, the specific gravity), improve designs, ensure the completeness of diagnostics of the TGs state and cooling systems, solution of the issue of transferring TGs 200-300 MW from hydrogen to air cooling, etc. To do this, the issues of expanding the range of reliable operation of TG in different technical condition, when working in non-nominal modes by improving production and installation, improving the quality of service and repairs; creation of comprehensive diagnostic programs. The method of complex system control of TGs condition during the period of long operation is offered taking into account features of operating modes of power networks and at transition to carrying out repairs on an actual condition, instead of on the schedule of planned and preventive repairs. Practical proposals have been developed for the use of new designs, technologies and materials. At the same time, we take into account the economic feasibility of the proposed solutions. The possibility and expediency of increasing the capacity of TG per unit of performance is established in the work. It is shown that the total mass, cost and power losses of several TGs are always large approximately at 4 m that mass, cost and power loss of one machine of the same total power. The resulting dependence can be used for practical calculations. The specific material consumption of the TGs was determined separately for the active and inactive zones of the machine. Directions were proposed for reducing the mass and size indicators (first of all, the specific mass) of TGs, improving their cooling system, taking into account the requirements for a simultaneous increase in power without changing the dimensions and subject to replacement of the hydrogen cooling system of the internal volume of the TGs shunting power range (200-300 MW) to the air cooling system. It was found that domestic TGs are inferior in weight and size parameters to almost all firms, that they are, on average, 30% heavier than their foreign analogues. This is especially true of the parameters of the inactive zone of TGs. Comparison of specific materials consumption per unit capacity of TGs showed that the weight of the inactive zone of domestic TG with hydrogen and air cooling systems reaches 38% of the total weight of TG, while in world practice this value does not exceed 30%, which significantly reduces the competitiveness of domestic TGs. In addressing the issue of reducing the mass and size parameters of the stator took into account the requirement of unification of parts and assemblies and the need to intensify cooling. The reasons that determine the lag behind foreign firms include outdated technologies, insufficient profile qualifications of engineers; lack of funding for research and development of new equipment. It is proposed to use the coefficient λ=ls/Ds to check the selected TG geometry. It is shown how the value of λ depends on the power of the generator, and that to reduce the mass and size indicators with increasing power, the coefficient λ should be reduced. The use of this coefficient makes it possible to choose the ratio of the TGs main parameters (ls and Ds) when carrying out work to reduce the specific mass and maintain the overall dimensions. The method of calculation of mechanical reliability of the modernized elements and knots of TGs with the reduced mass and dimensional indicators is developed. The directions of reduction of mass-dimensional indicators of TGs due to improvement of their inactive zone by use of more perspective technologies, standard profiles and new materials are proposed and substantiated. When working to reduce the mass and dimensions of the TGs, it is proposed to calculate the technological equipment of production by calculating the general and partial coefficients of the technological equipment (CTE) for different types of technological processes, which allows comparing the technological equipment TGs production at national enterprises with world enterprises. The general CTE allows you to link technological processes with classifiers operating at factories. It is proposed to select technological equipment for production of TG as for conditional small-scale production, to use the unified devices, stamps, the auxiliary tool and the normalized equipment that will allow to increase CTE by 30-50%. The state and prospects of increase of reliability of cooling systems, directions of creation and diagnostics of modern coolers were analyzed, the technique of arrangement of heat exchangers of TGs taking into account type of cooling environment and size of power losses at work in various modes is developed. The connections between the used refrigerant and mass and size indicators of TG are established. To assess the design, operational and economic solutions selected during the design of TG with full air cooling under the condition of reducing the mass and size indicators, a classification has been developed in four main areas: technical, managerial, material-supply and technological. The comparison of the mass and dimensional parameters of structural elements of TG with hydrogen and air cooling is performed. The advantages, disadvantages and structural differences of the designs of air-cooled TGs are indicated, specific changes in their designs are proposed, which, without changing the dimensions, ensure reliability and even increase power. An economic comparison was made between these options. The data were collected, the analysis of TG cooling systems malfunctions was carried out, which allows to diagnose and eliminate the causes of the chiller malfunction in time and to develop recommendations for repairs. Systematized defects of TG cooling systems, proposed methods for diagnosing defects and their elimination in the station conditions, the influence of TG heat exchanger layout on operating thermal stresses, maximum temperature distribution and its difference on the tube surface is established. Defects of TG cooling systems are systematized, methods of diagnostics of defects and ways of their elimination in the conditions of power plants are offered; the influence of the location of the heat exchanger and the number of strokes of the cooling gas on the operating thermal stresses, on the distribution of the maximum temperature and on the temperature drop on the surface of the tubes is established. Proposals have been developed to eliminate the causes of leakage in coolers, their destruction, and possible reasons for the unsatisfactory operation of new air coolers have been identified. The proposed classification of the failure of cooling systems can be used to train personnel for prompt action in the event of an accident. It is shown that timely and efficient repair of TG cooling system is economically advantageous because it reduces the probability of emergency shutdowns of power plant units. A study of the features of operation, diagnosis, maintenance and repair of TG, which have a long service life was conducted. The algorithm of calculation of maximum admissible operation of TG elements and the form of tables which register an actual condition are offered. The assessment of the technical condition of TG and its elements was carried out in order to determine the possibility of their further operation, in order to determine the amount of necessary repairs, the possibility of rehabilitation or complete replacement. The influence of the rate of load increase on the deformation of the winding rods, on the state of insulation and charge cores; the influence of "aging" of metals on reliability of TGs and durability of their operation is defined; analyzed and selected the most appropriate design for mounting the front parts of the stator windings. The influence of the quality of the core assembly on the reliability and duration of operation TGs is determined the reasons for the destruction of stators cores of TGs, which have been in operation for a long time, are proposed. When TGs operate in non-rated modes, it is necessary to take into account the action of additional electromagnetic forces (EMF) created by the leakage fluxes in the elements of the core-to-body fastening. Although the magnitude of such EMF is small, their effect is added to the action of EMCs from the main scattering fluxes, which usually act on the TG laminations packets in nominal mode, and contributes to their destruction. The magnitude of this additional EMF depends little on the changes in active and reactive power, but its dependence on the voltage change is significant, which, in our opinion, explains the increased vibration of the core. In a state of wear, vibration in the TGs structural elements increases. Therefore, if the TG often operates in non-nominal modes, this increase in vibration should be taken into account when scheduling repairs and determining their volumes. The reasons that affect the state of TGs laminated cores have been investigated; using the theory of deformation of multilayer objects, a model has been developed that allows one to evaluate the effect of gluing, method of laying and relative sliding of active steel sheets on the flexural rigidity and reliability of the core. In a state of wear there are additional reasons for the appearance of increased vibration in the structural elements of the TG. A method for calculating the mutual motion of laminated sheets in packages with different types of assembly and different state of insulation is proposed. It was found that when assembling a laminated package with an overlap of 1/2 sheet, its rigidity differs from the monolithic version by no more than 3%. The influence of "aging" on the stiffness and strength of the laminated stator core was evaluated. Maintaining a constant pressing pressure in the charged core of the TG increases its reliability and service life. A model for calculating the forces that act on the sheets of the TGs laminated stator core has been compiled. It is established that the action of these forces is significant for the extreme sheets of packets of stator cores, and that the addition of these forces may be one of the causes of destruction of the toothed zone: after bending the extreme sheet conditionally extreme becomes the next sheet and so on – it’s a "domino" effect. This is facilitated by the high frequency of the acting forces (100 Hz) and the aging factor. We believe that these forces explain the loosening of not only the end, but also the central packages, as well as packages located immediately after the extreme glued packages. It is concluded that maintaining a constant pressure in the laminated core TG increases its reliability and durability. It is suggested that vibration is the most effective indicator of TG status; this is important when choosing the type and number of additional sensors that are installed during the transition to the actual repairs. Limiting the number of control channels is necessary to reduce the burden on the power plant unit operators. A review of the designs of the frontal parts of the stator windings of the TG ("basket") was carried out, proposals were formulated for the layout of this unit to ensure the permissible level of vibrations and temperature stresses, to synchronize the vibration of the connected elements, to stabilize the properties during long-term operation, to ensure manufacturability and maintainability. To consider the problems and suggest ways to improve the training of workers of TPPs and NPPs, identified ways to increase their economic interest in keeping in the national electricity. It is proposed to support at the state level research in the electricity sector on the creation of new equipment and modernization of existing equipment, as well as to improve the education system.

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, System Design & Management Program, 2004.
Includes bibliographical references (p. 81-83).
Significant developments have taken place in defining technology standards and identifying avenues for technological innovations to reduce the cost of manufacturing RFID tags below the $0.05 price point. The Auto-ID center at MIT has been the central coordinating body with participation from 5 universities and over 100 industry partners. The primary focus of these efforts has been in developing a standard which minimizes the logic capability of on chip circuitry and using radical innovations to reduce the cost of assembly of the RFID tags. Various disruptive innovations are underway to explore lithographic techniques which can reduce the cost of fabrication in the sub 100 nm regime wherein photolithography faces significant challenges. This research analyzes the value chain in the RFID industry and reviews potential technology strategies using the double-helix model of business dynamics and Porter's five forces framework. It also explores the current state of the art in RFID tag manufacturing and proposes the application of disruptive technologies in conjunction with innovations in assembly and packaging to enable a low cost RFID system design. Five key emerging technologies which are examined in detail are Nanoimprint Lithography, Step and Flash Imprint Lithography, Inkjet Printing, Soft lithography and Spherical Integrated Circuit Processing. These are analyzed in terms of application to RFID tag manufacturing. Current innovations in high speed and low cost assembly and packaging techniques are also examined. Fluidic Self Assembly, Vibratory Assembly, Chip on Paper techniques are reviewed in terms of application to RFID manufacturing. A systems thinking approach is also pursued to explore the drivers for wider acceptance of RFID-based
(cont.) applications in addition to just depending on cost reduction for crossing the chasm from early adopters to a wider market penetration.
Badarinath Kommandur.
S.M.

Talking about the design of modern high-performance power train applications, one of the essential components to focus on are the gears. Gears convert torque and speed in a very wide power range, at low cost and with minimal losses and noise emission. However, the demands regarding cost, power density, NVH-behavior and efficiency are steadily increasing. Demands, which can only be met using modern gearing technologies that allow combining individual materials, heat treatment and manufacturing processes. Particularly in the industrial sector, the requirements for the reliability and service life of the gear units have increased. Therefore, more and more accurate calculation methods are required for the load bearing capacity, life expectancy and failure probability as well as better test methods. This aspect is also becoming more important with regard to Industry 4.0 and Predictive Maintenance. In addition, the potentials of innovative production methods like powder metal sintering, plas...

AbstractThe development of new manufacturing technologies opens up new perspectives for the production of propellers (diameter < 5 m), especially since the use of the established sand casting process as a technology is only partially competitive in today’s market. Therefore, different applications of generative manufacturing methods for the implementation into the production process were investigated. One approach is the mould production using additive manufacturing processes. Investigations showed that especially for large components with high wall thicknesses available systems and processes for sand casting mould production are cost-intensive and conditionally suitable. With our development of a large-format FDM printer, however, the direct production of large-format positive moulds for, for example, yacht propellers up to 4 m in diameter is possible. Due to the comparatively low accuracy requirements for the mould, the focus is on the durability of the drive system and the rigidity of this FDM printer. Equipped with simple linear technology in portal design and cubic design of the frame structure with rigid heated print bed, the aim is to achieve maximum material extrusion via the print head. The production of plastic models not only facilitates handling during the moulding process, but also allows considerable time and cost savings to be made during the running process. A further step in our development is the direct production of the components using WAAM. A possible concept for robot-supported build-up welding for the production of new innovative propeller geometries is presented using the example of a hollow turbine blade for a tidal power plant.

AbstractThe adoption of digital manufacturing in small to medium enterprises (SMEs) in the manufacturing sector in the UK is low, yet these technologies offer significant promise to boost productivity. Two major causes of this lack of uptake is the high upfront cost of digital technologies, and the skill gap preventing understanding and implementation. This paper describes a common approach to data capture and visualisation that is cheap and simple. Cheap through the utilisation of low cost and readily available consumer technologies, and simple through the pre-defined flexible approaches that require a minimum of configuration. This approach was implemented on three demonstrators to showcase the flexibility of the approach. These were a tool condition monitoring system, a job and machine status monitor, and a robotic process monitor. The development process resulted in a software architecture where processes were separated and communicated by message queues. We conclude that a service oriented architecture would be the best system for carrying forward the development process. This research was conducted as part of the wider EPSRC Digital Manufacturing on a Shoestring project.

AbstractWire arc additive manufacturing allows the production of metallic parts by depositing beads of weld metal using arc-welding technologies. This low-cost additive manufacturing technology has the ability to manufacture large-scale parts at a high deposition rate. However, the quality of the obtained parts is greatly affected by the various thermal phenomena present during the manufacturing process. Numerical simulation remains an effective tool for studying such phenomena. In this work, a new finite element technique is proposed in order to model metal deposition in WAAM process. This technique allows to gradually construct the mesh representing the deposited regions along the deposition path. The heat source model proposed by Goldak is adapted and combined with the proposed metal deposition technique taking into account the energy distribution between filler material and the molten pool. The effectiveness of the proposed method is validated by series of experiments, of which an example is detailed in this paper.

The starting point for this chapter is that Australia is a high-cost economy with a fading resources boom and a diminished domestic manufacturing sector. The chapter explores the fresh challenge that these structural developments present to public policy. It argues that this requires a shift from the dominant neo-classical policy paradigm, which has to date provided the intellectual muscle for a transformation of Australia's political economy. The chapter makes the case for policies framed to foster innovation and knowledge as the approach needed for Australia to succeed in an environment characterised by the new international distribution of manufacturing, the impact of new technologies, and the prevalence of global supply chains. To realise innovation-based economic renewal requires capacities for much more targeted interventions that engage business at cluster, sectoral, and/or regional levels. The chapter concludes by considering the obstacles to, and the possibilities for, policy change.

Additive manufacturing (AM) technology has been extensively embraced due to its capability to produce components at lower cost while achieving complex detail. There has been considerable emphasis on the development of low-cost AM technologies and investigation of production of various materials (metals, polymers, etc.) through AM processes. The most developed techniques for AM of products include stereolithography (SLA), fused deposition modelling (FDM), laser technologies, wire-arc welding techniques, and so forth. In this chapter, a review of the wire-arc welding-based technologies for AM is provided in two-fold perspective: (1) the advancement of the arc welding process as an additive manufacturing technology and (2) the progress in the production of metal/alloys and composites through these technologies. The chapter will provide important insights into the application of arc welding technology in additive manufacturing of metals and composites for advanced applications in the era of Industry 4.0.

Development of a compact radial recuperator prototype for a previously demonstrated 8 kW turboalternator has been completed. Its novel geometry has resulted in measured heat transfer effectiveness that surpasses 90% at the operating conditions of the engine, with acceptable pressure penalty (< 35 kPa) that can be easily accommodated by the compressor. Unrecuperated, the oil-free, high-speed micro-turboalternator, operating at 180,000 rpm and featuring compliant-foil bearings, presented a thermal (or cycle) efficiency of 12%. With the recuperator, thermal efficiency of approximately 30% is possible. The recuperator configuration is unique from both a geometric and a heat transfer point of view. Its radial (axisymmetric) configuration allows for compact system integration, concentric to the existing engine/combustor hardware assembly. While the addition of the recuperator prototype has increased the overall weight of the system, and hence reduced its specific power from the previously reported 1.6 kW/kg (1 hp/lbm) to approximately 0.9 kW/kg, the unprecedented gain in efficiency by such a compact device justifies its implementation. Furthermore, it is anticipated that continuing prototype refinement, along with the use of novel manufacturing technologies and materials (e.g. 3D printing and ceramics) will result in a significant increase in power density. Performance characterization has been performed for mass flow rates up to 0.08 kg/s and gas inlet temperatures up to 925 K, which are representative of meso-scale turbine engines. Scalability of the device has also been evaluated, down to a 1 kW engine, and up to MW order.

Silicon nitride monolithic structural ceramic components have recently been introduced as production parts in commercial aircraft turbomachinery pump and seal applications to take advantage of their unique thermomechanical properties. Additionally, extensive efforts are in progress to develop, evaluate, and productionize silicon nitride components for commercial aircraft turbomachinery hot sections, industrial power generation turbines, and automotive hybrid vehicle turbogenerators. AlliedSignal Ceramic Components has developed a family of in-situ reinforced silicon nitride materials for these applications and is developing and implementing a suite of component fabrication processes to achieve production-viable manufacturing of complex shaped components, including turbine seals, blades, nozzles, wheels, and combustors. A key focus of the manufacturing process development is the need to achieve low cost fabrication of components in order to meet cost targets required for commercial introduction. Finally, the status and plans for a number of aerospace, industrial, and automotive turbomachinery applications are discussed, including commercial aircraft turbomachinery production components (pump and seal parts) and development components (auxiliary power unit turbine blades and nozzles, and propulsion engine wheels and starter wheels), nozzle, blade, wheel and combustor components for automotive hybrid vehicle turbogenerators, and turbine blades and nozzles for industrial power generation gas turbines.